黃發(fā)清，李珊珊，羅偉

1.荊州市第一人民醫(yī)院，湖北 荊州434000；2.荊州市中心血站，湖北 荊州 434000

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，生物阻抗技術(shù)的基礎(chǔ)理論不斷完善，其相應(yīng)測(cè)量或檢測(cè)技術(shù)也更為成熟，人體組織結(jié)構(gòu)分析、生物阻抗成像等生物阻抗技術(shù)已逐漸應(yīng)用于臨床。然而如何精確地將生物阻抗技術(shù)應(yīng)用于臨床檢測(cè)尚待進(jìn)一步研究。本文主要對(duì)生物阻抗技術(shù)的測(cè)量方法、電極影響、相關(guān)臨床應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)分析，探討生物阻抗技術(shù)在臨床上的應(yīng)用方法。

1 生物阻抗技術(shù)概述

生物阻抗技術(shù)是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規(guī)律，來(lái)提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)技術(shù)。通常借助于體表的電極系統(tǒng)向被檢測(cè)對(duì)象施加微小的交流信號(hào)，測(cè)量其電流或電壓，以檢測(cè)相應(yīng)的電阻抗及其變化情況，然后根據(jù)不同的應(yīng)用目的，獲取相關(guān)的生理和病理信息[1]。該技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)、廉價(jià)、安全、操作簡(jiǎn)單、功能信息豐富等特點(diǎn)，適用于生物信息特征數(shù)據(jù)的采集和臨床多種疾病的檢測(cè)。國(guó)外生物電阻抗測(cè)量技術(shù)在基礎(chǔ)研究方面水平較高，以電阻抗斷層成像技術(shù)（Electrical Impedance Tomography，EIT）為發(fā)展方向的新一代生物阻抗技術(shù)正蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)近幾年在生物阻抗技術(shù)方面也進(jìn)行了大量研究并取得了明顯進(jìn)展。

2 生物阻抗的測(cè)量方法

生物組織中含有大量細(xì)胞。細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液均屬于電解質(zhì)溶液，細(xì)胞膜與細(xì)胞膜之間可以等效為電容[2]。因此，當(dāng)直流或者低頻電流施加于生物組織時(shí)，電流將繞過(guò)細(xì)胞流經(jīng)細(xì)胞外液；當(dāng)施加于生物組織的電流頻率增加時(shí)，細(xì)胞膜電容的容抗減小，一部分電流將穿過(guò)細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液[3-4]。所以，在生物阻抗測(cè)量過(guò)程中，生物組織的電阻抗特性會(huì)隨電流頻率發(fā)生變化，頻率是重要的生物阻抗測(cè)量參數(shù)之一。生物組織的阻抗頻譜特性可以用三元件等效電路模型表示，見(jiàn)圖1。其中，Re表示細(xì)胞外液電阻，Ri表示細(xì)胞內(nèi)液電阻，Cm表示細(xì)胞膜并聯(lián)電容。

圖1 三元件等效電路模型

從頻率角度來(lái)講，生物阻抗測(cè)量方法可以分為單頻率測(cè)量和多頻率測(cè)量?jī)煞N。

2.1 單頻率測(cè)量

向生物組織輸入單一恒定頻率的電流進(jìn)行測(cè)量的方法，稱為單頻率測(cè)量。其操作簡(jiǎn)單，能有效地反應(yīng)組織、器官的信息和阻抗特性[5]，如阻抗的相角和模量，或?qū)嵅颗c虛部，得到的不同電學(xué)參數(shù)可以反映被測(cè)組織的變化?；谛夭繂晤l率阻抗血流圖的一種間接測(cè)量方法可利用心臟射血所引起的胸部血流阻抗的改變來(lái)計(jì)算每搏射血輸出，進(jìn)一步計(jì)算出心輸出量和其他血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。還可以應(yīng)用電阻抗法來(lái)測(cè)量膀胱容量：尿液是電解質(zhì)溶液，有很好的導(dǎo)電性，所以隨著膀胱內(nèi)尿量不斷增多，可通過(guò)觀察固定在膀胱內(nèi)接收器的電阻變化了解膀胱尿量。

2.2 多頻率測(cè)量

多頻率測(cè)量也稱為頻譜測(cè)量分析法，即向生物組織輸入不同頻率的電流或電壓進(jìn)行測(cè)量的方法。該方法可以測(cè)量到模擬電路中的不同電學(xué)參數(shù)，如Re、Ri和Cm等，能夠根據(jù)各電學(xué)參數(shù)的頻譜分布及規(guī)律反映相對(duì)完整的人體組織阻抗信息[6-7]。例如，細(xì)胞內(nèi)、外電阻反映著人體不同生理狀態(tài)下的組織內(nèi)含水量，因此多頻率測(cè)量較多用于人體成分分析[8]。利用雙頻電阻抗方法對(duì)心源性肺水腫進(jìn)行估計(jì)取得了比較好的效果：心源性肺水腫與非心源性肺水腫在臨床上的表現(xiàn)主要體現(xiàn)在細(xì)胞外是否有蛋白質(zhì)的積累，通過(guò)使用低-高雙頻測(cè)量技術(shù)，低頻信號(hào)能夠測(cè)出細(xì)胞外組織的阻抗，高頻信號(hào)能夠穿透細(xì)胞膜測(cè)出細(xì)胞膜的電阻，從而計(jì)算出電阻抗的變化率，極易對(duì)心源性肺水腫進(jìn)行診斷。

