Tài liệu điện từ sinh học

Các hiện tượng này bao gồm : • Các trạng thái của mô bị kích thíchcác nguồn • Các dòng điện và điện thế trong vật dẫn khối • Từ trường bên trong và bên ngoài cơ thể • Các phản ứng của cá

Điện từ sinh học

Biên tập bởi:

ĐH Bách Khoa Y Sinh K50

MỤC LỤC

1 Giới thiệu chung

1.1 Giới thiệu chung về điện từ sinh học

1.2 Lược sử về điện từ sinh học

1.3 Giải Nobel về điện từ sinh học

2 Tế bào thần kinh và tế bào cơ

2.1 Tế bào thần kinh và tế bào cơ

3 Hiện tượng màng tế bào

3.1 Giới thiệu chung về hiện tượng màng tế bào

3.2 Cân bằng NERNST

3.3 Nguồn gốc của điện thế nghỉ

3.4 Màng tế bào khi cho thấm qua nhiều loại ion

3.5 Dòng ion qua màng

3.6 Phương trình cáp của sợi trục

3.7 Mối liên hệ giữa thời gian và độ bền

4 Phản ứng tích cực của màng tế bào

4.1 Giới thiệu về Phản ứng tích cực của màng tế bào

4.2 Phương pháp kẹp điện áp

4.3 MÔ HÌNH MÀNG TẾ BÀO HODGKIN-HUXLEY

4.3.1 Giới thiệu về mô hình màng tế bào Hodgkin-Huxley

4.5 Quan điểm hiện đại về các kênh ion

5 Synapse, tế bào thu nhận và não

5.1 Khớp thần kinh

5.2 Receptor của tế bào

5.3 Giải phẫu và sinh lý não

5.4 Thần kinh sọ

6 Tim

6.1 Tim

1/518

7 Nguồn khối và bộ dẫn khối

7.1 Nguồn khối và bộ dẫn khối

8 Mô hình nguồn trường

8.1 Mô hình nguồn trường

9 Mô hình lưỡng miền của các bộ dẫn khối đa tế bào

9.1 Mô hình lưỡng miền của các bộ dẫn khối đa tế bào

10 Mô hình Nơ ron điện tử

10.1 Giới thiệu chung về mô hình Nơ-ron điện tử

10.2 Phân loại các loại nơ ron

10.3 Các mô hình mô tả hàm biểu diễn của màng tế bào

10.4 Các mô hình mô tả tế bào là một đơn vị độc lập

11 Các phương pháp lý thuyết để phân tích nguồn khối và bộ dẫn khối

11.1 Các phương pháp lý thuyết để phân tích nguồn khối và bộ dẫn khối

12 Lý thuyết của các phép đo từ sinh học

13 Điện não đồ

13.1 Điện não đồ

14 Từ não đồ

15 Các hệ thống đạo trình tâm đồ véc tơ

15.1 Giới thiệu về các hệ thống đạo trình tâm đồ vector

15.2 Các hệ thống đạo trình tâm đồ véc tơ chưa hiệu chỉnh

15.3 Các hệ thống đạo trình tâm đồ véc tơ đã hiệu chỉnh

15.4 Thảo luận về ghi vecto điện tim đồ các đạo trình

16 Các hệ thống điện tâm đồ khác

16.1 Các hệ thống điện tâm đồ khác

17 Các hệ số méo trong điện tâm đồ

17.1 Các hệ số méo trong điện tâm đồ

18 Cơ bản của điện tâm đồ chẩn đoán

18.1 Nguyên tắc của chuẩn đoán EEG

18.2 Các lĩnh vực ứng dụng của chuẩn đoán EEG

18.3 Định nghĩa trục điện của tim và chuẩn đoán nhịp tim

18.4 Rối loạn kích hoạt trong chuỗi

18.5 Nguyên nhân một số bệnh ở tim

19 Từ tâm đồ

19.1 Từ tâm đồ và các phương pháp cơ bản trong từ tâm đồ

19.2 Phương pháp xác định vector từ tim

19.3 Phân bố độ nhạy của các đạo trình MCG cơ bản

2/518

19.4 Sự hình thành tín hiệu mcg trong quá trình hoạt động điện của tim

19.5 Mối quan hệ ECG-MCG

19.6 Ứng dụng lâm sàng của từ tâm đồ

20 Kích thích điện từ của mô thần kinh

20.1 Mô phỏng sự kích thích của sợi myelin hóa

20.2 Giao diện mô-điện cực

20.3 Kích thích từ của mô thần kinh

21 Tạo nhịp tim

21.1 Tạo nhịp tim

22 Khử rung tim

22.1 Sự rung của tim

22.2 Các học thuyết về khử rung tim

23 Phép đo biến đổi thể tích dựa trên trở kháng

23.1 Cơ sở điện sinh học của phương pháp xác định thể tích bàng cách đo trở kháng23.2 Trở kháng tâm đồ

23.3 Nguồn gốc tín hiệu trở kháng trong điện tâm đồ

Giới thiệu chung

Giới thiệu chung về điện từ sinh học

Khái niệm về điện từ sinh học

Điện từ sinh học là môn học xem xét về các hiện tượng điện, điện từ, từ được phát sinh

ở các mô sinh học

Các hiện tượng này bao gồm :

• Các trạng thái của mô bị kích thích(các nguồn)

• Các dòng điện và điện thế trong vật dẫn khối

• Từ trường bên trong và bên ngoài cơ thể

• Các phản ứng của các tế bào khi bị điện trường và từ trường kích thích

• Các đặc tính bản chất của mô

Việc phân biệt khái niệm điện từ sinh học từ khái niệm của điện tử y tế là rất quan trọng,bao gồm hiện tượng điện sinh học, điện từ sinh học, từ sinh học và hệ thống các phươngpháp đo lường và kích thích, trong khi điện tử y tế đề cập đến những thiết bị thực tếđược sử dụng cho những mục đích đó Theo như định nghĩa thì điện từ sinh học bao hàmnhiều ngành học bởi vì nó liên quan đến sự kết hợp của khoa học đời sống với khoa họcvật chất và kỹ thuật Do vậy chúng ta đặc biệt quan tâm đến những môn học mà kết hợpvật lý và kỹ thuật với sinh học và với y tế

Những môn học đó được định nghĩa ngắn gọn như sau:

• Lý sinh : Là môn khoa học mà liên quan đến việc giải quyết những vấn đề sinhhọc bằng các khái niệm của vật lý

• Sinh kỹ thuật : Việc áp dụng các kỹ thuật để phát triển các thiết bị chăm sócsức khỏe, phân tích hệ thống sinh học, và sản xuất các sản phẩm dựa trên

những tiến bộ trong công nghệ này Thuật ngữ này cũng thường bao hàm cả kỹthuật y sinh và kỹ thuật sinh hóa(công nghệ sinh học)

• Công nghệ sinh học : nghiên cứu về công nghệ xử lý vi sinh Các lĩnh vực ứngdụng chính của công nghệ sinh học là sản xuất nông nghiệp, thực phẩm vàdược phẩm

• Điện tử y tế : một bộ phận của kỹ thuật y sinh kiên quan đến các thiết bị điện tử

và các phương pháp trong lĩnh vực y tế

• Vật lý y tế : môn khoa học dựa vào các vấn đề vật lý trong y tế lâm sàng

• Kỹ thuật y sinh : một môn học kỹ thuật liên quan đến việc áp dụng khoa học vàcông nghệ (thiết bị và phương pháp) vào sinh học và y tế

4/518

Môi trường đa ngành học bao được công nhận hiện nay bao gồm lĩnh vực vật lý với kỹ thuật với

y tế và sinh học BEN=bioengineering, (Sinh kỹ thuật) BPH=biophysics, (Lý sinh)

BEM=bioelectromagnetism, (Điện từ sinh học) MPH=medical physics, (Vật lý y tế) MEN=medical engineering, (Kỹ thuật y tế) MEL = medical electronics (Điện tử y tế)

Hình trên minh họa mối quan hệ giữa các môn học Nguồn gốc phối hợp là nhiều mônkhoa học lý thuyết, chẳng hạn như sinh học và vật lý Là một trong những bước chuyểnkhỏi nguồn gốc, các môn khoa học ngày càng trở nên được áp dụng nhiều hơn Kết hợpvới cặp hai môn khoa học từ lĩnh vực kĩ thuật và y tế thành ngành học đa ngành như

là kĩ thuật y tế Nó phải được hiểu là môn học thực sự đa chiều, và vì vậy nội dung haichiều của nó chỉ mang tính chất gợi ý

Phân loại điện từ sinh học

Phân chia theo cơ sở lý thuyết

Môn học về điện từ sinh học có thể được chia nhỏ theo những cách khác nhau Mộttrong các cách phân loại phân chia theo cơ sở lý thuyết căn cứ theo hai định luật : cân

5/518

bằng Maxwell (kết nối điện từ) và định luật về tính tương hỗ Triết lý này được minhhọa ở hình 1.2 và được thảo luận chi tiết hơn ở dưới đây.

