Lược sử về điện từ sinh học

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 với một biên độ cao hơn 450 V, khiến người ngư dân phải thả tất cả cá ra. Cá nheo Âu cũng được 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 hổ phách 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 khuyến khích sử dụng cá ngư lôi để chữa đau đầu và viêm khớp gút (Kellaway, 1946). Cá điện vẫn 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 bị đầu tiên để đo năng lượng này. Dụng cụ thí nghiệm tĩnh điện này là một kim làm bằng kim loại nhẹ xoay được trên một chân vì thế nó sẽ quay về hướng các vật chất có sức hút. Gilbert gọi các vật chất có năng lượng này là electrick, từ tên tiêng Hy Lạp cho hổ phách. Mặc dù ông ấy đã tự tạo ra thuật ngữ này và cuối cùng trở thành ngành khoa học mới về điện. Gilbert đã xuất bản thí nghiệm của mình năm 1600 trong một cuốn sách đầu đề là De Magnete.

Thiết bị đầu tiên để khám phá ra điện là dụng cụ đo tĩnh điện phát minh bởi William Gilbert (1600)

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 đó người 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 đã thực 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 cách bắt 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 dộng bằng cách nén nó. Trên thực tế, trong thí nghiệm này kích thích đạt được bằng cách kéo dây 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 trong thí nghiệm này được nhúng vào chất điện phân cung cấp bởi mô, là nguồn gốc của lực điện động (emf) và liên quan đến dòng điện. Dòng điện chảy qua kim loại và mô, và phản ứng với kích thích (kích hoạt) của thần kinh trong mẫu mô. Các dây thần kinh, một khi đã kích hoạt, tạo ra một dòng điện của chính nó. Đó là nguồn gốc của sinh học, được điều khiển bởi các nguồn trong màng các dây thần kinh và cơ, và là khác biệt với các dòng kích thích kể trên. Các vùng hoạt động của sự lan truyền hưng phấn từ thần kinh đến cơ ngay lập tức gây ra sự co cơ. Đặc tính điện của thần kinh và cơ hình thành nên chủ 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 thể không hiểu rằng thần kinh cơ hưng phấn là một hiện tượng điện. Nói cách khác, một số tác giả hiểu theo cách nào đó sự kích thích nói ở trên để có kết quả thật sự từ sự co duỗi của dây thần kinh. Kết quả của thí nghiệm này được xuất bản sau khi tác giả mất năm 1738.

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.

Chiếc máy điện đầu tiên được chế tạo bởi Otto von Guericke (người Đức, 1602-1686). Đó là một quả cầu sunphua (“kích thước của đứa trẻ sơ sinh”) với một chiếc rìu sắt gắn với một khung gỗ, như hình vẽ. khi quả cầu quay và bị cọ xát, nó tạo ra tĩnh điện (von Guericke, 1672). Chiếc máy điện thứ hai được phát minh vào năm 1704 bởi Francis Hauksbee the Elder (người Anh, 1666-1713). Nó là một quả cầu thủy tinh được quay bởi 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 quả cầu thủy tinh bằng một bơm không khí và có thể tạo ra một ánh sáng chói, và vì vậy dự đoán 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 bố đầu tiên liên quan đến việc sử dụng điện được phát biểu năm 1743 bởi Johann Gottlob Krüger 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 trong thần học và trong luật học, rõ ràng là không có gì ngoài y học.” (Licht, 1967).

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 kì dựa trên một dạng xác định hay nguồn gốc của điện. Các thời kì đó được đặt tên theo 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 chai Leyden. Nó được phát minh vào ngày 11 tháng mười, năm 1745 bởi nhà phát minh người Đức Ewald Georg vonKleist (1700-1748). Nó cũng được phát minh một cách độc lập bởi một nhà khoa học Hà Lan, Pieter van Musschenbroek (1692-1761) của đại học Leyden tại Hà Lan năm 1746. Chai Leyden là một tụ điện tạo bởi một chai thủy tinh được tráng kim loại ở bề mặt bên trong và bên ngoài. Việc thực hành tạo tĩnh điện đầu tiên 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 suốt thí nghiệm của ông với chai Leyden. Franklin cũng nghiên cứu điện khí quyển với thí nghiệm diều nổi tiếng của ông năm 1752.

