生物电阻抗测量技术

ｄ Ｚ = Lｖ 2 ｄ ρ ρ ｖ L２ 2 ｄ ｖ 或 ｄＺ Ｚ ｄ ρ ρ ｄｖ ｖ （ ３）
式（３）表明，流动血液电阻抗的变化是由血液容积变化和 电阻率变化引起的，两者具有相同的重要性。这从另一角度 解释了为什么现行的阻抗血流图定量性不好，重复性差，个 体间差异大（特别是对病人）的原因：忽视了血液电阻率ρ
Ｓ
０
０
Ｓ
０
Ｓ
果，Ｚ 不仅把一些本来与心博出量无关的因素，如体形（身 ０
高、胸围）、体质（人体组成成分），组织与器官变异、体液、
气体的流动与分布变化，甚至饮水、进食、排泄等一起带了
进来。而且还赋予它们很大的影响力，并且随 Ｚ 与 Ｚ 比值
Ｓ
０
Ｚ ／Ｚ 的不同，这种影响的程度也不一样。加之Ｚ 在Ｋｕｂｉｃｅｋ
内容提要：以人体组织的阻抗特性为基础，阐明了简化模型，血液电阻率，细胞膜容抗以及呼吸干扰等对血流图测量准确性 和重复性的影响；比较了采用全身测量、分段测量和多频率方法行人体成分分析（ＢＩＡ）测量时的优缺点；提出采用 阻抗测量建立有效的胃动力学评价方法；展现了代表生物阻抗测量技术发展方向的电阻抗断层成像技术（ＥＩＴ）的 诱人应用前景。
血液是由血浆和悬浮于其中的红细胞构成的一种悬浮 液。对频率低于 １００ＫＨｚ 的测量电流而言，红细胞可视为完 全不导电的绝缘体。它的存在减小了血管中血液的有效导电 截面积，使全血电阻增加。由于红细胞具有双凹圆盘的特殊 形状以及其在血流中的变形性和取向性，血液的有效导电截 面将随红细胞的变形和取向情况而变化，对流动血液的阻抗 特性有重要影响。血液电阻率不能再视为常数，替代式（２） 的结果应是：
１ 引言 生物电阻抗测量（Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｂ ｉ ｏ ｉ ｍ ｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ），或简称阻抗技术，是一种利用生物组织与 器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关 的生物医学信息的检测技术。它通常是借助置于体表的电极 系统向检测对象送入一微小的交流测量电流或电压，检测相 应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的，获取相关 的生理和病理信息。它具有无创、无害，廉价、操作简单和 功能信息丰富等特点，医生和病人易于接受。 国外的生物电阻抗测量技术在基础研究方面水平较高，
稳定。细胞膜不但是细胞和周围环境之间的屏障，也是细胞
接受外界或其它细胞影响的门户。细胞环境中的各种物理性
刺激，体内产生的激素和递质等化学性刺激物，以及进人体
内的某些药物等，很多都是首先作用于细胞膜，然后再影响
细胞内的各种生理过程。细胞膜的性质及其变化从细胞层次
上反映人体的生理、病理状态及变化。
由于细胞膜的存在，人体组织的阻抗特性可由图１所示
的等效电路表示。其中 Ｒ ，Ｒ 和 Ｃ 分别为细胞外液电阻，细 ０１
胞内液电阻和细胞膜电容。相应的人体组织阻抗Ｚ可由下式
表示。
Ｚ＝Ｒ ／（／ Ｚ ＋Ｒ ） （ １）
０
Ｃ１
式（１）中 Ｚ ＝１／ｗｃ，为细胞膜的容抗。 Ｃ
（ｄｖ）是引起阻抗变化（ｄＺ）的唯一因素。作为阻抗－容积
估算基础的 Ｎｙｂｏｅｒ 关系式（２）充分说明了这一点（式中 Ｖ
为被测血管容积 Ｌ为测量电极间距）。
ｄ Ｚ = ρｖ L２ 2 ｄ ｖ 或 ｄＺ Ｚ ｄ ｖｖ （２）
单根血管与其周围组织阻抗并联简化模型给血流图无
损检测带来了方便。但是应当指出，由于 Ｚ ＝ Ｚ ／／ Ｚ ，用Ｚ
Ｓ
０
取代 Ｚ 不仅使 Ｚ 的检测灵敏度大为降低。而且其中的 Ｚ 本
Ｓ
Ｓ
０
应是一个与心脏活动和心博出量基本上无关的参数，但由于
Ｚ ＞＞Ｚ ， Ｚ 的变化对 Ｚ ／／Ｚ 值的影响比 Ｚ 更为显著。其结
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ＆ Ｐｅｋｉｎｇ Ｕｎｉｏｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１９２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｉｓｓｕｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ， ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ， ｂｌｏｏｄ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ， ｃｅｌｌ ｒｅａｃｔａｎｃｅ ａｎｄ ｂｒｅａｔｈ ｄｉｓｔｕｒｂ ｏｎ ｖｅｒａｃｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｒｈｅｏｇｒａｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｈｏｗｅｄ． Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｓｉｎｇ ｗｈｏｌｅ ｂｏｄｙ， ｓｕｂｓｅｃｔｉｏｎ ｂｏｄｙ， ｍｕｌｔｉ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ． Ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇａｓｔｒｉｃ ｍｏｔｉｌｉｔｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｃａｐｔｉｖａｔｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｅｃｔｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ， ｉｔ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｖｅａｌｅｄ．
