摘 要:为扩展学生的专业知识面和促进学生以工程手段解决医学问题的能力,“医学电生理”课程急需在工科院校生物医学工程专业得到广泛地开展。本文提出基于仿真方法的“医学电生理”教学,将仿真动画、仿真模型和仿真信号方法引入到“医学电生理”课程的教学当中,加强学生对生理电现象本质过程的理解,能在一定程度上缓解工科院校难以进行相关生理实验的困难,从而可以促进“医学电生理”课程在工科院校生物医学工程专业得到广泛地开展。
关键词:医学电生理 仿真教学 动画 细胞模型 仿真信号
中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1673-9795(2011)02(b)-0090-02
“医学电生理”是生物医学工程学科的重要专业课程之一,不仅涉及重要生理现象在电学特性方面的表现及其发生机理,同时还包括了与疾病相关的电生理机制与特征,为疾病的临床诊断提供了丰富的可用信息,对于生物医学工程专业的学生理解、掌握生理运作机制以及应用工程方法解决医学问题都起到了至关重要的作用。“医学电生理”课程中关于电生理基础机制和重要生理电信号等的讲解,需要有相关实验的支持,以方便学生理解微观生理现象,掌握重要电生理实验思想,从而促进其对医学相关的电生理现象和机制能够有比较深入的理解。然而,由于实验所需设备非常昂贵,而且实验本身非常繁杂,不容易重复,“医学电生理”的教学在工科院校生物医学工程专业中比较难以展开,到目前为止,只有个别的工科院校曾经尝试过这一课程的开设。设定合适的教学内容,以及采取有效的教学方法,是目前工科院校生物医学工程专业开设“医学电生理”课程所面临的重要问题。
针对这种情况,本文提出使用多种仿真方法进行“医学电生理”课程的教学,以推进工科院校生物医学工程专业学生对较低层次生理电现象及其相关知识的学习,促进本专业学生掌握较全面的专业知识,加强其以工程手段解决医学问题的能力,从而达到在工科院校能顺利开展“医学电生理”课程的目的。
1 “医学电生理”教学内容
通过参考一些医学院校生理课教程[1～3],我们设定了“医学电生理”课程的教学内容,并已经在大连理工大学生物医学工程系,针对大学三年级学生,进行了为期一学期(40学时)的“医学电生理”教学。“医学电生理”的教学分为课堂教学(32学时)和实验(8学时)两个部分。课堂教学的内容主要包括:(1)生理电现象的发生机制、规律及其量化表达:这部分内容在细胞层面上分析生理电信号(包括静息电位、动作电位和动作电位传播)的产生原因,并阐述使用数学方程定量描述细胞电信号的方法;(2)电生理研究方法:这部分内容包括金属电极和细胞外液(电解质)之间的相互作用机理、电流刺激细胞诱发细胞电学活动的规律,以及生理电信号采集所涉及到的电压钳技术、膜片钳技术和各种电极等;(3)主要生理电信号的发生机制、特征及其在医学上的应用:这部分内容阐述肌电、心电和脑电信号的产生机制、生理电信号在不同病理条件下所表现出的主要特征以及这些特征在疾病诊断和治疗上的可能应用。实验教学的内容涉及到“医学电生理”中一些比较重要的电生理现象,如动作电位的产生过程、神经细胞在电流刺激下的兴奋性规律以及细胞在电压钳制情况下的电学行为等。实验教学要求学生对这些“医学电生理”中基础但重要的电现象及其发生过程和机理能够有比较清晰的理解和认识。
2 “医学电生理”仿真教学
“医学电生理”的教学内容(见上),多处涉及到了较为昂贵的医学相关实验(如膜片钳实验等),这些对于工科院校生物医学工程专业来说比较难以实施,同时其繁琐性和不易重复性也限制了工科院校学生对电生理现象与机制的掌握。进行基于仿真方法的“医学电生理”教学一定程度上可以缓解这些困难。
2.1 使用仿真动画进行教学
在“医学电生理”课程的教学中,生物电产生机制的讲授需要阐述很多微观生物结构及其运作过程,以及这些和生理电信号的产生之间所存在的关系。这部分内容涉及到较多分子、细胞层次的知识,比如细胞膜、离子通道和离子泵等,相对来说比较抽象,难于理解,然而却是学生掌握电生理知识的基础。另外,对金属电极和电解质(细胞外液)之间的作用关系、电流刺激诱发神经活动变化,以及心电、脑电和肌电信号的产生机制等的阐述也都涉及到电子、离子和细胞层面的知识。在教学中辅以生动、形象的动画,来替代于真实实验中进行观察,在有利于学生对相关知识的理解,加强教学效果的同时,可以解决一些工科院校不能方便进行相关实验的问题,对于“医学电生理”课程的普及,将起到一定的促进作用。
2.2 使用仿真模型进行教学