Ngay sau khi chai Leyden được phát minh, nó được cung cấp cho kích thích cơ bắp và điều 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 ghi chép lại một cách cẩn thận (1748), miêu tả sự khởi đầu của kích thích điều trị của cơ bằng 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 Luigi Galvani, giáo sư nguyên tử tại trường đại học Bologna. Phát hiện quan trọng đầu tiên của ông vào ngày 26 tháng một, năm 1781. Một con ếch mổ sẵn ra nằm trên cùng một chiếc bàn với một chiếc máy điện. Khi người phụ tá của ông chạm vào dao mổ dây thần kinh 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 khí quyển, trên chân con ếch. Ông nối một vật dẫn điện giữa mặt phẳng của ngôi nhà và dây thần kinh của chân con ếch. Sau đó ông nối đất cơ chân ếch bằng một vật dẫn khác sát ngay 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 lửng con ếch trên lan can bằng một móc đồng xuyên vào tủy sống. Galvani đã ngẫu nhiên ấn cái 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 con ếch lên một tấm sắt và ấn cái móc đồng dựa vào tấm sắt, và xuất hiện sự co cơ. Tiếp tục với hệ thống thí nghiệm đó, Galvani nhận thấy rằng khi mà dây thần kinh và cơ của con ếch đồng thời chạm vào kim loại kép đồng và kẽm, một sự co cơ được sinh ra. Thí nghiệm 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 sự kích thích với cấu trúc kim loại kép. Giải thích của ông cho hiện tượng này là cấu trúc kim 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 trên kích thích điện mạnh. Ông hiểu rõ hơn cơ chế làm thế nào mà điện lại sinh ra từ hai kim loại không giống nhau và một chất điện phân. Công việc của ông dẫn tới phát minh năm 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 dòng điện kích thích từ pin Volta cho bệnh nhân (1804). Với điện cực mà ông sử dụng là các chai 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 phương pháp làm tỉnh lại các bệnh nhân phẫu thuật bị gây mê bởi cloroform, và bất tỉnh bởi hiệu 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 bảy bệnh nhân bị dừng thở đột ngột và không có mạch (Green, 1872). Micheal Faraday phát minh ra cuộn dẫn năm 1831 đã mở đầu cho thời đại dòng điện cảm ứng trong điện y học (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 được gọi 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 1874 bởi bác sĩ Robert Bartholow, một giáo sư y tại Cincinnati. Cincinnati kích thích cho vỏ não giãn ra với dòng điện cảm ứng và quan sát thấy rằng một sự chuyển động dữ dội của các 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 mô sống bằng cách sử dụng dòng điện tần số cao với một điện cực hoặc với một cuộn dây lớn. Đây là khởi đầu của phép điện nhiệt. Jacques d’Arsonval đã báo cáo nhận thấy sự nhòe thị giác khi đưa đầu một người vào trong một từ trường mạnh thay đổi theo thời gian. Nó được sinh ra bởi một cuộn dây lớn mang dòng điện 32 A tần số 42 Hz. Ông gọi hiện tượng này là “đom đóm mắt do từ”. Nó được gây ra bởi hiệu ứng kích thích bởi từ trường đối với võng mạc, là bộ phận rất nhạy cảm với từ. Đó là thí nghiệm kích thích từ đầu 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 một liều chloroform. Năm 1882, Hugo Wilhelm von Ziemssen (người Đức, 1829-1902) áp dụng phương pháp này với con người. Chỉ đến năm 1932, khi dẫn tốc điều nhịp tim được báo cáo bởi Albert Salisbury Hyman (người Mỹ, 1893-1972), đó là một phương phát 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 Paul Maurice 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 nhịp trong 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 (1915- ).Vào ngày 8 tháng mười năm 1958, tại viện Karolinska, ông đã cấy thiết bị dẫn tốc điều nhịp chế tạo bởi kỹ sư Rune Elmqvist. Sự phát triển của các thiết bị cấy điều nhịp có thể được thực hiện là nhờ phát minh về transistor của Bardeen và Brattain năm 1948.

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 nghiệm trên động vật, rằng sốc điện điện áp thấp gây rung tâm thất trong khi sốc điện áp cao thì không. 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 được hoàn thành bởi Beck và đồng nghiệp của ông năm 1947 (Beck, Pritchard và Feil, 1947)

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 trong suốt quá trình học tại Đại học Copenhaghen. Cho một dòng điện chạy trong dây dẫn phía trên một cái kim nhiễm từ tạo ra lực đẩy kim di chuyển theo hướng vuông góc với dây 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 1819. Nguồn pin tạo ra một dòng điện I chạy trong dây dẫn kim loại. Kim nam châm phía dưới dây dẫn đổi hướng song song với chiều của cảm ứng từ đã chứng minh sự tồn tại của nó.