Key words: impedance bioelectrical measurement, impedance rheogram, bioelectrical impedance analysis, gastric motility, electrical impedance tomography
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这个与容积变化同等重要的影响因素。 ３．４ 呼吸干扰 通常，受检者的血流图波形是与呼吸波形叠加在一起 的。当呼吸信号较大时，血流图波形基线漂移严重，会给血 流图波形的分析、处理带来困难。为了获得基线平稳的血流 图波形，临床医生往往要求受检者憋气，取呼吸末期的波 形；技术人员则采用某种电路技术或信号处理方法以消除或 降低呼吸的影响。 研究表明，阻抗血流图以及其特征量也存在类似心率 和血压的变异特性，它综合地反映了心血管系统的调节与控 制功能，信息量大。因而，血流图检测中呼吸干扰的排除并 不是一件简单的事情。如果使用的方法不当，会影响血流图 波形的适时性，为血流图检测带来不便；甚至造成血流图波 形的失真，导致错误的分析处理结果，还会丢失很多宝贵的 有用信息。
以电阻抗断层成像技术（Ｅ Ｉ Ｔ）为发展方向的新一代生物 阻抗技术正吸引着各国越来越多的研究者。国内的生物阻抗 技术以应用研究为主，以各种阻抗、导纳血流图为代表的生 物阻抗技术已广泛用于临床，并不断取得进展，临床应用水 平较高。
２ 人体组织阻抗特性
人体的基本构造单位是细胞。细胞被一层具有特殊结
示。由于 Ｚ 的存在，显然血液的总阻抗 Ｚ 为复数表达式。 ｃ
现行的血流图技术，使用单一测量频率，采用只取信号
幅值（模量）的载波调制解调方法，舍弃了式（１）中的相
角参数，没有考虑红细胞膜容抗的贡献，丢失了细胞膜状
态、性质及其变化所携带的丰富的生理和病理信息。显然只
利用了复阻抗全信息中的一部分，把一些可能是最重要的，
关 键 词 电阻抗测量 阻抗血流图 人体成分分析 胃动力 电阻抗断层成像
中图分类号：Ｒ３１８．０４ 文献标识码：Ａ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｂｉｏｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
REN Chao-shi
收稿日期：２００３－１１－１７ 作者简介：任超世教授，中国医学科学院生物医学工程研究所研究员，中国协和医科大学博士生导师
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综 述
CHINA MEDICAL DEVICE INFORMATION 中国医疗器械信息
构和功能的半透性膜所包被，称作细胞膜或质膜，它允许某
些物质有选择地通过，同时又严格地保持细胞内物质成分的
化的血管与组织阻抗并联模型；忽略血液电阻率变化的贡献
和血流图变异性等因素都影响了血流图测量的准确性和重复
性。
３．１ 简化模型
图２所示为目前大多数血流图测量方法采用的简化模
型。它以单根血管血液阻抗 Ｚ 与其周围组织阻抗 Ｚ 的并联
Ｓ
０
值 Ｚ 取代 Ｚ ，成为阻抗血流图无损检测的基础。 Ｓ
最能反映生物阻抗特点和优越性的宝贵信息丢失了。
血流图技术的进一步发展，应该充分应用复阻抗全信
息检测技术。随着现代电子技术和计算机科学的发展，提取
复阻抗全信息，提高与完善血３．３ 血液电阻率
现行阻抗血流图技术的理论模型把血液作为一个均匀
的整体，视电阻率为不变的常数，并假定血管容积的变化
文章编号：１００６－６５８６（２００４）０１－００２１－０５
中国医疗器械信息
２００４ 年 第 １０ 卷 第 １ 期
Ｖ Ｎ ol.10
o.1
Ja n. 2 00 4
CHINA MEDICAL DEVICE INFORMATION
综述
生物电阻抗测量技术
任超世 中国医学科学院生物医学工程研究所（天津， ３００１９２）
４ 胃动力学检测
胃肠疾病是一种常见病，多发病，其发生率超过总人 口的 １％。在我国，胃肠病例中的 ５０％ 与胃动力异常相关。 在国外，胃动力学的研究还是一个十分年轻的医学前沿课 题，近十余年来，人们对胃肠动力的生理及胃肠功能紊乱所 引起的胃肠动力障碍性疾病的认识有了一个显著的进步和发 展。胃肠动力病已引起国内外消化内科医生的特别关注和重 视。 胃的功能分为内、外分泌功能及动力功能。胃的动力功 能是在神经、体液等因素的调节下由胃平滑肌协调运动完成 的，它包括食物入胃以后的容纳、混和、推进、排空和屏障 等作用。长期以来，人们对胃动力功能的研究远远落后于对 胃的内、外分泌功能及胃的形态学的研究。究其原因，很大 程度上是由于缺乏方便、有效的胃动力学检查方法或手段。 生物阻抗技术，提取的是与组织和器官的功能变化相联 系的电特性信息。在胃的活动期，如胃排空或胃蠕动时，由 于胃的形态及其内容物组成情况与容积的改变较大，其电特
３ 阻抗血流图
阻抗血流图测量是生物阻抗技术应用最广泛的领域之
一，特别是微分、阻抗 － 微分环、导纳、频谱分析等参数和
方法的应用，促进了血流图临床应用的进一步发展。但是，
无论在基础研究还是在临床应用领域，使用单一测量频率、
只取阻抗模量的现行阻抗血流图测量方法的现状是不能令人
满意的。在阻抗血流图技术的发展与临床应用中，其过于简
Ｓ０
０
心博出量计算公式中还以平方的形式出现，扩大了其对计算
结果的影响。这就是阻抗血流图心博出量计算结果受 Ｚ 和 ０
其它诸多因素影响的最重要原因。
３．２ 细胞膜容抗
血液作为一种特殊的人体组织，其阻抗特性也可用图１
所示的等效电路表示。其中 Ｒ ，Ｒ 和 Ｃ 分别为血浆电阻，红 ０１
细胞内液电阻和红细胞膜电容。血液的总阻抗Ｚ由式（１）表