Giới thiệu chung về điện từ sinh học

Giới thiệu chung điện từ sinh học Giới thiệu chung điện từ sinh học Bởi: ĐH Bách Khoa Y Sinh K50 Khái niệm điện từ sinh học Điện từ sinh học môn học xem xét tượng điện, điện từ, từ phát sinh mô sinh học Các tượng bao gồm : • • • • • Các trạng thái mô bị kích thích(các nguồn) Các dòng điện điện vật dẫn khối Từ trường bên bên thể Các phản ứng tế bào bị điện trường từ trường kích thích Các đặc tính chất mô Việc phân biệt khái niệm điện từ sinh học từ khái niệm điện tử y tế quan trọng, bao gồm tượng điện sinh học, điện từ sinh học, từ sinh học hệ thống phương pháp đo lường kích thích, điện tử y tế đề cập đến thiết bị thực tế sử dụng cho mục đích Theo định nghĩa điện từ sinh học bao hàm nhiều ngành học liên quan đến kết hợp khoa học đời sống với khoa học vật chất kỹ thuật Do đặc biệt quan tâm đến môn học mà kết hợp vật lý kỹ thuật với sinh học với y tế Những môn học định nghĩa ngắn gọn sau: • Lý sinh : Là môn khoa học mà liên quan đến việc giải vấn đề sinh học khái niệm vật lý • Sinh kỹ thuật : Việc áp dụng kỹ thuật để phát triển thiết bị chăm sóc sức khỏe, phân tích hệ thống sinh học, sản xuất sản phẩm dựa tiến công nghệ Thuật ngữ thường bao hàm kỹ thuật y sinh kỹ thuật sinh hóa(công nghệ sinh học) 1/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học • Công nghệ sinh học : nghiên cứu công nghệ xử lý vi sinh Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học sản xuất nông nghiệp, thực phẩm dược phẩm • Điện tử y tế : phận kỹ thuật y sinh kiên quan đến thiết bị điện tử phương pháp lĩnh vực y tế • Vật lý y tế : môn khoa học dựa vào vấn đề vật lý y tế lâm sàng • Kỹ thuật y sinh : môn học kỹ thuật liên quan đến việc áp dụng khoa học công nghệ (thiết bị phương pháp) vào sinh học y tế Môi trường đa ngành học bao công nhận bao gồm lĩnh vực vật lý với kỹ thuật với y tế 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 minh họa mối quan hệ môn học Nguồn gốc phối hợp nhiều môn khoa học lý thuyết, chẳng hạn sinh học vật lý Là bước chuyển khỏi nguồn gốc, môn khoa học ngày trở nên áp dụng nhiều Kết hợp với cặp hai môn khoa học từ lĩnh vực kĩ thuật y tế thành ngành học đa ngành 2/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học kĩ thuật y tế Nó phải hiểu môn học thực đa chiều, nội dung hai chiều mang tính chất gợi ý Phân loại điện từ sinh học Phân chia theo sở lý thuyết Môn học điện từ sinh học chia nhỏ theo cách khác Một cách phân loại phân chia theo sở lý thuyết theo hai định luật : cân Maxwell (kết nối điện từ) định luật tính tương hỗ Triết lý minh họa hình 1.2 thảo luận chi tiết Cân Maxwell Môn học điện từ sinh học chia nhỏ theo nhiều cách Một cách dựa vào định luật cân Maxwell (mối quan hệ điện từ), mối quan hệ điện trường từ trường biến thiên theo thời gian, có điện trường sinh học có từ trường sinh học ngược lại Dựa vào đó, ta nói đến tượng điện, điện từ hay từ, điện từ sinh học chia theo chiều khái niệm (chiều ngang hình 1.2) làm 3, đặt tên • Điện sinh học • Điện từ sinh học • Từ sinh học Khái niệm (B) lịch sử gọi “từ sinh học” mà không may mắn bị lẫn lộn với khái niệm (C) Vì vậy, sách này, khái niệm (B) sử dụng tên quy ước “từ sinh học” nhưng, thích hợp, nhấn mạnh thuật ngữ xác “điện từ sinh học” (Người đọc có kinh nghiệm lý thuyết điện từ ý phận nhỏ hợp lý thứ : đo lường điện trường cảm ứng sinh từ trường biến thiên phát sinh từ vật liệu từ mô Bởi điện trường không dễ dàng phát giá trị biết cả, bỏ qua từ thảo luận trước) Tính tương hỗ Do định luật tính tương hỗ, phân bố độ nhạy việc phát tín hiệu điện sinh học, phân bố lượng kích thích điện, phân bố độ nhạy điện kháng đo ĐIều với phương pháp điện từ sinh học từ sinh học tương ứng Tùy thuộc vào việc có thảo luận việc