醫學工程導論 教材

1. 醫學工程導論 教材 台北科技大學電通所 李仁貴 Evans@ ntut.edu.tw 02-2771-2171 ext. 2254

2. Textbook • There is not a single book containing most of the material in this course. • 張錦、張立毅「現代臨床醫療儀器原理與應用」，大陸用書，2001 • Joseph J. Carr, “Introduction to Biomedical Equipment Technology”, Fourth Edition, 高立圖書，2001. • John G. Webster, “Medical Instrumentation”, 3th Edition,藝軒圖書，2001. • 陳志宏，「醫學工程導論」，自編教材，台大醫工所。 • 陽明醫工所，「醫學工程概論」，自編教材。 • Wills J. Tompkins, “Biomedical Digital Signal Processing”, 1993, Prentice Hall.

3. 醫工導論 成績核定方式 • Midterm Exam. 30% • Homework 30% • Final Presentation and Report 40% 說明： 期末報告以醫工相關主題為報告範圍，分成書面報告 及口頭報告兩種。 書面報告:以A4撰寫，5-10 pages。 口頭報告：時間每位15分鐘/以ppt檔報告 報告日期：依修課人數確定後公布。

4. Preview 國科會醫工學門2001~2010發展重點： 1. 生醫材料研究 2. 復健工程及生物力學研究 3. 醫用資訊 4. 醫用電子與系統 5. 殘障輔具 6. 保健科技 美國FDA(1998)預測十年內醫療器材發展趨勢： 1. 電腦相關技術 2. 分子生物科技 3. 居家自我監護 4. 最小侵入式診療技術 5. 藥物釋放整合器械 6. 臟器補綴材料/臟器輔助器 參考「醫療器材未來技術發展預測」工研院生醫中心

5. Preview • 日本預測「醫療、福祉」在21世紀發展重點 • 遠距醫療 • 高等醫療儀器 • 醫院業務代行 • 在家照護 • 福祉用品 • 健康服務

6. 醫學工程概論 生理學基礎

7. 生理學基礎大綱 • 神經系統 • 簡介生理的電現象 • 骨骼肌 • 肌電圖電現象的基礎 • 心臟 • 心電圖電現象的基礎

8. 生理學基礎大綱 • 眼球與視覺 • 眼電圖（ERG）電現象基礎 • 腦部的電活動 • 腦波圖（EEG）電現象基礎

9. 第一單元 神經系統

10. 神經系統 • 由神經元構成 • 神經元（neuron） • 由對各種刺激產生收縮反應的神經作用細胞（neuroeffector cell）演化 • 高等動物中 • 肌肉細胞負責收縮反應 • 神經元整合及傳導各種神經衝動（impluse）

11. 神經元的功能性劃分 • 神經元可依其傳導機制劃分為四個功能區域組織 • 接受體區 • 收集整合局部刺激所造成的電位變化 • 傳導起始位置 • 將局部電位（刺激）轉換為動作電位（動作）

12. 神經元的功能性劃分 • 軸突（axon） • 將動作電位傳至神經末梢 • 神經末梢（nerve ending） • 將動作電位轉為胞突接合傳導物質（神經傳遞物）的分泌或釋放

13. 刺激與傳導 • 神經細胞（元）對刺激的閥值（threshold）甚低而易反應 • 神經元對高於閥值的刺激才有反應，其餘不反應----有無定律 • 外部刺激 • 電刺激 • 化學刺激 • 機械刺激

14. 刺激與傳導 • 刺激後有兩種生理化學反應 • 局部非傳導性的電位變化，依發生位置分為 • 胞突接合電位（synaptic） • 發生器電位（generator） • 電張性電位（electrotonic potential） • 傳導性的電位變化 • 動作電位（action potential）或神經衝動（nerve impulse）

15. 刺激與傳導 • 電位變化是神經系統的溝通語言 • 電位變化的形成是因為離子通道改變，而造成細胞膜的離子（鈉、鉀離子等）傳導率的改變 • 傳導率反比電阻率 • 電阻率反比通道截面積 • 歐姆定律，電流相同時 • 電壓（電位變化）正比於電阻，反比於傳導率

16. 刺激與傳導 • 電位變化沿著軸突傳導致末梢 • 神經系統是被動導體 • 信號會衰減 • 神經傳導是主動、自我傳播的過程，用以彌補系統的被動性 • 以固定的強度和速度沿著神經移動 • 電位傳導的單位：ms • 電位變化的單位：mV

17. 電位變化 • 神經軸突靜止膜電位（resting membrane potential） • 神經細胞正常（靜止）時，因「極化」（polarization）而使得細胞內部與細胞膜的電位差約為 - 70 mV • 經刺激後，神經產生一系列的電位變化，稱為動作電位