Cân bằng Maxwell

Môn học điện từ sinh học có thể được chia nhỏ theo nhiều cách Một trong những cách

đó là dựa vào định luật cân bằng Maxwell (mối quan hệ điện từ), đó là mối quan hệgiữa điện trường và từ trường biến thiên theo thời gian, như vậy là khi có điện trườngsinh học thì cũng sẽ có từ trường sinh học và ngược lại Dựa vào đó, khi ta nói đến hiệntượng điện, điện từ hay từ, thì điện từ sinh học có thể chia theo một chiều khái niệm(chiều ngang trên hình 1.2) ra làm 3, đặt tên là

từ sẽ chú ý một bộ phận nhỏ hợp lý thứ 4 : đo lường điện trường cảm ứng sinh ra bởi

từ trường biến thiên phát sinh từ vật liệu từ trong mô Bởi vì điện trường này không dễdàng phát hiện được và không có một giá trị nào được biết cả, chúng tôi đã bỏ qua nó từcác cuộc thảo luận trước)

• Đo một điện trường hoặc một từ trường từ một nguồn điện sinh học hoặc (một

Cơ cấu tổ chức của điện từ sinh học chia thành các phân vùng Đầu tiên phân chia theo chiều ngang thành : (A) Điện sinh học (B) Điện từ sinh học (Từ sinh học ) (C) Từ sinh học Sau đó chia theo chiều dọc thành : (I) Đo lường các trường (II) Kích thích và nhiễm từ và, (III) Đo lường các

đặc tính điện và từ bản chất của mô.

7/518

Đo lường các trường

(II) Kích thích điện với một điện trường hoặc từ trường hay sự nhiễm từ của vật liệu baogồm hiệu ứng của điện trường hoặc từ trường cung cấp cho mô Trong phân vùng nàycủa điện từ sinh học, năng lượng điện hoặc từ sinh ra bởi một thiết bị điện tử bên ngoài

mô sinh học Khi năng lượng điện hoặc từ được cung cấp tới mô dễ bị kích thích để kíchhoạt nó, nó được gọi là kích thích điện hoặc kích thích từ, tương ứng Khi năng lượng

từ được cung cấp cho mô bao gồm vật liệu sắt từ, vật liệu sẽ bị nhiễm từ (Để chính xác,một cơ thể người được tích điện tới một điện thế cao Kiểu thí nghiệm này, được gọi

là sự nhiễm điện, đã được thực hiện trong suốt thời gian pháy triển sớm của điện sinhhọc nhưng giá trị của nó chỉ là trong giải trí) Tương tự với đặc tính màng tế bào khôngtuyến tính có thể được định nghĩa với cả tác nhân kích thích dưới hạn và quá hạn Nănglượng điện hoặc từ dưới hạn có thể được cung cấp cho các mục đích điều trị khác, đượcgọi là liệu pháp điện hoặc liệu pháp từ Ví dụ của phân vùng thứ hai của điện từ sinhhọc, cũng được gọi là điện sinh học và từ sinh học, tương ứng, được thể hiện trong bảng1.2

8/518

Sự kích thích và sự nhiễm từ

(III) Đo lường đặc tính điện hoặc từ bản chất của mô là được bao gồm trong phân vùngthứ 3 của điện từ sinh học Như trong phân vùng thứ II, năng lượng điện hoặc từ đượcsinh ra bởi một thiết bị điện từ bên ngoài mô sinh học và được cung cấp cho nó Tuynhiên, khi năng lượng là dưới ngưỡng, đặc tính điện hoặc từ (bản chất) trước đó của mô

có thể thu được bằng cách thực hiện các phép đo phù hợp Bảng 1.3 minh họa cho phânvùng này

9/518

Đo lường đặc tính bản chất

Tiếp cận lý thuyết trường đạo trình

Như đã lưu ý tại mở đầu của phần 1.2.1, cân bằng Maxwell đã kết nối điện trường và từtrường biến thiên theo thời gian, vì vậy khi có một điện trường sinh học thì cũng có một

từ trường sinh học và ngược lại Kết nối điện từ này là định luật thống nhất ba phần A,B,

và C của điện từ sinh học theo chiều ngang của hình 1.2 Như đã lưu ý ở đầu phần này,phân bố độ nhạy trong việc dò tín hiệu điện sinh học, phân bố năng lượng của kích thíchđiện, và phân bố độ nhạy của phép đo điện kháng là như nhau Tất cả các điều này cũngđúng cho điện từ sinh học và từ sinh học, tương ứng Định luật mà gắn ba phần I,II,II vàthống nhất môn học điện từ sinh học theo chiều dọc của hình 1.2 là định luật tương hỗ.Những nguyên tắc cơ bản và minh họa xa hơn trong hình 1.3, hình được vẽ cùng dạngvới hình 1.2 nhưng bao gồm nội dung về phương pháp được áp dụng và trường đạo trình

mà mô tả đặc điểm phân bố độ nhạy/năng lượng của nó Trước khi kết thúc quyển sáchnày, người đọc có thể khó hiểu sâu về hình 1.3 Tuy nhiên, chúng tôi muốn giới thiệuhình này sớm bởi vì nó minh họa bao trùm nguyên tắc cơ bản toàn bộ môn học điện từsinh học, mà sẽ được khuếch đại sau

10/518

Tiếp cận lý thuyết trường đạo trình để mô tả các phân vùng của điện từ sinh học trong việc phát hiện tín hiệu điện sinh học, phân bố năng lượng trong kích thích điện, và phân bố của độ nhạy

đo của điện kháng là như nhau, do định luật tương hỗ Điều đó cũng đúng cho phương pháp điện sinh học và điện từ sinh học, tương ứng Cân bằng Maxwel nối điện trường và từ trường biến đổi theo thời gian lại cùng nhau vì vậy khi có điện trường sinh học thì cũng có từ trường

sinh học, và ngược lại.

11/518

Phân loại theo giải phẫu

Điện từ sinh học có thể phân loại theo đường giải phẫu Việc phân chia này đặc biệtthích hợp một khi thảo luận đến ứng dụng lâm sàng Trong trường hợp này, điện từ sinhhọc có thể được chia nhỏ ra phụ thuộc vào mô nào được áp dụng Ví dụ,có thể phân chianhư sau:

• Điện từ sinh học sinh lý thần kinh

• Điện từ sinh học tim, và

• Điện từ sinh học của các cơ quan và mô khác

Cách tổ chức của quyển sách này

Bởi vì về mặt giáo khoa , sử dụng chỉ một trong những sơ đồ đã nói ở trên (ví dụ, chiatheo cơ sở lý thuyết hay cơ sở giải phẫu)là không thích hợp nên cả hai điều đó đều được

sử dụng trong quyển sách này Quyển sách này bao gồm 28 chương chia thành 9 phần.Bảng 1.4 minh họa các chương khớp vào sơ đồ là nơi điện từ sinh học được chia dựatrên cơ sở lý thuyết, như đã giới thiệu ở hình 1.2 Phần I bàn về cơ sở giải phẫu và sinh

lý của điện từ sinh học Về mặt giải phẫu, ví dụ, phần I xem xét hiện tượng điện sinh họcđầu tiên ở cấp độ tế bào (ví dụ, liên quan tới tế bào thần kinh và tế bào cơ) và sau đó ởmức độ cơ quan (liên quan đến hệ thống thần kinh (não) và tim) Phần II giới thiệu cáckhái niệm về nguồn dẫn khối và vật dẫn khối và khái niệm về mô hình Nó cũng giớithiệu khái niệm về nguồn dòng đặt vào và thảo luận khái niệm lý thuyết chung về môhình nguồn-trường và vật dẫn khối hai miền Những sự thảo luận này chỉ xem xét cáckhái niệm điện Phần III khảo sát phương pháp lý thuyết và vì vậy sẽ không thảo luận

về các đặc trưng giải phẫu Vì các lý do thực tế (và lịch sử), điều thảo luận này sẽ lầnđầu tiên được trình bày về mặt điện trong chương 11 Chương 12 liên quan hầu hết cácphương pháp lý thuyết này tới hiện tượng từ và đặc biệt xem xét sự khác nhau giữa haikhái niệm điện và từ Phần còn lại của cuốn sách ( tức là phần IV-IX) khảo sát các ứngdụng lâm sàng Vì lý do này, điện từ sinh học lần đầu tiên được chia trên một cơ sở giảiphẫu thành điện sinh học và (điện)từ sinh học hợp thành để chỉ ra tính tương đương giữachúng Phần IV mô tả các phép đo từ của nguồn điện sinh học của tế bào thần kinh, vàphần V là của tim Phần VI, chương 21 và 21 mô tả kích thích điện và từ của tế bào thầnkinh và phần VII, chương 23 và 24, là của mô tim Các phần nhỏ cũng được gọi như làđiện sinh học hay từ sinh học Phần VIII tập trung vào phân vùng III của điện từ sinhhọc – đó là phép đo các đặc tính điện bản chất của mô sinh học Chương 25 và 26 kiểmtra phép đo và sự tạo ảnh của trở kháng mô Và chương 27 là đo lường phản ứng điện

da Trong phần IX, chương 28 giới thiệu tới người đọc tín hiệu điện không phải sinh ra

ở mô hưng phấn : điện nhãn đồ (EOG) và điện đồ võng mạc (ERG) Điện đồ võng mạc(ERG) cũng được thảo luận trong sự kết nối với nguyên nhân giả phẫu, mặc dù tín hiệuphụ thuộc và mô hưng phấn, tên là võng mạc Việc thảo luận tác động của điện từ trườnglên mô, là một phần của phân vùng II, bao gồm các chủ đề về sinh lý và bệnh lý tế bào

12/518

hơn là lý thuyết điện từ Vì vậy quyển sách này không bao gồm chủ đề này Người đọc

có thể có một cái nhìn khái quát về nó với ví dụ tham khảo (Gandhi, 1990; Relly, 1992)

13/518

Cấu trúc của quyển sách (bởi số chương) phụ thuộc vào cách chia điện từ sinh học theo cơ sở lý

thuyết.