đo trường, kích thích/sự nhiễm từ, hay đo đặc tính chất mô hay không, điện từ sinh học chia khuôn khổ (chiều dọc hình 1.2) sau: 3/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học • Đo điện trường từ trường từ nguồn điện sinh học (một từ trường từ) vật liệu từ • Kích thích điện với điện trường từ trường hay nhiễm từ vật liệu (với từ trường) • Đo đặc tính điện từ chất mô Cơ cấu tổ chức điện từ sinh học chia thành 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 chia theo chiều dọc thành : (I) Đo lường trường (II) Kích thích nhiễm từ và, (III) Đo lường đặc tính điện từ chất mô Mô tả phân vùng Phân loại minh họa hình 1.2 nói mô tả chi tiết yếu tố nêu phần 4/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học (I) Đo điện trường từ trường đề cập , chủ yếu, tới tín hiệu điện hặc tín hiệu từ sinh hoạt động mô sống Trong phân vùng điện từ sinh học, mô hoạt động sinh lượng điện từ, từ đo điện từ bên bên thể mà nguồn nằm Phân vùng bao gồm từ trường sinh vật liệu từ mô Ví dụ trường ba phân vùng ngang thể bảng 1.1 Đo lường trường (II) Kích thích điện với điện trường từ trường hay nhiễm từ vật liệu bao gồm hiệu ứng điện trường từ trường cung cấp cho mô Trong phân vùng điện từ sinh học, lượng điện từ sinh thiết bị điện tử bên mô sinh học Khi lượng điện từ cung cấp tới mô dễ bị kích thích để kích hoạt nó, gọi kích thích điện kích thích từ, tương ứng Khi lượng từ cung cấp cho mô bao gồm vật liệu sắt từ, vật liệu bị nhiễm từ (Để xác, thể người tích điện tới điện cao Kiểu thí nghiệm này, gọi 5/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học nhiễm điện, thực suốt thời gian pháy triển sớm điện sinh học giá trị giải trí) Tương tự với đặc tính màng tế bào không tuyến tính định nghĩa với tác nhân kích thích hạn hạn Năng lượng điện từ hạn cung cấp cho mục đích điều trị khác, gọi liệu pháp điện liệu pháp từ Ví dụ phân vùng thứ hai điện từ sinh học, gọi điện sinh học từ sinh học, tương ứng, thể bảng 1.2 Sự kích thích nhiễm từ (III) Đo lường đặc tính điện từ chất mô bao gồm phân vùng thứ điện từ sinh học Như phân vùng thứ II, lượng điện từ sinh thiết bị điện từ bên mô sinh học cung cấp cho Tuy nhiên, lượng ngưỡng, đặc tính điện từ (bản chất) trước mô thu cách thực phép đo phù hợp Bảng 1.3 minh họa cho phân vùng 6/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học Đo lường đặc tính chất Tiếp cận lý thuyết trường đạo trình Như lưu ý mở đầu phần 1.2.1, cân Maxwell kết nối điện trường từ trường biến thiên theo thời gian, có điện trường sinh học có từ trường sinh học ngược lại Kết nối điện từ định luật thống ba phần A,B, C điện từ sinh học theo chiều ngang hình 1.2 Như lưu ý đầu phần này, phân bố độ nhạy việc dò tín hiệu điện sinh học, phân bố lượng kích thích điện, phân bố độ nhạy phép đo điện kháng Tất điều cho điện từ sinh học từ sinh học, tương ứng Định luật mà gắn ba phần I,II,II thống môn học điện từ sinh học theo chiều dọc hình 1.2 định luật tương hỗ Những nguyên tắc minh họa xa hình 1.3, hình vẽ dạng với hình 1.2 bao gồm nội dung phương pháp áp dụng trường đạo trình mà mô tả đặc điểm phân bố độ nhạy/năng lượng Trước kết thúc sách này, người đọc khó hiểu sâu hình 1.3 Tuy nhiên, muốn giới thiệu hình sớm minh họa bao trùm nguyên tắc toàn môn học điện từ sinh học, mà khuếch đại sau 7/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học Tiếp cận lý thuyết trường đạo trình để mô tả phân vùng điện từ sinh học việc phát tín hiệu điện sinh học, phân bố lượng kích thích điện, phân bố độ nhạy đo điện kháng nhau, định luật tương hỗ Điều cho phương pháp điện sinh học điện từ sinh học, tương ứng Cân Maxwel nối điện trường từ trường biến đổi theo thời gian lại có điện trường sinh học có từ trường sinh học, ngược lại 