付欽鵬，種銀保，趙安，趙鵬，潘文才，馬結(jié)實(shí)

第三軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400037

適于動(dòng)物肌肉組織局部電阻抗測(cè)量的無創(chuàng)電極間距研究

付欽鵬，種銀保，趙安，趙鵬，潘文才，馬結(jié)實(shí)

第三軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400037

目的為了用無創(chuàng)測(cè)得的局部肌肉組織的電阻抗頻譜評(píng)估失血性休克的程度，需要確定無創(chuàng)測(cè)量電極系統(tǒng)中電極間距這一個(gè)關(guān)鍵因素。方法參照大鼠股二頭肌厚度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了3種兼具無創(chuàng)和有創(chuàng)測(cè)量的電極頭，無創(chuàng)測(cè)量電極間距分別為1.83、2.67、3.5 mm，有創(chuàng)測(cè)量電極間距均為2.67 mm；以新鮮離體的10份豬里脊肉為測(cè)量對(duì)象，對(duì)測(cè)量阻抗模值進(jìn)行歐氏距離分析及Cole-Cole曲線擬合，對(duì)比擬合誤差。結(jié)果無創(chuàng)測(cè)量電極間距為2.67 mm時(shí)，無創(chuàng)測(cè)量的模值頻譜更接近有創(chuàng)測(cè)量的模值頻譜，而且該間距下無創(chuàng)測(cè)量數(shù)據(jù)擬合成Cole-Cole曲線的效果更好。結(jié)論以被測(cè)肌肉組織的厚度的1/6為無創(chuàng)電極間距時(shí)，測(cè)得的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)接近于等間距有創(chuàng)方式測(cè)得的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)。

無創(chuàng)；阻抗；電極間距；肌肉組織；失血性休克

引言

失血性休克是指由各種原因引起的急性血液或血漿大量丟失而導(dǎo)致的有效循環(huán)血量與心輸出量減少、組織灌注不足、細(xì)胞代謝紊亂和功能受損的病理生理過程。病人死亡的原因往往是組織低灌注等因素導(dǎo)致的多器官功能障礙綜合癥，院前失血性休克程度評(píng)估對(duì)戰(zhàn)創(chuàng)傷患者的分流和復(fù)蘇方案選擇具有指導(dǎo)性意義。

目前休克程度的無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)分為血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)檢測(cè)方法[1-5]和氧代謝指標(biāo)檢測(cè)方法[6-12]。這些方法在院內(nèi)能獲得準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果，但大部分不適于院外應(yīng)用環(huán)境。生物電阻抗技術(shù)是利用生物組織與器官的電特性及變化規(guī)律提取與人體生理，病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的檢測(cè)技術(shù)，基本測(cè)量方式是利用體表的電極系統(tǒng)向檢測(cè)對(duì)象施加安全的電壓或電流激勵(lì)，在體表檢測(cè)相應(yīng)變化，獲取相關(guān)的信息，其特點(diǎn)是無創(chuàng)、無害、廉價(jià)、操作簡(jiǎn)單和功能信息豐富，醫(yī)生和病人易于接受。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著生物組織電阻抗研究的不斷深入，生物阻抗技術(shù)的基礎(chǔ)理論不斷完善，其相應(yīng)的測(cè)量或檢測(cè)技術(shù)隨著電子技術(shù)的革新也更加成熟化。例如人體組織結(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，并不斷取得進(jìn)展。

有研究表明利用電阻抗特征參數(shù)可對(duì)肌肉的缺血狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[13]，電阻抗特征參數(shù)對(duì)人體骨骼肌的不同灌注狀態(tài)也十分敏感[14]，由此外周肌肉組織的電阻抗頻譜可能用于評(píng)估失血性休克程度，但生物不同組織、測(cè)量角度不同會(huì)導(dǎo)致其電阻抗特征參數(shù)不同[15]，不同的電極類型其測(cè)量結(jié)果存在差異[16]，并且電極間距的長(zhǎng)短會(huì)影響生物組織電阻抗信息的測(cè)量[17]。

