生物电阻抗技术及阻抗成像法在医学上的应用研究

生物 电阻 抗技术 及阻抗 成像法 在 医学 上 的应 用研 究
周 继芳 陈 涛 刘玉 红 张建炜 王光昶 张 婷 成都 医 学院物 理教研 室 四川省 成都 市 ６ ０ ８ １０ １
【 摘 要 】本文 阐述 了生 物 电 阻抗 技 术 的含 义 ，通 过 分析 生 物 电阻 抗 的 生 物 学基 础 ，给 出 了生 物 电 阻抗 的三 元件 等效 电路 模 型 ，并
组织的电容桴陛明显 ， 电流会穿过细胞膜， 部分 从细胞质甚至细胞核中流过。 当对生物组织进行电阻抗测量时 ， 其依据的物理学基础的核心是欧姆定 律： ＝ Ｕ 如 图２ 假 设 欲测 ａ 部分 的 生物 电阻 抗值 ， ， ｂ 可通 过 电极 给 ａ 部 ｂ 位加 上 电流 ， 通过 测量 电极 测量 ａ 两端 的体 表 电压 Ｕ ， ｂ ６ 再根 据欧姆 定律 就
引 言
生物 电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性 （ 阻抗 、 导纳、 介电常 数等） 及其变化提取与人体生理、 病理状况相关的生物医学信息的一种无创 伤 检测 技术 。 常 是借助 置于 体表 的 电极 向检 测 对象送 人一 低于 兴奋 阈值 它通 的交流 电流或 电压 ， 再通过 另外 电极检 测相应 的 电阻抗及 其变化 情况 ， 然后根 据 不 同的 应用 目的 ， 相 关的 生理 和病 理 信 息＿１１。 获取 １２３这种 技术 具有 无 创 、 １］１ 廉价、安全， 无毒无害、 操作简单和信息量丰富等特点 ， 医生和病人易于接 受， 如今在临床应用上 已经有了很多研究。 生物电阻抗技术之所以能在医学中有较广泛的应用 ， 原因就在于生物阻 抗 能反 映 生物 组 织 、 官 、 器 细胞 或整 个 生 物机 体 的 电学 性 质 。 同 的组 织和 不 器官， 因其所对应的电阻抗特征参量各不相同， 生物组织的任何生理或病理的 变化都会通过生物阻抗反应出来。 通过各组织 电阻抗梅ｌ 生的测量， 不仅能有 效 区分 不同组 织 ， 且有 可能在 组织 的形 态和 结 构均未 发生 明显 改变 时探 测 而 出早期的病变部位和性质， 从而获取生物组织的生理病理信息。
分 析 了生 物 电阻 抗 测 量 技 术 的 基 本 物 理 学原 理 ，最 后 就 生 物 电 阻抗 成 像 法 的进 展 和 应 用作 了详 细 的 综 述 。
【 键字 】生物 电 阻抗 生物 组 织 欧姆 定律 电阻抗 成 像 法 关
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ 文献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ： １ ０ － ０ ７ ２ １ ） ６ ０ — ２ Ｍ ３ ９ ４ ６ （ ０ ０ — ００ ０ ０
图２ 生物 电 阻抗测量 电路 图
３生物 电阻抗成 像 法在 医学上 的应 用
生 物 电 阻抗 技术 的 测量 研 究 最早 出 现于 十九 世 纪末 。 １进入 ２ 世 纪以 １ 后， 越来越多的各国学者投身到生物电阻抗技术的研究之中， 如今生物电阻抗 成像 技 术 （ ｌｃｒｃｌＩ ｅ ａ ｃ ｍａ ｉｇ Ｅ Ｉ已是 医学 成像 技 术 的一 个 Ｅｅｔｉａ ｍｐ ｄ ｎ ｅＩ ｇｎ Ｉ） 新方 向， 甚至已经成为当今国际生物医学工程学重大研究课题之一。 