8/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học Phân loại theo giải phẫu Điện từ sinh học phân loại theo đường giải phẫu Việc phân chia đặc biệt thích hợp thảo luận đến ứng dụng lâm sàng Trong trường hợp này, điện từ sinh học chia nhỏ phụ thuộc vào mô áp dụng Ví dụ,có thể phân chia sau: • Điện từ sinh học sinh lý thần kinh • Điện từ sinh học tim, • Điện từ sinh học quan mô khác Cách tổ chức sách Bởi mặt giáo khoa , sử dụng sơ đồ nói (ví dụ, chia theo sở lý thuyết hay sở giải phẫu)là không thích hợp nên hai điều sử dụng sách Quyển sách bao gồm 28 chương chia thành phần Bảng 1.4 minh họa chương khớp vào sơ đồ nơi điện từ sinh học chia dựa sở lý thuyết, giới thiệu hình 1.2 Phần I bàn sở giải phẫu sinh lý điện từ sinh học Về mặt giải phẫu, ví dụ, phần I xem xét tượng điện sinh học cấp độ tế bào (ví dụ, liên quan tới tế bào thần kinh tế bào cơ) sau mức độ quan (liên quan đến hệ thống thần kinh (não) tim) Phần II giới thiệu khái niệm nguồn dẫn khối vật dẫn khối khái niệm mô hình Nó giới thiệu khái niệm nguồn dòng đặt vào thảo luận khái niệm lý thuyết chung mô hình nguồn-trường vật dẫn khối hai miền Những thảo luận xem xét khái niệm điện Phần III khảo sát phương pháp lý thuyết không thảo luận đặc trưng giải phẫu Vì lý thực tế (và lịch sử), điều thảo luận lần trình bày mặt điện chương 11 Chương 12 liên quan hầu hết phương pháp lý thuyết tới tượng từ đặc biệt xem xét khác hai khái niệm điện từ Phần lại sách ( tức phần IV-IX) khảo sát ứng dụng lâm sàng Vì lý này, điện từ sinh học lần chia sở giải phẫu thành điện sinh học (điện)từ sinh học hợp thành để tính tương đương chúng Phần IV mô tả phép đo từ nguồn điện sinh học tế bào thần kinh, phần V tim Phần VI, chương 21 21 mô tả kích thích điện từ tế bào thần kinh phần VII, chương 23 24, mô tim Các phần nhỏ gọi điện sinh học hay từ sinh học Phần VIII tập trung vào phân vùng III điện từ sinh học – phép đo đặc tính điện chất mô sinh học Chương 25 26 kiểm tra phép đo tạo ảnh trở kháng mô Và chương 27 đo lường phản ứng điện da Trong phần IX, chương 28 giới thiệu tới người đọc tín hiệu điện sinh mô hưng phấn : điện nhãn đồ (EOG) điện đồ võng mạc (ERG) Điện đồ võng mạc (ERG) thảo luận kết nối với nguyên nhân giả phẫu, tín hiệu phụ thuộc mô hưng phấn, tên võng mạc Việc thảo luận tác động điện từ trường lên mô, phần phân vùng II, bao gồm chủ đề sinh lý bệnh lý tế bào 9/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học lý thuyết điện từ Vì sách không bao gồm chủ đề Người đọc có nhìn khái quát với ví dụ tham khảo (Gandhi, 1990; Relly, 1992) 10/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học Cấu trúc sách (bởi số chương) phụ thuộc vào cách chia điện từ sinh học theo sở lý thuyết Bởi thảo luận phân vùng C đòi hỏi phải giới thiệu thêm quy tắc sở, nên tập chọn không đưa vào Như nói trước, phân vùng C đòi hỏi đo điện trường từ vật liệu từ, từ háo vật liệu, đo từ cảm Người đọc quan tâm đến chủ đề nên xem Maniewski et al (1988) nguồn khác Tại thời điểm nay, quan tâm tới chủ đề C bị hạn chế Sự quan trọng điện từ sinh học Tại nên xem xét nghiên cứu tượng điện từ mô sống môn học độc lập? Nguyên nhân tượng điện sinh học màng tế bào chức sống quan trọng thể sống Các tế bào sử dụng điện màng theo nhiều cách khác Với việc mở kênh Natri cách đột ngột, điện màng tế bào bị thay đổi hoàn toàn vòng phần nghìn giây Các tế bào 11/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học hệ thống thần kinh trao đổi thông tin tín hiệu điện truyền qua chúng cách nhanh chóng trình thần kinh Trên thực tế, sống bắt đầu với thay đổi điện màng tế bào Như tinh trùng kết hợp với tế bào trứng thời điểm thụ tinh, kênh ion tế bào trứng kích hoạt Kết việc thay đổi điện màng tế bào ngăn chặn thâm nhập