“工程生理學(xué)”課程在促進醫(yī)工融合中的探索

王星　侯文生　徐志玲　吳小鷹

摘 要 “工程生理學(xué)”課程是醫(yī)學(xué)類課程與理工類課程之間的橋梁課程。依據(jù)重慶大學(xué)的資源特點，本課程選擇以定量生理學(xué)為特色，使用數(shù)字仿真工具，開展對生理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)律和模型研究。研究內(nèi)容依次為生理功能的測量、生理系統(tǒng)動態(tài)平衡的物質(zhì)基礎(chǔ)、生理功能動態(tài)平衡的內(nèi)在調(diào)控、生理功能紊亂與干預(yù)研究。本課程教學(xué)改革工作有利于滿足生物醫(yī)學(xué)工程研究生培養(yǎng)定量性分析和干預(yù)生理學(xué)功能的能力需求。

關(guān)鍵詞 生理學(xué) 生理調(diào)節(jié) 干預(yù) 醫(yī)工融合

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.01.046

Abstract Engineering physiology is a bridge course between medical courses and science and engineering courses. According to the resource characteristics of Chongqing University， this course is characterized by quantitative physiology， using digital simulation tools to carry out research on mathematical laws and models of physiological system. The research contents include measurement of physiological function， material basis of dynamic balance of physiological system， internal regulation of dynamic balance of physiological function， physiological function disorder and intervention research. The teaching reform of this course is helpful to meet the needs of biomedical engineering graduate students in training quantitative analysis and intervention physiological function.

Keywords physiology; physiological regulation; intervention; medical industry integration

0 前言

為了適應(yīng)“健康中國2030”的戰(zhàn)略需求，培養(yǎng)健康產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)醫(yī)工融合的生命與健康工程專業(yè)人才，同時，培養(yǎng)具有一流水準的生命健康學(xué)科相關(guān)專業(yè)人才也是重慶大學(xué)“雙一流”建設(shè)的重要內(nèi)容，生物醫(yī)學(xué)工程作為“生命與健康學(xué)科群”的學(xué)科和專業(yè)支撐，因此生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)需要改革進而取得更好的發(fā)展。作為醫(yī)學(xué)和工學(xué)連接的橋梁課程，“工程生理學(xué)”課程的作用顯得尤為重要，因此被作為研究生重點課程建設(shè)。

1 工程生理學(xué)課程開設(shè)情況

重慶大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)最早從重慶大學(xué)無線電系教研室分出來的，具有深厚的工學(xué)背景。為了培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)電子信息方向碩士研究生定量分析人體生理學(xué)系統(tǒng)的思維和能力，提高學(xué)生對生理功能從定性到定量的認識水平，系里開設(shè)了“工程生理學(xué)”課程。本課程主要目的是使學(xué)生掌握人體幾個主要生理系統(tǒng)的測量意義、內(nèi)在調(diào)控機制、外在干預(yù)和評估，具有定量性分析和設(shè)計生理學(xué)功能基本方案的能力。教學(xué)方法包括理論模型推導(dǎo)和數(shù)字仿真。主要教學(xué)途徑是令學(xué)生掌握基本的計算機仿真手段與技術(shù)，建立數(shù)學(xué)和計算模型來定量化動態(tài)生理系統(tǒng)，為生物醫(yī)學(xué)課題研究提供理論預(yù)測。

2 工程生理學(xué)課程面臨的主要問題

由于傳統(tǒng)工科院校醫(yī)學(xué)教育資源匱乏，導(dǎo)致學(xué)生的工程生理學(xué)學(xué)習(xí)效果難以達到研究生培養(yǎng)方案設(shè)定的目標(biāo)，具體表現(xiàn)在如下環(huán)節(jié)：

（1）學(xué)生背景專業(yè)不同，傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以適應(yīng)差異化的需求。生物醫(yī)學(xué)電子信息方向碩士研究生的背景主要是工科大類，包含機械、電子信息、通信技術(shù)等。學(xué)生背景存在差異，有的缺乏生理學(xué)理論知識，有的缺乏仿真實驗技能。