电阻抗 成像 技术 是利用 生物 组织 与器官 的 电杼 陛及其变 化 ， 取与 生物组 织生理 和 提 病理状况相关的电阻抗信 息， 然后进行图像重建， 进而重建出反映生物体内部 结构的图像。 它的实质是通过电极给被测体特定部位加上电流场 ， 通过测量 电极测 量体表 的 电流 或 电压 ， 再依 照一定 的图像重 建算 法， 获得被 测体 内部 电 阻率 的分布 图像的医学成像技术。 目前Ｅ Ｉ Ｉ中研究最多的又包括两个方 向： 电阻抗 扫描 成 像 （Ｅｅｔｉ ｌＩ ｅ ａ ｃ ｃ ｎ ｉｇ Ｉ ｇｎ （ｌｃｒｃ ｍＤ ｄｎ ｅＳ ａ ｎｎ ｍａ ｉｇ，Ｅ Ｓ） 电 ａ ＩＩ和 阻抗断层成像 （ｌｃ ｉａ ｍｐ ｄ ｎｅＴ ｍｏ ｒｐ ｙ，ＥＴ）由于生物 电阻 Ｅｅｌ ｃｌＩ ｅ ａ ｃ ｏ ｇａ ｈ ￣ Ｉ 。 抗成像技术采集数据方便快捷、 对病人安全无痛苦、 信息量大 ， 现已逐渐成 为生物医学工程成像技术领域研究中的一个热点ｆ— 】在临床中有着较为广 ６ ９， 泛的 应用 ， 目前 人们 对Ｅ Ｉ Ｉ的临床 应 用研 究 主要 包 括一 下几 个 方面 ： １ 肿 瘤 的诊 断 和筛 查 当生 物组 织 发生 肿 瘤病 变 时 ， 瘤 组织 和 正常 ） 肿 组织间阻抗差异很大 ， 已被Ｊｓｉｅ 等在１９ 年证实［０。 这 ｏｓｎｔＪ ９５ １１ 比如乳腺癌 是一 种常 见病 ， 害妇 女健 康 的主 要恶性 肿 瘤之 一 。 是危 目前乳 腺癌检 测 主要 采用） 线钼靶摄影， 谢 但其重建图像无法清晰显示癌变组织与正常组织的区 别， 而乳 腺的活 体切 片检测 结果 虽然 准确性 高 ， 但是有 创检测 ， 病人 会带来 对 较大的伤害。 由于软组织中电阻率的分布基本连续， 电流在其中分布也比较 均匀， 从而边界 电压也能更好地反映内部阻抗分布的变化， 所以 Ｅｉ在乳腺 ｌ 癌诊断中具有 明显优势。 不仅如此， 在对肿瘤进行治疗时， 也可以通过Ｅｉ ｌ 检 测组织中 肿瘤组织的变化情况， 从而评价治疗效果。 文 １１ １３ －１ 在对电阻抗扫 描成像在乳腺癌应用和研究方面都做 出了精彩的讨论。 ２ 消化系统及循环系统 中 ） 疾病诊断与监护。 消化系统及循环系统的共 同特征是组织或器官的形状和大小会随内容物的变化而变化， 这些变化均会 导致电阻率的变化。 比如胃在排空或蠕动时， 胃内食物的多少在发生改变 ， 胃 的容积和形状也在变化， 这使得胃的电阻率将发生较大变化ｔ 在吸气和呼气过 程中， 肺区域面积会发生变化从而导致电导率也发生变化 ； 在心动周期中， 由 于血液在心房 、 心室、 大血管、 肺部等部位流动 ， 将引起胸部阻抗发生周期 性变化。 对于这些变化， Ｉ ＥＩ 可以动态跟踪并监测， 从而对疾病进行诊断与监 护 ３ 脑部功能变化研究。 ） 脑是机体最高神经中枢， 其代谢功能非常旺盛。 由 各种原因引起的脑部疾病 ， 如高血压、 脑缺氧或缺血性病变、 （ 脑 转下 １６ 页） ０
，７
Ｕ 一
可知： ａ ｚｂ
一Ｒ ， ｔ由此即可求出ａ 部分所对应的生物电阻抗值， ｂ 这就是生
物电阻抗测量的物理基础。 随着测量技术的进步 ， 测量方法也不断得到改进， 但 电阻抗 测量 的物理 基 础的 核心 仍 是欧姆 定律 。
Hale Waihona Puke １ 物 电阻抗 的 生物 学基础 生
人体 阻抗 包括人体 内部组织 阻抗 和皮肤 阻抗两部分 ， 它是经常 变化很大 的 非线性 电阻 。 生物组 织是 由细胞 和细胞 间质构 成 的。 细胞是 构成生 物体 的基本 单位 ， 由细胞膜 、 液和 细胞核 构成 的 ， 同的细胞 其形状 是不 同的 。 它是 细胞 不 细