tế bào tinh trùng khác Hiện tượng điện đo lường cách dễ dàng, đó, phương pháp tiếp cận trực tiếp khả thi Trong việc nghiên cứu phương pháp khác, trường hợp hóa sinh lý sinh, cảm biến đặc biệt sử dụng để chuyển đổi tượng quan tâm thành tín hiệu điện đo Ngược lại với tượng điện dễ dàng đo điện cực đơn giản, từ trường sinh đo từ kế Ngược lại với tất giá trị sinh học khác, tượng điện sinh học từ sinh học phát thời gian thực phương pháp không tiếp xúc thông tin thu thập từ chúng biểu thông qua vật dẫn khối hình thành thể Nguồn nghiên cứu cách áp dụng lý thuyết đại nguồn khối vật dẫn khối, sử dụng khả tính toán máy tính đại(các khái niệm nguồn khối vật dẫn khối có nghĩa nguồn 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 theo không gian thời gian có khả kích hoạt vùng bị liệt hệ thống thần kinh bắp thể Bản chất điện mô sinh học cho phép truyền tải tín hiệu thông tin, điều khiển có tầm quan trọng sống Loại bao gồm ví dụ thị giác, thính giác, xúc giác Trong trường hợp này, cảm biến ngoại vi (mắt, tai,…) bắt đầu tín hiệu hướng tâm não Các tín hiệu ly tâm não dẫn đến việc co chủ động tạo hiệu ứng chuyển động chi ví dụ Và cuối cùng, phần nào, tính nội môi đòi hỏi điều chỉnh khép kín trung gian tín hiệu điện mà có ảnh hưởng đến chức sinh lý sống nhịp tim, lực co bóp tim, tiết dịch, v.v Là kết phát triển nhanh chóng thiết bị điện tử khoa học máy tính, công cụ chẩn đoán, dựa tượng điện sinh học, phát triển nhanh chóng Hiện tưởng tượng bệnh viện hay phòng khám bác sĩ mà lại thiết bị điện tim hay điện não Sự phát triển vi điện tử tạo công cụ chẩn đoán cầm tay tăng cường khả chẩn đoán Thiết bị dẫn tốc điều nhịp tim cấy cho phép hàng triệu người có vấn đề tim trở với sống bình thường Các ứng dụng từ sinh học phát triển cách nhanh chóng, tương lai, bổ sung phương pháp điện sinh học chẩn đoán điều trị y tế Những ví dụ minh họa cho việc điện từ sinh học phần quan trọng sống ngày Dùng điện từ sinh học nghiên cứu trạng thái mô sống hai cấp độ tế bào quan Hơn thành tựu khoa học cho phép nhà khoa học làm nghiên cứu cấp độ tế bào cách đo dòng điện chảy qua kênh ion đơn màng tế bào với phương pháp patch-clamp Với cách áp dụng sau, điện từ sinh học áp dụng cho sinh học phân tử cho phát triển dược phẩm Vì vậy, điện từ sinh học cung cấp hội quan trọng cho phát triển phương pháp chẩn đoán điều trị 12/12 [...].. .Giới thiệu chung về điện từ sinh học 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... 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... 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... 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... 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... tế bào bị thay đổi hoàn toàn trong vòng một phần nghìn của giây Các tế bào 11/12 Giới thiệu chung về điện từ sinh học 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... 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 cơ hội mới và quan trọng cho sự phát triển của các phương pháp chẩn đoán và điều trị 12/12 ... 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... 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... 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 ... 3/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học • Đo điện trường từ trường từ nguồn điện sinh học (một từ trường từ) vật liệu từ • Kích thích điện với điện trường từ trường hay nhiễm từ vật liệu (với từ. .. đặc tính điện từ chất mô Cơ cấu tổ chức điện từ sinh học chia thành 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... nối điện trường từ trường biến đổi theo thời gian lại có điện trường sinh học có từ trường sinh học, ngược lại 8/12 Giới thiệu chung điện từ sinh học Phân loại theo giải phẫu Điện từ sinh học