Bởi vì thảo luận về phân vùng C đòi hỏi phải giới thiệu thêm các quy tắc cơ sở, nêntrong tập này chúng tôi chọn không đưa nó vào Như đã nói ở trước, phân vùng C đòihỏi đo điện trường từ vật liệu từ, từ háo vật liệu, và đo từ cảm Người đọc quan tâm đếnchủ đề này nên xem Maniewski et al (1988) và các nguồn khác Tại thời điểm hiện nay,quan tâm tới chủ đề C bị hạn chế

Sự quan trọng của điện từ sinh học

Tại sao chúng ta nên xem xét các nghiên cứu về hiện tượng điện và từ trong các môsống như là một môn học độc lập? Nguyên nhân chính là hiện tượng điện sinh học củamàng tế bào là chức năng sống quan trọng của cơ thể sống Các tế bào sử dụng điện thếmàng theo nhiều cách khác nhau Với việc mở các kênh Natri một cách đột ngột, điệnthế màng tế bào bị thay đổi hoàn toàn trong vòng một phần nghìn của giây Các tế bào

14/518

trong hệ thống thần kinh trao đổi thông tin bằng các tín hiệu điện truyền qua giữa chúngmột cách nhanh chóng trong các quá trình thần kinh Trên thực tế, cuộc sống chính nóbắt đầu với một sự thay đổi của điện thế màng tế bào Như khi tinh trùng kết hợp với tếbào trứng trong thời điểm thụ tinh, các kênh ion trong tế bào trứng đã được kích hoạt.Kết quả của việc thay đổi điện thế màng tế bào sẽ ngăn chặn sự thâm nhập của các tế bàotinh trùng khác Hiện tượng điện được đo lường một cách dễ dàng, và do đó, phươngpháp tiếp cận này là trực tiếp và khả thi Trong việc nghiên cứu của các phương phápkhác, như trường hợp của hóa sinh và lý sinh, một cảm biến đặc biệt được sử dụng đểchuyển đổi các hiện tượng quan tâm thành các tín hiệu điện đo được Ngược lại với cáchiện tượng điện có thể dễ dàng đo được bằng các điện cực đơn giản, từ trường do nósinh ra có thể được đo bằng từ kế Ngược lại với tất cả các giá trị sinh học khác, hiệntượng điện sinh học và từ sinh học có thể phát hiện ở thời gian thực bằng các phươngpháp không tiếp xúc bởi vì các thông tin thu thập được từ chúng được biểu hiện ngaylập tức thông qua vật dẫn khối hình thành bởi cơ thể Nguồn của nó có thể được nghiêncứu bằng cách áp dụng lý thuyết hiện đại về nguồn khối và vật dẫn khối, sử dụng khảnăng tính toán của các máy tính hiện đại(các khái niệm về nguồn khối và vật dẫn khối

có nghĩa là nguồn và vật dẫn ba chiều, tương ứng, có kích thước tương đối lớn so vớikhoảng cách đo) Ngược lại, tác nhân kích thích điện điều khiển được theo không gian

và thời gian có khả năng kích hoạt các vùng bị liệt của hệ thống thần kinh và cơ bắpcủa cơ thể Bản chất điện của các mô sinh học cho phép truyền tải tín hiệu thông tin,điều khiển và do đó có tầm quan trọng đối với sự sống Loại đầu tiên bao gồm ví dụnhư thị giác, thính giác, và xúc giác Trong các trường hợp này, một cảm biến ngoại vi(mắt, tai,…) bắt đầu các tín hiệu hướng tâm về bộ não Các tín hiệu ly tâm bắt đầu từnão có thể dẫn đến việc co chủ động của các cơ tạo hiệu ứng chuyển động của các chi làmột ví dụ Và cuối cùng, ít nhất phần nào, hằng tính nội môi đòi hỏi sự điều chỉnh khépkín trung gian bởi các tín hiệu điện mà có ảnh hưởng đến các chức năng sinh lý của sựsống như là nhịp tim, lực co bóp của tim, sự tiết dịch, v.v Là kết quả của sự phát triểnnhanh chóng của các thiết bị điện tử và khoa học máy tính, các công cụ chẩn đoán, đượcdựa trên hiện tượng điện sinh học, được phát triển rất nhanh chóng Hiện nay không thểtưởng tượng rằng bất cứ bệnh viện hay phòng khám bác sĩ nào mà lại không có thiết bịđiện tim hay điện não Sự phát triển của vi điện tử đã tạo ra những công cụ chẩn đoáncầm tay và tăng cường khả năng chẩn đoán của nó Thiết bị dẫn tốc điều nhịp tim cấyđược đã cho phép hàng triệu người có vấn đề về tim được trở về với cuộc sống bìnhthường Các ứng dụng từ sinh học đang được phát triển một cách nhanh chóng, trongtương lai, sẽ bổ sung các phương pháp điện sinh học trong chẩn đoán và điều trị y tế.Những ví dụ đó minh họa cho việc điện từ sinh học là một phần quan trọng của cuộcsống hằng ngày của chúng ta Dùng điện từ sinh học có thể nghiên cứu các trạng tháicủa mô sống ở cả hai cấp độ tế bào và cơ quan Hơn nữa những thành tựu mới nhất củakhoa học hiện nay cho phép các nhà khoa học làm nghiên cứu tại cấp độ dưới tế bàobằng cách đo dòng điện chảy qua một kênh ion đơn của màng tế bào với phương pháppatch-clamp Với cách áp dụng sau, điện từ sinh học có thể được áp dụng cho sinh họcphân tử và cho sự phát triển của dược phẩm mới Vì vậy, điện từ sinh học cung cấp các

cơ hội mới và quan trọng cho sự phát triển của các phương pháp chẩn đoán và điều trị

15/518

Lược sử về điện từ sinh học

Văn bản đầu tiên và thí nghiệm đầu tiên

Văn bản đầu tiên của các hiện tượng điện sinh học là chữ tượng hình Ai Cập cổ năm

4000 trước Công Nguyên Chữ tượng hình mô tả cá nheo Âu điện (cá trê) như một loại

cá mà “thả cả đàn” Hiển nhiên, khi bắt cá bắt được loài cá đó, nó sẽ sinh ra sốc điện vớimột biên độ cao hơn 450 V, khiến người ngư dân phải thả tất cả cá ra Cá nheo Âu cũngđược minh họa trên tranh bích họa ở lăng mộ (Morgan, 1868)

Các triết gia Hy lạp Aristotle (384-322 B.C) và Thales (625-547 B.C) thí nghiệm với hổphách và công nhận sức mạnh hút các vật chất nhẹ (Smith, 1931) Văn bản đầu tiên trong

áp dụng y tế của điện là từ năm 46 sau Công Nguyên, khi Scribonius Largus khuyếnkhích sử dụng cá ngư lôi để chữa đau đầu và viêm khớp gút (Kellaway, 1946) Cá điệnvẫn chỉ có nghĩa sản xuất điện cho thí nghiệm trị bệnh bằng điện cho đến thế kỷ 17

William Gilbert (1544-1603), bác sĩ cho nữ hoàng Elizabeth I của Anh, là người đầu tiên

đã đưa ra sức hút của hổ phách để lên kế hoạch thí nghiệm Gilbert đã chế tạo ra thiết bịđầu tiên để đo năng lượng này Dụng cụ thí nghiệm tĩnh điện này là một kim làm bằngkim loại nhẹ xoay được trên một chân vì thế nó sẽ quay về hướng các vật chất có sứchút Gilbert gọi các vật chất có năng lượng này là electrick, từ tên tiêng Hy Lạp cho hổphách Mặc dù ông ấy đã tự tạo ra thuật ngữ này và cuối cùng trở thành ngành khoa họcmới về điện Gilbert đã xuất bản thí nghiệm của mình năm 1600 trong một cuốn sáchđầu đề là De Magnete

Thiết bị đầu tiên để khám phá ra điện là dụng cụ đo tĩnh điện phát minh bởi William Gilbert

(1600)

Thí nghiệm khoa học được ghi lại một cách cẩn thận đầu tiên trong sinh lý thần kinh

cơ được tiến hành bởi Jan Swammerdam (người Hà Lan, 1637-1680) Tại thời điểm đóngười ta tin rằng sự chuyển động của cơ là do dòng chảy của “tinh thần sinh vật” hay

