Il C.B.L. (Computer Based Laboratory): uno strumento a supporto della didattica nello studio sperimentale di alcuni aspetti della fisiologia umana.

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1 Il C.B.L. (Computer Based Laboratory): uno strumento a supporto della didattica nello studio sperimentale di alcuni aspetti della fisiologia umana. Salvatore Regalbuto, Sonia Formica Liceo Statale Polivalente Quintiliano Siracusa Il sistema C.B.L. (T.I.), corredato con specifici sensori, può costituire un valido supporto all insegnamento della biologia, in un ambito, quello della fisiologia umana, dove tradizionalmente la possibilità di sperimentare in classe è stata sempre molto scarsa. Si propongono i risultati di alcune esperienze. 1. Introduzione Nella scuola secondaria, così come nella primaria, l insegnamento delle Scienze Naturali, della Biologia o dell Educazione alla salute generalmente riserva uno spazio significativo allo studio dell anatomia e della fisiologia umana. L interesse per questi temi, sia dei docenti che degli allievi, è ovviamente motivato dal desiderio di conoscere il proprio corpo, dalle implicazioni di carattere igienico-sanitario che questa conoscenza comporta e dal ruolo formativo che lo studio della struttura degli organi e degli aspetti chimico-fisici della fisiologia ha sui giovani. Il supporto alla didattica in questo ambito disciplinare è stato fino ad oggi notoriamente costituito da tavole anatomiche, modelli anatomici tridimensionali, filmati, lucidi e comunque ausili didattici a carattere descrittivo. L attività sperimentale è stata di norma relegata allo studio delle caratteristiche citologiche ed istologiche degli organi coinvolti, condotto attraverso l osservazione di sezioni da osservare al microscopio o di diapositive (materiale in genere acquistato già pronto). Talora il sezionamento di un cuore di maiale o di animali domestici di piccola taglia poteva contribuire a supportare l apprendimento. In ogni caso l attività sperimentale restava comunque limitata allo studio delle caratteristiche strutturali degli organi, mentre gli aspetti funzionali degli apparati sia per il costo che per la complessità delle attrezzature richieste - difficilmente potevano essere indagati, se non in forma molto elementare. 2. Sistemi multimetro: il C.B.L. (Computer Based Laboratory) Da qualche anno il panorama degli ausili didattici a disposizione del docente di discipline sperimentali si è arricchito di strumenti, che consentono di condurre esperienze on line in ambito fisico, chimico e biologico. Questi apparati sono generalmente costituiti da una interfaccia e da un corredo di periferiche (sensori) che, collegate ad un PC, raccolgono dati sperimentali, connotandosi per una notevole flessibilità d uso. Nelle esperienze che si propongono è stato utilizzato il sistema C.B.L. 1, una interfaccia controllata da una calcolatrice grafica 2, che è in grado di raccogliere i dati provenienti da na grande varietà di sensori 3, elaborarli direttamente (attraverso la calcolatrice) o trasferirli ad un PC. 1 Una interfaccia prodotta dalla Texas Instruments, dotata di display, alimentata autonomamente in grado di gestire controllata da una calcolatrice grafica o da un PC - la raccolta di dati attraverso appositi sensori ( 2 TI-83 plus, TI-89 o TI-92 prodotte dalla Texas Instruments 3 alcuni prodotti dalla T.I. (temperatura, luce, tensione), altri dalla Vernier Software di Portland, Oregon - U.S.A..

2 3. Le esperienze. Si descrivono di seguito alcune esperienze, realizzate con il sistema C.B.L, al fine di esemplificare l impiego che questa attrezzatura può avere all interno di un curricolo che comprende lo studio della fisiologia umana. Ognuna di esse tratta solo alcuni aspetti riguardanti le funzionalità cardiaca e respiratoria. 3a. Fisiologia della respirazione Il sistema consente di determinare il ritmo respiratorio o frequenza respiratoria, inteso come il numero di atti respiratori compiuti in un minuto e calcolare il periodo respiratorio, ovvero il tempo impiegato per compiere un respiro. Questi parametri sono influenzati da diversi fattori: sesso, età del soggetto, forma fisica, abitudine al fumo di tabacco, ecc.; per questo è possibile studiarne le variazioni al mutare delle condizioni sperimentali. Per eseguire l esperienza sono stati utilizzati: C.B.L. TI-89 Adattatore sensore-cbl Sensore di ritmo respiratorio Sensore di pressione per biologia Al soggetto da testare è stata fatta indossare una particolare cintura, il sensore di ritmo respiratorio 4 e, dopo averne regolata la posizione e l aderenza al torace, è stata avviata la raccolta dei dati. Il sensore rileva ad intervalli regolari le variazioni di pressione determinate dai cambiamenti di volume della gabbia toracica (a seguito dell inspirazione e dell espirazione). Ecco un esempio di dati raccolti durante una esperienza didattica, nella forma grafica elaborata direttamente dal software che gestisce il CBL (CHEM-BIO 5 ), e trasferiti dalla calcolatrice alla porta seriale di un PC con il GRAPH-LINK 6. Figura 1. Figura 2. 4 Un accessorio per il CBL prodotto da Vernier, commercializzato in Italia da Media Direct s.r.l. 5 E un software (specifico per ogni modello di calcolatrice grafica della T. I.), prodotto dalla Vernier Software di Portland, Oregon (USA), caricato nella TI-89 gestisce la raccolta dei dati con il CBL, ne consente una elaborazione e la rappresentazione grafica 6 E un accessorio prodotto dalla T.I., costituito da un software da installare su un PC e da un cavetto che collega la calcolatrice grafica ad una porta seriale. Consente di trasferire dati dalla calcolatrice al PC e viceversa. 2