3 電極對(duì)生物阻抗的影響

人體組織的電特性在測(cè)量過(guò)程中總是存在較大的測(cè)量誤差，這些誤差主要來(lái)源于電極的大小及形狀、電極上導(dǎo)電凝膠的成分以及電極的貼放位置等因素。電流在人體內(nèi)的分布取決于電極的形狀，目前較常見(jiàn)的電極有點(diǎn)電極、方形電極、圓形電極和環(huán)形電極。多數(shù)研究者在研究生物阻抗時(shí)使用圓形電極，因?yàn)閳A形電極的電場(chǎng)分布較均勻。除了電極形狀的影響，相同形狀電極的大小也會(huì)影響生物阻抗的測(cè)量效果。利用電阻抗測(cè)量腦血流的研究中分析了電極大小對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度：實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合電極，即電極由兩部分組成，外圈為激勵(lì)電極，內(nèi)圈為測(cè)量電極。按激勵(lì)電極的面積大小和形狀將電極分為A、B兩種。A、B電極內(nèi)圈的直徑均為10 mm，面積均為0.8 cm2；A電極外圈直徑為20 mm，面積為2.0 cm2，內(nèi)外圈距離為1 mm；B電極外圈長(zhǎng)29 mm，寬18 mm，面積為3.7 cm2，內(nèi)外圈距離為2 mm。結(jié)果顯示面積較大的矩形電極可以獲得較大的阻抗變化信號(hào)，測(cè)量靈敏度較高。

除了電極大小與形狀外，電極極化特性、可粘貼性以及穩(wěn)定性等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響亦極其重要，而這些特性都與電極材料相關(guān)[9]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于電極穩(wěn)定性的研究較多，特別是對(duì)阻抗測(cè)量中電極的時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對(duì)不同生產(chǎn)廠家的4種一次性Ag-AgCl心電電極的交、直流阻抗性能及其變化情況進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)不同電極的交、直流阻抗值及穩(wěn)定性相差很大，見(jiàn)表1。相比較之下，Ag-AgCl電極測(cè)量穩(wěn)定性最佳，但長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量容易引起皮膚過(guò)敏。

表1 不同材料電極的特性及使用范圍

電極的貼放位置直接影響電流在被測(cè)組織或器官周圍的分布情況，從而影響測(cè)量信號(hào)的敏感度。例如采用生物阻抗監(jiān)測(cè)膀胱尿量時(shí)，研究者大部分將點(diǎn)電極貼于小腹對(duì)應(yīng)內(nèi)部膀胱的位置[10]。在肚臍以下12 cm的位置，將兩個(gè)激勵(lì)電極分別貼于小腹兩外側(cè)，使產(chǎn)生的電流場(chǎng)能完全將內(nèi)部的膀胱包圍；兩個(gè)接收電極分別貼于緊靠?jī)杉?lì)電極的內(nèi)側(cè)部位，計(jì)算兩個(gè)測(cè)量電極的電位差并將其換算成電阻值。這種電極貼放位置的選擇主要依據(jù)是假設(shè)點(diǎn)電極電場(chǎng)在人體盆腔內(nèi)的分布是均勻的，通過(guò)測(cè)量電位差繼而得出對(duì)應(yīng)尿量的電阻值。再如利用生物阻抗法進(jìn)行心輸出量的測(cè)量時(shí)，最好將通電用點(diǎn)狀電極固定在兩耳后方，監(jiān)測(cè)電極固定在鎖骨中央，這樣就能夠?qū)π妮敵隽康妊h(huán)機(jī)能信息以及人體自有行動(dòng)時(shí)的電阻抗輸出量進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

4 生物阻抗技術(shù)的臨床應(yīng)用

人體內(nèi)各組織、器官的構(gòu)成特點(diǎn)和組成成分不同，其阻抗特性及其變化也不相同。人體成分分析方法有兩種：生物阻抗頻譜分析法和生物阻抗分析法[11]。生物阻抗分析法可減少因不同人體組織引起的差異性，能相對(duì)全面地反應(yīng)生物組織信息；而生物阻抗頻譜分析法可根據(jù)不同生物組織的阻抗頻譜特性，推斷出不同的組織成分甚至成分含量，如蛋白質(zhì)、K+、Na+、Ca2+等。