Sau khám phá này, người ta đã phát minh ra điện kế, một thiết bị để đo những dòng điện nhỏ. 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 cuộn dây, được chuyển thành dòng điện đo được. Bởi vì ông đã tăng từ trường bằng cách sử dụng 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 đã phát 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 châm cùng 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 châm đều quay về cùng một chiều. Bởi vì chiều ngược nhau như vậy, nên hai kim nam châm không bị ảnh hưởng bởi từ trường Trái Đất. Một phiên bản khác của điện kế tĩnh điện được 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. Sử dụng 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 sao của bài luận ngắn của Matteucci về điện của loài vật, và vì vậy đã được biết đến thí nghiệm của Matteucci. Ông lặp lại thí nghiệm đó với thiết bị cải tiến hơn. Bên cạnh việc phát hiện dòng điện sinh học từ cơ của ếch, du Bois-Reymond năm 1842 (khoảng thời gian ngắn sau khi tờ báo cáo của Matteucci được xuất bản), đã đo được dòng điện phát sinh từ xung thần kinh của ếch. Một trong những thí nghiệm của ông được minh họa ở hình dưới.

Một trường học của Anh về sinh lý học thần kinh được bắt đầu khi Richard Caton (người Anh, 1842-1926) quan tâm đến kỹ thuật ghi điện của du Bois-Reymond và áp dụng nó để đo điện thế kích thích của não của thỏ và khỉ. Báo cáo đầu tiên về các thí nghiện của ông, được xuất bản năm 1875, được tin rằng đã tạo nên những khám phá về điện não đồ (EEG). Năm 1888, một nhà khoa học Balan trẻ Adolf Beck (1863-1942), làm việc cho một nhà sinh lý học lớn Napoleon Nicodemus Cybulsky (1854-1919) tại trường đại học Krakow, thành công trong việc chứng minh rằng xung động lan truyền theo sợi thần kinh mà không có sự suy giảm. Không biết về công việc của Caton, Beck nghiên cứu điện thế hoạt động thí nghiệm trên động vật và độc lập phát hiện một số kết luận của Caton. Bác sĩ tâm thần người Đức Hans Berger (1873-1941) đã lần đầu tiên ghi điện não cho con người năm 1924 và xác định hai nhịp tim chính và điện tim đồ của Berger ghi lại được minh họa dưới đây.

Dụng cụ của Du Bois-Reymond để nghiên cứu hiệu ứng của dòng điện liên tục trên dây thần kinh

Một trang của quyển vở của Berger mô tả việc ghi lại điện tim đồ của con người.

Đồ hình của điện thế hoạt động của tim con người, điện tim đồ (EEG), được đo lần đầu tiên năm 1887 bởi Augustus Waller (người Anh, 1856-1922) bằng cách sử dụng tĩnh điện kế mao dẫn. Trong tĩnh điện kế mao dẫn một phim ảnh chuyển động được phơi sáng cùng với một ống kính mao dẫn đầy axit sunphuric và thủy ngân. Giao diện của nó chuyển động để đáp ứng lại điện trường. Độ nhạy của tĩnh điện kế mao dẫn là khoảng 1 mV, nhưng thời gian đáp ứng của nó là rất kém. Tĩnh điện kế mao dẫn được phát minh năm 1873 bởi Gabriel Lippman, và kỹ thuật chụp ảnh mà nhờ nó tín hiệu được ghi lại bởi E. J. Marey và G. J. Lippman (1876). Waller phát hiện ra rằng bộ phát sinh điện tim có bản chất là lưỡng cực và đề nghị rằng điện tim đồ nên được đo giữa 5 điểm đo bao gồm hai tay, hai chân và miệng (tổng cộng 10 lưỡng cực dẫn). Ông cũng là người đầu tiên ghi lại bộ 3 đường dẫn gần trực giao, bao gồm miệng tới tay trái, miệng tới chân trái, và trước ra sau.

Người tiên phong trong điện tim đồ hiện đại là Willem Eithoven (người Hà Lan, 1860-1927) là người, vào đầu thế kỷ này, đã phát triển thiết bị ghi điện tim chất lượng cao đầu tiên dựa trên cơ sở điện kế dây (Eithoven, 1908). Mặc dù Eithoven thường được ghi nhận là phát minh ra điện kế dây, nhưng vinh dự lại thuộc về Clémem Ader (1897). Mặc dù Eithoven rõ ràng thực hiện các cải tiến quan trọng trong thiết bị này khiến cho nó có thể được áp dụng vào điện tim đồ lâm sàng. Eithoven đã tổng kết các kết quả cơ bản của ông trong nghiên cứu điện tim đồ năm 1908 và 1913 và nhận giải Nobel cho những nghiên cứu của ông vào năm 1924.

