Giới thiệu chung về điện từ sinh học

Giới thiệu chung về điện từsinh học Bởi: ĐH Bách Khoa Y Sinh K50 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 cá

Giới thiệu chung về điện từ

sinh học

Bởi:

ĐH Bách Khoa Y Sinh K50

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 phương pháp đo lường và kích thích, trong khi điện tử y tế đề cập đến những thiết bị thực tế được sử dụng cho những mục đích đó Theo như định nghĩa thì điện từ sinh học bao hàm nhiều ngành học bởi vì nó liên quan đến sự kết hợp của khoa học đời sống với khoa học vật chất và kỹ thuật Do vậy chúng ta đặc biệt quan tâm đến những môn học mà kết hợp vật 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 sinh học bằng các khái niệm của vật lý

• Sinh kỹ thuật : Việc áp dụng các kỹ thuật để phát triển các thiết bị chăm sóc sức 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 kỹ thuật 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 ứng dụng chính của công nghệ sinh học là sản xuất nông nghiệp, thực phẩm và dược 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 và công nghệ (thiết bị và phương pháp) vào sinh học và y tế

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 môn khoa học lý thuyết, chẳng hạn như sinh học và vật lý Là một trong những bước chuyển khỏi nguồn gốc, các môn khoa học ngày càng trở nên được áp dụng nhiều hơn Kết hợp

là kĩ thuật y tế Nó phải được hiểu là môn học thực sự đa chiều, và vì vậy nội dung hai chiều 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 Một trong các cách phân loại phân chia theo cơ sở lý thuyết căn cứ theo hai định luật : cân bằng Maxwell (kết nối điện từ) và định luật về tính tương hỗ Triết lý này được minh họa 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 hệ giữa điện trường và từ trường biến thiên theo thời gian, như vậy là khi có điện trường sinh học thì cũng sẽ có từ trường sinh học và ngược lại Dựa vào đó, khi ta nói đến hiện tượng 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

• Điện sinh học

• Điện từ sinh học

• Từ sinh học

Khái niệm (B) trong lịch sử đã được gọi là “từ sinh học” mà không may mắn có thể bị lẫn lộn với khái niệm (C) Vì vậy, trong quyển sách này, khái niệm (B) chúng ta cũng

sử dụng tên quy ước “từ sinh học” nhưng, khi thích hợp, chúng tôi nhấn mạnh thuật ngữ chính xác hơn là “điện từ sinh học” (Người đọc có kinh nghiệm trong lý thuyết điện

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 dễ dàng phát hiện được và không có một giá trị nào được biết cả, chúng tôi đã bỏ qua nó từ các cuộc thảo luận trước)

Tính tương hỗ

Do định luật về tính tương hỗ, sự phân bố độ nhạy trong việc phát hiện tín hiệu điện sinh học, phân bố năng lượng trong kích thích điện, và phân bố độ nhạy của điện kháng

đo được là như nhau ĐIều đó cũng đúng với phương pháp điện từ sinh học và từ sinh học tương ứng Tùy thuộc vào việc chúng ta có thảo luận về việc đo các trường, sự kích thích/sự nhiễm từ, hay đo các đặc tính bản chất của mô hay không, điện từ sinh học có thể chia trong khuôn khổ này (chiều dọc hình 1.2) như sau:

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

từ trường từ) vật liệu từ

• Kích thích điện với một điện trường hoặc một từ trường hay sự nhiễm từ của vật liệu (với từ trường)

• Đo các đặc tính điện hoặc từ bản chất của mô

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.

