生物阻抗特性及測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀

1、生物阻抗特性及測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀生物阻抗：人類很早就了解到生物的電阻特性，也給出了生物體產(chǎn)生電阻的原因： 它是當(dāng)細(xì)胞內(nèi)外液中電解質(zhì)離子在電場中移動時，黏滯介質(zhì)和狹小管道對離 子運動的阻礙作用所致。進(jìn)一步的研究表明，當(dāng)?shù)皖l電流通過時，生物結(jié)構(gòu) 具有更為復(fù)雜的電阻性質(zhì)，可分解為不隨時間變化的分量和隨時間變化的分 量。前者就是普通的直流電阻成分，在一定限度內(nèi)阻值保持不變，電流與電 壓呈線性關(guān)系，起變阻器作用；后者隨外加電壓時間的延長，電流和電壓的 變化呈非線性變化，即具有交流電阻抗特性（或成分），起濾波器的作用。目 前，這兩種作用是解釋神經(jīng)和肌肉等組織興奮和沖動的基礎(chǔ)。在描述物質(zhì)的電阻特性時，有兩個重

2、要的概念：一是電阻率；二是電導(dǎo) 率。它們之間互為倒數(shù)，都是表示物質(zhì)導(dǎo)電性能的物理量。表5.1中列出了 一些生物組織的電阻率和電導(dǎo)率?？梢钥闯?，人體內(nèi)各種組織的電阻率極不 相同，血清電阻率最低，肌肉次之，肝、腦等組織的電阻率稍高，脂肪和骨 骸的電阻率最高，腫瘤組織與正常組織亦有差別，在身體內(nèi)這些組織交叉組 合形成了非均質(zhì)導(dǎo)體。表1各種組織的電阻率和電導(dǎo)率組織電阻率（cd cm）電導(dǎo)率1(104q-cm)組織電阻率(0 cm)電導(dǎo)率1(109cm)0. 9% 氯 化鈉溶 液50140脾630血清7078105乳 常 正房430全血1602305685乳癌170肌胳肌4707115890腎髓質(zhì)400

3、心?。o 血）50107皮質(zhì)610（灌滿 血）207224脂肪180822050.4肝506672690腦灰質(zhì)480肺（呼 氣）401555白質(zhì)750（充氣）744766生物膜具有電容特性，有關(guān)研究表明，生物膜不但具有靜態(tài)電容性質(zhì), 而且還具有極化電容性質(zhì)，即當(dāng)外加交流電時，生物膜的電容率不僅變化,膜的電容值也要發(fā)生變化。有關(guān)細(xì)胞的許多電特性研究表明，一般活細(xì)胞表面帶有負(fù)電荷，細(xì)胞內(nèi) 部電場為零，內(nèi)部為等勢區(qū)，只是在細(xì)胞膜上存在電場，因此細(xì)胞膜可以看 作是一個電容器。1925-1927年，h 弗里克用阻抗法測出狗的紅電球細(xì)胞單位面積的電容 值為0.81|if citf2,根據(jù)實驗結(jié)果，弗里克提

4、出了他的假設(shè)，認(rèn)為多數(shù)類型 細(xì)胞膜為一球形膜，膜是由雙分子層脂類分子組成，其相對電容率為&二3。 根據(jù)球形電容器公式可知，膜單位面積的電容公式為通過上式可得細(xì)胞膜的厚度為3nmo而現(xiàn)代測量手段（如x射線和電鏡等）測出的各種細(xì)胞膜厚度為710. 5nm,結(jié)果不相吻合，這說明弗里克 假設(shè)的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)存在缺陷。更新的研究表明，細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)除雙分子層脂膜外，在其兩側(cè)各覆蓋一 層蛋白質(zhì)層，形成蛋白質(zhì)-脂類物-蛋白質(zhì)的三重結(jié)構(gòu)，如圖5. 2所示，它的 相對電容率為如果將此值代入式（5.4）,得到的細(xì)胞膜厚度為 長 10nm,與現(xiàn)代技術(shù)所測結(jié)果吻合得極好，說明了膜電容存在的真實性。mwill對于細(xì)胞

