2022年醫(yī)學(xué)專題-人體電阻抗

五、生物(shēngwù)電學(xué)和生物(shēngwù)磁學(xué)第一頁，共四十三頁。主要(zhǔyào)內(nèi)容生物(shēngwù)電學(xué)特性生物電阻抗測(cè)量技術(shù)生物磁現(xiàn)象磁療生物磁測(cè)量技術(shù)，心、腦磁圖第二頁，共四十三頁。5.1生物電特性(tèxìng)生物電現(xiàn)象生命(shēngmìng)活動(dòng)的基本特性。幾乎所有生命(shēngmìng)過程都伴隨著生物電的產(chǎn)生。生物電是以細(xì)胞為單位產(chǎn)生的。生物電的發(fā)現(xiàn)1939年兩位生理學(xué)家Hodgkin和Huxley以槍烏賊的直徑為１mm的巨大神經(jīng)軸突為實(shí)驗(yàn)材料，采用細(xì)胞內(nèi)記錄的方法，證明了細(xì)胞生物電現(xiàn)象的存在。第三頁，共四十三頁。生物電產(chǎn)生(chǎnshēng)機(jī)制細(xì)胞膜——磷脂雙分子層靜息電位細(xì)胞靜息狀態(tài)下存在于細(xì)胞膜內(nèi)外(nèiwài)兩側(cè)的電位差。（內(nèi)負(fù)外正）第四頁，共四十三頁。生物電產(chǎn)生(chǎnshēng)機(jī)制1.靜息時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的K+濃度遠(yuǎn)高于細(xì)胞外。2.靜息狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞膜主要對(duì)有通透性。3.因此，胞內(nèi)的K+順濃度梯度擴(kuò)散(kuòsàn)到細(xì)胞外，形成電位差。Nernst公式(gōngshì)：當(dāng)跨膜的濃度差（驅(qū)動(dòng)K+外流）和電位差（阻止K+外流）達(dá)到平衡時(shí)，膜內(nèi)外電位差就穩(wěn)定在某一水平。第五頁，共四十三頁。生物電產(chǎn)生(chǎnshēng)機(jī)制動(dòng)作電位細(xì)胞接受刺激后，膜電位在原有靜息電位基礎(chǔ)上出現(xiàn)(chūxiàn)迅速的倒轉(zhuǎn)和恢復(fù)的電位波動(dòng)。1.靜息(jìnɡxī)2.去極化3.復(fù)極化4.后電位：負(fù)后電位正后電位第六頁，共四十三頁。生物電產(chǎn)生(chǎnshēng)機(jī)制去極相:

在受到刺激時(shí)出現(xiàn)了膜對(duì)Na+通透性的突然增大復(fù)極相：

Na+通透性的消失，并伴隨出現(xiàn)電壓門控性K+通道的開放后電位(diànwèi)：Na+-K+泵將Na+、K+分布復(fù)原，保持細(xì)胞的興奮性。第七頁，共四十三頁。典型(diǎnxíng)生物電信號(hào)生物電參數(shù)正常值頻率/Hz心電圖(ECG)0.5~4mV0.1~100腦電圖(EEG)5~300μVdc~50肌電圖(EMG)0.1~5mV20~8000眼電圖(EOG)50~350μV0.2~15胃電圖(EGG)10~1000μVdc~1皮膚電阻抗(GSR)0.5~500MΩ0.1~150第八頁，共四十三頁。5.2生物電阻抗測(cè)量(cèliáng)技術(shù)生物電阻抗測(cè)量（ElectricalBioimpedanceMeasurement），或簡(jiǎn)稱阻抗技術(shù)，是一種利用生物組織(zǔzhī)與器官的電特性及其變化規(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)。特點(diǎn)：無創(chuàng)、無害，廉價(jià)、操作簡(jiǎn)單和功能信息豐富等，醫(yī)生和病人易于接受。