“工程生理學”課程在促進醫工融合中的探索

王星　侯文生　徐志玲　吳小鷹

摘 要 “工程生理學”課程是醫學類課程與理工類課程之間的橋梁課程。依據重慶大學的資源特點，本課程選擇以定量生理學為特色，使用數字仿真工具，開展對生理系統的數學規律和模型研究。研究內容依次為生理功能的測量、生理系統動態平衡的物質基礎、生理功能動態平衡的內在調控、生理功能紊亂與干預研究。本課程教學改革工作有利于滿足生物醫學工程研究生培養定量性分析和干預生理學功能的能力需求。

關鍵詞 生理學 生理調節 干預 醫工融合

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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“健康中國2030”的戰略需求，培養健康產業培養醫工融合的生命與健康工程專業人才，同時，培養具有一流水準的生命健康學科相關專業人才也是重慶大學“雙一流”建設的重要內容，生物醫學工程作為“生命與健康學科群”的學科和專業支撐，因此生物醫學工程專業需要改革進而取得更好的發展。作為醫學和工學連接的橋梁課程，“工程生理學”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。

1 工程生理學課程開設情況

重慶大學生物醫學工程專業最早從重慶大學無線電系教研室分出來的，具有深厚的工學背景。為了培養生物醫學電子信息方向碩士研究生定量分析人體生理學系統的思維和能力，提高學生對生理功能從定性到定量的認識水平，系里開設了“工程生理學”課程。本課程主要目的是使學生掌握人體幾個主要生理系統的測量意義、內在調控機制、外在干預和評估，具有定量性分析和設計生理學功能基本方案的能力。教學方法包括理論模型推導和數字仿真。主要教學途徑是令學生掌握基本的計算機仿真手段與技術，建立數學和計算模型來定量化動態生理系統，為生物醫學課題研究提供理論預測。

2 工程生理學課程面臨的主要問題

由于傳統工科院校醫學教育資源匱乏，導致學生的工程生理學學習效果難以達到研究生培養方案設定的目標，具體表現在如下環節：

（1）學生背景專業不同，傳統的教學方式難以適應差異化的需求。生物醫學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、通信技術等。學生背景存在差異，有的缺乏生理學理論知識，有的缺乏仿真實驗技能。

（2）人體生理學與工程生理學的轉化。人體生理學屬于醫學基礎課，范圍廣泛，內容深，工程生理學主要側重于生理功能的數學模型研究，而且教學內容和學時壓縮，教學內容主要集中在幾個經典的生理系統。

（3）人體生理學與工程應用的脫節。生物醫學工程專業學生在學習生理學課程中需要一種從傳統醫學到工科思維的聯系。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的生理學功能和干預。

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

3 工程生理學課程教學改革

3.1 定量生理學教學內容設計

工科院校的工程生理學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。參考國外教學大綱，完善定量生理學的內容。提高具體生理學系統的教學深度，強調生理指標的定量化關系。利用數字仿真軟件來研究生理功能。利用文獻研討組織學生進行專題討論國際研究的新方法和新技術。

3.2 課程主要建設任務

3.2.1 教學內容

根據生物醫學工程系的科研研究的層次主要以器官和系統為主的特點，所以本次研究生課程項目主要圍繞器官和系統的研究層次，舍棄細胞和分子水平的生理系統數學模型分析，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系統的分析中。

（1）生理功能的測量意義。可用一個數學公式表示一個特定的生理系統的本身的屬性、輸入信號以及輸出信號之間定量的數學關系。從數學角度理解生理系統的功能。Y（s）=H（s）X（s）。其中X矢量表示一個生理系統的刺激信號，Y矢量表示該生理系統輸出的特定生理功能，H矩陣表示該生理系統相關的屬性。Y矢量包含我們評估該生理功能的定量化的指標。X矢量是我們描述某個生理系統的輸入信號的定量化指標。

（2）生理系統動態平衡的物質基礎。用模型動態地表現所描述事物的動態過程，即仿真的目的。動態平衡主要是指當機體處于不同的生理情況時，或當外界環境發生改變時，生理系統會感受到這種特定的刺激，然后體內一些器官、組織的功能活動會發生相應的改變，最后使機體能適應各種不同的生理情況和外界環境的變化，也可使被擾亂的內環境重新得到恢復。我們把內外環境的變化統稱為刺激，來研究刺激對生理系統的影響。

（3）生理功能動態平衡的內在調控。每個生理系統都是處在動態平衡中的，各項生理功能指標在一個有限的范圍內波動，人體都能自動控制。這依賴于人體正常運轉的內在調控系統。人體的內在調控系統分為三類，第一類是神經調控，基于反射弧的基礎結構;第二類是體液調控，基于人體的細胞外液，包括血管內的血液，血管外的組織液;第三類是系統的自身調節。三種內在調控系統分別負責調控不同動態范圍內的生理功能的變化，組合起來共同維持人體的內環境的穩態。

（4）生理功能紊亂與干預研究。當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，否則置之不管，只會引發更嚴重的生理功能紊亂。外界干預的常見分類中，物理治療包括電刺激、光刺激、磁刺激，化學治療包括藥物治療，放射治療。每種外界干預研究都有相應的治療原理，根據介入生理功能內在調控的切入點而建立的治療假說。每種外界干預有相應的評估手段和評估方法。

3.2.2 基于臨床問題的案例設計

結合典型的定量生理學案例的分析，使學生掌握相關難點的理解;推薦相關的參考書，讓學生課后閱讀，然后進行典型的生理功能分析。使學生學會如何對生命和生理過程進行定量研究方法。每個生理系統教學案例的內容安排，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系統的客觀評估為例，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，每分排出量，心指數。X表示心室肌的收縮、竇房結的節律。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，又依賴于心室容積以及其變化率。

為時變函數; 為等容主動壓力;? 為一個復雜的容積和容積變化率的函數。

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

（3）心臟的干預以心臟起搏器為例。起搏器采用神經電調控方式，其工作原理和實現技術與方法。案例包括生物熱力學系統、呼吸系統、運動系統、神經系統的教學案例。

3.2.3 教學環境與條件

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

4 總結

本課程教學改革工作有利于促進“醫-工”知識融合，滿足生物醫學工程研究生培養擁有定量分析與干預生理功能的能力需求。該工作符合重慶大學2018級生物醫學工程專業研究生培養方案，現已啟動，組建了項目實施課題組，并分步實施相關內容。

*通訊作者：王星

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