Horatio Williams, người đầu tiên xây dựng dãy các vector tức thời (Williams, 1914), thường được coi là người phát minh ra điện tim đồ vector. Hubert Mann đã nghiên cứu xa hơn về điện tim đồ vector và phát triển nó như là một công cụ lâm sàng. Ông xuất bản điện tim đồ vector hai chiều đầu tiên dựa trên tam giác Eithoven năm 1916 và gọi cấu trúc này là “monocardiogram” (Mann, 1920). Sau J. B. Johnson (1921) của công ty Western Electric đã phát minh ra ống tia catốt điện áp thấp, nó đã bắt đầu trở nên có thể hiển thị tín hiệu điện sinh học ở dạng vector trong thời gian thực. Phát minh này cho phép điện tim đồ vector được sử dụng như là công cụ lâm sàng.

Phát minh về ống electron bởi Lee de Forest (người Mỹ, 1873-1961) năm 1906 cho phép tín hiệu điện sinh học được khuyếch đại, cách mạng hóa kỹ thuật đo lường. Cuối cùng, phát minh về transistor của John Bardeen và Walter Brattain năm 1948 đánh dấu bước khởi đầu cho thời đại bán dẫn. Nó cũng cho phép các thiết bị điện từ sinh học được thu nhỏ lại, có thể di động và cấy vào cơ thể, và đáng tin cậy hơn.

Việc ghi điện tim đầu tiên bởi Augustus Waller (1887). Bản ghi này được ghi với tĩnh điện kế mao dẫn. Bản ghi tín hiệu điện tim (e) là đường ranh giới giữa vùng màu trắng và vùng màu đen. Đường cong khác, là điện tim đỉnh, một bản ghi về chuyển động cơ học của đỉnh của tim.

Điện trường của tim trên bề mặt ngực, ghi bởi Augustus Waller (1887). Đường cong (a) và (b) ghi lại đường đẳng thế âm và dương, tương ứng. Chúng chỉ ra rằng tim là một nguồn lưỡng cựccó cực dương và cực âm tại (A) và (B), tương ứng. Đường cong (c) đại diện cho các đường dòng giả định

Monocardiogram bởi Mann (1920)

Thuật ngữ nơron lần đầu tiên áp dụng cho tế bào thần kinh năm 1891 bởi Heinrich Wilhelm Gottfried Waldeyer (người Đức, 1837-1921). Tìm hiểu cơ bản trong nghiên cứu nơron được thực hiện vào cuối thế kỷ 19 bởi August Forel (Người Thụy Sỹ, 1848-1931), Wilhelm His, Sr. (người Thụy Sỹ, 1831-1904), và Santiago Ramón y Cajal (người Tây Ban Nha, 1852-1934). Theo như lý thuyết của họ, thì tế bào thần kinh là đơn vị chức năng của hệ thống thần kinh. (Năm 1871, Santiago Ramón y Cajal cũng phát hiện ra rằng các nơron có thể được nhuộm màu chọn lọc với tiêu bản mạ bạc đặc biệt).

Alan Lloyd Hodgkin (người Anh, 1914- ) và Andrew Fielding Huxley (người Anh, 1914- ) đã nghiên cứu các đặc tính của tế bào não rất chi tiết và phát triển một mô hình toán học rất chính xác của quá trình kích thích (Hodgkin và Huxley, 1952). John Eccles (người Úc, 1903- ) nghiên cứu sự truyền khớp thần kinh ở Canberra, Úc trong những năm 1950. Eccles, Hodgkin và Huxley nhận được giải thưởng Nobel năm 1963.

Ragnar Arthur Granit (người Phần Lan, 1900-1991) đã thực hiện nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng điện sinh học của võng mạc mắt và hệ thần kinh trong những năm 1930 và 1940. Năm 1935, ông có thể chỉ ra một cách thực nghiệm các khớp thần kinh ức chế được tìm thấy ở võng mạc. Hermann von Helmholtz đề xuất rằng khả năng phân biệt phổ màu sắc của con người có thể giải thích được nếu chứng minh được rằng mắt người chứa những cơ quan thụ cảm nhạy cảm với các ánh sáng có bước sóng khác nhau.

