1、工程電生理學(xué)緒 論1Outline 工程電生理學(xué)課程的主要任務(wù)工程電生理學(xué)歷史與背景工程電生理學(xué)的主要內(nèi)容工程電生理學(xué)的主要特點學(xué)習(xí)的方法與要求主要參考書2什么是工程電生理學(xué)？34生理學(xué)研究人體生命活動規(guī)律的科學(xué)，為生命科學(xué)的一個分支，亦是醫(yī)學(xué)科學(xué)的基礎(chǔ)理論學(xué)科。人體生理學(xué)的任務(wù)就是研究構(gòu)成人體各個系統(tǒng)的器官和細(xì)胞的正?；顒舆^程，特別是各個器官，細(xì)胞功能表現(xiàn)的內(nèi)部機制，不同細(xì)胞、器官、系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系和相互作用，并闡明人體作為一個整體，其各部分的功能活動是如何互相協(xié)調(diào)，互相制約，從而在復(fù)雜多變的環(huán)境中維持正常的生命活動過程的。5人體的生命活動包括四個基本特征機體從環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，合成為自

2、身物質(zhì)的過程稱為合成代謝（anabolism）。機體分解其自身成分并將分解產(chǎn)物排出體外的過程稱為分解代謝（catabolism）機體生存的環(huán)境條件改變引起機體活動的變化機體根據(jù)外環(huán)境情況而調(diào)整體內(nèi)各部分活動和關(guān)系的功能稱為適應(yīng)性產(chǎn)生與自己相似的子代個體6電生理學(xué)電生理學(xué)是一門研究生物細(xì)胞或組織的電學(xué)特性的科學(xué)。工程電生理學(xué)是建設(shè)在熱力學(xué)、電磁場理論、量子理論、信息論、生理學(xué)等基礎(chǔ)上的，以生理過程中信息產(chǎn)生、輸運以及處理等為研究對象，進(jìn)行相關(guān)生理解釋與建模，以及為醫(yī)學(xué)診斷、治療、生物信息應(yīng)用等提供基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)（課程）。7工程電生理學(xué)的主要任務(wù)深入理解生命的結(jié)構(gòu)、功能與演化；總結(jié)生命體中信息產(chǎn)生

3、、變化以及傳輸?shù)囊?guī)律；用建立模型來表示生理的（電）信息過程，其他。8電生理學(xué)的發(fā)展歷史生物電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)電魚放電現(xiàn)象（公元前300年）Walsh(沃爾什)發(fā)現(xiàn)電魚帶電Galvani(伽爾瓦尼 )的青蛙實驗（1786年，1791年）Matteucci(馬圖西)生物電流測量（1842年）Luigi Galvani (1737-1798)910生物電檢測測量生物電最初的設(shè)備是馬泰烏奇根據(jù)伽伐尼的蛙標(biāo)本(frog preparation)加以改進(jìn)，制成的“檢電蛙”德國生理學(xué)家迪布瓦雷蒙于1849年設(shè)計了第一臺測試儀器，稱作周期斷流器或稱電流斷續(xù)器(rheotome)。該裝置最初主要是用于測量神經(jīng)系統(tǒng)的電

4、位變化。伯恩斯坦(Julius Bernstein , 1839-1917)進(jìn)行了多方改進(jìn)，使其能夠獲得被測對象的動作電流振動時的圖解波形。11德國 Emil Du Bois Reymond (生理學(xué)家):改進(jìn)和設(shè)計了許多研究生物電現(xiàn)象的設(shè)備和儀器，如電鍵、乏極化電極、感應(yīng)線圈和更為靈敏的電流計等；又對生物電進(jìn)行了廣泛和深人的研究，如在大腦皮層、腺體、皮膚和眼球等生物組織或器官都發(fā)現(xiàn)了生物電，特別是1849他又在神經(jīng)干上記錄到損傷電位和活動時產(chǎn)生的負(fù)電變化，即神經(jīng)的靜息電位和動作電位121875年由法國物理學(xué)家，諾貝爾物理獎得主李普曼(Gabriel Jonas Lippmann,1845-1