“医学电生理”的重要教学内容之一是细胞在实现其生理功能过程中所表现出的电信号特征及其与细胞功能之间的关系。为了深入理解细胞电信号各种特征的发生本质,以及各种因素对细胞电信号及其功能的影响规律,学生需要反复重复细胞在各种条件下产生电信号的过程。膜片钳实验虽然能满足这种要求,但费用较高,而且实际操作复杂,本身需要大量精力来学习,费时费力,不适于单纯的“医学电生理”教学。对于工科院校生物医学工程专业来说,这尤其是比较难以实现的。使用细胞模型来仿真其产生电信号的过程,并在此基础上研究其功能与电信号特征的联系,可以方便地解决这一问题。目前,很多研究对多种物种多类细胞的电学特性给出了相应的数学表达,如描述枪乌贼巨轴突细胞膜的HH模型[4]和描述成人心房肌细胞的NFFCLCG模型[5]等。使用MATLAB和C++等编程语言可以方便地对这些细胞的电学特性加以实现和仿真。另外,很多软件,如NEURON(http://www.neuron.yale.edu/neuron/)和XPP(http://www.math.pitt.edu/~bard/xpp/xpp.html) 等,也都可以实现对细胞电学行为的仿真,能够方便地用于“医学电生理”课程的教学当中,用来建立细胞仿真模型。基于这些细胞仿真模型,学生在课外时间也可以方便地重复、自主学习,从而能够扎实地掌握各种离子通道和离子泵等对细胞功能和电信号发生的作用,以及电流刺激情况下细胞的响应规律等。通过使用细胞仿真模型,学生还能实现电压或电流钳制细胞,从而可以掌握电压钳和膜片钳实验的思想,避免了受制于实验设备的局面。细胞仿真模型的使用可以使得“医学电生理”课程的教学变得更加容易,使得学生对相关知识的掌握更加深入和透彻,是“医学电生理”教学的有力方法之一,是促进“医学电生理”课程在工科院校生物医学工程专业得以开设的有力工具。
2.3 使用仿真信号进行教学
“医学电生理”的另一项主要教学内容是生理电信号(如脑电、肌电和心电等)的特征表达及其与多种疾病之间的关系。具有不同特征的生理电信号对应于何种生理疾病及其内在机理是生物医学工程专业学生应该掌握的知识要点,是学生进一步以工程手段解决医学问题的重要基础之一。使用以疾病因素为输入的仿真生理电信号发生系统,学生可以在不断调整系统输入的同时观察系统的输出信号,从而能够进一步学习、掌握各种疾病因素与生理电信号特征之间的对应关系。相比较真实生理数据的存储与提取,这种方法具有良好的量化特性,能够方便地进行重复和比较等操作,有利于课程的讲授和学生的学习,是“医学电生理”教学可以使用的有效方法。
3 进一步工作
为了提高“医学电生理”课程的教学效果,一方面的进一步工作是广泛地对“医学电生理”课程中的重要知识点进行模块化的仿真实现,包括授课使用的仿真动画课件、学生掌握知识点使用的细胞仿真模型和仿真生理电信号发生系统等,争取做到各个仿真模型和信号发生系统具有模块化的特性,有着较强的独立性和易用性,方便其传播和学生使用。
为了积极促进“医学电生理”课程的发展,另一方面的工作是建立面向“医学电生理”的供学生和教师使用的网络交流平台,发布“医学电生理”相关课件和仿真模块,在方便学生之间、学生和老师之间交流,有利于教学的同时,加强不同院校老师之间的交流,集思广益,从而将进一步促进“医学电生理”课程的教学在广大工科院校的顺利进行。
4 结语
综上所述,为了解决“医学电生理”教学中辅助实验费用高、繁杂、不易重复的问题,从而促进“医学电生理”教学在工科院校生物医学工程专业的普及,本文提出了使用动画课件、细胞模型和生理电信号发生系统三种仿真方法进行“医学电生理”课程的教学。这些方法有利于学生理解电生理的相关知识,使学生能够自主、重复进行各种电生理仿真实验来加强对“医学电生理”知识的掌握。同时,减少了繁杂的辅助生理实验也可以使得学生能够更加专注于相关知识点的掌握,有利于其以工程方法解决医学问题能力的培养。基于仿真方法的“医学电生理”教学有利于教师的授课和学生的学习,并极大程度地降低了教学成本,能真正地促进“医学电生理”课程在更多工科院校生物医学工程专业的顺利开设。
参考文献
[1](德)沃尔夫冈·施瓦茨,约格·雷迪根[著],丁光宏,顾全保[译].电生理学基础[M].上海:复旦大学出版社,2006.
[2]姚泰.生理学[M].北京:人民卫生出版社,2005.
[3]李国彰.神经生理学[M].北京:人民卫生出版社,2007.
[4]A.L.Hodgkin,A.F.Huxley.A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve[J].J Physiol,1952,117(4):500～544.
[5]A.Nygren,C.Fiset,L.Firek,et al.Mathematical model of an adult human atrial cell:The role of k+ currents in repolarization[J].Circ Res,1998,82(1):63～81.
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