Các thí nghiệm đầu tiên của Granit trong việc phân biệt màu sắc, được thực hiện năm 1937, thực hiện điện đồ võng mạc (ERG) để xác nhận phạm vi của sự phân biệt quang phổ. Năm 1939, Granit đã phát triển vi điện cực, một thiết bị cho phép đo điện thế bên trong màng tế bào. Với kỹ thuật này, Granit đã nghiên cứu sâu hơn và công bố độ nhạy quang phổ của ba loại tế bào hình nón – xanh lam, xanh lá cây và đỏ. Ragna Granit đã chia sẻ giải Nobel vào năm 1967 với H.Keffer Hartline và George Wald “cho những phát hiện của họ liên quan đến quá trình thị giác hóa học và sinh lý học sơ cấp trong mắt người” (Granit, 1955).

Các đặc tính của kênh ion trong màng sinh học đã được mô tả chi tiết hơn thông qua kỹ thuật patch-clamp bởi Erwin Neher (người Đức, 1944- ) và Bert Sakmann (Người Đức, 1942- ) (Neher và Sakmann 1976). Với phương pháp path-clamp thì có thể đo được dòng điện chảy qua một kênh ion đơn. Điều này mở rộng nguồn gốc điện từ sinh học tới sinh học phân tử để kỹ thuật này có thể được sử dụng, ví dụ, để phát triển dược phẩm mới. Neher và Sakmann giành được giải Nobel năm 1991.

Mối liên quan giữa điện và từ được phát hiện năm 1819 bởi Hans Christian Örsted. Hai nhà khoa học người Pháp Jean Baptiste Biot (1774-1862) và Félix Savart (1791-1841) đã chứng minh rằng lực giữa một dòng điện trong dây dẫn xoắn và một cực từ là tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng (Biot,1820).André Marie Ampère (người Pháp; 1775-1836) chỉ ra rằng dòng điện trong dây dẫn xoắn mà ông gọi là Solenoid, có tính chất từ như là một nam châm vĩnh cửu(Ampère 1820), qua đó kết nối dòng điện để tạo ra từ trường. Ampère cũng phát triển lý thuyết toán học về điện trường tĩnh (Ampère 1827).Mối quan hệ điện từ đã được xây dựng lý thuyết vào năm 1864 bởi James Clerk Maxwell (người Anh, 1831-1879), người đã phát triển mối quan hệ giữa dòng điện thay đổi theo thời gian với từ trường (Maxwell, 1865). Kể từ phát hiện của Örsted, sự phụ thuộc lẫn nhau của điện và từ đã được sử dụng rộng rãi trong một loạt các thiết bị lớn. Ví dụ các thiết bị đó bao gồm thiết bị được sử dụng để đo dòng điện (điện kế và ampe kế), máy phát điện, mô tơ điện, và nhiều thiết bị tần số vô tuyến.Tuy nhiên, tín hiệu từ sinh học không được phát hiện trong một thời gian dài bởi vì biên độ cực thấp của nó.

Tín hiệu từ sinh học đầu tiên, từ tim đồ (MCG) được phát hiện bởi Gerhard M. Baule và Rechard McFee năm 1963 với một điện kế cuộn dẫn. Từ kế được làm bằng cách quấn hai triệu vòng dây đồng xung quanh lõi ferit. Thêm vào với cuộn dò được đặt ở trước tim là một cuộn giống hệt được nối nối tiếp với nhau và được đặt cạnh nhau. Hai cuộn dây có chiều ngược nhau và vì vậy huỷ được các từ trường phổ biến phân bố sinh ra từ các nguồn bên ngoài. Sự tăng đáng kể trong độ nhạy của phép đo từ sinh học với sự đưa ra thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID), làm việc tại nhiết độ của Helium lỏng (-269oC) (Zimmerman, Thiene, and Hardings, 1970; Cohen, 1972).

Mặc dù David Cohen thành công trong việc đo nhịp anpha từ với từ kế cuộn dẫn (Cohen, 1969), tín hiệu từ sinh ra bởi hoạt động điện của não bộ, đo được trong từ não đồ (MEG) là rất thấp, vì vậy trong thực tế, chỉ có thể phát hiện ra nó bởi sử dụng SQUID. Với một thiết bị như MEG lần đầu tiên được đo bởi David Cohen năm 1970, John Wikswo và các đồng nghiệp lần đầu tiên đo được từ trường của bó thần kinh ếch năm 1980 (Wikswo, Barach và Freeman, 1980).