第九頁，共四十三頁。人體(réntǐ)電阻抗組織電阻率組織電阻率腦脊液血清血液神經(jīng)肝0.5550.7141.8525.080.0腦脂肪濕皮干皮無膜骨肌肉10710.8×10238.0×10240.0×10320.0×10590.0人體(réntǐ)組織的直流電阻率（Ω·m）第十頁，共四十三頁。人體電阻抗(zǔkàng)與電流頻率的關(guān)系人體可看成是一個(gè)電解質(zhì)電容器和電阻的并聯(lián)電路。直流在細(xì)胞(xìbāo)間隙流過；交流可通過細(xì)胞(xìbāo)間隙和細(xì)胞(xìbāo)。頻率0100Hz10kHz10MHz10GHz電阻率909.17.72.00.8人體(réntǐ)肌肉組織電阻率與頻率的關(guān)系第十一頁，共四十三頁。生物電阻抗測(cè)量(cèliáng)技術(shù)通常是借助置于體表的電極系統(tǒng)向檢測(cè)對(duì)象送入一微小的交流測(cè)量電流或電壓，檢測(cè)相應(yīng)的電阻抗及其變化，然后根據(jù)不同的應(yīng)用目的，獲取(huòqǔ)相關(guān)的生理和病理信息。第十二頁，共四十三頁。生物阻抗(zǔkàng)技術(shù)應(yīng)用阻抗血流圖胃動(dòng)力學(xué)檢測(cè)人體成分分析(fēnxī)電阻抗成像技術(shù)第十三頁，共四十三頁。阻抗(zǔkàng)血流圖根據(jù)體表測(cè)量的電阻抗變化的信息來確定(quèdìng)體內(nèi)組織器官由于血液循環(huán)引起的（生理、病理）容積變化的方法。簡(jiǎn)化模型單根血管與組織阻抗并聯(lián)(bìnglián)模型一般使用20k~100kHz頻率的恒流（恒壓）源，測(cè)量計(jì)算被測(cè)部分阻抗Z、阻抗變化ΔZ，以及ΔZ微分dZ/dt等。第十四頁，共四十三頁。阻抗(zǔkàng)血流圖是生物阻抗技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，促進(jìn)了血流圖臨床應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。主要領(lǐng)域：阻抗心動(dòng)圖：利用四電極法測(cè)量跨胸阻抗及其微分圖（或?qū)Ъ{），然后計(jì)算每搏輸出量。腦阻抗血流圖：應(yīng)用于腦動(dòng)脈硬化、閉塞性腦血管病及血管性頭痛。肺循環(huán)阻抗圖：反映隨著(suízhe)每個(gè)心動(dòng)周期肺循環(huán)容積變化的曲線圖。第十五頁，共四十三頁。胃動(dòng)力學(xué)檢測(cè)(jiǎncè)原理：在胃的活動(dòng)期，由于其形態(tài)及其內(nèi)容物組成情況與容積的改變較大，其電特性變化非常明顯，變化規(guī)律與胃動(dòng)力學(xué)狀況相對(duì)應(yīng)。胃運(yùn)動(dòng)的頻率約為3次/分，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高。采用普通阻抗方法，靈敏地提取(tíqǔ)這種電特性變化信息已有初步臨床應(yīng)用。如采用代表阻抗技術(shù)的發(fā)展方向阻抗斷層成像方法，以圖像形式給出檢測(cè)結(jié)果，無論在靈敏度或獲取信息的數(shù)量與質(zhì)量上都將更好。第十六頁，共四十三頁。人體成分(chéngfèn)分析與同位素稀釋法、總體鉀法、雙能x線吸收法以及皮褶厚度法等方法相比，生物電阻抗法測(cè)量人體成分簡(jiǎn)單、快速和準(zhǔn)確，是體成分測(cè)量的理想手段。基于生物電阻抗技術(shù)的體成分測(cè)量原理：人體的電阻抗特性(tèxìng)與體成分之間存在統(tǒng)計(jì)關(guān)系。