5、膜和細(xì)胞質(zhì)而言，細(xì)胞膜既存在電容，又存在電阻；而細(xì)胞質(zhì) 只存在電阻。表5. 2列出了一些細(xì)胞的電學(xué)參量。圖5.2細(xì)胞膜的片層結(jié)構(gòu)|1在現(xiàn)代生物學(xué)中，對于生物器官、組織及細(xì)胞 電阻抗的研究有著非常重要的理論價值。例如，由 細(xì)胞膜電容值的測定，人們認(rèn)識了膜的雙分子層結(jié) 構(gòu)；從肌肉細(xì)胞膜的高電容（1.5|1f cm-2）特性導(dǎo) 出了肌肉細(xì)胞膜的折疊性質(zhì)；通過測定神經(jīng)細(xì)胞受 刺激后阻抗下降、電導(dǎo)率增加規(guī)律，為人類對神經(jīng)興奮、傳導(dǎo)和自發(fā)過程的認(rèn)識提供了理論基礎(chǔ)。另外，通過生物電阻抗的測 定，在醫(yī)學(xué)上可以診斷機體的健康狀況。表2某些細(xì)胞的電學(xué)性質(zhì)對象cmbmrmcd說明酵母0.687°46020

6、00海卵細(xì)胞 arbac i a1. 190°1002102.5x104單個細(xì)胞懸液人類紅細(xì)胞0.890°肌肉rana p i p i eens1.570°4025015與纖維軸垂直神經(jīng)：烏賊（靜止時）1. 175°10330與纖維軸平行烏賊（興奮 時）1. 175°2590530與纖維軸垂直蛙坐骨神經(jīng)0. 5540°5602300與纖維軸垂直獵坐骨神經(jīng)0. 6540°7201000與纖維軸垂直注：創(chuàng)為單位面積膜電容（gf-cm-2）；弘為單位面積膜的相角（度）；©為單位面積膜電阻（0） - cm2）,匚為單位面積

7、細(xì)胞質(zhì)電阻（0） - cm2）；血為特征頻率(khz),它是阻抗最大時的頻率。在生物電阻抗的研究中，多數(shù)人認(rèn)為生物組織僅是電阻和電容組成，沒 有電感性質(zhì)。但某些實驗表明，神經(jīng)細(xì)胞在改變細(xì)胞外液的離子成分時，尤 其是改變鈣離子濃度的情況下，發(fā)現(xiàn)有正性電抗成分，顯示有電感元件的可 能。但在一般情況下，我們通常不考慮電感元件的作用。技術(shù)基礎(chǔ)：生物電阻抗(electrical bioimpedance)技術(shù)，亦稱生物阻抗(bioimpedance)或簡稱為阻抗(impedance)技術(shù)，是利用生物組織與器官 的電特性及其變化提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的一種無 損傷檢測技術(shù)。它通常是借助

8、置于體表的電極系統(tǒng)向檢測對象送入一微小的 交流測量電流或電壓，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。這種技術(shù)或方法，具有無創(chuàng)、廉價、 安全、無毒無害、操作簡單和功能信息豐富等特點，醫(yī)生和病人易于接受。對于醫(yī)學(xué)電阻抗的研究最早始于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，醫(yī)學(xué)電阻抗技術(shù)是 利用生物組織與器官的電特性(阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)等)及其變化提取與 人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的無損傷檢測技術(shù)。它通常是借助 置于體表的電極系統(tǒng)向檢測對象送入一微小的交流測量電流或電壓，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。生物阻抗

9、特性及測量國內(nèi)外現(xiàn)狀:對生物組織電特性的研究可以追溯到18世紀(jì)。1780年意大利神經(jīng)生物 學(xué)家galvani通過觀察蛙的神經(jīng)肌肉收縮現(xiàn)象，建立了生物電理論。這個早 期的發(fā)現(xiàn)促使galvani和其他研究人員開始使用可控電流來測試人體的反 應(yīng)。在接下來的一個世紀(jì)里，在一些疾病的治療中，電被認(rèn)為是一種有效的 潛在的治療方法。最早研究生物阻抗的是德國科學(xué)家hermann,他于1871年 成功的測量了骨骼肌的電阻。1930年sapegno用交流電橋第一次測出生物組 織的電容。1944年co i eks提出生物組織的阻抗可能用復(fù)平面上的一段圓弧 表示。后來co i erh再進(jìn)一步將其發(fā)展為co i e-c

10、o i e理論，并建立了生物組織 的三元件等效模型。1960年schwan成功提出了頻散理論，表明生物組織電 特性隨頻率在不同頻段呈現(xiàn)顯著變化。至此，生物組織電特性理論基本形成。把生物阻抗測量與生物功能首先聯(lián)系起來的是nyboer,他利用電阻抗體 積秒計數(shù)研究動脈脈沖波與流入人體器官中的動脈血流，還將阻抗特性用于 人體肢體測量并獲得了較好的效果。而把生物阻抗測量用于人體成分分析的 開拓者是thomasset,他把生物阻抗作為全身水量測定法的一個指標(biāo)進(jìn)行初 始研究。后來，hoffer等建立了總體阻抗與全身水量的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上， henty等人開始了用生物阻抗測量評價人體成分的方法研究，研究結(jié)果