Trệpmoois quan hệ này chúng tôi muốn người đọc chú ý vào thực tế là sự khác biệt giữa các nguyên tắc đo trong phép đo đầu tiên của tín hiệu điện sinh học và từ sinh học là nhỏ đến đáng ngạc nhiên :

Trong phép đo tín hiệu điện sinh học đầu tiên, Matteucci (1838) đã sử dụng một kim nhiễm từ như một thiết bị dò. ( Tất nhiên, trường điện sinh học là quá thấp để có thể làm chệch hướng kim của một tĩnh điện kế). Trường từ sinh học, sinh ra bởi dòng điện sinh học chảy trong chân của con ếch, quá nhỏ để làm lệch chiều của kim nhiễm từ. Vì vậy nó được nhân lên bằng cách cung cấp cho dòng điện sinh học một cuộn dây nhiều vòng và đặt một kim ở giữa cuộn dây, một ứng dụng của phát minh của Schweigger (1821). Tác động của từ trường Trái đất đã được bù bởi cuộn dây dạng như hình số tám, đặt hai kim từ giống nhau trên cùng một trục treo và được định hướng theo hai chiều ngược nhau ở hai đầu hở của cuộn dây. Nó tạo thành một điện kế phiếm định, như đã được mô tả ở trên.

Trong lần đo đầu tiên của tín hiệu từ sinh học (từ tim đồ), từ trường sinh ra bởi dòng điện sinh học vòng quanh cơ thể con người được đo bởi một cuộn dây (Baule và McFee, 1963). Bởi vì biên độ thấp của từ trường sinh học này, nhiều vòng dây phải được quấn xung quanh lõi của cuộn dây. Để bù cho tác động của từ trường của Trái đất và các nguồn “nhiễu” khác, hai cuộn dây giống hệt nhau quấn ngược chiều được sử dụng (Hình 1.19).

Như vậy, trong kỹ thuật đo lường, phép đo tín hiệu điện sinh học và từ sinh học đầu tiên có thể được phân biệt dựa trên cơ sở có vòng sơ cấp của việc biến dòng điện thành từ trường chiếm chỗ bên ngoài hay bên trong cơ thể, tương ứng. Từ phát minh của tĩnh điện kế mao dẫn bởi G. J . Lippman (1873) và đặc biệt sau phát minh của khuếch đại điện tử, đo lường điện không trực tiếp sử dụng từ trường cảm ứng, và vì vậy kỹ thuật đo điện sinh học và từ sinh học đã được định hướng ra ngoài.

Trong kỹ thuật đo lường điện tử, phép đo tín hiệu điện sinh học đầu tiên là đo nguồn chảy, như vậy thực sự là điện. Phép đo đầu tiên của tín hiệu từ sinh học bởi Richard McFee là phép đo nguồn xoáy, như vậy thực sự là từ. Nó được thể hiện sau đây với sự phát hiện từ nó có thể thực hiện phép đo tương tự với sự phát hiện nguồn chảy. Tuy nhiên, nó là một phép đo không đưa bất cứ thông tin mới nào về nguồn so với phép đo điện.

Ví dụ này sẽ đưa độc giả tới một sự thực là từ quan điểm lý thuyết, những khác biệt cần thiết giữa đo lường điện sinh học và từ sinh học nằm ở phân bố độ nhạy của các phương pháp này. Một sự khác biệt khác chính là nguồn gốc của các đặc tính kỹ thuật của các thiết bị này, mà phổ biến với phương pháp thuận lợi cụ thể trong một số trường hợp.

Phát hiện tín hiệu từ sinh học đầu tiên, từ tâm đồ (MCG) bởi Baule và McFee

Nhà triết học và khoa học người Đức Hermann Ludwig Ferdinand von Hemholtz (1821-1894) có những đóng góp ý nghĩa đầu tiên cho lý thuyết của điện từ sinh học. Một bác sĩ giảng dạy, năm 1849, được bổ nhiệm là giáo sư sinh lý học tại Königsberg, chuyển tới Bonn năm 1855. Năm 1871 ông được trao giải thưởng cho chức giáo sư vật lý tại đại học Berlin, và năm 1888 được bổ nhiệm làm giám đốc của Physikalisch-Technische Bundesanstalt tại Berlin.

