Lược sử về điện từ sinh học

Thí nghiệm khoa học được ghi lại một cách cẩn thận đầu tiên trong sinh lý thần kinhcơ được tiến hành bởi Jan Swammerdam người Hà Lan, 1637-1680.. Trên thực tế, trong thí nghiệm này kích

Lược sử về điện từ sinh học

Bởi:

ĐH Bách Khoa Y Sinh K50

Văn bản đầu tiên và thí nghiệm đầu tiên

Văn bản đầu tiên của các hiện tượng điện sinh học là chữ tượng hình Ai Cập cổ năm

4000 trước Công Nguyên Chữ tượng hình mô tả cá nheo Âu điện (cá trê) như một loại

cá mà “thả cả đàn” Hiển nhiên, khi bắt cá bắt được loài cá đó, nó sẽ sinh ra sốc điện vớimột biên độ cao hơn 450 V, khiến người ngư dân phải thả tất cả cá ra Cá nheo Âu cũngđược minh họa trên tranh bích họa ở lăng mộ (Morgan, 1868)

Các triết gia Hy lạp Aristotle (384-322 B.C) và Thales (625-547 B.C) thí nghiệm với hổphách và công nhận sức mạnh hút các vật chất nhẹ (Smith, 1931) Văn bản đầu tiên trong

áp dụng y tế của điện là từ năm 46 sau Công Nguyên, khi Scribonius Largus khuyếnkhích sử dụng cá ngư lôi để chữa đau đầu và viêm khớp gút (Kellaway, 1946) Cá điệnvẫn chỉ có nghĩa sản xuất điện cho thí nghiệm trị bệnh bằng điện cho đến thế kỷ 17

William Gilbert (1544-1603), bác sĩ cho nữ hoàng Elizabeth I của Anh, là người đầu tiên

đã đưa ra sức hút của hổ phách để lên kế hoạch thí nghiệm Gilbert đã chế tạo ra thiết bịđầu tiên để đo năng lượng này Dụng cụ thí nghiệm tĩnh điện này là một kim làm bằngkim loại nhẹ xoay được trên một chân vì thế nó sẽ quay về hướng các vật chất có sứchút Gilbert gọi các vật chất có năng lượng này là electrick, từ tên tiêng Hy Lạp cho hổphách Mặc dù ông ấy đã tự tạo ra thuật ngữ này và cuối cùng trở thành ngành khoa họcmới về điện Gilbert đã xuất bản thí nghiệm của mình năm 1600 trong một cuốn sáchđầu đề là De Magnete

Thiết bị đầu tiên để khám phá ra điện là dụng cụ đo tĩnh điện phát minh bởi William Gilbert

Thí nghiệm khoa học được ghi lại một cách cẩn thận đầu tiên trong sinh lý thần kinh

cơ được tiến hành bởi Jan Swammerdam (người Hà Lan, 1637-1680) Tại thời điểm đóngười ta tin rằng sự chuyển động của cơ là do dòng chảy của “tinh thần sinh vật” hay

“chất lỏng thần kinh” dọc theo dây thần kinh tới các cơ Năm 1664, Swammerdam đãthực hiện thí nghiệm để nghiên cứu thể tích của cơ thay đổi trong suốt quá trình co cơ.Swammerdam đã đặt cơ của ếch (b) và một chai thủy tinh (a) Khi co các cơ bằng cáchbắt đầu kích thích và dây thần kinh vận động của nó, một giọt nhỏ (e) trong ống hẹp, lồi

ra từ chai thủy tinh, không chuyển động, chỉ ra rằng các cơ không giãn ra Vì vậy sự co

cơ không thể là kết quả của dòng chảy bên trong của chất lỏng thần kinh

Trong một số thí nghiệm tương tự, Swammerdam kích thích dây thần kinh vận dộngbằng cách nén nó Trên thực tế, trong thí nghiệm này kích thích đạt được bằng cách kéodây thần kinh vận động bằng một sợi dây (c) làm bằng bạc tỳ vào với một cái vòng (d)làm bằng đồng Dựa trên các định luật về điện hóa, hai kim loại không giống nhau trongthí nghiệm này được nhúng vào chất điện phân cung cấp bởi mô, là nguồn gốc của lựcđiện động (emf) và liên quan đến dòng điện Dòng điện chảy qua kim loại và mô, vàphản ứng với kích thích (kích hoạt) của thần kinh trong mẫu mô Các dây thần kinh, mộtkhi đã kích hoạt, tạo ra một dòng điện của chính nó Đó là nguồn gốc của sinh học, đượcđiều khiển bởi các nguồn trong màng các dây thần kinh và cơ, và là khác biệt với cácdòng kích thích kể trên Các vùng hoạt động của sự lan truyền hưng phấn từ thần kinhđến cơ ngay lập tức gây ra sự co cơ Đặc tính điện của thần kinh và cơ hình thành nênchủ đề “điện sinh học” là chủ đề trung tâm của bài luận này