目前，有研究指出在用四電極法測(cè)量組織電阻率時(shí)，為保證測(cè)量精度，插入被測(cè)組織的電極頂端到周圍其他組織的距離不低于電極間距的3倍[18]。這是有創(chuàng)測(cè)量電極間距的研究結(jié)果，但無創(chuàng)電阻抗測(cè)量電極的間距尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同的電極間距測(cè)得的電阻抗存在較大差異[19]?；谒碾姌O阻抗測(cè)量方法，本研究設(shè)計(jì)3款能在局部肌肉組織上同時(shí)進(jìn)行無創(chuàng)和有創(chuàng)測(cè)量的電極探頭，無創(chuàng)電極有3種不同電極間距，有創(chuàng)電極均采用一種電極間距，以有創(chuàng)電極測(cè)得的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)作為對(duì)照，通過有創(chuàng)和無創(chuàng)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析，研究無創(chuàng)測(cè)量電極間距對(duì)肌肉組織局部電阻抗測(cè)量結(jié)果的影響，以期找到較為合適的無創(chuàng)電極間距進(jìn)行電阻抗測(cè)量，來取代有創(chuàng)測(cè)量方式，降低阻抗測(cè)量對(duì)被測(cè)對(duì)象的損傷，從而為院前休克程度的評(píng)估提供一種無創(chuàng)的測(cè)量方式。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

由于豬里脊肉結(jié)構(gòu)組成相對(duì)單一、肌肉纖維走向明確，能模擬大鼠的股二頭肌纖維的結(jié)構(gòu)特征，所以本研究用新鮮離體的豬里脊肉作為測(cè)量對(duì)象。將新鮮離體的豬里脊肉（離體30 min內(nèi)）切割成長(zhǎng)60 mm×40 mm×12 mm的長(zhǎng)方體，共獲得10塊這樣的組織樣本。每塊樣本用保鮮膜包裹以防止測(cè)量前樣本表面濕度的降低。

2.2 阻抗測(cè)量方法

阻抗測(cè)量采用安捷倫公司的阻抗分析儀4294A，激勵(lì)電流為300 μA，掃描頻率1 kHz～1 MHz，共200個(gè)頻點(diǎn)，連續(xù)掃描方式。測(cè)量過程中借助于嬰兒培養(yǎng)箱（德爾格）保持測(cè)量樣本的溫度和濕度分別保持在36℃，50%?？傮w框圖，見圖1。

圖1 嬰兒培養(yǎng)箱示意圖

電極探頭：阻抗測(cè)量探頭上的電極按照四電極法布置，見圖2。1和4為激勵(lì)電極，2和3為測(cè)量電極。為了比較無創(chuàng)測(cè)量結(jié)果與有創(chuàng)測(cè)量結(jié)果的差距，在PCB電極探頭上并行設(shè)計(jì)了兩組四電極，上面一組為無創(chuàng)電極，下面一組為有創(chuàng)電極，見圖2a，PCB電極探頭通過一個(gè)9針串口插座與開關(guān)板連接，見圖2b。本研究參考林新博士學(xué)位論文中有創(chuàng)四電極方案設(shè)計(jì)了有創(chuàng)電極[18]，為了保證測(cè)量精度，插入被測(cè)組織的電極頂端與周圍其它組織的距離至少應(yīng)是電極間距的3倍。另外日本學(xué)者Sakamoto等[17]將人體等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的兩層模型，見圖3，當(dāng)d＜h＜ (d+L)/3時(shí)，電流主要流過肌肉組織。由前期解剖大鼠的實(shí)驗(yàn)知大鼠股二頭肌的平均厚度約為12 mm，股二頭肌外皮膚的平均厚度約為1 mm，即L=12 mm，d=1 mm，所以電極間距h的取值范圍為1 mm＜h＜13/3 mm。

