王星　侯文生　徐志玲　吴小鹰

摘 要 “工程生理学”课程是医学类课程与理工类课程之间的桥梁课程。依据重庆大学的资源特点，本课程选择以定量生理学为特色，使用数字仿真工具，开展对生理系统的数学规律和模型研究。研究内容依次为生理功能的测量、生理系统动态平衡的物质基础、生理功能动态平衡的内在调控、生理功能紊乱与干预研究。本课程教学改革工作有利于满足生物医学工程研究生培养定量性分析和干预生理学功能的能力需求。

关键词 生理学 生理调节 干预 医工融合

中图分类号：G424                                   文献标识码：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

为了適应“健康中国2030”的战略需求，培养健康产业培养医工融合的生命与健康工程专业人才，同时，培养具有一流水准的生命健康学科相关专业人才也是重庆大学“双一流”建设的重要内容，生物医学工程作为“生命与健康学科群”的学科和专业支撑，因此生物医学工程专业需要改革进而取得更好的发展。作为医学和工学连接的桥梁课程，“工程生理学”课程的作用显得尤为重要，因此被作为研究生重点课程建设。

1 工程生理学课程开设情况

重庆大学生物医学工程专业最早从重庆大学无线电系教研室分出来的，具有深厚的工学背景。为了培养生物医学电子信息方向硕士研究生定量分析人体生理学系统的思维和能力，提高学生对生理功能从定性到定量的认识水平，系里开设了“工程生理学”课程。本课程主要目的是使学生掌握人体几个主要生理系统的测量意义、内在调控机制、外在干预和评估，具有定量性分析和设计生理学功能基本方案的能力。教学方法包括理论模型推导和数字仿真。主要教学途径是令学生掌握基本的计算机仿真手段与技术，建立数学和计算模型来定量化动态生理系统，为生物医学课题研究提供理论预测。

2 工程生理学课程面临的主要问题

由于传统工科院校医学教育资源匮乏，导致学生的工程生理学学习效果难以达到研究生培养方案设定的目标，具体表现在如下环节：

（1）学生背景专业不同，传统的教学方式难以适应差异化的需求。生物医学电子信息方向硕士研究生的背景主要是工科大类，包含机械、电子信息、通信技术等。学生背景存在差异，有的缺乏生理学理论知识，有的缺乏仿真实验技能。

（2）人体生理学与工程生理学的转化。人体生理学属于医学基础课，范围广泛，内容深，工程生理学主要侧重于生理功能的数学模型研究，而且教学内容和学时压缩，教学内容主要集中在几个经典的生理系统。

（3）人体生理学与工程应用的脱节。生物医学工程专业学生在学习生理学课程中需要一种从传统医学到工科思维的联系。本课程正好能起到一个桥梁作用，用工科思维来定量研究传统的生理学功能和干预。

因此，为提高理工类高等院校生理学的教学效率，依据重庆大学在理工科课程上具有得天独厚的优势，本课程建设申请选择以定量生理学为特色，利用工科院校教师和学生都熟悉擅长的工程化思维，从物理和数学的角度，来展开定量化的生理功能研究。

3 工程生理学课程教学改革

3.1 定量生理学教学内容设计

工科院校的工程生理学的特色是引入工程化的思路，来定量地分析生理过程和生理功能。参考国外教学大纲，完善定量生理学的内容。提高具体生理学系统的教学深度，强调生理指标的定量化关系。利用数字仿真软件来研究生理功能。利用文献研讨组织学生进行专题讨论国际研究的新方法和新技术。

3.2 课程主要建设任务

3.2.1 教学内容

根据生物医学工程系的科研研究的层次主要以器官和系统为主的特点，所以本次研究生课程项目主要围绕器官和系统的研究层次，舍弃细胞和分子水平的生理系统数学模型分析，为研究生开展研究课题提供实用的研究工具。对于具体某个生理系统的定量模型分析，大致可以分为四个步骤来阐述。主要是把定量分析的思想融会贯通在每个生理学系统的分析中。

（1）生理功能的测量意义。可用一个数学公式表示一个特定的生理系统的本身的属性、输入信号以及输出信号之间定量的数学关系。从数学角度理解生理系统的功能。Y（s）=H（s）X（s）。其中X矢量表示一个生理系统的刺激信号，Y矢量表示该生理系统输出的特定生理功能，H矩阵表示该生理系统相关的属性。Y矢量包含我们评估该生理功能的定量化的指标。X矢量是我们描述某个生理系统的输入信號的定量化指标。

