生物阻抗技術及其臨床應用

黃發清，李珊珊，羅偉

1.荊州市第一人民醫院，湖北 荊州434000；2.荊州市中心血站，湖北 荊州 434000

近年來，隨著現代醫學的快速發展，生物阻抗技術的基礎理論不斷完善，其相應測量或檢測技術也更為成熟，人體組織結構分析、生物阻抗成像等生物阻抗技術已逐漸應用于臨床。然而如何精確地將生物阻抗技術應用于臨床檢測尚待進一步研究。本文主要對生物阻抗技術的測量方法、電極影響、相關臨床應用進行總結分析，探討生物阻抗技術在臨床上的應用方法。

1 生物阻抗技術概述

生物阻抗技術是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規律，來提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息檢測技術。通常借助于體表的電極系統向被檢測對象施加微小的交流信號，測量其電流或電壓，以檢測相應的電阻抗及其變化情況，然后根據不同的應用目的，獲取相關的生理和病理信息[1]。該技術具有無創、廉價、安全、操作簡單、功能信息豐富等特點，適用于生物信息特征數據的采集和臨床多種疾病的檢測。國外生物電阻抗測量技術在基礎研究方面水平較高，以電阻抗斷層成像技術（Electrical Impedance Tomography，EIT）為發展方向的新一代生物阻抗技術正蓬勃發展，國內近幾年在生物阻抗技術方面也進行了大量研究并取得了明顯進展。

2 生物阻抗的測量方法

生物組織中含有大量細胞。細胞內液和細胞外液均屬于電解質溶液，細胞膜與細胞膜之間可以等效為電容[2]。因此，當直流或者低頻電流施加于生物組織時，電流將繞過細胞流經細胞外液；當施加于生物組織的電流頻率增加時，細胞膜電容的容抗減小，一部分電流將穿過細胞膜流經細胞內液[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隨電流頻率發生變化，頻率是重要的生物阻抗測量參數之一。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表示細胞外液電阻，Ri表示細胞內液電阻，Cm表示細胞膜并聯電容。

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行測量的方法，稱為單頻率測量。其操作簡單，能有效地反應組織、器官的信息和阻抗特性[5]，如阻抗的相角和模量，或實部與虛部，得到的不同電學參數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算每搏射血輸出，進一步計算出心輸出量和其他血流動力學參數。還可以應用電阻抗法來測量膀胱容量：尿液是電解質溶液，有很好的導電性，所以隨著膀胱內尿量不斷增多，可通過觀察固定在膀胱內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行測量的方法。該方法可以測量到模擬電路中的不同電學參數，如Re、Ri和Cm等，能夠根據各電學參數的頻譜分布及規律反映相對完整的人體組織阻抗信息[6-7]。例如，細胞內、外電阻反映著人體不同生理狀態下的組織內含水量，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行估計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主要體現在細胞外是否有蛋白質的積累，通過使用低-高雙頻測量技術，低頻信號能夠測出細胞外組織的阻抗，高頻信號能夠穿透細胞膜測出細胞膜的電阻，從而計算出電阻抗的變化率，極易對心源性肺水腫進行診斷。

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、電極上導電凝膠的成分以及電極的貼放位置等因素。電流在人體內的分布取決于電極的形狀，目前較常見的電極有點電極、方形電極、圓形電極和環形電極。多數研究者在研究生物阻抗時使用圓形電極，因為圓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果的影響程度：實驗采用復合電極，即電極由兩部分組成，外圈為激勵電極，內圈為測量電極。按激勵電極的面積大小和形狀將電極分為A、B兩種。A、B電極內圈的直徑均為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，內外圈距離為2 mm。結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、可粘貼性以及穩定性等對測量結果的影響亦極其重要，而這些特性都與電極材料相關[9]。國內外關于電極穩定性的研究較多，特別是對阻抗測量中電極的時間效應進行了系統的研究。對不同生產廠家的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行觀察分析，發現不同電極的交、直流阻抗值及穩定性相差很大，見表1。相比較之下，Ag-AgCl電極測量穩定性最佳，但長時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測膀胱尿量時，研究者大部分將點電極貼于小腹對應內部膀胱的位置[10]。在肚臍以下12 cm的位置，將兩個激勵電極分別貼于小腹兩外側，使產生的電流場能完全將內部的膀胱包圍；兩個接收電極分別貼于緊靠兩激勵電極的內側部位，計算兩個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是假設點電極電場在人體盆腔內的分布是均勻的，通過測量電位差繼而得出對應尿量的電阻值。再如利用生物阻抗法進行心輸出量的測量時，最好將通電用點狀電極固定在兩耳后方，監測電極固定在鎖骨中央，這樣就能夠對心輸出量等循環機能信息以及人體自有行動時的電阻抗輸出量進行定期監測。