圖2 PCB電極探頭設(shè)計(jì)圖（a）與實(shí)物圖（b）

圖3 組織分層示意圖

根據(jù)上述電極間距的取值范圍，把這個(gè)區(qū)間四等分，分別取1/4、1/2和3/4等分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離L1、L2和L3作為3種無創(chuàng)電極間距，即L1=1.83 mm、L2=2.67 mm、L3=3.5 mm。根據(jù)3種電極間距設(shè)計(jì)了3種PCB電極探頭，其有創(chuàng)測(cè)量插針間距均為2.67 mm，長(zhǎng)度為3 mm，直徑為0.25 mm，作為對(duì)照電極；無創(chuàng)測(cè)量電極間距分別為L(zhǎng)1、L2和L3，電極直徑1 mm。

開關(guān)板：開關(guān)板載兩個(gè)串口插座和一個(gè)四刀雙擲開關(guān)，左側(cè)串口連接至一個(gè)電極探頭，右側(cè)串口連接至阻抗分析儀；當(dāng)四刀雙擲開關(guān)撥向“Non-In”時(shí)，阻抗分析儀的4個(gè)端子與電極板上無創(chuàng)測(cè)量電極連通；當(dāng)四刀雙擲開關(guān)撥向“In”時(shí)，阻抗分析儀的4個(gè)端子與電極板上有創(chuàng)測(cè)量插針連通；這樣就實(shí)現(xiàn)有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種測(cè)量方式的選擇和切換。

2.3 單個(gè)肌肉組織電阻抗測(cè)量與分析

在電阻抗測(cè)量前保證四電極的連線與被測(cè)肌肉組織纖維的走向平行，將電極頭與被測(cè)肌肉組織良好接觸后對(duì)單個(gè)離體肌肉組織進(jìn)行電阻抗測(cè)量，分別用3種無創(chuàng)電極測(cè)量的平均模值頻譜與有創(chuàng)電極測(cè)量的平均模值頻譜進(jìn)行對(duì)比。

2.4 有創(chuàng)測(cè)量與無創(chuàng)測(cè)量的電阻抗模值的差異分析

依次利用3款電極探頭的有創(chuàng)電極和無創(chuàng)電極測(cè)量準(zhǔn)備好的10塊豬肉組織的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)，計(jì)算每款電極探頭上無創(chuàng)測(cè)量數(shù)據(jù)與有創(chuàng)測(cè)量數(shù)據(jù)的歐式距離。歐式距離反映兩個(gè)向量之間的真實(shí)距離，基于秩和檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析各電極探頭歐氏距離的差異。

2.5 肌肉組織無創(chuàng)測(cè)得的電阻抗頻譜特性曲線擬合誤差分析

生物組織由細(xì)胞液和細(xì)胞膜組成，所以生物電阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù)，其實(shí)部為細(xì)胞液的電阻值，虛部為細(xì)胞膜的電容電抗值，生物電阻抗的實(shí)部和虛部在一定的激勵(lì)頻率范圍內(nèi)會(huì)表現(xiàn)出規(guī)律性的變化。為了衡量不同無創(chuàng)電極間距對(duì)電阻抗頻譜特性曲線（即Cole-Cole曲線）的影響，將電阻抗實(shí)部作為橫坐標(biāo)，將虛部作為縱坐標(biāo)，利用最小二乘方法可以擬合出Cole-Cole曲線，并利用擬合殘差作為擬合誤差的評(píng)估指標(biāo)。

3 結(jié)果

3.1 單個(gè)肌肉組織電阻抗分析結(jié)果

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)有創(chuàng)電阻抗測(cè)量和無創(chuàng)電阻抗測(cè)量模值都隨頻率的升高而下降，說明無創(chuàng)測(cè)量的電阻抗頻譜符合生物組織電阻抗的頻譜特性，見圖4。