（例如：非脂肪組織具有比脂肪組織更小的電阻抗。）第十七頁，共四十三頁。人體成分(chéngfèn)分析1）全身測(cè)量在全身阻抗測(cè)量中，多采用四電極法，以減少接觸(jiēchù)阻抗的影響，以其他參考方法，如皮褶計(jì)法，水下稱重法，雙能X射線吸收法，CT法等測(cè)量人體成分作為對(duì)照，即可得到基于阻抗分析法的人體成分預(yù)測(cè)公式。第十八頁，共四十三頁。人體成分(chéngfèn)分析2）分段測(cè)量在全身阻抗測(cè)量中，上下肢的貢獻(xiàn)和影響最大，即全身測(cè)量難以(nányǐ)正確反映身體各部位含水量及其變化的真實(shí)情況。第十九頁，共四十三頁。人體(réntǐ)成分分析2)分段(fēnduàn)測(cè)量從理論(lǐlùn)上來說，分段阻抗測(cè)量要優(yōu)于全身阻抗測(cè)量法，尤其對(duì)于人體成分不均勻分布的人群（胖、瘦、高、矮等）更是如此。第二十頁，共四十三頁。人體成分(chéngfèn)分析3）多頻率測(cè)量(cèliáng)采用多頻率測(cè)量技術(shù)不僅可以提供更準(zhǔn)確的阻抗測(cè)量，而且還從簡(jiǎn)單的測(cè)量脂肪與非脂肪，向多參數(shù)，如細(xì)胞外液體積，全身含水量，非脂肪物質(zhì)，蛋白質(zhì)，骨礦質(zhì)，K，Ca，Na離子等測(cè)量方向發(fā)展。多頻率和阻抗譜的測(cè)量包含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而準(zhǔn)確的結(jié)果。第二十一頁，共四十三頁。電阻抗(zǔkàng)成像技術(shù)阻抗(zǔkàng)成像接觸式掃描(sǎomiáo)成像EISI斷層成像EIT非接觸式感應(yīng)電流成像ICEIT磁感應(yīng)阻抗成像MIT第二十二頁，共四十三頁。功能(gōngnéng)成像阻抗成像：以人體組織、器官的阻抗分布或阻抗變化為研究對(duì)象，通過配置于人體體表的電極系統(tǒng)，提取與人體生理、病理(bìnglǐ)狀態(tài)相關(guān)的組織或器官的電特性信息，給出反映組織、器官功能狀態(tài)及其變化規(guī)律的功能性圖像結(jié)果。電阻抗斷層成像：利用生物阻抗檢測(cè)技術(shù)給出人體組織與器官阻抗的斷層圖像，也叫阻抗CT。第二十三頁，共四十三頁。電阻抗(zǔkàng)斷層成像電阻抗斷層成像的測(cè)量(cèliáng)方框結(jié)構(gòu)第二十四頁，共四十三頁。心臟收縮期序列圖像。藍(lán)色與紅色區(qū)域大小(dàxiǎo)及色度的改變對(duì)應(yīng)于心室和心房容積（血量）的變化。第二十五頁，共四十三頁。電阻抗(zǔkàng)斷層成像不使用射線或核素，無毒無害，操作方便，可多次測(cè)量，是一種廉價(jià)的無損傷醫(yī)學(xué)圖像檢測(cè)技術(shù)。與現(xiàn)有的CT、MRI、超聲等成像技術(shù)緊密結(jié)合，互為補(bǔ)充，應(yīng)用于疾病的早期診斷、康復(fù)和愈后。實(shí)現(xiàn)(shíxiàn)醫(yī)學(xué)圖像監(jiān)護(hù)?？梢詫?duì)病人進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)監(jiān)護(hù)而不會(huì)給病人造成損傷或帶來不適。第二十六頁，共四十三頁。電阻抗(zǔkàng)斷層成像EIT是一種新型的圖像重建技術(shù)，在醫(yī)學(xué)中的研究是在最近三十年才發(fā)展起來的。缺點(diǎn)：分辨率較低。國外主要研究有效提高重建圖像的空間分辨率和減小計(jì)算量。國內(nèi)開展工作較晚。