Người ta tin rằng đây là tài liệu thí nghiệm đầu tiên về kích thích thần kinh vận động

là kết quả của lực điện động tạo ra tại chỗ nối của kim loại kép Swammerdam có thểkhông hiểu rằng thần kinh cơ hưng phấn là một hiện tượng điện Nói cách khác, một sốtác giả hiểu theo cách nào đó sự kích thích nói ở trên để có kết quả thật sự từ sự co duỗicủa dây thần kinh Kết quả của thí nghiệm này được xuất bản sau khi tác giả mất năm1738

Thí nghiệm kích thích của Jan Swammerdam năm 1664 Chạm vào dây thần kinh vận động của

cơ ếch (b) trong một chai thủy tinh (a) với dây bạc (c)và vòng đồng (d) tạo ra kích thích tới thần kinh, sẽ tạo ra sự co cơ Tuy nhiên, khó chắc chắn rằng có kích thích được tạo ra không như là

kết quả của điện từ hai kim loại khác nhau hay do sự nén cơ học.

Guericke, 1672) Chiếc máy điện thứ hai được phát minh vào năm 1704 bởi FrancisHauksbee the Elder (người Anh, 1666-1713) Nó là một quả cầu thủy tinh được quaybởi một bánh xe Khi quay thủy tinh bị cọ xát và nó sinh ra điện liên tục (Hauskbee,1709) Nó đề cập tới rằng Hauskbee cũng thí nghiệm với việc rút không khí khỏi quảcầu thủy tinh bằng một bơm không khí và có thể tạo ra một ánh sáng chói, và vì vậy dựđoán việc phát hiện ra tia catốt, tia x, electron.

Otto von Guericke chế tạo ra chiếc máy điện đầu tiên bao gồm một quả cầu sunphua với một

chiếc rìu sắt Khi quay và ma sát quả cầu sẽ tạo ra tĩnh điện.

Chiếc máy điện phát minh bởi Hauskbee năm 1704 Nó có một quả cầu thủy tinh được quay bởi một bánh xe Khi quả cầu thủy tinh quay và bị ma sát nó sẽ liên tục tạo ra điện Nếu quả cầu thủy tinh bị hút hết không khí bằng bơm không khí thí nó sẽ tạo ra một ánh sáng chói.

Tại thời điểm đó sử dụng chính của điện là cho giải trí và y tế Một trong những tuyên bốđầu tiên liên quan đến việc sử dụng điện được phát biểu năm 1743 bởi Johann GottlobKrüger của trường đại học Halle : “Tất cả mọi vật đều có thể hữu dụng; đó là chắc chắn.Bởi vì điện có thể hữu dụng, và chúng ta đã thấy rằng nó không thể được tìm thấy trongthần học và trong luật học, rõ ràng là không có gì ngoài y học.” (Licht, 1967)

Kích thích điện và từ

Áp dụng hệ thống của thiết bị điện y học cho điều trị bắt đầu vào những năm 1700

Có thể nhận ra bốn giai đoạn lịch sử khác nhau của kích thích điện từ, mỗi thời kìdựa trên một dạng xác định hay nguồn gốc của điện Các thời kì đó được đặt têntheo Benjamin Franklin (người Mỹ, 1706-1790), Luigi Galvani (người Ý, 1737-1798),Micheal Faraday (người Anh, 1791-1867) và Jacques Arsène d’Arsonval (người Pháp,1851-1940 Những người đó đã phát hiện ra hoặc khởi xướng các loại điện khác nhau :tĩnh điện, điện một chiều, sốc cuộn dẫn và dòng tần số vô tuyến, tương ứng

Các thời kì khác nhau của kích thích điện và kích thích điện từ

Những phát minh chủ yếu cần thiết cho việc áp dụng một dòng điện kích thích là chaiLeyden Nó được phát minh vào ngày 11 tháng mười, năm 1745 bởi nhà phát minhngười Đức Ewald Georg vonKleist (1700-1748) Nó cũng được phát minh một cách độclập bởi một nhà khoa học Hà Lan, Pieter van Musschenbroek (1692-1761) của đại họcLeyden tại Hà Lan năm 1746 Chai Leyden là một tụ điện tạo bởi một chai thủy tinhđược tráng kim loại ở bề mặt bên trong và bên ngoài Việc thực hành tạo tĩnh điện đầutiên được phát minh bởi Jesse Ramsden (người Anh, 1735-1800) năm 1768