同時(shí)通過有創(chuàng)測(cè)得電阻抗模值與無創(chuàng)測(cè)得電阻抗模值的對(duì)比，前兩種無創(chuàng)電極測(cè)量的電阻抗模值比有創(chuàng)電極測(cè)量的模值大，而第三種電極所測(cè)得的阻抗值則在一定頻率后比有創(chuàng)電極測(cè)得的模值要小。

3.2 有創(chuàng)測(cè)量與無創(chuàng)測(cè)量的電阻抗模值的差異分析結(jié)果

3款電極探頭的歐式距離，見圖5。歐式距離越短則該款電極探頭上的有創(chuàng)和無創(chuàng)測(cè)量的頻譜越相近。

通過箱圖可以看出第二種電極探頭的無創(chuàng)電極測(cè)量的模值與有創(chuàng)電極測(cè)量的模值相差較小，表明第二種電極探頭無創(chuàng)電極測(cè)量的模值更接近有創(chuàng)測(cè)量的模值。同時(shí)對(duì)有創(chuàng)測(cè)量和無創(chuàng)測(cè)量的歐氏距離進(jìn)行秩和檢驗(yàn)，假設(shè)第一種電極的歐氏距離大于第二種電極，第二種電極歐氏距離小于第三種電極，第一種電極大于第三種電極，置信區(qū)間在0.05情況下，P值分別為0.00195、0.001367和0.00195，均小于0.05，則接受原假設(shè)，說明第二種無創(chuàng)電極探頭測(cè)量的歐氏距離比相其他兩種電極探頭測(cè)量的歐氏距離要小。

3.3 肌肉組織電阻抗頻譜特性曲線擬合

3種無創(chuàng)電極間距對(duì)應(yīng)的Cole-Cole曲線，見圖6。其中，藍(lán)色的散點(diǎn)是測(cè)得的10個(gè)樣本的原始數(shù)據(jù)的均值，紫色的圓環(huán)是這些數(shù)據(jù)曲線擬合的結(jié)果。

數(shù)據(jù)的殘差平方和越小，其擬合程度越好。3種無創(chuàng)電極的擬合的殘差表，見表1。由表1擬合殘差值可以看出第二種電極擬合效果較好，同時(shí)第二種有創(chuàng)和無創(chuàng)電極得到殘差的標(biāo)準(zhǔn)差也較小，表明第二種電極擬合誤差誤差波動(dòng)較小，擬合值相對(duì)較為穩(wěn)定，對(duì)3種無創(chuàng)電極的殘差兩兩進(jìn)行秩和檢驗(yàn)，所得P值為0.48997，0.41045，0.51003均大于0.05，沒有顯著性差異，說明電極間距的大小對(duì)電阻抗頻譜擬合影響不是很大。