Mô tả các phân vùng

Phân loại được minh họa ở hình 1.2 đã nói ở trên và một mô tả chi tiết các yếu tố của nó được nêu ra ở phần này

(I) Đo một điện trường hoặc một từ trường đề cập , chủ yếu, tới tín hiệu điện hặc tín hiệu từ sinh ra bởi hoạt động của mô sống Trong phân vùng này của điện từ sinh học, các mô hoạt động sinh ra năng lượng điện từ, từ đó đo được điện hoặc từ bên trong hoặc bên ngoài cơ thể mà nguồn nằm ở đó Phân vùng này bao gồm cả từ trường sinh ra bởi vật liệu từ của mô Ví dụ về các trường này trong ba phân vùng ngang được thể hiện ở bảng 1.1

Đo lường các trường

(II) Kích thích điện với một điện trường hoặc từ trường hay sự nhiễm từ của vật liệu bao gồm hiệu ứng của điện trường hoặc từ trường cung cấp cho mô Trong phân vùng này của 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 kích hoạt 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 sinh học nhưng giá trị của nó chỉ là trong giải trí) Tương tự với đặc tính màng tế bào không tuyến tính có thể được định nghĩa với cả tác nhân kích thích dưới hạn và quá hạn Năng lượng điện hoặc từ dưới hạn có thể được cung cấp cho các mục đích điều trị khác, được gọi là liệu pháp điện hoặc liệu pháp từ Ví dụ của phân vùng thứ hai của điện từ sinh học, cũng được gọi là điện sinh học và từ sinh học, tương ứng, được thể hiện trong bảng 1.2

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 vùng thứ 3 của điện từ sinh học Như trong phân vùng thứ II, năng lượng điện hoặc từ được sinh ra bởi một thiết bị điện từ bên ngoài mô sinh học và được cung cấp cho nó Tuy nhiên, 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 phân vùng này

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 từ trường 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 thích điện, và phân bố độ nhạy của phép đo điện kháng là như nhau Tất cả các điều này cũng đúng cho điện từ sinh học và từ sinh học, tương ứng Định luật mà gắn ba phần I,II,II và thống 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 dạng với 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 sách này, người đọc có thể khó hiểu sâu về hình 1.3 Tuy nhiên, chúng tôi muốn giới thiệu hình này sớm bởi vì nó minh họa bao trùm nguyên tắc cơ bản toàn bộ môn học điện từ sinh học, mà sẽ được khuếch đại sau

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.

Phân loại theo giải phẫu

Điện từ sinh học có thể phân loại theo đường giải phẫu Việc phân chia này đặc biệt thích hợp một khi thảo luận đến ứng dụng lâm sàng Trong trường hợp này, điện từ sinh học có thể được chia nhỏ ra phụ thuộc vào mô nào được áp dụng Ví dụ,có thể phân chia như 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, chia theo 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 dựa trên 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 học đầu tiên ở cấp độ tế bào (ví dụ, liên quan tới tế bào thần kinh và tế bào cơ) và sau đó ở mức độ cơ quan (liên quan đến hệ thống thần kinh (não) và tim) Phần II giới thiệu các khái niệm về nguồn dẫn khối và vật dẫn khối và khái niệm về mô hình Nó cũng giới thiệu khái niệm về nguồn dòng đặt vào và thảo luận khái niệm lý thuyết chung về mô hình nguồn-trường và vật dẫn khối hai miền Những sự thảo luận này chỉ xem xét các khái 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 lần đầu tiên được trình bày về mặt điện trong chương 11 Chương 12 liên quan hầu hết các phương pháp lý thuyết này tới hiện tượng từ và đặc biệt xem xét sự khác nhau giữa hai khái niệm điện và từ Phần còn lại của cuốn sách ( tức là phần IV-IX) khảo sát các ứng dụng lâm sàng Vì lý do này, điện từ sinh học lần đầu tiên được chia trên một cơ sở giải phẫu thành điện sinh học và (điện)từ sinh học hợp thành để chỉ ra tính tương đương giữa chúng Phần IV mô tả các phép đo từ của nguồn điện sinh học của tế bào thần kinh, và phần V là của tim Phần VI, chương 21 và 21 mô tả kích thích điện và từ của tế bào thần kinh và phần VII, chương 23 và 24, là của mô tim Các phần nhỏ cũng được gọi như là điện sinh học hay từ sinh học Phần VIII tập trung vào phân vùng III của điện từ sinh học – đó là phép đo các đặc tính điện bản chất của mô sinh học Chương 25 và 26 kiểm tra 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 hiệu phụ thuộc và mô hưng phấn, tên là võng mạc Việc thảo luận tác động của điện từ trường lên mô, là một phần của phân vùng II, bao gồm các chủ đề về sinh lý và bệnh lý tế bào