EIT還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但是應(yīng)用前景廣闊，已成為(chéngwéi)當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重大研究課題之一。第二十七頁，共四十三頁。5.3生物(shēngwù)磁現(xiàn)象生物材料的磁性人體中所含元素：碳、氫、氧、氮、硫、磷、氯、鈉、鉀、鈣、鎂、鐵等和一些微量元素。其中多數(shù)有順磁性（3d或4d族的過渡離子(lízǐ)）。蛋白質(zhì)、酶和自由基均為順磁性占人體70%的水具有弱抗磁性極少數(shù)材料為鐵磁性第二十八頁，共四十三頁。5.3生物(shēngwù)磁現(xiàn)象人體磁場(chǎng)生物組織、器官、細(xì)胞等存在很微弱的磁場(chǎng)。產(chǎn)生原因：①變動(dòng)磁場(chǎng)：生物電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。如心磁場(chǎng)10－11T，腦磁場(chǎng)10－12T②定常磁場(chǎng)：自然界含有鐵性成分及某些磁性物質(zhì)(如Fe3O4粉塵等）經(jīng)呼吸道吸入或經(jīng)消化道食入人體內(nèi)而形成的磁場(chǎng)；10－8T③感應(yīng)磁場(chǎng)：生物磁性材料在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的磁場(chǎng);④誘發(fā)磁場(chǎng)：在外界刺激(cìjī)下產(chǎn)生誘發(fā)電位，引起誘發(fā)磁場(chǎng)。如誘發(fā)腦磁場(chǎng)10－13T第二十九頁，共四十三頁。第三十頁，共四十三頁。機(jī)體(jītǐ)與外磁場(chǎng)的相互作用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：生物（帶電）體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所致。分子極化——電荷再分布；帶電粒子遷移——傳導(dǎo)電流；洛侖茲力：磁場(chǎng)中，帶電粒子改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)方向?；瘜W(xué)物質(zhì)內(nèi)部再分布。磁化：具有固有磁矩的永磁偶極子、磁性微粒、正負(fù)離子、自由基等受磁場(chǎng)力矩作用產(chǎn)生磁化。沿外磁場(chǎng)取向（離子轉(zhuǎn)動(dòng)(zhuàndòng)、改變分子鍵角）磁力：使具有固有磁矩的微粒產(chǎn)生位移。導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)的擴(kuò)散和積累。第三十一頁，共四十三頁。生物(shēngwù)磁的應(yīng)用生物磁學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括兩部分：①磁場(chǎng)(cíchǎng)引起的生物效應(yīng)——治療。磁療②生物機(jī)體自身或被誘發(fā)產(chǎn)生的磁場(chǎng)——診斷；例如心磁圖、腦磁圖等。第三十二頁，共四十三頁。5.4磁療(cíliáo)利用磁場(chǎng)治病，我國已有兩千多年的歷史。利用磁場(chǎng)的生物效應(yīng)，已制成多種磁療儀器。靜態(tài)磁：家用，如永久磁性的磁片固定于相應(yīng)的穴位，通過(tōngguò)對(duì)穴位的作用達(dá)到治療的目的。簡(jiǎn)單的有磁石穴位粘帖膠布、磁枕、磁性腹帶等。動(dòng)態(tài)磁：醫(yī)院的磁療器械一般采用電磁、懸磁、脈沖磁等。