“chất lỏng thần kinh” dọc theo dây thần kinh tới các cơ Năm 1664, Swammerdam đãthực hiện thí nghiệm để nghiên cứu thể tích của cơ thay đổi trong suốt quá trình co cơ.Swammerdam đã đặt cơ của ếch (b) và một chai thủy tinh (a) Khi co các cơ bằng cáchbắt đầu kích thích và dây thần kinh vận động của nó, một giọt nhỏ (e) trong ống hẹp, lồi

16/518

ra từ chai thủy tinh, không chuyển động, chỉ ra rằng các cơ không giãn ra Vì vậy sự co

cơ không thể là kết quả của dòng chảy bên trong của chất lỏng thần kinh

Trong một số thí nghiệm tương tự, Swammerdam kích thích dây thần kinh vận dộngbằng cách nén nó Trên thực tế, trong thí nghiệm này kích thích đạt được bằng cách kéodây thần kinh vận động bằng một sợi dây (c) làm bằng bạc tỳ vào với một cái vòng (d)làm bằng đồng Dựa trên các định luật về điện hóa, hai kim loại không giống nhau trongthí nghiệm này được nhúng vào chất điện phân cung cấp bởi mô, là nguồn gốc của lựcđiện động (emf) và liên quan đến dòng điện Dòng điện chảy qua kim loại và mô, vàphản ứng với kích thích (kích hoạt) của thần kinh trong mẫu mô Các dây thần kinh, mộtkhi đã kích hoạt, tạo ra một dòng điện của chính nó Đó là nguồn gốc của sinh học, đượcđiều khiển bởi các nguồn trong màng các dây thần kinh và cơ, và là khác biệt với cácdòng kích thích kể trên Các vùng hoạt động của sự lan truyền hưng phấn từ thần kinhđến cơ ngay lập tức gây ra sự co cơ Đặc tính điện của thần kinh và cơ hình thành nênchủ đề “điện sinh học” là chủ đề trung tâm của bài luận này

Người ta tin rằng đây là tài liệu thí nghiệm đầu tiên về kích thích thần kinh vận động

là kết quả của lực điện động tạo ra tại chỗ nối của kim loại kép Swammerdam có thểkhông hiểu rằng thần kinh cơ hưng phấn là một hiện tượng điện Nói cách khác, một sốtác giả hiểu theo cách nào đó sự kích thích nói ở trên để có kết quả thật sự từ sự co duỗicủa dây thần kinh Kết quả của thí nghiệm này được xuất bản sau khi tác giả mất năm1738

17/518

Thí nghiệm kích thích của Jan Swammerdam năm 1664 Chạm vào dây thần kinh vận động của

cơ ếch (b) trong một chai thủy tinh (a) với dây bạc (c)và vòng đồng (d) tạo ra kích thích tới thần kinh, sẽ tạo ra sự co cơ Tuy nhiên, khó chắc chắn rằng có kích thích được tạo ra không như là

kết quả của điện từ hai kim loại khác nhau hay do sự nén cơ học.

Chiếc máy điện đầu tiên được chế tạo bởi Otto von Guericke (người Đức, 1602-1686)

Đó là một quả cầu sunphua (“kích thước của đứa trẻ sơ sinh”) với một chiếc rìu sắt gắnvới một khung gỗ, như hình vẽ khi quả cầu quay và bị cọ xát, nó tạo ra tĩnh điện (von

18/518

Guericke, 1672) Chiếc máy điện thứ hai được phát minh vào năm 1704 bởi FrancisHauksbee the Elder (người Anh, 1666-1713) Nó là một quả cầu thủy tinh được quaybởi một bánh xe Khi quay thủy tinh bị cọ xát và nó sinh ra điện liên tục (Hauskbee,1709) Nó đề cập tới rằng Hauskbee cũng thí nghiệm với việc rút không khí khỏi quảcầu thủy tinh bằng một bơm không khí và có thể tạo ra một ánh sáng chói, và vì vậy dựđoán việc phát hiện ra tia catốt, tia x, electron.

Otto von Guericke chế tạo ra chiếc máy điện đầu tiên bao gồm một quả cầu sunphua với một

chiếc rìu sắt Khi quay và ma sát quả cầu sẽ tạo ra tĩnh điện.

19/518

Chiếc máy điện phát minh bởi Hauskbee năm 1704 Nó có một quả cầu thủy tinh được quay bởi một bánh xe Khi quả cầu thủy tinh quay và bị ma sát nó sẽ liên tục tạo ra điện Nếu quả cầu thủy tinh bị hút hết không khí bằng bơm không khí thí nó sẽ tạo ra một ánh sáng chói.

Tại thời điểm đó sử dụng chính của điện là cho giải trí và y tế Một trong những tuyên bốđầu tiên liên quan đến việc sử dụng điện được phát biểu năm 1743 bởi Johann GottlobKrüger của trường đại học Halle : “Tất cả mọi vật đều có thể hữu dụng; đó là chắc chắn.Bởi vì điện có thể hữu dụng, và chúng ta đã thấy rằng nó không thể được tìm thấy trongthần học và trong luật học, rõ ràng là không có gì ngoài y học.” (Licht, 1967)

20/518

Kích thích điện và từ

Áp dụng hệ thống của thiết bị điện y học cho điều trị bắt đầu vào những năm 1700

Có thể nhận ra bốn giai đoạn lịch sử khác nhau của kích thích điện từ, mỗi thời kìdựa trên một dạng xác định hay nguồn gốc của điện Các thời kì đó được đặt têntheo Benjamin Franklin (người Mỹ, 1706-1790), Luigi Galvani (người Ý, 1737-1798),Micheal Faraday (người Anh, 1791-1867) và Jacques Arsène d’Arsonval (người Pháp,1851-1940 Những người đó đã phát hiện ra hoặc khởi xướng các loại điện khác nhau :tĩnh điện, điện một chiều, sốc cuộn dẫn và dòng tần số vô tuyến, tương ứng

Các thời kì khác nhau của kích thích điện và kích thích điện từ

Những phát minh chủ yếu cần thiết cho việc áp dụng một dòng điện kích thích là chaiLeyden Nó được phát minh vào ngày 11 tháng mười, năm 1745 bởi nhà phát minhngười Đức Ewald Georg vonKleist (1700-1748) Nó cũng được phát minh một cách độclập bởi một nhà khoa học Hà Lan, Pieter van Musschenbroek (1692-1761) của đại họcLeyden tại Hà Lan năm 1746 Chai Leyden là một tụ điện tạo bởi một chai thủy tinhđược tráng kim loại ở bề mặt bên trong và bên ngoài Việc thực hành tạo tĩnh điện đầutiên được phát minh bởi Jesse Ramsden (người Anh, 1735-1800) năm 1768

Benjamin Franklin đã suy luận ra điện tích âm và điện tích dương năm 1747 trong suốtthí nghiệm của ông với chai Leyden Franklin cũng nghiên cứu điện khí quyển với thínghiệm diều nổi tiếng của ông năm 1752

Ngay sau khi chai Leyden được phát minh, nó được cung cấp cho kích thích cơ bắp vàđiều trị liệt Năm 1747, Jean Jallabert (người Ý, 1712-1768), giáo sư toán tại Genova,

đã áp dụng kích thích điện cho một bệnh nhân bị liệt ở tay Thí nghiệm này, được ghichép lại một cách cẩn thận (1748), miêu tả sự khởi đầu của kích thích điều trị của cơbằng điện

21/518

Chai Leyden, phát minh năm 1745, lần đầu tiên lưu trữ được điện Nó được tạo bởi một chai

thủy tinh được tráng một lớp kim loại ở bề mặt bên trong và bên ngoài.

Thí nghiệm nổi tiếng nhất trong kích thích thần kinh cơ được thực hiện bởi LuigiGalvani, giáo sư nguyên tử tại trường đại học Bologna Phát hiện quan trọng đầu tiêncủa ông vào ngày 26 tháng một, năm 1781 Một con ếch mổ sẵn ra nằm trên cùng mộtchiếc bàn với một chiếc máy điện Khi người phụ tá của ông chạm vào dao mổ dây thầnkinh đùi của con ếch phát tia lửa điện và đồng thời phóng điện vào chiếc máy điện gần

đó và một sự co cơ dữ dội xảy ra Galvani tiếp tục nghiên cứu kích thích với điện khíquyển, trên chân con ếch Ông nối một vật dẫn điện giữa mặt phẳng của ngôi nhà và dâythần kinh của chân con ếch Sau đó ông nối đất cơ chân ếch bằng một vật dẫn khác sátngay đó Và ông nhận được sự co cơ khi đèn bật sáng Vào tháng 9 năm 1786, Galvani

đã thử nhận sự co cơ từ điện khí quyển trong suốt thời tiết êm đềm Ông treo lơ lửngcon ếch trên lan can bằng một móc đồng xuyên vào tủy sống Galvani đã ngẫu nhiên ấncái móc dựa vào cái lan can khi mà chân con ếch cũng chạm vào nó Quan sát thấy sự

co cơ thường xuyên, ông lặp lại thí nghiệm trong một căn phòng kín Ông đặt chân conếch lên một tấm sắt và ấn cái móc đồng dựa vào tấm sắt, và xuất hiện sự co cơ Tiếptục với hệ thống thí nghiệm đó, Galvani nhận thấy rằng khi mà dây thần kinh và cơ củacon ếch đồng thời chạm vào kim loại kép đồng và kẽm, một sự co cơ được sinh ra Thínghiệm này thường được trích dẫn như là một nghiên cứu cổ điển để chứng minh cho

sự tồn tại của điện sinh học, mặc dù, như đã đề cập trước đó, Jan Swammerdam cũng đã

có thí nghiệm tương tự năm 1664 Tuy nhiên Galvani đã chưa hiểu được cơ chế của sựkích thích với cấu trúc kim loại kép Giải thích của ông cho hiện tượng này là cấu trúckim loại kép đã phóng “điện động vật” tồn tại trong cơ thể

22/518

Thí nghiệm kích thích của Luigi Galvani Đặc tính điện hóa của hai kim loại không giống nhau (kẽm và đồng) trong một cấu trúc kim loại kép, được nối với dung dịch điện phân của mô, sinh

ra một dòng điện kích thích khiến cơ co dữ dội.