（2）人體生理學(xué)與工程生理學(xué)的轉(zhuǎn)化。人體生理學(xué)屬于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課，范圍廣泛，內(nèi)容深，工程生理學(xué)主要側(cè)重于生理功能的數(shù)學(xué)模型研究，而且教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時壓縮，教學(xué)內(nèi)容主要集中在幾個經(jīng)典的生理系統(tǒng)。

（3）人體生理學(xué)與工程應(yīng)用的脫節(jié)。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)生理學(xué)課程中需要一種從傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)到工科思維的聯(lián)系。本課程正好能起到一個橋梁作用，用工科思維來定量研究傳統(tǒng)的生理學(xué)功能和干預(yù)。

因此，為提高理工類高等院校生理學(xué)的教學(xué)效率，依據(jù)重慶大學(xué)在理工科課程上具有得天獨厚的優(yōu)勢，本課程建設(shè)申請選擇以定量生理學(xué)為特色，利用工科院校教師和學(xué)生都熟悉擅長的工程化思維，從物理和數(shù)學(xué)的角度，來展開定量化的生理功能研究。

3 工程生理學(xué)課程教學(xué)改革

3.1 定量生理學(xué)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

工科院校的工程生理學(xué)的特色是引入工程化的思路，來定量地分析生理過程和生理功能。參考國外教學(xué)大綱，完善定量生理學(xué)的內(nèi)容。提高具體生理學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)深度，強調(diào)生理指標(biāo)的定量化關(guān)系。利用數(shù)字仿真軟件來研究生理功能。利用文獻研討組織學(xué)生進行專題討論國際研究的新方法和新技術(shù)。

3.2 課程主要建設(shè)任務(wù)

3.2.1 教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程系的科研研究的層次主要以器官和系統(tǒng)為主的特點，所以本次研究生課程項目主要圍繞器官和系統(tǒng)的研究層次，舍棄細胞和分子水平的生理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析，為研究生開展研究課題提供實用的研究工具。對于具體某個生理系統(tǒng)的定量模型分析，大致可以分為四個步驟來闡述。主要是把定量分析的思想融會貫通在每個生理學(xué)系統(tǒng)的分析中。

（1）生理功能的測量意義?？捎靡粋€數(shù)學(xué)公式表示一個特定的生理系統(tǒng)的本身的屬性、輸入信號以及輸出信號之間定量的數(shù)學(xué)關(guān)系。從數(shù)學(xué)角度理解生理系統(tǒng)的功能。Y（s）=H（s）X（s）。其中X矢量表示一個生理系統(tǒng)的刺激信號，Y矢量表示該生理系統(tǒng)輸出的特定生理功能，H矩陣表示該生理系統(tǒng)相關(guān)的屬性。Y矢量包含我們評估該生理功能的定量化的指標(biāo)。X矢量是我們描述某個生理系統(tǒng)的輸入信號的定量化指標(biāo)。

（2）生理系統(tǒng)動態(tài)平衡的物質(zhì)基礎(chǔ)。用模型動態(tài)地表現(xiàn)所描述事物的動態(tài)過程，即仿真的目的。動態(tài)平衡主要是指當(dāng)機體處于不同的生理情況時，或當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變時，生理系統(tǒng)會感受到這種特定的刺激，然后體內(nèi)一些器官、組織的功能活動會發(fā)生相應(yīng)的改變，最后使機體能適應(yīng)各種不同的生理情況和外界環(huán)境的變化，也可使被擾亂的內(nèi)環(huán)境重新得到恢復(fù)。我們把內(nèi)外環(huán)境的變化統(tǒng)稱為刺激，來研究刺激對生理系統(tǒng)的影響。

（3）生理功能動態(tài)平衡的內(nèi)在調(diào)控。每個生理系統(tǒng)都是處在動態(tài)平衡中的，各項生理功能指標(biāo)在一個有限的范圍內(nèi)波動，人體都能自動控制。這依賴于人體正常運轉(zhuǎn)的內(nèi)在調(diào)控系統(tǒng)。人體的內(nèi)在調(diào)控系統(tǒng)分為三類，第一類是神經(jīng)調(diào)控，基于反射弧的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);第二類是體液調(diào)控，基于人體的細胞外液，包括血管內(nèi)的血液，血管外的組織液;第三類是系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)。三種內(nèi)在調(diào)控系統(tǒng)分別負責(zé)調(diào)控不同動態(tài)范圍內(nèi)的生理功能的變化，組合起來共同維持人體的內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。