Benjamin Franklin đã suy luận ra điện tích âm và điện tích dương năm 1747 trong suốtthí nghiệm của ông với chai Leyden Franklin cũng nghiên cứu điện khí quyển với thínghiệm diều nổi tiếng của ông năm 1752

Ngay sau khi chai Leyden được phát minh, nó được cung cấp cho kích thích cơ bắp vàđiều trị liệt Năm 1747, Jean Jallabert (người Ý, 1712-1768), giáo sư toán tại Genova,

đã áp dụng kích thích điện cho một bệnh nhân bị liệt ở tay Thí nghiệm này, được ghichép lại một cách cẩn thận (1748), miêu tả sự khởi đầu của kích thích điều trị của cơbằng điện

Chai Leyden, phát minh năm 1745, lần đầu tiên lưu trữ được điện Nó được tạo bởi một chai

thủy tinh được tráng một lớp kim loại ở bề mặt bên trong và bên ngoài.

Thí nghiệm nổi tiếng nhất trong kích thích thần kinh cơ được thực hiện bởi LuigiGalvani, giáo sư nguyên tử tại trường đại học Bologna Phát hiện quan trọng đầu tiêncủa ông vào ngày 26 tháng một, năm 1781 Một con ếch mổ sẵn ra nằm trên cùng mộtchiếc bàn với một chiếc máy điện Khi người phụ tá của ông chạm vào dao mổ dây thầnkinh đùi của con ếch phát tia lửa điện và đồng thời phóng điện vào chiếc máy điện gần

đó và một sự co cơ dữ dội xảy ra Galvani tiếp tục nghiên cứu kích thích với điện khíquyển, trên chân con ếch Ông nối một vật dẫn điện giữa mặt phẳng của ngôi nhà và dâythần kinh của chân con ếch Sau đó ông nối đất cơ chân ếch bằng một vật dẫn khác sátngay đó Và ông nhận được sự co cơ khi đèn bật sáng Vào tháng 9 năm 1786, Galvani

đã thử nhận sự co cơ từ điện khí quyển trong suốt thời tiết êm đềm Ông treo lơ lửngcon ếch trên lan can bằng một móc đồng xuyên vào tủy sống Galvani đã ngẫu nhiên ấncái móc dựa vào cái lan can khi mà chân con ếch cũng chạm vào nó Quan sát thấy sự

co cơ thường xuyên, ông lặp lại thí nghiệm trong một căn phòng kín Ông đặt chân conếch lên một tấm sắt và ấn cái móc đồng dựa vào tấm sắt, và xuất hiện sự co cơ Tiếptục với hệ thống thí nghiệm đó, Galvani nhận thấy rằng khi mà dây thần kinh và cơ củacon ếch đồng thời chạm vào kim loại kép đồng và kẽm, một sự co cơ được sinh ra Thínghiệm này thường được trích dẫn như là một nghiên cứu cổ điển để chứng minh cho

sự tồn tại của điện sinh học, mặc dù, như đã đề cập trước đó, Jan Swammerdam cũng đã

có thí nghiệm tương tự năm 1664 Tuy nhiên Galvani đã chưa hiểu được cơ chế của sựkích thích với cấu trúc kim loại kép Giải thích của ông cho hiện tượng này là cấu trúckim loại kép đã phóng “điện động vật” tồn tại trong cơ thể

Thí nghiệm kích thích của Luigi Galvani Đặc tính điện hóa của hai kim loại không giống nhau (kẽm và đồng) trong một cấu trúc kim loại kép, được nối với dung dịch điện phân của mô, sinh

ra một dòng điện kích thích khiến cơ co dữ dội.

Alessandro Volta (người Ý, 1745-1827), giáo sư vật lý tại Pavia, tiếp tục thí nghiệm trênkích thích điện mạnh Ông hiểu rõ hơn cơ chế làm thế nào mà điện lại sinh ra từ haikim loại không giống nhau và một chất điện phân Công việc của ông dẫn tới phát minhnăm 1800 về pin Volta, một nguồn pin có thể tạo ra một dòng điện liên tục Giovanni(Joannis) Aldini (người Ý, 1762-1834), một người cháu họ của Galvani, áp dụng dòngđiện kích thích từ pin Volta cho bệnh nhân (1804) Với điện cực mà ông sử dụng là cácchai đầy nước mà bệnh nhân đặt tay trong đó Ông cũng sử dụng phương pháp này trong

nỗ lực làm tỉnh lại những người gần như đã chết

Năm 1872, T Green miêu tả phương pháp hồi hô hấp và nhịp đập của tim, một phươngpháp làm tỉnh lại các bệnh nhân phẫu thuật bị gây mê bởi cloroform, và bất tỉnh bởihiệu ứng suy giảm hô hấp và nhịp tim Sử dụng một nguồn tới 200 pin để tạo ra khoảng