Alessandro Volta (người Ý, 1745-1827), giáo sư vật lý tại Pavia, tiếp tục thí nghiệm trênkích thích điện mạnh Ông hiểu rõ hơn cơ chế làm thế nào mà điện lại sinh ra từ haikim loại không giống nhau và một chất điện phân Công việc của ông dẫn tới phát minhnăm 1800 về pin Volta, một nguồn pin có thể tạo ra một dòng điện liên tục Giovanni(Joannis) Aldini (người Ý, 1762-1834), một người cháu họ của Galvani, áp dụng dòngđiện kích thích từ pin Volta cho bệnh nhân (1804) Với điện cực mà ông sử dụng là cácchai đầy nước mà bệnh nhân đặt tay trong đó Ông cũng sử dụng phương pháp này trong

nỗ lực làm tỉnh lại những người gần như đã chết

Năm 1872, T Green miêu tả phương pháp hồi hô hấp và nhịp đập của tim, một phươngpháp làm tỉnh lại các bệnh nhân phẫu thuật bị gây mê bởi cloroform, và bất tỉnh bởihiệu ứng suy giảm hô hấp và nhịp tim Sử dụng một nguồn tới 200 pin để tạo ra khoảng

300 V, ông cung cấp điện áp này cho bệnh nhân ở giữa cổ và sườn dưới bên trái Đã

có tài liệu rằng T Green đã sử dụng phương pháp này thành công trên năm hoặc bảybệnh nhân bị dừng thở đột ngột và không có mạch (Green, 1872) Micheal Faraday phátminh ra cuộn dẫn năm 1831 đã mở đầu cho thời đại dòng điện cảm ứng trong điện yhọc (Faraday, 1834) Tuy nhiên, nó được Emil Heinrich du Bois-Reymond (người Đức,1818-1896), là người mà năm 1846 đã giới thiệu cuộn dẫn trong ứng dụng y tế Nó đượcgọi là kích thích Faraday Một cuộn dẫn với một búa đập được chỉ ra ở hình vẽ dưới

23/518

Một thí nghiệm ban đầu của kích thích Faraday của vỏ não được thực hiện năm 1874bởi bác sĩ Robert Bartholow, một giáo sư y tại Cincinnati Cincinnati kích thích cho vỏnão giãn ra với dòng điện cảm ứng và quan sát thấy rằng một sự chuyển động dữ dội củacác chi ở phía đối diện cũng khiến cho đầu quay về phía đó.

Cuộn dây dẫn với búa đập Dòng điện từ nguồn ắc quy (E) được cung cấp cho mạch sơ cấp của cuộn dây (A) Dòng điện sẽ kéo búa với từ trường của cuộn dây nam châm (gần G) và ngắn mạch với công tắc (D) Thông qua sự rung của búa thì sự ngắn mạch liên tục và nó cảm ứng một dòng điện xoay chiều điện áp cao trong mạch thứ cấp Dòng điện này sẽ được cung cấp cho

bệnh nhân bằng điện cực H.

Trong cuối những năm 1800, Jacques Arsène d’Arsonval cung cấp nhiệt cho các môsống bằng cách sử dụng dòng điện tần số cao với một điện cực hoặc với một cuộn dâylớn Đây là khởi đầu của phép điện nhiệt Jacques d’Arsonval đã báo cáo nhận thấy sựnhòe thị giác khi đưa đầu một người vào trong một từ trường mạnh thay đổi theo thờigian Nó được sinh ra bởi một cuộn dây lớn mang dòng điện 32 A tần số 42 Hz Ông gọihiện tượng này là “đom đóm mắt do từ” Nó được gây ra bởi hiệu ứng kích thích bởi từtrường đối với võng mạc, là bộ phận rất nhạy cảm với từ Đó là thí nghiệm kích thích từđầu tiên đối với hệ thống thần kinh

24/518

Ống dây nam châm của s’Arsonval (1893)

Nhà khoa học đầu tiên báo cáo dẫn tốc điều nhịp tim trực tiếp là F Steiner (1871) Ông

là người đã chứng minh phương pháp này trên một con chó bị gây mê quá liều với mộtliều chloroform Năm 1882, Hugo Wilhelm von Ziemssen (người Đức, 1829-1902) ápdụng phương pháp này với con người Chỉ đến năm 1932, khi dẫn tốc điều nhịp timđược báo cáo bởi Albert Salisbury Hyman (người Mỹ, 1893-1972), đó là một phươngphát được áp dụng cho lâm sàng để dẫn tốc điều nhịp tâm nhĩ

Thời kì hiện đại của dẫn tốc điều nhịp tim bắt đầu vào tháng tám năm 1952, khi PaulMaurice Zoll (người Mỹ, 1911- ) thực hiện dẫn tốc điều nhịp trong 20 phút Năm 1958,Furman và và Schwedel thành công trong việc giúp đỡ bệnh nhân dẫn tốc điều nhịptrong 96 ngày Việc cấy thiết bị dẫn tốc điều nhịp tim, là một mốc trong lịch sử điện từ

25/518

sinh học, đã được hoàn thành tại Stockholm bởi bác sĩ phẫu thuật Äke Senning ).Vào ngày 8 tháng mười năm 1958, tại viện Karolinska, ông đã cấy thiết bị dẫn tốc điềunhịp chế tạo bởi kỹ sư Rune Elmqvist Sự phát triển của các thiết bị cấy điều nhịp có thểđược thực hiện là nhờ phát minh về transistor của Bardeen và Brattain năm 1948.

(1915-Báo cáo đầu tiên về sự khử rung tim, năm 1899, là của Jean Louis Prevost (người Thụy

Sĩ, 1838-1927) và Frédéric Battelli (người Ý, 1867-1941) Họ phát hiện, khi thí nghiệmtrên động vật, rằng sốc điện điện áp thấp gây rung tâm thất trong khi sốc điện áp cao thìkhông Thay vào đó, sốc điện điện áp cao lại gây ra sự khử rung tim

Sự khử rung tâm thất bắt đầu với công việc nổi tiếng của William B Kouwenhoven(người Mỹ, 1886-1975) và người đồng nghiệp của mình, là người đã sử dụng dòng điện

60 Hz để khử rung tim của chó trong những năm 1930 Việc khử rung tim người đượchoàn thành bởi Beck và đồng nghiệp của ông năm 1947 (Beck, Pritchard và Feil, 1947)

Khám phá hoạt động điện sinh học

Mối quan hệ giữa điện và từ được phát hiện vào năm 1819 bởi Hans Christian Örsted(người Đan Mạch, 1977-1851) Örsted tiến hành thử nghiệm đầu tiên của mình trongsuốt quá trình học tại Đại học Copenhaghen Cho một dòng điện chạy trong dây dẫnphía trên một cái kim nhiễm từ tạo ra lực đẩy kim di chuyển theo hướng vuông góc vớidây dẫn Đổi chiều dòng điện thì chiều của kim cũng bị đổi ngược lại (Kim nam châm,

ví dụ la bàn, được phát minh tại Trung Quốc khoảng 100 năm sau Công nguyên để dò

từ trường)

Tái hiện lại minh chứng đầu tiên của mối quan hệ điện và từ bởi Hans Christian Örsted năm

1819 Nguồn pin tạo ra một dòng điện I chạy trong dây dẫn kim loại Kim nam châm phía dưới dây dẫn đổi hướng song song với chiều của cảm ứng từ đã chứng minh sự tồn tại của nó.

26/518

Sau khám phá này, người ta đã phát minh ra điện kế, một thiết bị để đo những dòng điệnnhỏ Được phát minh bởi Johann Salemo Chrisropf Schweigger (người Đức, 1779-1875)năm 1821, nó dựa trên sự lệch hướng của kim nam châm trong từ trường bên trong cuộndây, được chuyển thành dòng điện đo được Bởi vì ông đã tăng từ trường bằng cách sửdụng nhiều vòng dây tạo thành cuộn dây Schweigger gọi thiệt bị này là multiplikator.Năm 1825, Leopold Nobili (người Ý, 1784-1835), một giáo sư vật lý tại Florence đãphát minh ra điện kế phiếm định Trong cấu tạo của nó, Nobili tạo ra hai cuộn dây gồm

72 vòng quấn Một kim nam châm được đặt ở giữa mỗi cuộn dây Hai kim nam châmcùng được treo với nhau Chúng được đặt song song với nhau, nhưng cực từ ngược nhau.Bởi vì dòng điện chạy trong hai cuộn dây theo chiều ngược nhau, cả hai kim nam châmđều quay về cùng một chiều Bởi vì chiều ngược nhau như vậy, nên hai kim nam châmkhông bị ảnh hưởng bởi từ trường Trái Đất Một phiên bản khác của điện kế tĩnh điệnđược mô tả ở hình bên Cấu tạo của nó chỉ bao gồm một hoặc hai kim nam châm

Điện kế phiếm định phát minh bởi Nobili năm 1825 Ông đã bù hiệu ứng từ trường của Trái Đất bằng cách đặt hai kim nam châm giống nhau treo trên cùng một trục heo hai hướng ngược nhau

giữa hai cuộn dây.