（4）生理功能紊亂與干預(yù)研究。當(dāng)某項生理功能的變化超出有限的范圍后，該項生理功能就陷入紊亂，這時候就需要及時地從外界進行干預(yù)，否則置之不管，只會引發(fā)更嚴重的生理功能紊亂。外界干預(yù)的常見分類中，物理治療包括電刺激、光刺激、磁刺激，化學(xué)治療包括藥物治療，放射治療。每種外界干預(yù)研究都有相應(yīng)的治療原理，根據(jù)介入生理功能內(nèi)在調(diào)控的切入點而建立的治療假說。每種外界干預(yù)有相應(yīng)的評估手段和評估方法。

3.2.2 基于臨床問題的案例設(shè)計

結(jié)合典型的定量生理學(xué)案例的分析，使學(xué)生掌握相關(guān)難點的理解;推薦相關(guān)的參考書，讓學(xué)生課后閱讀，然后進行典型的生理功能分析。使學(xué)生學(xué)會如何對生命和生理過程進行定量研究方法。每個生理系統(tǒng)教學(xué)案例的內(nèi)容安排，均大致從三個方面來組織。

（1）生理功能測量意義以血液循環(huán)系統(tǒng)的客觀評估為例，Y（s）=H（s）X（s）描述心臟泵血過程，H 包括心房與心室的壓力、瓣膜的啟閉、心室容積的變化、血液流動的方向。Y指心臟泵血功能的評定，包括每搏輸出量、射血分數(shù)，每分排出量，心指數(shù)。X表示心室肌的收縮、竇房結(jié)的節(jié)律。有描述心室收縮時的心肌阻力特性與等容收縮時的血壓成正比的心室模型，R=kp0.有心室肌主動張力與泵功能相關(guān)，又依賴于心室容積以及其變化率。

為時變函數(shù); 為等容主動壓力;? 為一個復(fù)雜的容積和容積變化率的函數(shù)。

（2）內(nèi)在調(diào)控機制模塊中，以動脈血壓調(diào)節(jié)為例。以心血管調(diào)節(jié)為例。①神經(jīng)調(diào)節(jié)主要是通過頸動脈竇和主動脈弓的壓力感受性反射調(diào)節(jié)血管和心臟的功能，使血壓變化恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。②體液調(diào)節(jié)主要是通過中樞和外周機制，通過調(diào)節(jié)血管緊張素釋放、血管升壓素、腎上腺素和去甲腎上腺素，調(diào)節(jié)心臟和血管來調(diào)節(jié)血壓。③自身調(diào)節(jié)例如血管平滑肌在受到牽拉刺激時，會發(fā)生收縮反應(yīng)。

（3）心臟的干預(yù)以心臟起搏器為例。起搏器采用神經(jīng)電調(diào)控方式，其工作原理和實現(xiàn)技術(shù)與方法。案例包括生物熱力學(xué)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)的教學(xué)案例。

3.2.3 教學(xué)環(huán)境與條件

主要是以計算機與數(shù)學(xué)為研究手段，建立特定生理系統(tǒng)的功能數(shù)學(xué)模型來開展定量化研究。系里的專業(yè)實驗室已經(jīng)安裝了用于模擬多物理場耦合研究的COMSOL Multiphysics，用于仿真環(huán)境建模個體神經(jīng)元和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)NEURON軟件，以及通用的數(shù)字信號處理和仿真的matlab軟件，方便教師和學(xué)生順利開展仿真實驗。

4 總結(jié)

本課程教學(xué)改革工作有利于促進“醫(yī)-工”知識融合，滿足生物醫(yī)學(xué)工程研究生培養(yǎng)擁有定量分析與干預(yù)生理功能的能力需求。該工作符合重慶大學(xué)2018級生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)研究生培養(yǎng)方案，現(xiàn)已啟動，組建了項目實施課題組，并分步實施相關(guān)內(nèi)容。

*通訊作者：王星

參考文獻

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