Giới thiệu chung về điện từ sinh học

Giới thiệu chung về điện từ sinh học

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).

1/12


Giới thiệu chung về điện từ 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
với cặp hai môn khoa học từ lĩnh vực kĩ thuật và y tế thành ngành học đa ngành như

2/12


Giới thiệu chung về điện từ sinh học

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:

3/12


Giới thiệu chung về điện từ sinh học

• 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.

4/12


Giới thiệu chung về điện từ sinh học

(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
5/12


Giới thiệu chung về điện từ sinh học

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.

6/12


Giới thiệu chung về điện từ sinh học

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.

7/12


Giới thiệu chung về điện từ sinh học

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.

8/12


Giới thiệu chung về điện từ sinh học

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

9/12


Giới thiệu chung về điện từ sinh học

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).

10/12


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 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

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 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
cơ hội mới và quan trọng cho sự phát triển của các phương pháp chẩn đoán và điều trị.
12/12