Một phiên bản khác kỹ thuật cao hơn của điện kế phiếm định Chỉ có một hoặc hai nam châm

giống nhau (nhưng ngược nhau) được bao quanh bởi một cuộn dây.

Carlo Matteucci (người Ý, 1811-1865) là người đầu tiên đo được dòng điện sinh học Sửdụng điện kế phiếm định, ông làm phép đo xung cơ đầu tiên trên cơ của ếch năm 1838,mặc dù báo cáo đã không được ghi lại cho đến năm 1842

Năm 1841, nhà sinh lý học người Đức Emil du Bois-Reymond đã nhận được bản saocủa bài luận ngắn của Matteucci về điện của loài vật, và vì vậy đã được biết đến thínghiệm của Matteucci Ông lặp lại thí nghiệm đó với thiết bị cải tiến hơn Bên cạnh việcphát hiện dòng điện sinh học từ cơ của ếch, du Bois-Reymond năm 1842 (khoảng thờigian ngắn sau khi tờ báo cáo của Matteucci được xuất bản), đã đo được dòng điện phátsinh từ xung thần kinh của ếch Một trong những thí nghiệm của ông được minh họa ởhình dưới

27/518

Một trường học của Anh về sinh lý học thần kinh được bắt đầu khi Richard Caton (ngườiAnh, 1842-1926) quan tâm đến kỹ thuật ghi điện của du Bois-Reymond và áp dụng nó

để đo điện thế kích thích của não của thỏ và khỉ Báo cáo đầu tiên về các thí nghiện củaông, được xuất bản năm 1875, được tin rằng đã tạo nên những khám phá về điện não

đồ (EEG) Năm 1888, một nhà khoa học Balan trẻ Adolf Beck (1863-1942), làm việccho một nhà sinh lý học lớn Napoleon Nicodemus Cybulsky (1854-1919) tại trường đạihọc Krakow, thành công trong việc chứng minh rằng xung động lan truyền theo sợi thầnkinh mà không có sự suy giảm Không biết về công việc của Caton, Beck nghiên cứuđiện thế hoạt động thí nghiệm trên động vật và độc lập phát hiện một số kết luận củaCaton Bác sĩ tâm thần người Đức Hans Berger (1873-1941) đã lần đầu tiên ghi điện nãocho con người năm 1924 và xác định hai nhịp tim chính và điện tim đồ của Berger ghilại được minh họa dưới đây

Dụng cụ của Du Bois-Reymond để nghiên cứu hiệu ứng của dòng điện liên tục trên dây thần

kinh

28/518

Một trang của quyển vở của Berger mô tả việc ghi lại điện tim đồ của con người.

Đồ hình của điện thế hoạt động của tim con người, điện tim đồ (EEG), được đo lần đầutiên năm 1887 bởi Augustus Waller (người Anh, 1856-1922) bằng cách sử dụng tĩnhđiện kế mao dẫn Trong tĩnh điện kế mao dẫn một phim ảnh chuyển động được phơisáng cùng với một ống kính mao dẫn đầy axit sunphuric và thủy ngân Giao diện của nóchuyển động để đáp ứng lại điện trường Độ nhạy của tĩnh điện kế mao dẫn là khoảng 1

mV, nhưng thời gian đáp ứng của nó là rất kém Tĩnh điện kế mao dẫn được phát minhnăm 1873 bởi Gabriel Lippman, và kỹ thuật chụp ảnh mà nhờ nó tín hiệu được ghi lạibởi E J Marey và G J Lippman (1876) Waller phát hiện ra rằng bộ phát sinh điện tim

có bản chất là lưỡng cực và đề nghị rằng điện tim đồ nên được đo giữa 5 điểm đo baogồm hai tay, hai chân và miệng (tổng cộng 10 lưỡng cực dẫn) Ông cũng là người đầutiên ghi lại bộ 3 đường dẫn gần trực giao, bao gồm miệng tới tay trái, miệng tới chântrái, và trước ra sau

29/518

Người tiên phong trong điện tim đồ hiện đại là Willem Eithoven (người Hà Lan,1860-1927) là người, vào đầu thế kỷ này, đã phát triển thiết bị ghi điện tim chất lượngcao đầu tiên dựa trên cơ sở điện kế dây (Eithoven, 1908) Mặc dù Eithoven thường đượcghi nhận là phát minh ra điện kế dây, nhưng vinh dự lại thuộc về Clémem Ader (1897).Mặc dù Eithoven rõ ràng thực hiện các cải tiến quan trọng trong thiết bị này khiến cho

nó có thể được áp dụng vào điện tim đồ lâm sàng Eithoven đã tổng kết các kết quả cơbản của ông trong nghiên cứu điện tim đồ năm 1908 và 1913 và nhận giải Nobel chonhững nghiên cứu của ông vào năm 1924

Horatio Williams, người đầu tiên xây dựng dãy các vector tức thời (Williams, 1914),thường được coi là người phát minh ra điện tim đồ vector Hubert Mann đã nghiên cứu

xa hơn về điện tim đồ vector và phát triển nó như là một công cụ lâm sàng Ông xuấtbản điện tim đồ vector hai chiều đầu tiên dựa trên tam giác Eithoven năm 1916 và gọicấu trúc này là “monocardiogram” (Mann, 1920) Sau J B Johnson (1921) của công tyWestern Electric đã phát minh ra ống tia catốt điện áp thấp, nó đã bắt đầu trở nên có thểhiển thị tín hiệu điện sinh học ở dạng vector trong thời gian thực Phát minh này chophép điện tim đồ vector được sử dụng như là công cụ lâm sàng

Phát minh về ống electron bởi Lee de Forest (người Mỹ, 1873-1961) năm 1906 cho phéptín hiệu điện sinh học được khuyếch đại, cách mạng hóa kỹ thuật đo lường Cuối cùng,phát minh về transistor của John Bardeen và Walter Brattain năm 1948 đánh dấu bướckhởi đầu cho thời đại bán dẫn Nó cũng cho phép các thiết bị điện từ sinh học được thunhỏ lại, có thể di động và cấy vào cơ thể, và đáng tin cậy hơn

Việc ghi điện tim đầu tiên bởi Augustus Waller (1887) Bản ghi này được ghi với tĩnh điện kế mao dẫn Bản ghi tín hiệu điện tim (e) là đường ranh giới giữa vùng màu trắng và vùng màu đen Đường cong khác, là điện tim đỉnh, một bản ghi về chuyển động cơ học của đỉnh của tim.

30/518

Điện trường của tim trên bề mặt ngực, ghi bởi Augustus Waller (1887) Đường cong (a) và (b) ghi lại đường đẳng thế âm và dương, tương ứng Chúng chỉ ra rằng tim là một nguồn lưỡng cựccó cực dương và cực âm tại (A) và (B), tương ứng Đường cong (c) đại diện cho các đường

dòng giả định

31/518

Monocardiogram bởi Mann (1920)

Nghiên cứu sinh lý hiện đại của tế bào thần kinh

Thuật ngữ nơron lần đầu tiên áp dụng cho tế bào thần kinh năm 1891 bởi HeinrichWilhelm Gottfried Waldeyer (người Đức, 1837-1921) Tìm hiểu cơ bản trong nghiêncứu nơron được thực hiện vào cuối thế kỷ 19 bởi August Forel (Người Thụy Sỹ,1848-1931), Wilhelm His, Sr (người Thụy Sỹ, 1831-1904), và Santiago Ramón y Cajal(người Tây Ban Nha, 1852-1934) Theo như lý thuyết của họ, thì tế bào thần kinh là đơn

vị chức năng của hệ thống thần kinh (Năm 1871, Santiago Ramón y Cajal cũng pháthiện ra rằng các nơron có thể được nhuộm màu chọn lọc với tiêu bản mạ bạc đặc biệt)

Alan Lloyd Hodgkin (người Anh, 1914- ) và Andrew Fielding Huxley (người Anh,1914- ) đã nghiên cứu các đặc tính của tế bào não rất chi tiết và phát triển một mô hìnhtoán học rất chính xác của quá trình kích thích (Hodgkin và Huxley, 1952) John Eccles(người Úc, 1903- ) nghiên cứu sự truyền khớp thần kinh ở Canberra, Úc trong nhữngnăm 1950 Eccles, Hodgkin và Huxley nhận được giải thưởng Nobel năm 1963

Ragnar Arthur Granit (người Phần Lan, 1900-1991) đã thực hiện nghiên cứu lý thuyết

về hiện tượng điện sinh học của võng mạc mắt và hệ thần kinh trong những năm 1930

và 1940 Năm 1935, ông có thể chỉ ra một cách thực nghiệm các khớp thần kinh ức chế

32/518

được tìm thấy ở võng mạc Hermann von Helmholtz đề xuất rằng khả năng phân biệtphổ màu sắc của con người có thể giải thích được nếu chứng minh được rằng mắt ngườichứa những cơ quan thụ cảm nhạy cảm với các ánh sáng có bước sóng khác nhau.