300 V, ông cung cấp điện áp này cho bệnh nhân ở giữa cổ và sườn dưới bên trái Đã

có tài liệu rằng T Green đã sử dụng phương pháp này thành công trên năm hoặc bảybệnh nhân bị dừng thở đột ngột và không có mạch (Green, 1872) Micheal Faraday phátminh ra cuộn dẫn năm 1831 đã mở đầu cho thời đại dòng điện cảm ứng trong điện yhọc (Faraday, 1834) Tuy nhiên, nó được Emil Heinrich du Bois-Reymond (người Đức,1818-1896), là người mà năm 1846 đã giới thiệu cuộn dẫn trong ứng dụng y tế Nó đượcgọi là kích thích Faraday Một cuộn dẫn với một búa đập được chỉ ra ở hình vẽ dưới

Một thí nghiệm ban đầu của kích thích Faraday của vỏ não được thực hiện năm 1874bởi bác sĩ Robert Bartholow, một giáo sư y tại Cincinnati Cincinnati kích thích cho vỏnão giãn ra với dòng điện cảm ứng và quan sát thấy rằng một sự chuyển động dữ dội củacác chi ở phía đối diện cũng khiến cho đầu quay về phía đó.

Cuộn dây dẫn với búa đập Dòng điện từ nguồn ắc quy (E) được cung cấp cho mạch sơ cấp của cuộn dây (A) Dòng điện sẽ kéo búa với từ trường của cuộn dây nam châm (gần G) và ngắn mạch với công tắc (D) Thông qua sự rung của búa thì sự ngắn mạch liên tục và nó cảm ứng một dòng điện xoay chiều điện áp cao trong mạch thứ cấp Dòng điện này sẽ được cung cấp cho

bệnh nhân bằng điện cực H.

Trong cuối những năm 1800, Jacques Arsène d’Arsonval cung cấp nhiệt cho các môsống bằng cách sử dụng dòng điện tần số cao với một điện cực hoặc với một cuộn dâylớn Đây là khởi đầu của phép điện nhiệt Jacques d’Arsonval đã báo cáo nhận thấy sựnhòe thị giác khi đưa đầu một người vào trong một từ trường mạnh thay đổi theo thờigian Nó được sinh ra bởi một cuộn dây lớn mang dòng điện 32 A tần số 42 Hz Ông gọihiện tượng này là “đom đóm mắt do từ” Nó được gây ra bởi hiệu ứng kích thích bởi từtrường đối với võng mạc, là bộ phận rất nhạy cảm với từ Đó là thí nghiệm kích thích từđầu tiên đối với hệ thống thần kinh

Ống dây nam châm của s’Arsonval (1893)

Nhà khoa học đầu tiên báo cáo dẫn tốc điều nhịp tim trực tiếp là F Steiner (1871) Ông

là người đã chứng minh phương pháp này trên một con chó bị gây mê quá liều với mộtliều chloroform Năm 1882, Hugo Wilhelm von Ziemssen (người Đức, 1829-1902) ápdụng phương pháp này với con người Chỉ đến năm 1932, khi dẫn tốc điều nhịp timđược báo cáo bởi Albert Salisbury Hyman (người Mỹ, 1893-1972), đó là một phươngphát được áp dụng cho lâm sàng để dẫn tốc điều nhịp tâm nhĩ

Thời kì hiện đại của dẫn tốc điều nhịp tim bắt đầu vào tháng tám năm 1952, khi PaulMaurice Zoll (người Mỹ, 1911- ) thực hiện dẫn tốc điều nhịp trong 20 phút Năm 1958,Furman và và Schwedel thành công trong việc giúp đỡ bệnh nhân dẫn tốc điều nhịptrong 96 ngày Việc cấy thiết bị dẫn tốc điều nhịp tim, là một mốc trong lịch sử điện từ

sinh học, đã được hoàn thành tại Stockholm bởi bác sĩ phẫu thuật Äke Senning ).Vào ngày 8 tháng mười năm 1958, tại viện Karolinska, ông đã cấy thiết bị dẫn tốc điềunhịp chế tạo bởi kỹ sư Rune Elmqvist Sự phát triển của các thiết bị cấy điều nhịp có thểđược thực hiện là nhờ phát minh về transistor của Bardeen và Brattain năm 1948.