第三十三頁，共四十三頁。5.4磁療(cíliáo)特點(diǎn)：安全、方便、無痛苦。作用：磁場(chǎng)能夠促進(jìn)血液循環(huán)，改善毛細(xì)血管通透性，有利于炎癥的消散，對(duì)扭傷、軟組織損傷有一定的療效；磁療對(duì)人體有鎮(zhèn)靜的作用，能夠調(diào)節(jié)植物神經(jīng)功能紊亂，緩解心悸失眠等癥狀；同時(shí)磁療還可以調(diào)節(jié)內(nèi)分泌，有助于緩解便秘和止瀉。研究?jī)?nèi)容：磁場(chǎng)類型、磁場(chǎng)強(qiáng)度、作用部位、治療(zhìliáo)時(shí)間等第三十四頁，共四十三頁。5.5生物磁測(cè)量(cèliáng)技術(shù)心磁場(chǎng)和腦磁場(chǎng)的特點(diǎn)：心臟磁場(chǎng)只有地球磁場(chǎng)的大約(dàyuē)10-6，更微弱的腦部磁場(chǎng)只有地球磁場(chǎng)的大約10-8測(cè)量?jī)x器：超導(dǎo)量子干涉儀（又成SQID磁強(qiáng)計(jì)），靈敏度達(dá)10-15T組成：①SQID本身被封在一個(gè)超導(dǎo)屏蔽的小盒內(nèi)，可對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行部分屏蔽；②檢測(cè)線匝，用來探測(cè)磁場(chǎng)；③杜瓦瓶，內(nèi)盛液氦。第三十五頁，共四十三頁。心磁場(chǎng)(cíchǎng)和心磁圖心磁場(chǎng)心肌的興奮→心臟電場(chǎng)→體外（心）磁場(chǎng)。心磁圖在體外測(cè)定(cèdìng)胸部周圍磁場(chǎng)變化，記錄下來就是心磁圖。心磁圖與心電圖一樣，用P波、QRS波群、T波、和S－T段命名第三十六頁，共四十三頁。腦磁圖腦電：神經(jīng)活動(dòng)聯(lián)系著體內(nèi)復(fù)雜的信息處理系統(tǒng)，支配著從運(yùn)動(dòng)、體感、聽覺、視覺(shìjué)等基本功能，到語言、情感、思維等高級(jí)功能。微弱的電(磁)信號(hào)有波形、幅度、能量、頻率、相位、頻譜等特征，與特定的正常和異常生理活動(dòng)相對(duì)應(yīng)。腦磁圖是腦神經(jīng)細(xì)胞的生物電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在頭部表面的檢測(cè)結(jié)果。測(cè)量的是體內(nèi)神經(jīng)電流源引發(fā)的瞬間磁場(chǎng)。第三十七頁，共四十三頁。腦磁圖腦磁圖檢測(cè)分類：①自發(fā)性腦磁場(chǎng)：α波；癲癇性棘波。②誘發(fā)性腦磁場(chǎng)：體感意識(shí)、聽覺、視覺等誘發(fā)磁場(chǎng)。③內(nèi)因性腦磁場(chǎng)：意識(shí)、隨意運(yùn)動(dòng)前主觀設(shè)想、抽象思維。優(yōu)點(diǎn)(yōudiǎn)：不受組織電阻的影響；無損傷；對(duì)腦內(nèi)興奮部位推斷有獨(dú)特性腦磁圖藍(lán)色區(qū)為癲癇(diānxián)灶第三十八頁，共四十三頁。腦磁圖的臨床(línchuánɡ)應(yīng)用腦磁圖在癲癇外科中的應(yīng)用進(jìn)行癲癇灶的精確定位，該方法不受頭皮(tóupí)和顱骨等傳導(dǎo)介質(zhì)的影響。腦磁圖與腦功能區(qū)定位術(shù)前對(duì)腦功能區(qū)進(jìn)行精確定位，有助于最大限度的保留腦功能區(qū)腦磁圖與腦梗死功能缺損程度的測(cè)定可靈敏的檢測(cè)出皮層中樞功能損傷第三十九頁，共四十三頁。腦磁圖的臨床(línchuánɡ)應(yīng)用腦磁圖在神經(jīng)精神疾病中的應(yīng)