心阻抗法檢測的研究進展*

蔣黎鵬，楊 力，季 忠，彭承琳

（重慶大學生物工程學院，重慶 400030）

0 引言

心血管疾病嚴重威脅著人類的健康，其發病率和死亡率都超越了其他類型的疾病，高居首位［1］。為了對病情進行有效的診斷和防治，心功能的檢測是必不可少的手段。傳統的有創檢測方法采用導管介入法，費用高、風險大，不僅需要專業的醫生進行手術操作，而且會對被測者造成極大的傷害。近年來，心功能檢測領域涌現出大量的無創方法，基于阻抗法的心功能檢測作為其中具有代表性的方法之一，憑借其簡單的操作、廣闊的適用范圍和低廉的價格等優點，取得了大量的關注和日益廣泛的臨床應用。

自Kubicek W G等人［2］提出該方法以來，基于阻抗法的無創心功能檢測已有近半個世紀的發展歷史，但其在胸腔模型的建立和電極配置等關鍵性技術方面都存在不少爭議，其檢測的準確性和對不同類型的患者的適用性也一直是研究的熱點。本文在簡單的介紹了基于阻抗法的無創心功能檢測的原理之后，對以上的相關問題做了總結和較深入的討論。

1 基于阻抗法的無創心功能檢測原理

人體的血液循環系統能引起身體局部的體積變化，例如:血液的非勻速流動引起的血管體積變化，由電導率公式與理論可知，這些體積變化能導致相應的阻抗改變，因此，根據生物阻抗法測定原理的 Cole-cole三元件模型［3］和Schwan H P提出的頻散理論［4］，將低于興奮域的高頻、微弱、恒流交流激勵源施加于胸腔，通過測量其表面電位差，就能實現對胸腔阻抗的間接測量，其基本原理衍生于歐姆定律。而胸腔阻抗變化的主要來源是主動脈中的血液流量的脈動（約80%），僅少量來自胸腔內腔靜脈血液流量的變化及其他一些干擾［5］，因此，通過對胸腔的阻抗圖和阻抗微分圖進行研究，建立阻抗變化與心血管容積變化之間的關系，就能反映出心臟射血功能的相關指數。

2 胸腔建模

胸腔建模問題是心阻抗監測技術的關鍵問題之一。人體的胸腔結構較為復雜，很難用一個簡單的模型來完美替代，且由胸腔阻抗法導出的血流動力學參數，如心輸出量（stroke volume，SV）等的計算，又跟患者的具體身體狀況有關，因此，不可能建立一個萬能的胸腔模型和計算方法，而由此引發的心阻抗監測的準確性問題也一直倍受爭議。

最早的胸腔模型包括圓柱模型、圓臺模型等，將整個胸腔看作一個圓柱體或者圓臺，通過歐姆定律來獲得胸腔的電阻變化，這些模型簡單并且有效。IkarashiAkira等人［6］在研究最佳點電極配置時，為了評估心臟自身的容量變化對整個胸腔電阻變化的影響，采用了有限元法（finite element method，FEM），并建立了新的胸腔模型，該模型由心房、心室、大動脈、頸動脈、肺和胸腔其他物質組成，其中設定胸腔其他物質是均勻并且絕緣的。Akhand M等人［7］通過研究，確定了會影響胸腔的阻抗變化的8種重要的組織或器官:血液、脂肪、肝臟、肺、肌肉、皮膚、骨和體內空氣，并且通過仿真計算出，在不考慮體內空氣的條件下，其他7種組織或器官的阻抗與體表測量的阻抗的誤差為3.56%，若考慮體內空氣，則誤差下降到1.27%。

國內的況明星等人［8］對心阻抗波形圖的重建進行了研究，他們同步測量了6個導聯的胸部阻抗信號，建立胸部阻抗方程組，用代數重構技術求解，得到5個部分的信號分量:到主動脈（AO）、左側肺部血管（PL）、右側肺部血管（PR）、左心室（LV）和右心室（RV），通過實驗數據得知，血管分量AO，PL，PR的主波與心室分量LV，RV的主波反相位，LV，RV主波的負峰點處于第二心音S2的時相，也就是說LV，RV的負峰點對應于心室容積最小的狀態，這表明阻抗的分量波形圖符合心臟和血管的生理活動，該方法可行，并且可以反映胸部體表阻抗變化與胸腔中心血管活動之間的內在聯系。相繼的，他們又提出基于該重建阻抗圖的計算公式［9］，得到心輸出量、心功指數、左室射血分數、心收縮力指數、總外周阻力、主動脈順應性、左室舒張末壓、左室舒張指數。這些公式的計算結果能夠反映患者左室心功能的改變，對患者的心功能評價有重要作用。

3 電極配置

Kubicek W G提出心阻抗系統時，采用四環電極來測量胸腔阻抗，但這種方式會讓電極的配帶嚴重地受到患者身材的影響，也會致患者的不適。Bacon Simon L等人［10］做了關于四分之三電極（three-quarter circumferential band configuration，PB）與環電極（full circumferential band electrodes，FB）的對比研究，他們對47位被測者（66%是女性）分別進行了2種電極的心阻抗測量，并得到他們的射血前期（PEP）、每搏輸出量（SV）、每分輸出量（CO）、血壓（BP）、心率（HR）參數，結果表明，這2種電極的測量結果有很高的組內相關系數（Ricc=0.63～0.93），通過 Bland-Altman 分析得到的誤差不超過5%，并且被測者表示PB測量時的不適感會減輕很多，因此，四分之三電極可以很好地替代環電極。但到目前為止，使用最多的還是點狀電極，已有不少關于使用點狀電極的報告［11～13］。Ikarashi Akira 等人［6］研究了檢測電極的最佳放置位置，他們在胸前和背后中央位置各放置了一組1×11的檢測電極，通過觀察電阻抗的差值，最后確定了最佳檢測電極是在鎖骨中央——劍狀凸起位置。宋義林等人［14］同時對通電電極和檢測電極的最佳位置進行了研究，結果表明，通電用點狀電極的最佳黏附位置為兩耳朵的后邊——下腹部（腰骨附近），而檢測用點狀電極的最佳黏附位置為鎖骨中央——劍狀凸起。