11、初步 顯示了阻抗法分析人體成分的可行性與有效性?，F(xiàn)在，生物阻抗測量被醫(yī)學(xué) 研究人員及醫(yī)務(wù)工作者認(rèn)為是非常有前途的一種技術(shù)，并已廣泛應(yīng)用于心、 腦、肺等血流圖。呼吸及肺通氣功能測量以及人體組成成分分析和阻抗成像 等諸多方面。在經(jīng)絡(luò)阻抗測量方面也有了應(yīng)用，證實了經(jīng)絡(luò)低阻抗特性，不 過進(jìn)一步的研究還不是很多。阻抗測量儀的研究上，國內(nèi)外的很多學(xué)者做了大量的工作，不同測量原 理、信號提取方法、不同應(yīng)用范圍等各個方面進(jìn)行了相關(guān)的研究。不同測量原理：生物阻抗測量中大多數(shù)研究者是采用輸入激勵電流測量 電壓的方法，在電流源的設(shè)計上，對于單頻可以直接用振蕩器、振蕩電路等 實現(xiàn)，多頻的可以用dds、正弦波發(fā)生器或鎖

12、相環(huán)頻率合成產(chǎn)生。生物阻抗 測量對恒流源精度有很高的要求，許多學(xué)者在這方面作了工作。另外還有輸 入電壓測量電流的方法，以及分壓的方法。近期也有學(xué)者采用無接觸式驅(qū)動 和測量的方法，如通過線圈在人體中感應(yīng)出電流，同時在皮膚表面通過放置 電極測量電壓。信號提取方法：在生物阻抗測量系統(tǒng)的信號提取方面也有很多學(xué)者提出 了不同的設(shè)計方案。很多用模擬解調(diào)方法、乘積型d/a轉(zhuǎn)換或者直接載波補 償方法進(jìn)行鑒相，再用a/d進(jìn)行采樣。也有采用隨機采樣、同步欠采樣、dsp 算法等信號處理方法進(jìn)行提取的。不同應(yīng)用方向：不同應(yīng)用對生物阻抗測量系統(tǒng)有不同的要求，生物阻抗 代表著不同的含義，對于成分分析、流量檢測、功能成像等

13、相關(guān)領(lǐng)域均有學(xué) 者做了相應(yīng)的研究。針對不同應(yīng)用，進(jìn)行側(cè)重本身要求的設(shè)計。目前的測量方法很多功能比較單一，僅僅針對某一方面的研究進(jìn)行設(shè)計, 很多都只是針對某一個或者某兩個頻率進(jìn)行測量，可以實現(xiàn)多頻測量的系統(tǒng) 在電路結(jié)構(gòu)和信號處理方面相對都比較復(fù)雜，頻帶帶寬不是很寬，頻率分辨 率和頻率變化速度也都有待提高，而且由于構(gòu)成電路的部分比較多，所以穩(wěn) 定性和抗干擾能力不是很好。而從生物阻抗頻散理論可以看出，生物阻抗隨 著激勵頻率的不同呈現(xiàn)出很顯著的變化，所以可實現(xiàn)多個頻路測量的系統(tǒng)對 生物阻抗技術(shù)具有更重要的意義。對阻抗譜測量系統(tǒng)可以從帶寬、頻率分辨 率和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面做一些工作。國外的生物阻抗技術(shù)在基

14、礎(chǔ)研究方面水平較高，以電阻抗斷層圖象技術(shù) (e i t)為發(fā)展方向的新一代生物阻抗技術(shù)正吸引著世界各國越來越多的研 究者。國內(nèi)的生物阻抗技術(shù)以應(yīng)用研究為主，以各種臨床血流圖為代表的生 物阻抗技術(shù)已廣泛用于臨床，并不斷取得進(jìn)展，臨床應(yīng)用水平較高。但是， 無論在基礎(chǔ)研究還是在臨床應(yīng)用領(lǐng)域，使用單一測量頻率、只取阻抗模量的 現(xiàn)行阻抗測量方法的現(xiàn)狀是不能令人滿意的。除了定量性差和定位性不好以 外，它還把一些可能是最重要的，最能反映生物阻抗特點和優(yōu)越性的寶貴信測量方法簡介：單頻率測量方法。單頻率測量方法相對比較容易實現(xiàn)，所獲得的數(shù)據(jù)能 夠簡單反映人體組織的阻抗特性和器官的功能狀態(tài)，一些研究者將它作為臨