（2）生理系统动态平衡的物质基础。用模型动态地表现所描述事物的动态过程，即仿真的目的。动态平衡主要是指当机体处于不同的生理情况时，或当外界环境发生改变时，生理系统会感受到这种特定的刺激，然后体内一些器官、组织的功能活动会发生相应的改变，最后使机体能适应各种不同的生理情况和外界环境的变化，也可使被扰乱的内环境重新得到恢复。我们把内外环境的变化统称为刺激，来研究刺激对生理系统的影响。

（3）生理功能动态平衡的内在调控。每个生理系统都是处在动态平衡中的，各项生理功能指标在一个有限的范围内波动，人体都能自动控制。这依赖于人体正常运转的内在调控系统。人体的内在调控系统分为三类，第一类是神经调控，基于反射弧的基础结构;第二类是体液调控，基于人体的细胞外液，包括血管内的血液，血管外的组织液;第三类是系统的自身调节。三种内在调控系统分别负责调控不同动态范围内的生理功能的变化，组合起来共同维持人体的内环境的稳态。

（4）生理功能紊乱与干预研究。当某项生理功能的变化超出有限的范围后，该项生理功能就陷入紊乱，这时候就需要及时地从外界进行干预，否则置之不管，只会引发更严重的生理功能紊乱。外界干预的常见分类中，物理治疗包括电刺激、光刺激、磁刺激，化学治疗包括药物治疗，放射治疗。每种外界干预研究都有相应的治疗原理，根据介入生理功能内在调控的切入点而建立的治疗假说。每种外界干预有相应的评估手段和评估方法。

3.2.2 基于临床问题的案例设计

结合典型的定量生理学案例的分析，使学生掌握相关难点的理解;推荐相关的参考书，让学生课后阅读，然后进行典型的生理功能分析。使学生学会如何对生命和生理过程进行定量研究方法。每个生理系统教学案例的内容安排，均大致从三个方面来组织。

（1）生理功能测量意义以血液循环系统的客观评估为例，Y（s）=H（s）X（s）描述心脏泵血过程，H 包括心房与心室的压力、瓣膜的启闭、心室容积的变化、血液流动的方向。Y指心脏泵血功能的评定，包括每搏输出量、射血分数，每分排出量，心指数。X表示心室肌的收缩、窦房结的节律。有描述心室收缩时的心肌阻力特性与等容收缩时的血压成正比的心室模型，R=kp0.有心室肌主动张力与泵功能相关，又依赖于心室容积以及其变化率。

为时变函数; 为等容主动压力;  为一个复杂的容积和容积变化率的函数。

（2）内在调控机制模块中，以动脉血压调节为例。以心血管调节为例。①神经调节主要是通过颈动脉窦和主动脉弓的压力感受性反射调节血管和心脏的功能，使血压变化恢复到正常范围内。②体液调节主要是通过中枢和外周机制，通过调节血管紧张素释放、血管升压素、肾上腺素和去甲肾上腺素，调节心脏和血管来调节血压。③自身调节例如血管平滑肌在受到牵拉刺激时，会发生收缩反应。

（3）心脏的干预以心脏起搏器为例。起搏器采用神经电调控方式，其工作原理和实现技术与方法。案例包括生物热力学系统、呼吸系统、运动系统、神经系统的教学案例。

3.2.3 教学环境与条件

主要是以计算机与数学为研究手段，建立特定生理系统的功能数学模型来开展定量化研究。系里的专业实验室已经安装了用于模拟多物理场耦合研究的COMSOL Multiphysics，用于仿真环境建模个体神经元和神经元网络NEURON软件，以及通用的数字信号处理和仿真的matlab软件，方便教师和学生顺利开展仿真实验。

4 总结

本课程教学改革工作有利于促进“医-工”知识融合，满足生物医学工程研究生培养拥有定量分析与干预生理功能的能力需求。该工作符合重庆大学2018级生物医学工程专业研究生培养方案，现已启动，组建了项目实施课题组，并分步实施相关内容。

*通讯作者：王星

参考文献

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[2] 王冬梅，刘海斌，吕彬.思维导图在医学院校运动生理学翻转课堂教学中的应用.科教导刊，2019，24：98-99.

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