Các thí nghiệm đầu tiên của Granit trong việc phân biệt màu sắc, được thực hiện năm

1937, thực hiện điện đồ võng mạc (ERG) để xác nhận phạm vi của sự phân biệt quangphổ Năm 1939, Granit đã phát triển vi điện cực, một thiết bị cho phép đo điện thế bêntrong màng tế bào Với kỹ thuật này, Granit đã nghiên cứu sâu hơn và công bố độ nhạyquang phổ của ba loại tế bào hình nón – xanh lam, xanh lá cây và đỏ Ragna Granit đãchia sẻ giải Nobel vào năm 1967 với H.Keffer Hartline và George Wald “cho nhữngphát hiện của họ liên quan đến quá trình thị giác hóa học và sinh lý học sơ cấp trong mắtngười” (Granit, 1955)

Các đặc tính của kênh ion trong màng sinh học đã được mô tả chi tiết hơn thông qua kỹthuật patch-clamp bởi Erwin Neher (người Đức, 1944- ) và Bert Sakmann (Người Đức,1942- ) (Neher và Sakmann 1976) Với phương pháp path-clamp thì có thể đo đượcdòng điện chảy qua một kênh ion đơn Điều này mở rộng nguồn gốc điện từ sinh học tớisinh học phân tử để kỹ thuật này có thể được sử dụng, ví dụ, để phát triển dược phẩmmới Neher và Sakmann giành được giải Nobel năm 1991

Điện từ sinh học

Mối liên quan giữa điện và từ được phát hiện năm 1819 bởi Hans Christian Örsted Hainhà khoa học người Pháp Jean Baptiste Biot (1774-1862) và Félix Savart (1791-1841)

đã chứng minh rằng lực giữa một dòng điện trong dây dẫn xoắn và một cực từ là tỷ

lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng (Biot,1820).André Marie Ampère (người Pháp;1775-1836) chỉ ra rằng dòng điện trong dây dẫn xoắn mà ông gọi là Solenoid, có tínhchất từ như là một nam châm vĩnh cửu(Ampère 1820), qua đó kết nối dòng điện để tạo

ra từ trường Ampère cũng phát triển lý thuyết toán học về điện trường tĩnh (Ampère1827).Mối quan hệ điện từ đã được xây dựng lý thuyết vào năm 1864 bởi James ClerkMaxwell (người Anh, 1831-1879), người đã phát triển mối quan hệ giữa dòng điện thayđổi theo thời gian với từ trường (Maxwell, 1865) Kể từ phát hiện của Örsted, sự phụthuộc lẫn nhau của điện và từ đã được sử dụng rộng rãi trong một loạt các thiết bị lớn

Ví dụ các thiết bị đó bao gồm thiết bị được sử dụng để đo dòng điện (điện kế và ampekế), máy phát điện, mô tơ điện, và nhiều thiết bị tần số vô tuyến.Tuy nhiên, tín hiệu từsinh học không được phát hiện trong một thời gian dài bởi vì biên độ cực thấp của nó

Tín hiệu từ sinh học đầu tiên, từ tim đồ (MCG) được phát hiện bởi Gerhard M Baule vàRechard McFee năm 1963 với một điện kế cuộn dẫn Từ kế được làm bằng cách quấnhai triệu vòng dây đồng xung quanh lõi ferit Thêm vào với cuộn dò được đặt ở trướctim là một cuộn giống hệt được nối nối tiếp với nhau và được đặt cạnh nhau Hai cuộndây có chiều ngược nhau và vì vậy huỷ được các từ trường phổ biến phân bố sinh ra từcác nguồn bên ngoài Sự tăng đáng kể trong độ nhạy của phép đo từ sinh học với sự đưa

33/518

ra thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID), làm việc tại nhiết độ của Helium lỏng(-269oC) (Zimmerman, Thiene, and Hardings, 1970; Cohen, 1972).

Mặc dù David Cohen thành công trong việc đo nhịp anpha từ với từ kế cuộn dẫn (Cohen,1969), tín hiệu từ sinh ra bởi hoạt động điện của não bộ, đo được trong từ não đồ (MEG)

là rất thấp, vì vậy trong thực tế, chỉ có thể phát hiện ra nó bởi sử dụng SQUID Với mộtthiết bị như MEG lần đầu tiên được đo bởi David Cohen năm 1970, John Wikswo và cácđồng nghiệp lần đầu tiên đo được từ trường của bó thần kinh ếch năm 1980 (Wikswo,Barach và Freeman, 1980)

Trệpmoois quan hệ này chúng tôi muốn người đọc chú ý vào thực tế là sự khác biệt giữacác nguyên tắc đo trong phép đo đầu tiên của tín hiệu điện sinh học và từ sinh học là nhỏđến đáng ngạc nhiên :

Trong phép đo tín hiệu điện sinh học đầu tiên, Matteucci (1838) đã sử dụng một kimnhiễm từ như một thiết bị dò ( Tất nhiên, trường điện sinh học là quá thấp để có thể làmchệch hướng kim của một tĩnh điện kế) Trường từ sinh học, sinh ra bởi dòng điện sinhhọc chảy trong chân của con ếch, quá nhỏ để làm lệch chiều của kim nhiễm từ Vì vậy

nó được nhân lên bằng cách cung cấp cho dòng điện sinh học một cuộn dây nhiều vòng

và đặt một kim ở giữa cuộn dây, một ứng dụng của phát minh của Schweigger (1821).Tác động của từ trường Trái đất đã được bù bởi cuộn dây dạng như hình số tám, đặthai kim từ giống nhau trên cùng một trục treo và được định hướng theo hai chiều ngượcnhau ở hai đầu hở của cuộn dây Nó tạo thành một điện kế phiếm định, như đã được mô

tả ở trên

Trong lần đo đầu tiên của tín hiệu từ sinh học (từ tim đồ), từ trường sinh ra bởi dòngđiện sinh học vòng quanh cơ thể con người được đo bởi một cuộn dây (Baule và McFee,1963) Bởi vì biên độ thấp của từ trường sinh học này, nhiều vòng dây phải được quấnxung quanh lõi của cuộn dây Để bù cho tác động của từ trường của Trái đất và cácnguồn “nhiễu” khác, hai cuộn dây giống hệt nhau quấn ngược chiều được sử dụng (Hình1.19)

Như vậy, trong kỹ thuật đo lường, phép đo tín hiệu điện sinh học và từ sinh học đầutiên có thể được phân biệt dựa trên cơ sở có vòng sơ cấp của việc biến dòng điện thành

từ trường chiếm chỗ bên ngoài hay bên trong cơ thể, tương ứng Từ phát minh của tĩnhđiện kế mao dẫn bởi G J Lippman (1873) và đặc biệt sau phát minh của khuếch đạiđiện tử, đo lường điện không trực tiếp sử dụng từ trường cảm ứng, và vì vậy kỹ thuật đođiện sinh học và từ sinh học đã được định hướng ra ngoài

Trong kỹ thuật đo lường điện tử, phép đo tín hiệu điện sinh học đầu tiên là đo nguồnchảy, như vậy thực sự là điện Phép đo đầu tiên của tín hiệu từ sinh học bởi RichardMcFee là phép đo nguồn xoáy, như vậy thực sự là từ Nó được thể hiện sau đây với sựphát hiện từ nó có thể thực hiện phép đo tương tự với sự phát hiện nguồn chảy Tuy

34/518

nhiên, nó là một phép đo không đưa bất cứ thông tin mới nào về nguồn so với phép đođiện.