15、床監(jiān)護(hù)的基本參數(shù)。多頻率測量方法。多頻率測量也稱頻譜分析法，它可以得到模擬電路中 的rix re和c,能夠完整反映人體阻抗信息，從而提高了測量結(jié)果的再現(xiàn)能力。 多頻率測量較多應(yīng)用于人體成分分析，因為人體水分(細(xì)胞內(nèi)液體和細(xì)胞外液體)和rix re相 關(guān)性教高。此外，多頻率測量方法還可以向k、ca、na離子等測量方向發(fā)展。復(fù)阻抗方法。根據(jù)電子技術(shù)相關(guān)理論，采用合適的測量頻率，采用相敏 檢測方法，即可同時提取復(fù)數(shù)阻抗的模量和相角，或者實部與虛部，以復(fù)阻 抗的形式描述被測組織與器官的電特性。從而獲得包括附圖中三元件影響在 內(nèi)的相關(guān)生理和病理學(xué)信息。根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)報道，以上三種生物阻抗測量方法有較好的

16、應(yīng)用效果并在 不斷地完善中。根據(jù)不同地研究目的可以選擇不同地研究方法或把不同方法 相結(jié)合，并不要一定局限于某一種方法。生物阻抗測量技術(shù)的應(yīng)用：細(xì)胞測量細(xì)胞計數(shù)器這種方法是阻抗技術(shù)在細(xì)胞領(lǐng)域廣為人知的應(yīng)用。它可以用 于計量懸濁液中的細(xì)胞數(shù)目。它是基于生物細(xì)胞很難傳導(dǎo)低頻交流電的原理 的，測量的原理相當(dāng)簡單：使細(xì)胞通過一個毛細(xì)管，當(dāng)細(xì)胞通過時毛細(xì)管的 電阻抗便會發(fā)生變化。細(xì)胞濃度可以通過阻抗的波動來估計。有些時候甚至 可以由單個細(xì)胞通過時的阻抗峰值來提取細(xì)胞大小的信息。它被用來快速計 數(shù)細(xì)胞和測量它們個體大小。自從它成為細(xì)胞研究的有價值工具以來，幾乎 每個生物實驗室都有了一個。ve i i ck和

17、gor i n在四十年代就已經(jīng)成功地使用了 這項技術(shù)。如果加上高頻便能測到細(xì)胞內(nèi)部并提供蛋白質(zhì)評估。血球容積測量如果在導(dǎo)電溶液中電介質(zhì)粒子的形狀和大小已知，那么可以估計到該粒 子的濃度。商業(yè)血液分析器已經(jīng)用這種方法測量血球容積。細(xì)胞培育監(jiān)測生 物阻抗可以量化工業(yè)生物反應(yīng)器中的生物量或者研究細(xì)胞培育對于外界作用 的反應(yīng)（毒素、高電壓等）。體積測量生物阻抗不僅與生物組織電特性相關(guān)而且依賴于組織的幾何形狀。因此, 如果組織的電導(dǎo)參數(shù)是已知的話，阻抗方法可以用來測量組織的大小或體積。 此外，如果組織的電特性不變的話，可以通過觀察阻抗波動來獲得組織的體 積變化信息。阻抗體積描記圖在這個方法中，生物阻抗用

18、于估計危急情況下的血容量。其中一個應(yīng)用 就是通過測量充血時間來觀測危急情況下的靜脈血栓和靜脈收縮情況。阻抗 心動描記圖通過植入式電極或皮膚表面電極測量阻抗可以評估心血博出量（胸廓阻抗圖）。阻抗呼吸描記圖阻抗心動描記圖的基本原理也可以應(yīng)用于 監(jiān)測肺部呼吸情況。人體組織結(jié)構(gòu)分析不同的組織存在不同電導(dǎo)參數(shù)，我們?nèi)菀紫氲娇梢杂蒙镒杩箒碜R別不 同的組織。很明顯，這方面最有意義的應(yīng)用應(yīng)該是癌癥監(jiān)測。然而該想法從 誕生至今并沒有重大的進(jìn)展，這個領(lǐng)域的研究還需深入。不過，必須提到的 是：一種多通道生物阻抗裝置現(xiàn)已商業(yè)利用于乳房癌成影。該系統(tǒng)所顯示的 乳房阻抗圖出可以反映出乳房是健康的還是有癌癥。組織監(jiān)測用阻