18. 潛伏期 • 在產生動作電位之前會有一段等電位間隔稱為潛伏期（latent period） • 潛伏期因動作電位的開始而結束 • 潛伏期間正比於 • 刺激源和感測器之間的距離 • 傳導速率的快慢

19. 動作電位 • 動作電位依其順序分為 • 去極化 • 去極化15 mV後（ - 55 mV處)去極化速率加快，稱為點火位準（firing level） • 超過點火位準後稱為傳播性動作電位，之前稱為局部反應 • 衝過 零電位（0 mV）（去極化完成）後，造成超越（overshoot），達到 35 mV處，此電位稱為尖峰電位（spike）

20. 動作電位 • 再極化 • 完成70%後，再極化速率降低稱為後去極化（after-depolarization） • 到達靜止電位後仍持續探底，稱為後過極化（after-hyperpolarization），最後上升至靜止電位

29. 動作電位圖示

30. 各種電位的比較

31. 電位變化與神經閥值變化 • 動作電位的過程中，神經元對刺激的閥值會改變 • 尖峰電位的上升及下降狀態中神經元處於恢復期 • 不反應期 • 對刺激不反應，閥值增高

32. 離子基礎 • 神經的電現象是離子通道的性質作用

33. 靜止膜電位的離子 • 神經元正常無刺激時 • 主動現象 • 鈉離子（陽離子）被送出細胞外 • 鉀離子（陽離子）被送入細胞內 • 被動現象 • 鈉離子擴散回細胞內 • 鉀離子沿鉀離子滲漏通道擴散出細胞外 • 由於滲漏通道，細胞膜對鉀離子的通透性較高，鉀離子流出比鈉離子流入多 • 陰離子在細胞內較多而成負電位（極化）

34. 動作電位的離子 • 動作電位中，細胞膜對離子的傳導率會改變 • 於點火位準時，鈉離子傳導率的增加，使得去極化的過程加速

35. 單元小結 • 神經的傳導根植於電位的傳導，而電位卻是陰陽離子濃度的變化所造成，而管控離子濃度的是細胞膜 • 刺激會改變細胞膜對各種離子的傳導率，而引發動作 • 量測電位的變化可推測生理的狀態

36. 第二單元 骨骼肌

37. 肌肉分類 • 骨骼肌 • 受神經刺激的支配而產生收縮 • 心肌 • 具有自發放電的節律細胞 • 在無外在神經支配的情形下，仍可節律性收縮 • 平滑肌 • 內臟

38. 骨骼肌 • 由肌纖維（muscle fiber）構成 • 骨骼肌由肌腱開始，且終止於肌腱，肌纖維則在兩個肌腱間平行排列 • 肌纖維被覆著肌纖維膜 • 類似神經元

39. 骨骼肌示意圖

40. 電現象與離子流動 • 骨骼肌的電現象與離子的分佈與流動均與神經系統類似 • 骨骼肌的靜止膜電位約為 -90 mV • 不反應期更長達 1 - 3 ms

41. 收縮反應 • 動作電位沿著肌纖維傳播而引發收縮反應 • 收縮反應是機械現象，雖與電現象伴隨發生，但二者之生理基礎卻不同 • 單一動作電位可造成短暫的收縮以及隨後的鬆弛，此稱為肌肉抽動（twitch）

42. 收縮反應 • 反應在於膜去極化之後的 2 ms 後開始 • 時間圖如右

43. 收縮反應中各事件的步驟

44. 肌電圖 • 肌肉的電活動紀錄稱為肌電圖（electromoyogram, EMG） • 感測器可置於皮膚上，或利用皮下針狀電極

45. 單元小結 • 骨骼肌受神經傳導的動作電位控制，先產生收縮繼而舒張 • 骨骼肌由肌肉纖維構成，其電現象的機制與神經系統類似，藉由離子的分佈與流動而造成纖維的極化或去極化而產生收縮 • 藉由肌電圖可了解肌肉的電活動狀態

46. 第三單元 心臟

47. 心肌

48. 心肌的電特性 • Phase 4 （基線） • 心肌細胞靜止膜電位為 -90 mV • Phase 0 • 刺激產生去極化作用，過零位準後繼續產生超越期（overshoot） • 約 2 ms • Phase 1 • 迅速再極化

49. 心肌的電特性 • Phase 2 • 仍屬於再極化過程 • 回復至基線前，特有一段高原期 • 約 200 ms • 神經傳導或肌肉纖維所無 • Phase 3 • 再極化末期回復到靜止電位

50. 心肌的電特性 • 圖示