生物阻抗技術(shù)及其臨床應(yīng)用

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，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)測量或檢測技術(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)用于臨床檢測尚待進(jìn)一步研究。本文主要對生物阻抗技術(shù)的測量方法、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)信息檢測技術(shù)。通常借助于體表的電極系統(tǒng)向被檢測對象施加微小的交流信號，測量其電流或電壓，以檢測相應(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)具有無創(chuàng)、廉價(jià)、安全、操作簡單、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。國外生物電阻抗測量技術(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，一部分電流將穿過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液[3-4]。所以，在生物阻抗測量過程中，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

從頻率角度來講，生物阻抗測量方法可以分為單頻率測量和多頻率測量兩種。

2.1 單頻率測量

向生物組織輸入單一恒定頻率的電流進(jìn)行測量的方法，稱為單頻率測量。其操作簡單，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)可以反映被測組織的變化?；谛夭繂晤l率阻抗血流圖的一種間接測量方法可利用心臟射血所引起的胸部血流阻抗的改變來計(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)用電阻抗法來測量膀胱容量：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 多頻率測量

多頻率測量也稱為頻譜測量分析法，即向生物組織輸入不同頻率的電流或電壓進(jìn)行測量的方法。該方法可以測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，因此多頻率測量較多用于人體成分分析[8]。利用雙頻電阻抗方法對心源性肺水腫進(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，通過使用低-高雙頻測量技術(shù)，低頻信號能夠測出細(xì)胞外組織的阻抗，高頻信號能夠穿透細(xì)胞膜測出細(xì)胞膜的電阻，從而計(jì)算出電阻抗的變化率，極易對心源性肺水腫進(jìn)行診斷。

3 電極對生物阻抗的影響

人體組織的電特性在測量過程中總是存在較大的測量誤差，這些誤差主要來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)影響生物阻抗的測量效果。利用電阻抗測量腦血流的研究中分析了電極大小對測量結(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，測量靈敏度較高。

除了電極大小與形狀外，電極極化特性、可粘貼性以及穩(wěn)定性等對測量結(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]。國內(nèi)外關(guān)于電極穩(wěn)定性的研究較多，特別是對阻抗測量中電極的時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對不同生產(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，見表1。相比較之下，Ag-AgCl電極測量穩(wěn)定性最佳，但長時(shí)間測量容易引起皮膚過敏。

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組織或器官周圍的分布情況，從而影響測量信號的敏感度。例如采用生物阻抗監(jiān)測膀胱尿量時(shí)，研究者大部分將點(diǎn)電極貼于小腹對應(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兩激勵(lì)電極的內(nèi)側(cè)部位，計(jì)算兩個(gè)測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)電極電場在人體盆腔內(nèi)的分布是均勻的，通過測量電位差繼而得出對應(yīng)尿量的電阻值。再如利用生物阻抗法進(jìn)行心輸出量的測量時(shí)，最好將通電用點(diǎn)狀電極固定在兩耳后方，監(jiān)測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。

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)的無創(chuàng)性腦水腫動(dòng)態(tài)監(jiān)測儀，可以較早地動(dòng)態(tài)監(jiān)測腦水腫及顱內(nèi)壓的變化，對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)過程，臨床在胃動(dòng)力監(jiān)測方面尚存在欠缺，聯(lián)合生物阻抗技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)對胃動(dòng)力特征參數(shù)進(jìn)行檢測對臨床胃動(dòng)力學(xué)具有重要價(jià)值。任超世等[13]通過大量實(shí)驗(yàn)研究提出了利用電阻抗監(jiān)測及處理胃動(dòng)力學(xué)信息的方法，并采用生物阻抗和胃電同步測量相結(jié)合的技術(shù)，從體表進(jìn)行無創(chuàng)胃動(dòng)力檢測，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)過程，并分析其影響因素，為胃動(dòng)力的測量及評價(jià)提供了一種新的、有效的無創(chuàng)方法。

（4）基于生物阻抗技術(shù)的肺阻抗CT、肺阻抗測量可以提取與組織、器官的功能變化相對應(yīng)的電學(xué)特性信息，且對肺組織膨脹、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，肺阻抗測量、肺阻抗CT可實(shí)現(xiàn)區(qū)域性肺功能的檢測及監(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阻抗分布測量方法的乳房腫瘤檢測系統(tǒng)。

5 結(jié)語

總之，生物阻抗技術(shù)臨床應(yīng)用涉及的因素較多，針對測量目的選擇合適的測量方法和電極性能是未來研究的重點(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題。因而，需要通過進(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，生物阻抗技術(shù)將以無創(chuàng)、精度高、信息量大等特點(diǎn)，在測量技術(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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