Ví dụ này sẽ đưa độc giả tới một sự thực là từ quan điểm lý thuyết, những khác biệt cầnthiết giữa đo lường điện sinh học và từ sinh học nằm ở phân bố độ nhạy của các phươngpháp này Một sự khác biệt khác chính là nguồn gốc của các đặc tính kỹ thuật của cácthiết bị này, mà phổ biến với phương pháp thuận lợi cụ thể trong một số trường hợp

Phát hiện tín hiệu từ sinh học đầu tiên, từ tâm đồ (MCG) bởi Baule và McFee

Đóng góp lý thuyết cho điện từ sinh học

Nhà triết học và khoa học người Đức Hermann Ludwig Ferdinand von Hemholtz(1821-1894) có những đóng góp ý nghĩa đầu tiên cho lý thuyết của điện từ sinh học Mộtbác sĩ giảng dạy, năm 1849, được bổ nhiệm là giáo sư sinh lý học tại Königsberg, chuyểntới Bonn năm 1855 Năm 1871 ông được trao giải thưởng cho chức giáo sư vật lý tạiđại học Berlin, và năm 1888 được bổ nhiệm làm giám đốc của Physikalisch-TechnischeBundesanstalt tại Berlin

Khoa học lý thuyết và thực nghiệm của Hemholtz có đóng góp trong lĩnh vực điện từsinh học :

• Chứng minh rằng các sợi trục thần kinh (axon) là tiến trình phát triển của thân

tế bào thần kinh (1842)

• Thiết lập định luật bảo toàn năng lượng (Luật thứ nhất về nhiệt động học)(1847)

35/518

• Phát minh ra cơ ký và lần đầu tiên đo được vận tốc dẫn của axon thần kinh vậnđộng (1850)

• Đưa ra khái niệm nguồn lớp kép (1853)

• Định lý góc khối cho điện thế

• Định luật xếp chồng (1853)

• Định lý tương hỗ (1853)

• Tính không giải thích được của vấn đề ngược

• Định lý Hemholtz liên quan đến sự độc lập của nguồn dòng và nguồn xoáy

• Cuộn Hemholtz (áp ụng cho các thiết bị từ sinh học)

Bên cạnh đó, các đóng góp của HelmHoltz tới các lĩnh vực khoa học khác bao gồm cáccông trình cơ sở về sinh lý học, âm học, quang học, điện động lực học, nhiệt động lựchọc, và khí tượng học Ông là tác giả lý thuyết về sự nghe (1863) và tất cả các lý thuyếthiện đại về sự cộng hưởng được bắt nguồn từ đó Năm 1851, ông cũng đã phát minhkính soi đáy mắt, được sử dụng để nghiên cứu võng mạc mắt sống

Tính đến cuối thế kỷ 19, vật lý về điện vẫn chưa được hiểu đầy đủ Tuy nhiên người ta đãbiết rằng nước tinh khiết hoặc muối khô không thể tự nó truyền dòng điện, trong khi bất

cứ dung dịch muối nào cũng có thể Svante August Arrhenius (Thụy Điển, 1859-1927)đưa ra giả thuyết (1884) trong luận án tiến sĩ của ông rằng các phân tử của một vài vậtchất phân ly ra, hoặc phân chia, thành hai hay nhiều phần (các ion) khi chúng tan trongmột chất lỏng Mặc dù mỗi phân tử nguyên vện có điện tích cân bằng, các phần mangđiện tích, có thể là dương hoặc âm phụ thuộc vào bản chất của phần đó Các phần tử tíchđiện chỉ có trong dung dịch và cho phép truyền điện qua Lý thuyết này là cơ sở để hiểubản chất của dòng điện sinh học, bởi vì nó chảy trong chất lỏng và nó được mang bởicác ion Svante Arrhenius giành giải Nobel về hóa học năm 1903

Vào cuối thế kỷ 19, Walther Hermann Nernst (người Đức, 1864-1941) nghiên cứu lýthuyết trong nhiệt hóa học, kiểm tra các phản ứng của chất điện phân khi có sự hiện diệncủa dòng điện Năm 1889, ông phát triển một định luật cơ bản, được biết đến là phươngtrình Nernst Nernst cũng phát triển một số định luật cơ bản khác, bao gồm định luật thứ

3 về nhiệt động lực học Ông giành được giải Nobel về hóa học năm 1920

Nhà khoa học Hà Lan Hermann Carel Burger (1893-1965) và Johan Berhard van Milaan(1886-1965) đã giới thiệu khái niệm về vectơ đạo trình năm 1946 (Burger và vanMilaan, 1946) Họ cũng đã mở rộng nó thành khái niệm về bề mặt ảnh Năm 1953,Richard McFee và Franklin D.Johnston giới thiệu khái niệm quan trọng của trườngđạo trình, mà dựa trên lý thuyết tương hỗ của HelmHoltz (McFee và Johnston, 1953,1954ab) Phát minh về liên kết điện từ năm 1819 của Örsted kéo điện trường sinh học

và từ trường sinh học lại cùng nhau Phát minh về lý thuyết tương hỗ năm 1853 bởiHelmHoltz chỉ ra rằng phân bố độ nhạy của đạo trình để đo nguồn điện sinh học giốngnhư phân bố của dòng điện kích thích đưa tới cùng một đạo trình Hơn nữa, nó cũnggiống như phân bố độ nhạy của trở kháng mô được đo với cùng một đạo trình.Tất cả các

36/518

điều đó cũng đúng với phương pháp từ trường tương ứng Những nguyên tắc này đượcminh họa dễ dàng với khái niệm trường đạo trình.

Dennis Gabor (người Anh, 1900-1979) và Clifford V.Nelson công bố định lý Nelson năm 1954 (Gabor và Nelson, 1954) Định lý này giải thích làm thế nào mộtlưỡng cực tương đương của một nguồn khối và vị trí của nó có thể được tính toán từphép đo bề mặt của vật dẫn khối đồng nhất

Gabor-Tóm tắt lịch sử điện từ sinh học

Lịch sử của điện từ sinh học được tổng kết theo thứ tự thời gian như hình 1.20 Các sựkiện lịch sử được chia thành bốn nhóm : lý thuyết, trang thiết bị, sự kích thích, và đolường Hình này có thể xem như là một tổng quan hữu ích cho người đọc và giúp họnhận ra một đóng góp kế thừa từ một đóng góp trước đó và sự phát triển của toàn bộmôn học này như thế nào Từ hình này chúng ta có thể tóm tắt theo những ý sau đây

1 Tính cho đến giữa thế kỷ 19, lịch sử của ngành điện từ cũng là lịch sử của ngành điện

từ sinh học Các máy móc điện tử đầu tiên và chai Leyden được tạo ra để sinh ra tĩnhđiện cho một mục đích cụ thể : để “nhiễm điện” và kích thích con người Pin Voltaicđược phát triển với ý tưởng về kích thích điện Các quy luật chung về tính thuận nghịch

và xếp chồng được trình bày trong mối liên hệ với các ứng dụng của chúng trong điện từsinh học Việc đo lường tín hiệu điện sinh học và từ sinh học cũng đã khuyến khích cho

sự phát triển của các thiết bị đo lường nhạy Các thiết bị đó không chỉ bao gồm điện kếphiếm định, tĩnh điện kế mao dẫn và điện kế dây của thế kỷ 19 mà còn là ống tia catốtđiện thế thấp và SQUID trong thế kỷ 20 Hiểu biết về chức năng của các tế bào thầnkinh và não bộ và mô phỏng nó bằng các mô hình điện tử dẫn đến sự phát triển của mộtthế hệ máy vi tính mới : máy tính nơron Những sự kiện đó nhấn mạnh tầm quan trọngcủa điện từ sinh học

2 Trong thế kỷ 17 và đầu thế kỷ 18, các phát minh trong lĩnh vực điện từ sinh học nhanhchóng trở thành cơ sở cho các ứng dụng cao hơn và các phát minh mới, kể cả ở các nướckhác nhau, mặc dù việc giao tiếp và đi lại bị giới hạn bởi ngựa Ví dụ như ta có thể đềcập đến phát minh chai Leyden ở Đức và Hà Lan tương ứng vào năm 1745 và 1746, và

hệ thống ứng dụng của nó đối với kích thích điện chức năng của con người ở Ý vào năm

1747 Một ví dụ khác là sáng chế về liên kết điện từ năm 1819 ở Đan Mạch và sự pháttriển của điện kế và năm 1821 ở Đức và điện kế phiếm định năm 1825 ở Ý

3 Mặt khác, một số phát minh đã được phát hiện lại, từng bị “quên đi” trong khoảng

100 năm Chính xác 100 năm kể từ khi công bố định lý thuận nghịch trược khi lý thuyếtsóng điện trường được giới thiệu Kích thích của vận động vỏ não đã được phát triểngần 100 năm sau khi quan sát hiện tượng đom đóm mắt bởi từ Khoảng thời gian từ khi

đo điện sinh học lần đầu tiên đến khi đo từ sinh học tương ứng, khoảng 100 năm, thật làmột khoảng thời gian dài

37/518

4 Một số kỹ thuật cơ bản được sử dụng ngày hôm nay trong thiết bị điện từ sinh họctrở lại thời điểm những thiết bị đầu tiên Điện kế phiếm định năm 1825 bao gồm mộtphương pháp bù cho trường nhiễu từ Điều này đã được áp dụng cho thiết bị MCGđầu tiên năm 1963 Hiện nay điện kế phẳng, được áp dụng trong thiết bị MEG nhiềukênh sử dung SQUID, được xây dựng chính xác theo cùng nguyên tắc như là điện kếphiếm định đã được hơn 150 năm trước đây Sóng điện tim lâm sàng cơ sở - sóngđiện tâm chi – được phát minh 100 năm trước bởi Waller Tương tự như vậy, Wallercũng giới thiệu mô hình lưỡng cực cho ECG, và nó vẫn còn có một vai trò mạnh mẽtrong điện và từ tim Chi tiết hơn về lịch sử của điện từ sinh học có thể tìm thấy ở cácmục tham khảo sau : Brazier (1988), Geddes (1984ab), McNeal (1977), Mottelay(1975),Rautaharju (1987,1988), Rowbottom và Susskind (1984), và Wasson (1987)

38/518