5、921)發(fā)明了一種極靈敏的毛細(xì)管靜電計(capillary electrometer)，他在巴黎示范和論證了這一裝置，并將這一發(fā)明無償獻(xiàn)給了法國物理學(xué)會。這種裝置是用全新的物理原理設(shè)計的，它一出現(xiàn)，另一位在巴黎的法國生理學(xué)家馬雷(Etienne Jules Marey ,1830-1904)很快認(rèn)識到，其靈敏度和反應(yīng)速度非常適合于記錄迅速變化著的生物電活動。他設(shè)計了和這種儀器匹配的光學(xué)記錄系統(tǒng)，這樣該儀器就可以用于記錄各種變化的生物電。 1320世紀(jì)20年代， Gasser和Erlanger將陰極射線示波器等近代電子學(xué)設(shè)備引入神經(jīng)生理學(xué)研究，促進(jìn)了生物電研究的較快發(fā)展。于1944年他們兩位由于

6、對神經(jīng)纖維電活動的分析而共同獲得了諾貝爾獎英國生理學(xué)家A.L. Hodgkin,Huxley 和Eccles將毛細(xì)玻璃管電極從切口縱向插入烏賊的巨軸突內(nèi)，首次實現(xiàn)了靜息電位和動作電位的胞內(nèi)記錄?；趯ι窠?jīng)生理學(xué)研究的貢獻(xiàn)，霍奇金(A.L. Hodgkin)、胡克列(Huxley)和埃克勒斯(Eccles)三人分享了1963的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)諾貝爾獎。14Katz首先將微電極技術(shù)應(yīng)用于開展了神經(jīng)肌肉接頭突觸的研究，為此于1970年也獲得了諾貝爾獎。在神經(jīng)系統(tǒng)研究的蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)60年代便形成了神經(jīng)系統(tǒng)研究的綜合學(xué)科，即神經(jīng)生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)。15生物電的產(chǎn)生機理Hermann(赫爾曼 )

7、的“變質(zhì)學(xué)說”（1879年）Bernstein(伯恩斯坦 )的“薄膜學(xué)說”（1902年）Hodgkin(霍奇金)與Huxley(赫克斯利)的“鈉離子學(xué)說”（1949年）膜離子理論(1976年)，德國科學(xué)家Erwin Neher和Bert.Sakmann共同發(fā)展了一種允許記錄通過離子單通道的非常小的電流（PA，即10-12）的技術(shù)，即膜片鉗技術(shù) Neher和Sakmann發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞膜選擇性通透的原因是與離子通道的直徑有關(guān)，一種離子通道只允許某種大小的離子通過，1991年獲得諾貝爾獎。 16生物電的應(yīng)用研究腦電圖技術(shù)肌電圖技術(shù)心電圖技術(shù)功能性神經(jīng)肌肉刺激等等17Richard Caton, 英國內(nèi)

8、科醫(yī)生將電極直接放在暴露的動物腦表面，發(fā)現(xiàn)存在電信號，發(fā)表于1875年 1887年, Caton通過干擾落在動物眼中的光線，檢測到腦電的負(fù)向波動腦電圖EEG(electroencephalogram )的歷史18History of EEGDr. Hans Berger, 奧地利精神病學(xué)家首次記錄人體腦電十八世紀(jì)20年代早期，利用移動感光紙和閃動光點記錄腦電，發(fā)現(xiàn)每秒10次的常規(guī)波動由于這是他第一個從人類EEG中分離出來的波，他將此波動命名為波1929年，Berger發(fā)表了該結(jié)果，這是有關(guān)人類腦電的第一篇論文19202122心電圖ECG(electrocardiogram )1895年荷蘭生理

9、學(xué)家W. Einthovon首次從體表記錄到心電波形。W. Einthovon獲得1924年諾貝爾獎232425肌電圖26272829課程的主要內(nèi)容生理的物理、化學(xué)以及信息學(xué)基礎(chǔ)膜生物物理生物電的產(chǎn)生、傳輸及相關(guān)模型心電、腦電、肌電等電生理的基礎(chǔ)電磁生物效應(yīng)30工程電生理學(xué)的主要特點對生命結(jié)構(gòu)、生命現(xiàn)象的深入理解（微觀）結(jié)構(gòu)-功能生物過程的關(guān)系建立模型，特別是生命體內(nèi)信息產(chǎn)生、傳輸?shù)冗^程的模型生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科中的“橋梁”部分以生命體中電子信息為對象，為線索31學(xué)習(xí)的方法與要求（帶著問題的）課堂學(xué)習(xí)、討論與自學(xué)相結(jié)合；廣泛發(fā)現(xiàn)最新的一些資料；（虛擬）實驗與興趣研究；要求：綱要性的認(rèn)識對某些方面有較深入的理解提出問題32作業(yè)、實驗與考核作業(yè)：自愿提交實驗：演示與自己設(shè)計及實驗考核：期末考試（70%）+平時成績（20%）+實驗（10%）33主要參考書1教材