（1）心臟是人體的重要器官，負(fù)責(zé)為人體各組織器官提供足夠的血流量，維持正常細(xì)胞的代謝和功能。當(dāng)心輸出量發(fā)生變化或心功能發(fā)生障礙時(shí)人體各組織器官就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的生理病理變化。借助除顫儀及心阻抗圖，可計(jì)算并推斷心臟驟停發(fā)生率，能早期發(fā)現(xiàn)心臟驟停并及時(shí)對(duì)患者進(jìn)行心肺復(fù)蘇，提高心臟疾病的早期診斷率及搶救成功率。

（2）顱內(nèi)壓增高是神經(jīng)內(nèi)、外科中比較常見(jiàn)的并發(fā)癥，引起顱內(nèi)壓增高的主要因素是腦水腫。各種顱腦病變?nèi)顼B內(nèi)腫瘤等占位性病變、腦梗死、腦出血等均可導(dǎo)致不同區(qū)域和不同程度的腦水腫。根據(jù)生物阻抗原理及腦組織不同病變時(shí)的阻抗變化研發(fā)的無(wú)創(chuàng)性腦水腫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀，可以較早地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)腦水腫及顱內(nèi)壓的變化，對(duì)顱腦病變的治療和顱腦組織繼發(fā)性變化的預(yù)防具有重要意義[12]。

（3）利用生物阻抗技術(shù)檢測(cè)胃動(dòng)力特征參數(shù)是臨床醫(yī)學(xué)的又一項(xiàng)新突破。胃動(dòng)力功能是一個(gè)復(fù)雜的電-機(jī)過(guò)程，臨床在胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)方面尚存在欠缺，聯(lián)合生物阻抗技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)對(duì)胃動(dòng)力特征參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)對(duì)臨床胃動(dòng)力學(xué)具有重要價(jià)值。任超世等[13]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究提出了利用電阻抗監(jiān)測(cè)及處理胃動(dòng)力學(xué)信息的方法，并采用生物阻抗和胃電同步測(cè)量相結(jié)合的技術(shù)，從體表進(jìn)行無(wú)創(chuàng)胃動(dòng)力檢測(cè)，研究了胃的節(jié)律性、傳導(dǎo)性等復(fù)雜的胃動(dòng)力電-機(jī)過(guò)程，并分析其影響因素，為胃動(dòng)力的測(cè)量及評(píng)價(jià)提供了一種新的、有效的無(wú)創(chuàng)方法。

（4）基于生物阻抗技術(shù)的肺阻抗CT、肺阻抗測(cè)量可以提取與組織、器官的功能變化相對(duì)應(yīng)的電學(xué)特性信息，且對(duì)肺組織膨脹、收縮，肺換氣等影響組織器官電特性的因素非常敏感?；诜蝺?nèi)氣體、液體，肺組織成分及其變化的獨(dú)特的電學(xué)特性，肺阻抗測(cè)量、肺阻抗CT可實(shí)現(xiàn)區(qū)域性肺功能的檢測(cè)及監(jiān)護(hù)，有利于塵肺疾病的早期診斷及治療，為塵肺疾病長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)護(hù)提供了一種有效的臨床方法。

（5）乳腺組織在發(fā)生病變繼而向腫瘤組織發(fā)展的過(guò)程中，首先會(huì)在分子水平和細(xì)胞水平上發(fā)生一系列變化，從而引發(fā)與此相聯(lián)系的電特性（阻抗）變化。當(dāng)乳腺組織形成腫瘤或發(fā)生癌變時(shí)，可釋放一種血管因子，刺激腫瘤產(chǎn)生大量滋養(yǎng)血管使血液供應(yīng)增加，血流速度加快，由此發(fā)生的組織阻抗變化十分明顯。因而，采用生物阻抗技術(shù)對(duì)乳腺癌進(jìn)行早期診斷是個(gè)不錯(cuò)的選擇。以色列TransScan公司據(jù)此設(shè)計(jì)出了基于T-SCAN阻抗分布測(cè)量方法的乳房腫瘤檢測(cè)系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，生物阻抗技術(shù)臨床應(yīng)用涉及的因素較多，針對(duì)測(cè)量目的選擇合適的測(cè)量方法和電極性能是未來(lái)研究的重點(diǎn)。生物阻抗技術(shù)的敏感性使其在胃電監(jiān)測(cè)中可影響胃液分泌程度，在乳腺癌篩選中也存在一定的精度問(wèn)題。因而，需要通過(guò)進(jìn)一步研究分析適用于不同器官的生物阻抗實(shí)驗(yàn)方法和分析手段。相信未來(lái)，生物阻抗技術(shù)將以無(wú)創(chuàng)、精度高、信息量大等特點(diǎn)，在測(cè)量技術(shù)方面取得更大進(jìn)步，為臨床應(yīng)用和科學(xué)研究提供強(qiáng)有力的支持。

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