4 生物阻抗技術的臨床應用

人體內各組織、器官的構成特點和組成成分不同，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，能相對全面地反應生物組織信息；而生物阻抗頻譜分析法可根據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、K+、Na+、Ca2+等。

（1）心臟是人體的重要器官，負責為人體各組織器官提供足夠的血流量，維持正常細胞的代謝和功能。當心輸出量發生變化或心功能發生障礙時人體各組織器官就會出現相應的生理病理變化。借助除顫儀及心阻抗圖，可計算并推斷心臟驟停發生率，能早期發現心臟驟停并及時對患者進行心肺復蘇，提高心臟疾病的早期診斷率及搶救成功率。

（2）顱內壓增高是神經內、外科中比較常見的并發癥，引起顱內壓增高的主要因素是腦水腫。各種顱腦病變如顱內腫瘤等占位性病變、腦梗死、腦出血等均可導致不同區域和不同程度的腦水腫。根據生物阻抗原理及腦組織不同病變時的阻抗變化研發的無創性腦水腫動態監測儀，可以較早地動態監測腦水腫及顱內壓的變化，對顱腦病變的治療和顱腦組織繼發性變化的預防具有重要意義[12]。

（3）利用生物阻抗技術檢測胃動力特征參數是臨床醫學的又一項新突破。胃動力功能是一個復雜的電-機過程，臨床在胃動力監測方面尚存在欠缺，聯合生物阻抗技術和電子學技術對胃動力特征參數進行檢測對臨床胃動力學具有重要價值。任超世等[13]通過大量實驗研究提出了利用電阻抗監測及處理胃動力學信息的方法，并采用生物阻抗和胃電同步測量相結合的技術，從體表進行無創胃動力檢測，研究了胃的節律性、傳導性等復雜的胃動力電-機過程，并分析其影響因素，為胃動力的測量及評價提供了一種新的、有效的無創方法。

（4）基于生物阻抗技術的肺阻抗CT、肺阻抗測量可以提取與組織、器官的功能變化相對應的電學特性信息，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?；诜蝺葰怏w、液體，肺組織成分及其變化的獨特的電學特性，肺阻抗測量、肺阻抗CT可實現區域性肺功能的檢測及監護，有利于塵肺疾病的早期診斷及治療，為塵肺疾病長期連續監護提供了一種有效的臨床方法。

（5）乳腺組織在發生病變繼而向腫瘤組織發展的過程中，首先會在分子水平和細胞水平上發生一系列變化，從而引發與此相聯系的電特性（阻抗）變化。當乳腺組織形成腫瘤或發生癌變時，可釋放一種血管因子，刺激腫瘤產生大量滋養血管使血液供應增加，血流速度加快，由此發生的組織阻抗變化十分明顯。因而，采用生物阻抗技術對乳腺癌進行早期診斷是個不錯的選擇。以色列TransScan公司據此設計出了基于T-SCAN阻抗分布測量方法的乳房腫瘤檢測系統。

5 結語

總之，生物阻抗技術臨床應用涉及的因素較多，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。生物阻抗技術的敏感性使其在胃電監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，需要通過進一步研究分析適用于不同器官的生物阻抗實驗方法和分析手段。相信未來，生物阻抗技術將以無創、精度高、信息量大等特點，在測量技術方面取得更大進步，為臨床應用和科學研究提供強有力的支持。

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