4 臨床應用

Parry Steve W等人［15］首次將心阻抗法用于診斷血管迷走神經性昏厥。血管迷走神經性昏厥的診斷通常用直立傾斜試驗（head-up tilt test，HUTT）來完成，但這種診斷方法非常耗時，通常需要20～40 min，并且缺乏衡量的金標準。通過對患者與正常人2組進行直立傾斜試驗前和試驗中進行心阻抗檢測，觀察2組的血流動力學參數變化，來研究心阻抗法對診斷血管迷走神經性昏厥的意義，結果表明，在試驗前，2組的血流動力學參數無明顯差異，而在試驗中當患者處于昏厥前期，心輸出指數（cardiac index，CI）、末期心舒張指數（end-diastolic index，EDI）與左心室作功指數（left ventricular work index，LVWI）這3項都有明顯區別。因此，單獨用心阻抗法來診斷血管迷走神經性昏厥還不能實現，但如何結合直立傾斜試驗來進行更安全、更方便的試驗，有待研究。

用心阻抗法對孕婦進行檢測的問題已經被研究和討論了很長時間，由于它的無創安全性，心阻抗法在婦產科已經擁有了一席之地。Tomsin K等人［16］從孕婦懷孕第7個月起，對她們進行3種姿勢的22個血流動力學參數的測量，最后保證每位孕婦的每個姿勢的數據不少于30組，然后對這些數據進行組間和組內的皮爾遜相關系數的計算，結果是這些相關系數都不小于0.8，于是他們得出結論，心阻抗法對孕婦的檢測具有很高的可靠性，對評定孕婦的心功能有指導意義。同樣，San-Frutos L等人［17］對18名健康孕婦從懷孕第18周到產后6個月進行心阻抗檢測，并用SAS數統計軟件來分析結果，最后他們總結并得出結論:對于孕婦的心功能檢測，心阻抗法可能是最合適和最準確的方法。但是，Moertl M G等人［18］在用該方法對孕婦進行了大量的重復實驗并細心分析之后，得出結論:孕期所檢測的心輸出量都是無效數據，強烈不建議對孕婦進行心阻抗檢測。無論如何，心阻抗法在婦產科已經有了長時間的臨床應用，這是不爭的事實。

高血壓是比較常見的疾病，有著龐大的患病人群。De Marzo等人［19］對50例成年高血壓患者進行了直立和平躺2種姿勢的檢測，試圖以血流動力學參數依據對患者進行分類，結果表明，不同的高血壓患者擁有不同的心血管異常情況，而通過心阻抗檢測可以大致把這些異常情況分為心室異常、大動脈異常和其他異常三類，這樣針對不同的患者就可以對癥下藥，采取快速降壓或是常見的預防措施，甚至是對心臟和血管進行必要的手術。鐘傳茂等人［20］將120例血壓控制未達標的原發性高血壓患者（已經接受1～3種降壓藥物治療）進行隨機分組，一組接受常規降壓治療，另一組接受無創血液動力學監測治療策略，該策略定期地對患者進行監測，并適時調整降壓用藥。最后根據實驗結果進行統計分析，得出結論:對血壓控制未達標的高血壓患者在阻抗心動圖無創血液動力學監測指導下的降壓治療較常規治療更有效。Tikkakoski Antti J等人［21］將155名高血壓患者與232名正常人進行了對比檢測，獲取了他們分別處于平躺狀態和直立傾斜實驗狀態下的血液動力學參數，結果表明，不管處于哪種狀態，高血壓患者的血管阻力和動脈硬度都呈現更高的數值。Zhao Xiajuan等人［22］也在漢族老年人中做了類似的實驗，結果同樣表明，高血壓患者的血管阻力和動脈硬度更大，并且隨著年齡的增長，這2項都呈升高的趨勢。

另外，心阻抗法還被應用到了一些不太常見的環境或者疾病。Krzesinski Pawel等人［23］初步將心阻抗法做為高原上檢測血流動力學參數的工具，從而得知，在高原上的血流動力學的大部分參數都會呈現出明顯的差異，并且得出結論，對于因高海拔而產生心血管紊亂等癥狀時，心阻抗法的無創和簡便等特點可以為心功能的檢測提供便利。Muller Mattew D等人［24］嘗試用心阻抗法檢測人們在急性冷暴露（acute cold exposure，ACE）環境下的參數，結果與預期一致，長達65min暴露于5℃的低溫環境下，心輸出量會隨著心率的降低而升高，實驗證明:心阻抗法在急性冷暴露條件下的檢測是有效的。Tocco F等人［25］更是自行設計了一種可以用于水下環境的便攜式心阻抗儀，用該設備檢測25℃，3 m深水下環境的屏息人員，雖然沒能檢測出明顯的潛水反應，但總體的結果也令人滿意。

5 結論

近年來，心阻抗法已經被越來越廣泛的應用于臨床，雖然該方法有一些局限性，比如:對于電極放置有困難、活動過多的病人、過度肥胖患者等難以適用，或是其準確性將受到嚴重的影響，但隨著國內外不斷涌出的關于心阻抗法的大量研究，其結果證明了心阻抗法有它無法比擬的優點，心阻抗法的推廣勢不可擋，它將開啟無創血流動力學的新篇章。

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