19、抗對生物現(xiàn)象監(jiān)測是一件極有意思的事情。檢測的項目包括體液變 化、呼吸、血流、心輸出量等。細(xì)胞水腫、間隙水腫和間隙連接閉合是一些 導(dǎo)致生物阻抗參數(shù)變化的因素。這些因素與細(xì)胞的新陳代謝相關(guān)，對于它們 的實時監(jiān)測非常有用。這些領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)處于研究水平，然而，相應(yīng)的成果 非常有前景，未來的臨床應(yīng)用具有合理性。缺血監(jiān)測在一些心臟手術(shù)過程中心臟被人工停止跳動，在這過程中，醫(yī)生沒有任 何關(guān)于心肌狀況的信息，唯一可控制的參數(shù)是血液循壞恢復(fù)的時間(缺血期)。 因此，一個能指示因缺血而對心臟造成的損害的系統(tǒng)很有意義。一些論文指 岀：心臟或其它組織器官的缺血包含了生物阻抗參數(shù)的變化。器官移植能力評估組織的生物阻抗監(jiān)

20、測已被用來確定器官是否適用于移植。這種方法可以 量化器官移植前后或期間缺血造成的損害o器官移植排異監(jiān)測在器官移植中, 排異所引起的炎癥能由生物阻抗裝置觀測到。在這個方面的應(yīng)用有學(xué)者提岀 用植入式電極探頭遠(yuǎn)程觀測。也有學(xué)者提出一種無損傷觀測方法，但這種方 法還有一些重要的實踐問題存在。生物阻抗成像eit屬于功能成像，是繼形態(tài)、結(jié)構(gòu)成像之后，新一代更為有效的成像技 術(shù)。eit可以用于描繪人體組織斷層或整體的阻抗圖像。eit通過配置于人體 體表的電極系統(tǒng)，提取與人體生理、病理狀態(tài)相關(guān)的組織或器官的電特性信 息，使用計算機重建算法處理數(shù)據(jù)，從而得出反映組織、器官功能狀態(tài)及其 變化規(guī)律的功能性圖像結(jié)果。

21、與其它圖像方法(超聲成像,x射線成像或核磁 共振成像)相比，eit所得結(jié)果相對較差，分辨率較低；但從費用、測量速度 和所得信息的定量性方面考慮，eit方法有較大優(yōu)勢。雖然現(xiàn)在一些臨床研究 已經(jīng)實現(xiàn)，但eit還未成為一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法。國外學(xué)者做了大量相當(dāng)復(fù)雜精密的研究來探索“宏觀"阻抗圖像的可行 性。這包括硬件、重建算法和潛在的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。但有一點似乎被忽略了：許 多人體組織是高度各向異性的，而且各向異性的程度取決于頻率。因此，如 果不考慮各向異性的話，電流密度和電壓分布將會與計算所得明顯不同。在 生物阻抗成像中各向異性值得注意。人體成分分析 不同的組織、器官具有不同的構(gòu)成特點和組成成分

22、，表現(xiàn)出相應(yīng)的阻抗特性。 人體成分分析通常使用兩種方法：生物阻抗分析(bia)和生物阻抗頻譜分析 (bis)。bia使用單一頻率測量阻抗，人們選擇低于和高于預(yù)期的b頻散范 圍的頻率來測量阻抗，并從中提取信息。低頻值反應(yīng)了細(xì)胞外物質(zhì)的阻抗而高頻值則包括了細(xì)胞內(nèi)外全 部物質(zhì)的阻抗。但不同人體之間的差異性會導(dǎo)致所得結(jié)果較大波動。而bis 測量方法較好的減少了這種波動。bis測量包含了更為豐富的阻抗和人體成分 信息，有望從中得到人體成分分析更為全面和準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)：1、 生物阻抗技術(shù)概述王文艇鐘季康馬駿齊華林同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)和技術(shù)學(xué)院，物理系，附屬醫(yī)院泌尿科，附屬東方醫(yī)院2、生物電阻抗測量技術(shù)任超世中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所3、生物電阻抗技術(shù)與人體功能信息任超世中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究所4、assessment of fat-free mass using bioelectrical impedance measurements of the human bodyhenry c lukaski, phd, phy i i is e johnson,