(1915-Báo cáo đầu tiên về sự khử rung tim, năm 1899, là của Jean Louis Prevost (người Thụy

Sĩ, 1838-1927) và Frédéric Battelli (người Ý, 1867-1941) Họ phát hiện, khi thí nghiệmtrên động vật, rằng sốc điện điện áp thấp gây rung tâm thất trong khi sốc điện áp cao thìkhông Thay vào đó, sốc điện điện áp cao lại gây ra sự khử rung tim

Sự khử rung tâm thất bắt đầu với công việc nổi tiếng của William B Kouwenhoven(người Mỹ, 1886-1975) và người đồng nghiệp của mình, là người đã sử dụng dòng điện

60 Hz để khử rung tim của chó trong những năm 1930 Việc khử rung tim người đượchoàn thành bởi Beck và đồng nghiệp của ông năm 1947 (Beck, Pritchard và Feil, 1947)

Khám phá hoạt động điện sinh học

Mối quan hệ giữa điện và từ được phát hiện vào năm 1819 bởi Hans Christian Örsted(người Đan Mạch, 1977-1851) Örsted tiến hành thử nghiệm đầu tiên của mình trongsuốt quá trình học tại Đại học Copenhaghen Cho một dòng điện chạy trong dây dẫnphía trên một cái kim nhiễm từ tạo ra lực đẩy kim di chuyển theo hướng vuông góc vớidây dẫn Đổi chiều dòng điện thì chiều của kim cũng bị đổi ngược lại (Kim nam châm,

ví dụ la bàn, được phát minh tại Trung Quốc khoảng 100 năm sau Công nguyên để dò

từ trường)

Tái hiện lại minh chứng đầu tiên của mối quan hệ điện và từ bởi Hans Christian Örsted năm

Sau khám phá này, người ta đã phát minh ra điện kế, một thiết bị để đo những dòng điệnnhỏ Được phát minh bởi Johann Salemo Chrisropf Schweigger (người Đức, 1779-1875)năm 1821, nó dựa trên sự lệch hướng của kim nam châm trong từ trường bên trong cuộndây, được chuyển thành dòng điện đo được Bởi vì ông đã tăng từ trường bằng cách sửdụng nhiều vòng dây tạo thành cuộn dây Schweigger gọi thiệt bị này là multiplikator.Năm 1825, Leopold Nobili (người Ý, 1784-1835), một giáo sư vật lý tại Florence đãphát minh ra điện kế phiếm định Trong cấu tạo của nó, Nobili tạo ra hai cuộn dây gồm

72 vòng quấn Một kim nam châm được đặt ở giữa mỗi cuộn dây Hai kim nam châmcùng được treo với nhau Chúng được đặt song song với nhau, nhưng cực từ ngược nhau.Bởi vì dòng điện chạy trong hai cuộn dây theo chiều ngược nhau, cả hai kim nam châmđều quay về cùng một chiều Bởi vì chiều ngược nhau như vậy, nên hai kim nam châmkhông bị ảnh hưởng bởi từ trường Trái Đất Một phiên bản khác của điện kế tĩnh điệnđược mô tả ở hình bên Cấu tạo của nó chỉ bao gồm một hoặc hai kim nam châm

Điện kế phiếm định phát minh bởi Nobili năm 1825 Ông đã bù hiệu ứng từ trường của Trái Đất bằng cách đặt hai kim nam châm giống nhau treo trên cùng một trục heo hai hướng ngược nhau

giữa hai cuộn dây.

Một phiên bản khác kỹ thuật cao hơn của điện kế phiếm định Chỉ có một hoặc hai nam châm

giống nhau (nhưng ngược nhau) được bao quanh bởi một cuộn dây.

Carlo Matteucci (người Ý, 1811-1865) là người đầu tiên đo được dòng điện sinh học Sửdụng điện kế phiếm định, ông làm phép đo xung cơ đầu tiên trên cơ của ếch năm 1838,mặc dù báo cáo đã không được ghi lại cho đến năm 1842

Năm 1841, nhà sinh lý học người Đức Emil du Bois-Reymond đã nhận được bản saocủa bài luận ngắn của Matteucci về điện của loài vật, và vì vậy đã được biết đến thínghiệm của Matteucci Ông lặp lại thí nghiệm đó với thiết bị cải tiến hơn Bên cạnh việcphát hiện dòng điện sinh học từ cơ của ếch, du Bois-Reymond năm 1842 (khoảng thờigian ngắn sau khi tờ báo cáo của Matteucci được xuất bản), đã đo được dòng điện phátsinh từ xung thần kinh của ếch Một trong những thí nghiệm của ông được minh họa ởhình dưới