3 Nelle figure è rappresentato il grafico del ritmo respiratorio di un individuo in stato di riposo. Sono riportate in ascissa il tempo in secondi ed in ordinata la pressione in mm di mercurio rilevata dal sensore. I picchi indicano le fasi di inspirazione, le inflessioni le fasi di espirazione. L intervallo tra due picchi indica la durata di un respiro. Spostando il cursore 7 tra due punti, in un intervallo che corrisponde a 10 respiri (figg 1 e 2), è possibile calcolare: ( 39,0 4,5) Periodo respiratorio: = 3,45 s/respiro 10 10( respiri) Ritmo respiratorio: = 0,29 respiri/s = 17,4 respiri/min (39,0 4,5) Confrontando i dati rilevati su diversi allievi nelle medesime condizioni sperimentali, o sullo stesso soggetto al variare delle condizioni sperimentali, si possono trarre indicazioni e spunti di riflessione sull effetto che alcuni fattori determinano sul ritmo respiratorio, con implicazioni interessanti in tema di Educazione alla salute I dati raccolti con la calcolatrice grafica (TI-89), trasferiti ad un PC, possono essere manipolati con programmi applicativi di uso comune. Nella fig. 3 è riportato il grafico ottenuto elaborando con Excel (Microsoft) i dati rilevati con il sistema CBL: Respirazione in stato di riposo Pressione (mhg) Tempo (s) Figura 3 Un esperienza realizzabile con il medesimo sensore è l effetto di un breve periodo di apnea (25 s) sul ritmo respiratorio Misurando il ritmo respiratorio e la profondità del respiro, prima e dopo l apnea, si possono osservare alcuni cambiamenti significativi. 7 Un apposita funzione della TI-89: F3 o TRACE, permette, attraverso i cursori, di cavalcare la curva, percorrendola punto per punto. 3

4 Figura 4. Figura 5. Figura 6. Figura 7 Si calcola, considerando tre respiri consecutivi, il periodo ed il ritmo respiratorio. Prima dell apnea (figg. 4 e 5): ( 8,5 0,5) Periodo respiratorio: 3respiri = 2,66 s/respiro Ritmo respiratorio: Dopo l apnea (figg. 6 e 7) 3respiri (8,5 0,5) = 0,37 respiri/s = 22,5 respiri/min ( 34,0 25,5) Periodo respiratorio: = 2,83 s/respiro 3respiri 3respiri Ritmo respiratorio: = 0,35 respiri/s = 21,1respiri/min (34,0 25,5) Il periodo respiratorio è passato da 2,66 s/respiro a 2,83 s/respiro ed il ritmo respiratorio da 22,5 respiri al minuto a 21,1, quindi, dopo l apnea i respiri si sono fatti leggermente più lunghi. Esaminando la profondità del respiro, corrispondente alla variazione di pressione - registrata dal sensore - tra inspirazione ed espirazione, si rileva prima dell apnea un valore medio di 4,59 mmhg e dopo l apnea una variazione media di pressione di 9,56 mmhg: 4

5 N.progr. P min P max P N.progr. P min P max P respiro mmhg mmhg mmhg respiro mmhg mmhg mmhg 1 877,44 873,99 3, ,85 882,03 9, ,99 878,58 4, ,85 882,03 9, ,99 879,73 5, ,85 883,17 10,32 Media 4,59 Media 9,56 P prima dell apnea P dopo l apnea La risposta dell organismo alla sollecitazione prodotta dalla sospensione del respiro, dunque non è stata l aumento significativo della frequenza respiratoria, ma la maggiore profondità del respiro. 3b. Attività elettrica del cuore. Il sensore per elettrocardiogramma (EKG) collegato al sistema CBL, consente di rilevare alcuni parametri i più significativi - dell attività elettrica del cuore, permettendo così di rappresentare un grafico sul quale è possibile valutare, in termini quali-quantitativi, alcuni aspetti della funzionalità cardiaca. La semplicità con la quale è possibile acquisire i dati e la successiva discussione dei risultati conseguiti, fanno di questo strumento un supporto straordinario e fortemente innovativo alla didattica della fisiologia dell apparato cardio-vascolare. In un tipico tracciato di EKG è possibile individuare cinque caratteristici picchi, indicati dalle lettere P, Q, R, S e T, e quattro intervalli definiti tra questi punti, che corrispondono ad altrettante fasi dell attività cardiaca. L intervallo P-Q indica la depolarizzazione degli atri del cuore (valori normali: 0,12 0,20 s) Il complesso QRS corrisponde alla fase di depolarizzazione dei ventricoli del cuore (v.n.: <0,10 s) L intervallo Q-T indica la ripolarizzazione dei ventricoli. (v.n.: 0,30 0,40 s) Il picco che indica la ripolarizzazione degli atri è generalmente irrilevabile a causa dell intensità della curva QRS Per realizzare l esperienza occorre la seguente attrezzatura: C.B.L. TI-89 Adattatore sensore-cbl 5