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)

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, nên trong tập này chúng tôi chọn không đưa nó vào Như đã nói ở trước, phân vùng C đòi hỏi đo điện trường từ vật liệu từ, từ háo vật liệu, và đo từ cảm Người đọc quan tâm đến chủ 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 mô sống như là một môn học độc lập? Nguyên nhân chính là hiện tượng điện sinh học của màng tế bào là chức năng sống quan trọng của cơ thể sống Các tế bào sử dụng điện thế màng theo nhiều cách khác nhau Với việc mở các kênh Natri một cách đột ngột, điện thế màng tế bào bị thay đổi hoàn toàn trong vòng một phần nghìn của giây Các tế bào

trong hệ thống thần kinh trao đổi thông tin bằng các tín hiệu điện truyền qua giữa chúng một cách nhanh chóng trong các quá trình thần kinh Trên thực tế, cuộc sống chính nó bắt đầu với một sự thay đổi của điện thế màng tế bào Như khi tinh trùng kết hợp với tế bào 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 bào tinh trùng khác Hiện tượng điện được đo lường một cách dễ dàng, và do đó, phương pháp tiếp cận này là trực tiếp và khả thi Trong việc nghiên cứu của các phương pháp khác, như trường hợp của hóa sinh và lý sinh, một cảm biến đặc biệt được sử dụng để chuyển đổi các hiện tượng quan tâm thành các tín hiệu điện đo được Ngược lại với các hiện tượng điện có thể dễ dàng đo được bằng các điện cực đơn giản, từ trường do nó sinh ra có thể được đo bằng từ kế Ngược lại với tất cả các giá trị sinh học khác, hiện tượng điện sinh học và từ sinh học có thể phát hiện ở thời gian thực bằng các phương pháp không tiếp xúc bởi vì các thông tin thu thập được từ chúng được biểu hiện ngay lập tức thông qua vật dẫn khối hình thành bởi cơ thể Nguồn của nó có thể được nghiên cứu bằng cách áp dụng lý thuyết hiện đại về nguồn khối và vật dẫn khối, sử dụng khả năng 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 với khoảng 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 bắp của 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 dụ như 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 từ não có thể dẫn đến việc co chủ động của các cơ tạo hiệu ứng chuyển động của các chi là một ví dụ Và cuối cùng, ít nhất phần nào, hằng tính nội môi đòi hỏi sự điều chỉnh khép kín trung gian bởi các tín hiệu điện mà có ảnh hưởng đến các chức năng sinh lý của sự sống như là nhịp tim, lực co bóp của tim, sự tiết dịch, v.v Là kết quả của sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử và khoa học máy tính, các công cụ chẩn đoán, được dựa trên hiện tượng điện sinh học, được phát triển rất nhanh chóng Hiện nay không thể tưởng tượng rằng bất cứ bệnh viện hay phòng khám bác sĩ nào mà lại không có thiết bị điện tim hay điện não Sự phát triển của vi điện tử đã tạo ra những công cụ chẩn đoán cầm tay và tăng cường khả năng chẩn đoán của nó Thiết bị dẫn tốc điều nhịp tim cấy được đã cho phép hàng triệu người có vấn đề về tim được trở về với cuộc sống bình thường Các ứng dụng từ sinh học đang được phát triển một cách nhanh chóng, trong tương 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 cuộc sống hằng ngày của chúng ta Dùng điện từ sinh học có thể nghiên cứu các trạng thái của mô sống ở cả hai cấp độ tế bào và cơ quan Hơn nữa những thành tựu mới nhất của khoa học hiện nay cho phép các nhà khoa học làm nghiên cứu tại cấp độ dưới tế bào bằng cách đo dòng điện chảy qua một kênh ion đơn của màng tế bào với phương pháp patch-clamp Với cách áp dụng sau, điện từ sinh học có thể được áp dụng cho sinh học phân tử và cho sự phát triển của dược phẩm mới Vì vậy, điện từ sinh học cung cấp các