圖4 3種電極頭的無創(chuàng)與有創(chuàng)電極測(cè)得的阻抗譜

圖5 有創(chuàng)無創(chuàng)測(cè)量模值歐氏距離箱圖

圖6 3種無創(chuàng)電極電阻抗頻譜特性曲線擬合

表1 3種無創(chuàng)電極的擬合的殘差表

4 結(jié)論與討論

無創(chuàng)電極測(cè)量電阻抗時(shí)緊貼肌肉組織，并不像有創(chuàng)電極插入肌肉組織，這使得無創(chuàng)電極的電流不能很好的流經(jīng)肌肉組織，相關(guān)研究表明當(dāng)電極距離遠(yuǎn)小于表層厚度時(shí),電流只穿過表層，檢測(cè)系統(tǒng)只對(duì)表層的阻抗變化敏感，不能檢測(cè)到內(nèi)部組織的信息。當(dāng)電極間距增大到接近于表層厚度時(shí)，電流才部分穿入到深層, 檢測(cè)結(jié)果中才可能包含一部分內(nèi)部組織（如肌肉組織）信息[20]，當(dāng)電極間距進(jìn)一步加大，電流會(huì)深入到肌肉層下層的臟器組織，從而使測(cè)量數(shù)據(jù)的離散性增大。本研究考慮到了未來實(shí)驗(yàn)中失血性休克模型中大鼠股二頭肌的實(shí)際厚度（12 mm），發(fā)現(xiàn)當(dāng)無創(chuàng)測(cè)量電極的間距約為股二頭肌實(shí)際厚度的1/6時(shí)，無創(chuàng)電極測(cè)得的頻譜數(shù)據(jù)與同電極間距的有創(chuàng)電極測(cè)得的頻譜數(shù)據(jù)較接近。因此，本研究提出的無創(chuàng)電極確定方法為將來人體下肢電阻抗電極間距的確定提供了一種參考思路。

本實(shí)驗(yàn)的目的是確定一種適于大鼠肌肉組織無創(chuàng)電阻抗電極間距。通過對(duì)3種無創(chuàng)電極測(cè)量的電阻抗模值與有創(chuàng)電極測(cè)量的電阻抗模值進(jìn)行比較知，第二種無創(chuàng)電極間距的電極測(cè)得的電阻抗模值與有創(chuàng)電阻抗電極測(cè)得的模值最接近。第一種無創(chuàng)電極間距較小，電流不能很好的流經(jīng)組織內(nèi)部，第三種電極間距較大，電流流經(jīng)整個(gè)組織，能反映組織內(nèi)部阻抗，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)反映出肌肉下層物質(zhì)的電阻抗信息，使阻抗測(cè)量值誤差較大，而第二種電極間距在其余兩種電極間距之間，激勵(lì)電流在兩測(cè)量電極之間分布相對(duì)較為均勻，使得測(cè)量值與具有相等電極間距的有創(chuàng)電極的測(cè)得數(shù)據(jù)較為接近。優(yōu)選出的第二種無創(chuàng)測(cè)量電極的間距是以有創(chuàng)測(cè)量方式為對(duì)照的，在活體大鼠的股二頭肌上能否獲得準(zhǔn)確的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步活體動(dòng)物試驗(yàn)驗(yàn)證。

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本文編輯 袁雋玲

Suitable Noninvasive Electrode Distance for Local Electrical Impedance Measurement of Animal Muscle Tissue

FU Qin-peng, CHONG Yin-bao, ZHAO An, ZHAO Peng, PAN Wen-cai, MA Jie-shi

Department of Medical Engineering, the Second Affiliated Hospital, the Third Military Medical University, Chongqing 400037, China

ObjectiveIt is necessary to determine the electrode distance in noninvasive electrode system, so as to assess the degree of hemorrhagic shock with noninvasive measurement of the electrical impedance spectrum of local muscle tissue.MethodsAccording to the thicknesses of biceps femoris of rats, three kinds of probes with both noninvasive and invasive electrode arrays were designed. The electrode distances of noninvasive measurements were 1.83, 2.67 and 3.5 mm respectively, while the invasive measuring electrode distances were 2.67 mm. Ten fresh pork fillets were taken as the object for measurement. The differences of measurements were analyzed by Euclidean distance and the fitting errors were analyzed in the process of Cole-Cole curve fitting with the noninvasive measurements.ResultsThe measured results were closer to the invasive measurements and the corresponding Cole-Cole curve fitting error was better when the electrode distance of noninvasive was 2.67 mm.ConclusionThe measured impedance spectrum data is close to the invasively measured data with the same electrode distance when use 1/6 of the thickness of the measured muscle tissue as the non-invasive electrode distance.

noninvasive; electrical impedance; electrode distance; muscle tissue; hemorrhagic shock

R318.08

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.010

1674-1633(2017)08-0038-04

2017-04-28

2017-05-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（81401487）；重慶市重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（cstc2014yykfB10008）。

作者郵箱：13636715459@163.com