6 Sensore EKG Dopo avere disposto sulle braccia del soggetto gli elettrodi e raccolto in automatico i dati, l elaborazione si effettua "cavalcando" la curva, in modo da determinare gli intervalli di tempo P-Q, QRS, Q-T. Il ciclo cardiaco corrisponde all intervallo di tempo tra l inizio dell onda P e la fine dell onda T. Al termine delle misurazioni si ottiene sul display della calcolatrice la rappresentazione grafica dei dati raccolti. Figura 8: visualizzazione di un EKG sul display della TI-89. Spostando opportunamente il cursore è possibile individuare con facilità la durata delle fasi del ciclo cardiaco: Figura 9: punto iniziale dell intervallo P-Q. Figura 10: punto finale dell intervallo P-Q e iniziale di QRS e Q-T 6

7 Figura 11: punto finale dell intervallo QRS Figura 12: punto finale dell intervallo Q-T I risultati riportati nella seguente tabella, indicano tenuto conto della natura didattica dell esperienza - una condizione di normale funzionalità del miocardio: Intervallo Tempo (s) P-R 0,16 QRS 0,06 Q-T 0,360 Rilevando la distanza tra due picchi consecutivi (R-R), con un semplice calcolo si può determinare il ritmo cardiaco, espresso in battiti al minuto: Ritmo cardiaco: 60 = 81 battiti/min (0,960-0,220) 3c. Frequenza cardiaca Oltre che attraverso il sensore per l EKG, il ritmo cardiaco può essere rilevato sia con il sensore di battito cardiaco (Vernier heart rate monitor) sia con il sensore di battito cardiaco sotto sforzo (Vernier exercise rate monitor). Il primo rileva attraverso le variazioni di intensità di un raggio di luce, che attraversa il lobo auricolare, la variazione dl flusso di sangue nel tempo e quindi, elaborando i dati raccolti, la frequenza cardiaca. Figura 13: Sensore di battito cardiaco. Grafici visualizzati sulla TI Rilevazione del flusso sanguigno. Ogni picco rappresenta un battito cardiaco. 2. Frequenza cardiaca di un soggetto a riposo. In ascissa il tempo, in ordinata il valore medio rilevato nell intervallo. 3. a) Frequenza cardiaca dopo un breve es ercizio fisico. Si osservano valori elevati nei primi tre punti. 4. b) Frequenza cardiaca dopo un breve esercizio fisico. Dopo un certo tempo di recupero, si ritorna ai valori osservati nello stato di riposo. 7

8 L altro sensore, indossato come una cintura aderente al torace, appena sotto lo sterno, rileva l attività elettrica del cuore e per ogni ciclo cardiaco emette un segnale che, rilevato da un ricevitore, viene trasmesso al CBL. Questo sensore consente al soggetto da testare di compiere più liberamente movimenti. Figura 14: Sensore di battito cardiaco sotto sforzo. Variazione della frequenza cardiaca durante un esercizio fisico. 1. Valore iniziale. 2. La frequenza raggiunge il valore massimo di 164 battiti/min. Si sospende l attività. 3. Trascorso il tempo di recupero, la frequenza ritorna ai valori iniziali. Questi sensori possono essere utilizzati per testare alcuni fattori che influenzano la frequenza cardiaca: emozioni, alimenti e bevande (cioccolato,caffè, tè, bevande a base di cola), attività fisica. 4. Conclusioni. Studiare l attività elettrica del miocardio, i fattori che esercitano effetti sul ritmo respiratorio e sulla frequenza cardiaca sono attività sperimentali di supporto all insegnamento della biologia, assolutamente innovative, che con modica spesa potrebbero essere inserite nell attività curricolare per migliorare il livello di partecipazione degli allievi, in un ambito dove notoriamente la sperimentazione in laboratorio è poco praticata. 8

9 Sommario 1. INTRODUZIONE SISTEMI MULTIMETRO: IL C.B.L. (COMPUTER BASED LABORATORY) LE ESPERIENZE 2 3a. Fisiologia della respirazione.. 2 3b. Attività elettrica del cuore.. 5 3c. Frequenza cardiaca CONCLUSIONI. 9 Bibliografia [1] S. Holman, D. Masterman, Biology with CBL,, Vernier software, Portland [2] Kimber, Gray, Stackpole, Anatomia e fisiologia, Ed. Piccin Nuova Libraria, Padova