Khoa học lý thuyết và thực nghiệm của Hemholtz có đóng góp trong lĩnh vực điện từ sinh học :

• Chứng minh rằng các sợi trục thần kinh (axon) là tiến trình phát triển của thân tế bào thần kinh (1842)
• Thiết lập định luật bảo toàn năng lượng (Luật thứ nhất về nhiệt động học) (1847)
• Phát minh ra cơ ký và lần đầu tiên đo được vận tốc dẫn của axon thần kinh vận động (1850)
• Đưa ra khái niệm nguồn lớp kép (1853)
• Định lý góc khối cho điện thế
• Định luật xếp chồng (1853)
• Định lý tương hỗ (1853)
• Tính không giải thích được của vấn đề ngược
• Định lý Hemholtz liên quan đến sự độc lập của nguồn dòng và nguồn xoáy.
• Cuộn Hemholtz (áp ụng cho các thiết bị từ sinh học)

Bên cạnh đó, các đóng góp của HelmHoltz tới các lĩnh vực khoa học khác bao gồm các công trình cơ sở về sinh lý học, âm học, quang học, điện động lực học, nhiệt động lực học, và khí tượng học. Ông là tác giả lý thuyết về sự nghe (1863) và tất cả các lý thuyết hiện đại về sự cộng hưởng được bắt nguồn từ đó. Năm 1851, ông cũng đã phát minh kính soi đáy mắt, được sử dụng để nghiên cứu võng mạc mắt sống.

Tính đến cuối thế kỷ 19, vật lý về điện vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Tuy nhiên người ta đã biết rằng nước tinh khiết hoặc muối khô không thể tự nó truyền dòng điện, trong khi bất cứ dung dịch muối nào cũng có thể. Svante August Arrhenius (Thụy Điển, 1859-1927) đưa ra giả thuyết (1884) trong luận án tiến sĩ của ông rằng các phân tử của một vài vật chất phân ly ra, hoặc phân chia, thành hai hay nhiều phần (các ion) khi chúng tan trong một chất lỏng. Mặc dù mỗi phân tử nguyên vện có điện tích cân bằng, các phần mang điện tích, có thể là dương hoặc âm phụ thuộc vào bản chất của phần đó. Các phần tử tích điện chỉ có trong dung dịch và cho phép truyền điện qua. Lý thuyết này là cơ sở để hiểu bản chất của dòng điện sinh học, bởi vì nó chảy trong chất lỏng và nó được mang bởi các ion. Svante Arrhenius giành giải Nobel về hóa học năm 1903.

Vào cuối thế kỷ 19, Walther Hermann Nernst (người Đức, 1864-1941) nghiên cứu lý thuyết trong nhiệt hóa học, kiểm tra các phản ứng của chất điện phân khi có sự hiện diện của dòng điện. Năm 1889, ông phát triển một định luật cơ bản, được biết đến là phương trình Nernst. Nernst cũng phát triển một số định luật cơ bản khác, bao gồm định luật thứ 3 về nhiệt động lực học. Ông giành được giải Nobel về hóa học năm 1920.

Nhà khoa học Hà Lan Hermann Carel Burger (1893-1965) và Johan Berhard van Milaan (1886-1965) đã giới thiệu khái niệm về vectơ đạo trình năm 1946 (Burger và van Milaan, 1946). Họ cũng đã mở rộng nó thành khái niệm về bề mặt ảnh. Năm 1953, Richard McFee và Franklin D.Johnston giới thiệu khái niệm quan trọng của trường đạo trình, mà dựa trên lý thuyết tương hỗ của HelmHoltz (McFee và Johnston, 1953, 1954ab). Phát minh về liên kết điện từ năm 1819 của Örsted kéo điện trường sinh học và từ trường sinh học lại cùng nhau. Phát minh về lý thuyết tương hỗ năm 1853 bởi HelmHoltz chỉ ra rằng phân bố độ nhạy của đạo trình để đo nguồn điện sinh học giống như phân bố của dòng điện kích thích đưa tới cùng một đạo trình. Hơn nữa, nó cũng giống như phân bố độ nhạy của trở kháng mô được đo với cùng một đạo trình.Tất cả các điều đó cũng đúng với phương pháp từ trường tương ứng. Những nguyên tắc này được minh họa dễ dàng với khái niệm trường đạo trình.

Dennis Gabor (người Anh, 1900-1979) và Clifford V.Nelson công bố định lý Gabor-Nelson năm 1954 (Gabor và Nelson, 1954). Định lý này giải thích làm thế nào một lưỡng cực tương đương của một nguồn khối và vị trí của nó có thể được tính toán từ phép đo bề mặt của vật dẫn khối đồng nhất.

