生物阻抗技术及其临床应用

黄发清，李珊珊，罗伟

1.荆州市第一人民医院，湖北 荆州434000；2.荆州市中心血站，湖北 荆州 434000

近年来，随着现代医学的快速发展，生物阻抗技术的基础理论不断完善，其相应测量或检测技术也更为成熟，人体组织结构分析、生物阻抗成像等生物阻抗技术已逐渐应用于临床。然而如何精确地将生物阻抗技术应用于临床检测尚待进一步研究。本文主要对生物阻抗技术的测量方法、电极影响、相关临床应用进行总结分析，探讨生物阻抗技术在临床上的应用方法。

1 生物阻抗技术概述

生物阻抗技术是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律，来提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息检测技术。通常借助于体表的电极系统向被检测对象施加微小的交流信号，测量其电流或电压，以检测相应的电阻抗及其变化情况，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息[1]。该技术具有无创、廉价、安全、操作简单、功能信息丰富等特点，适用于生物信息特征数据的采集和临床多种疾病的检测。国外生物电阻抗测量技术在基础研究方面水平较高，以电阻抗断层成像技术（Electrical Impedance Tomography，EIT）为发展方向的新一代生物阻抗技术正蓬勃发展，国内近几年在生物阻抗技术方面也进行了大量研究并取得了明显进展。

2 生物阻抗的测量方法

生物组织中含有大量细胞。细胞内液和细胞外液均属于电解质溶液，细胞膜与细胞膜之间可以等效为电容[2]。因此，当直流或者低频电流施加于生物组织时，电流将绕过细胞流经细胞外液；当施加于生物组织的电流频率增加时，细胞膜电容的容抗减小，一部分电流将穿过细胞膜流经细胞内液[3-4]。所以，在生物阻抗测量过程中，生物组织的电阻抗特性会随电流频率发生变化，频率是重要的生物阻抗测量参数之一。生物组织的阻抗频谱特性可以用三元件等效电路模型表示，见图1。其中，Re表示细胞外液电阻，Ri表示细胞内液电阻，Cm表示细胞膜并联电容。

图1 三元件等效电路模型

从频率角度来讲，生物阻抗测量方法可以分为单频率测量和多频率测量两种。

2.1 单频率测量

向生物组织输入单一恒定频率的电流进行测量的方法，称为单频率测量。其操作简单，能有效地反应组织、器官的信息和阻抗特性[5]，如阻抗的相角和模量，或实部与虚部，得到的不同电学参数可以反映被测组织的变化。基于胸部单频率阻抗血流图的一种间接测量方法可利用心脏射血所引起的胸部血流阻抗的改变来计算每搏射血输出，进一步计算出心输出量和其他血流动力学参数。还可以应用电阻抗法来测量膀胱容量：尿液是电解质溶液，有很好的导电性，所以随着膀胱内尿量不断增多，可通过观察固定在膀胱内接收器的电阻变化了解膀胱尿量。

2.2 多频率测量

多频率测量也称为频谱测量分析法，即向生物组织输入不同频率的电流或电压进行测量的方法。该方法可以测量到模拟电路中的不同电学参数，如Re、Ri和Cm等，能够根据各电学参数的频谱分布及规律反映相对完整的人体组织阻抗信息[6-7]。例如，细胞内、外电阻反映着人体不同生理状态下的组织内含水量，因此多频率测量较多用于人体成分分析[8]。利用双频电阻抗方法对心源性肺水肿进行估计取得了比较好的效果：心源性肺水肿与非心源性肺水肿在临床上的表现主要体现在细胞外是否有蛋白质的积累，通过使用低-高双频测量技术，低频信号能够测出细胞外组织的阻抗，高频信号能够穿透细胞膜测出细胞膜的电阻，从而计算出电阻抗的变化率，极易对心源性肺水肿进行诊断。

3 电极对生物阻抗的影响

人体组织的电特性在测量过程中总是存在较大的测量误差，这些误差主要来源于电极的大小及形状、电极上导电凝胶的成分以及电极的贴放位置等因素。电流在人体内的分布取决于电极的形状，目前较常见的电极有点电极、方形电极、圆形电极和环形电极。多数研究者在研究生物阻抗时使用圆形电极，因为圆形电极的电场分布较均匀。除了电极形状的影响，相同形状电极的大小也会影响生物阻抗的测量效果。利用电阻抗测量脑血流的研究中分析了电极大小对测量结果的影响程度：实验采用复合电极，即电极由两部分组成，外圈为激励电极，内圈为测量电极。按激励电极的面积大小和形状将电极分为A、B两种。A、B电极内圈的直径均为10 mm，面积均为0.8 cm2；A电极外圈直径为20 mm，面积为2.0 cm2，内外圈距离为1 mm；B电极外圈长29 mm，宽18 mm，面积为3.7 cm2，内外圈距离为2 mm。结果显示面积较大的矩形电极可以获得较大的阻抗变化信号，测量灵敏度较高。

