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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. 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.
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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
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.
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。
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
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
醫學工程概論 生理學基礎
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
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
第一單元 神經系統
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)
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)
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
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
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)
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
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
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
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
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)
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
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
離子基礎 • 神經的電現象是離子通道的性質作用
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)
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
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
第二單元 骨骼肌
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
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
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
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)
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
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
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
第三單元 心臟
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
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
心肌的電特性 • 圖示