Lịch sử của điện từ sinh học được tổng kết theo thứ tự thời gian như hình 1.20. Các sự kiện lịch sử được chia thành bốn nhóm : lý thuyết, trang thiết bị, sự kích thích, và đo lường. Hình này có thể xem như là một tổng quan hữu ích cho người đọc và giúp họ nhận ra một đóng góp kế thừa từ một đóng góp trước đó và sự phát triển của toàn bộ môn học này như thế nào. Từ hình này chúng ta có thể tóm tắt theo những ý sau đây.

1. Tính cho đến giữa thế kỷ 19, lịch sử của ngành điện từ cũng là lịch sử của ngành điện từ sinh học. Các máy móc điện tử đầu tiên và chai Leyden được tạo ra để sinh ra tĩnh điện cho một mục đích cụ thể : để “nhiễm điện” và kích thích con người. Pin Voltaic được phát triển với ý tưởng về kích thích điện. Các quy luật chung về tính thuận nghịch và xếp chồng được trình bày trong mối liên hệ với các ứng dụng của chúng trong điện từ sinh học. Việc đo lường tín hiệu điện sinh học và từ sinh học cũng đã khuyến khích cho sự phát triển của các thiết bị đo lường nhạy. Các thiết bị đó không chỉ bao gồm điện kế phiếm định, tĩnh điện kế mao dẫn và điện kế dây của thế kỷ 19 mà còn là ống tia catốt điện thế thấp và SQUID trong thế kỷ 20. Hiểu biết về chức năng của các tế bào thần kinh và não bộ và mô phỏng nó bằng các mô hình điện tử dẫn đến sự phát triển của một thế hệ máy vi tính mới : máy tính nơron. Những sự kiện đó nhấn mạnh tầm quan trọng của điện từ sinh học.

2. Trong thế kỷ 17 và đầu thế kỷ 18, các phát minh trong lĩnh vực điện từ sinh học nhanh chóng trở thành cơ sở cho các ứng dụng cao hơn và các phát minh mới, kể cả ở các nước khác nhau, mặc dù việc giao tiếp và đi lại bị giới hạn bởi ngựa. Ví dụ như ta có thể đề cập đến phát minh chai Leyden ở Đức và Hà Lan tương ứng vào năm 1745 và 1746, và hệ thống ứng dụng của nó đối với kích thích điện chức năng của con người ở Ý vào năm 1747. Một ví dụ khác là sáng chế về liên kết điện từ năm 1819 ở Đan Mạch và sự phát triển của điện kế và năm 1821 ở Đức và điện kế phiếm định năm 1825 ở Ý.

3. Mặt khác, một số phát minh đã được phát hiện lại, từng bị “quên đi” trong khoảng 100 năm. Chính xác 100 năm kể từ khi công bố định lý thuận nghịch trược khi lý thuyết sóng điện trường được giới thiệu. Kích thích của vận động vỏ não đã được phát triển gần 100 năm sau khi quan sát hiện tượng đom đóm mắt bởi từ. Khoảng thời gian từ khi đo điện sinh học lần đầu tiên đến khi đo từ sinh học tương ứng, khoảng 100 năm, thật là một khoảng thời gian dài.

4. Một số kỹ thuật cơ bản được sử dụng ngày hôm nay trong thiết bị điện từ sinh học trở lại thời điểm những thiết bị đầu tiên. Điện kế phiếm định năm 1825 bao gồm một phương pháp bù cho trường nhiễu từ. Điều này đã được áp dụng cho thiết bị MCG đầu tiên năm 1963. Hiện nay điện kế phẳng, được áp dụng trong thiết bị MEG nhiều kênh sử dung SQUID, được xây dựng chính xác theo cùng nguyên tắc như là điện kế phiếm định đã được hơn 150 năm trước đây. Sóng điện tim lâm sàng cơ sở - sóng điện tâm chi – được phát minh 100 năm trước bởi Waller. Tương tự như vậy, Waller cũng giới thiệu mô hình lưỡng cực cho ECG, và nó vẫn còn có một vai trò mạnh mẽ trong điện và từ tim. Chi tiết hơn về lịch sử của điện từ sinh học có thể tìm thấy ở các mục tham khảo sau : Brazier (1988), Geddes (1984ab), McNeal (1977), Mottelay(1975), Rautaharju (1987,1988), Rowbottom và Susskind (1984), và Wasson (1987)..