除了电极大小与形状外，电极极化特性、可粘贴性以及稳定性等对测量结果的影响亦极其重要，而这些特性都与电极材料相关[9]。国内外关于电极稳定性的研究较多，特别是对阻抗测量中电极的时间效应进行了系统的研究。对不同生产厂家的4种一次性Ag-AgCl心电电极的交、直流阻抗性能及其变化情况进行观察分析，发现不同电极的交、直流阻抗值及稳定性相差很大，见表1。相比较之下，Ag-AgCl电极测量稳定性最佳，但长时间测量容易引起皮肤过敏。

表1 不同材料电极的特性及使用范围

电极的贴放位置直接影响电流在被测组织或器官周围的分布情况，从而影响测量信号的敏感度。例如采用生物阻抗监测膀胱尿量时，研究者大部分将点电极贴于小腹对应内部膀胱的位置[10]。在肚脐以下12 cm的位置，将两个激励电极分别贴于小腹两外侧，使产生的电流场能完全将内部的膀胱包围；两个接收电极分别贴于紧靠两激励电极的内侧部位，计算两个测量电极的电位差并将其换算成电阻值。这种电极贴放位置的选择主要依据是假设点电极电场在人体盆腔内的分布是均匀的，通过测量电位差继而得出对应尿量的电阻值。再如利用生物阻抗法进行心输出量的测量时，最好将通电用点状电极固定在两耳后方，监测电极固定在锁骨中央，这样就能够对心输出量等循环机能信息以及人体自有行动时的电阻抗输出量进行定期监测。

4 生物阻抗技术的临床应用

人体内各组织、器官的构成特点和组成成分不同，其阻抗特性及其变化也不相同。人体成分分析方法有两种：生物阻抗频谱分析法和生物阻抗分析法[11]。生物阻抗分析法可减少因不同人体组织引起的差异性，能相对全面地反应生物组织信息；而生物阻抗频谱分析法可根据不同生物组织的阻抗频谱特性，推断出不同的组织成分甚至成分含量，如蛋白质、K+、Na+、Ca2+等。

（1）心脏是人体的重要器官，负责为人体各组织器官提供足够的血流量，维持正常细胞的代谢和功能。当心输出量发生变化或心功能发生障碍时人体各组织器官就会出现相应的生理病理变化。借助除颤仪及心阻抗图，可计算并推断心脏骤停发生率，能早期发现心脏骤停并及时对患者进行心肺复苏，提高心脏疾病的早期诊断率及抢救成功率。

（2）颅内压增高是神经内、外科中比较常见的并发症，引起颅内压增高的主要因素是脑水肿。各种颅脑病变如颅内肿瘤等占位性病变、脑梗死、脑出血等均可导致不同区域和不同程度的脑水肿。根据生物阻抗原理及脑组织不同病变时的阻抗变化研发的无创性脑水肿动态监测仪，可以较早地动态监测脑水肿及颅内压的变化，对颅脑病变的治疗和颅脑组织继发性变化的预防具有重要意义[12]。

（3）利用生物阻抗技术检测胃动力特征参数是临床医学的又一项新突破。胃动力功能是一个复杂的电-机过程，临床在胃动力监测方面尚存在欠缺，联合生物阻抗技术和电子学技术对胃动力特征参数进行检测对临床胃动力学具有重要价值。任超世等[13]通过大量实验研究提出了利用电阻抗监测及处理胃动力学信息的方法，并采用生物阻抗和胃电同步测量相结合的技术，从体表进行无创胃动力检测，研究了胃的节律性、传导性等复杂的胃动力电-机过程，并分析其影响因素，为胃动力的测量及评价提供了一种新的、有效的无创方法。

（4）基于生物阻抗技术的肺阻抗CT、肺阻抗测量可以提取与组织、器官的功能变化相对应的电学特性信息，且对肺组织膨胀、收缩，肺换气等影响组织器官电特性的因素非常敏感。基于肺内气体、液体，肺组织成分及其变化的独特的电学特性，肺阻抗测量、肺阻抗CT可实现区域性肺功能的检测及监护，有利于尘肺疾病的早期诊断及治疗，为尘肺疾病长期连续监护提供了一种有效的临床方法。

（5）乳腺组织在发生病变继而向肿瘤组织发展的过程中，首先会在分子水平和细胞水平上发生一系列变化，从而引发与此相联系的电特性（阻抗）变化。当乳腺组织形成肿瘤或发生癌变时，可释放一种血管因子，刺激肿瘤产生大量滋养血管使血液供应增加，血流速度加快，由此发生的组织阻抗变化十分明显。因而，采用生物阻抗技术对乳腺癌进行早期诊断是个不错的选择。以色列TransScan公司据此设计出了基于T-SCAN阻抗分布测量方法的乳房肿瘤检测系统。

5 结语

总之，生物阻抗技术临床应用涉及的因素较多，针对测量目的选择合适的测量方法和电极性能是未来研究的重点。生物阻抗技术的敏感性使其在胃电监测中可影响胃液分泌程度，在乳腺癌筛选中也存在一定的精度问题。因而，需要通过进一步研究分析适用于不同器官的生物阻抗实验方法和分析手段。相信未来，生物阻抗技术将以无创、精度高、信息量大等特点，在测量技术方面取得更大进步，为临床应用和科学研究提供强有力的支持。

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