生物電阻抗測量方法進展及應用

【作 者】孫中標，葉繼倫,，張旭,，羅珺涵，車曉漫，吳柔

1 深圳大學 生物醫學工程學院，深圳市，518060

2 廣東省生物醫學信息檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

3 深圳市生物醫學重點實驗室，深圳市，518060

0 引言

生物電阻抗測量（bioelectrical impedance measurement），簡稱阻抗技術，是一種利用人體組織與器官的電特性及其變化規律來測量人體生理與病理狀況相關的生物醫學信息的檢測技術[1]。具有無創、無害、快速、廉價、操作簡單和功能豐富等特點，并且測量可重復性高，醫生與患者易于接受。

隨著科學與技術的發展，生物組織的電阻抗測量技術的不斷完善，此方法越來越多地應用在臨床醫學當中。在使用不同頻率的交變電信號的激勵下，生物組織所產生的復雜電阻抗特性取決于組織的組成、結構、健康狀況以及所施加信號頻率的大小，因為不同的組織所表現出來的電阻抗特性不同，所以可以根據此特性幫助我們更好地了解生物組織的病理與生理信息[2-3]。同時，由于生物阻抗測量的復雜性以及多樣性，在實際測量中可以根據測量的人體部位不同，使用諸如單頻、多頻生物阻抗分析或生物阻抗譜之類的方法，根據生物阻抗的數據，構建相應的數學模型進行評估[4]。生物電阻抗測量的影響因素眾多，包括測量的方法、測量電極的尺寸與位置、測量時姿勢的變化與食物的攝取量等因素，都會對測量結果產生一定的影響[5-6]。但是，生物電阻抗測量具有廉價、便攜及易于使用的特點，使得其在生物醫學測量領域仍占有重要地位。

近些年來，隨著科技的發展，生物電阻抗測量技術不斷被深入研究，其檢測的范圍和方法也不斷完善，對臨床輔助診斷具有重要的意義。介紹了生物電阻抗測量在醫學測量方面的應用，主要包括阻抗血流圖、電阻抗式呼吸監測、電阻抗斷層成像技術以及生物電阻抗測量與分析等內容。

1 生物阻抗模型

人體是由細胞構成的，細胞是生物體結構和功能的基本單位，要構建人體阻抗模型需要先構建單個細胞阻抗模型。為此研究人員們提出了多種模型理論，其中三元件生物阻抗模型是目前應用最廣泛的。細胞由細胞膜以及細胞內液組成，細胞膜由磷脂質雙層分子構成，細胞內液主要是膠狀體的液體物質。細胞外主要是細胞外液和細胞外間質，細胞外液的主要物質構成是電解液，是物質和能量進行交換的場所，細胞外間質由纖維結構蛋白、多糖等高分子物質組成，主要負責調節細胞的動態性行為。就電特性而言，可將細胞內液以及細胞外液等效為電阻，細胞膜等效為電容，細胞外間質通常將其看作絕緣體。其等效阻抗模型，如圖1(a)所示：

圖1 生物組織等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of biological tissue

其中：Re為細胞外液的電阻；Ce為細胞外液并聯電容；Rm為細胞膜的電阻；Cm為細胞膜的并聯電容；Ri為細胞內液的電阻；Ci為細胞內液的并聯電容。

在1～500 kHz頻率范圍內，可將細胞內外液的并聯電容以及細胞膜的電阻視為開路，進而將圖1(a)所示的電路等效簡化為圖1(b)，此模型也被稱為并聯等效電路模型。生物的組織是由細胞構成的，可將其視為多細胞的集合，因此生物組織的電路模型亦可等效為圖1(b)所示的電路模型。此時，Ri、Re、Cm可分別等效為整個生物組織內、外液電阻和膜電容，這就是三元件生物阻抗模型[7]。

2 生物電阻抗測量系統

生物電阻抗測量系統在對人體進行測量時，當使用不同的頻段測量同一組織或者同一頻段測量不同組織的時候可能會略有不同，但是總體測量思路是在人體施加一個激勵信號，一般采用正弦信號作為激勵信號源，目前是使用DDS集成芯片或者是基于FPGA設計的高精度正弦信號的方法。正弦信號多使用正弦電流信號，電流信號對測量未知電阻影響小且電流信號易于控制，然后通過測量電極將采集的信號經過濾波、放大以及A/D轉換，傳輸到單片機中進行數據處理與分析，最后上傳至PC進行實時顯示[8]。生物電阻抗測量系統，如圖2所示。測量的關鍵因素在于頻段的選擇以及電極的數量，從傳統的二電極、四電極、六電極、八電極以及單頻率，發展到現在的多電極、多頻率以及多通道測量方法。

圖2 生物電阻抗測量系統Fig.2 Bioelectrical impedance measurement system

3 生物電阻抗測量技術的應用

3.1 阻抗血流圖

阻抗血流圖是通過測量體外電阻抗變化的信息，來確定體內組織或者器官血流容積的變化。阻抗血流圖于20世紀30年代提出，60年代開始在臨床上應用。主要是測量人體組織或器官相關的電阻抗參數，包括阻抗大小、阻抗微分和阻抗變化量等，再結合微分、頻譜分析和數學建模等方法使得阻抗血流圖進一步發展，在臨床診斷方面應用廣泛，如心阻抗圖（ICG）、肺循環阻抗圖（IPR）、腦阻抗血流圖（IEG）和肢體阻抗圖等。心阻抗圖可監測胸腔中的電阻抗變化，是一種測量胸腔中生物組織電特性的診斷技術[9]，主要研究目標是根據公式計算每搏輸出量，目前國內外計算每搏輸出量主要是根據圓柱體模型的Kubick公式以及錐臺模型的Sramek公式[10]，如圖3所示為血管的圓柱體模型，圖3左邊為單個血管阻抗模型，右邊為血管和周圍組織并聯阻抗模型[11]。肺循環阻抗圖主要是反映機體內肺血流容積的變化曲線圖，可用于肺心病以及肺動脈高壓的早期診斷。腦阻抗血流圖是通過測量人體頭部的生物電阻抗來反映腦血管彈性和腦血流變化的檢查方法[12]。腦阻抗血流圖主要應用于診斷血管神經性頭痛、閉塞性腦血管病、高血壓、腦動脈硬化以及對腦血流變化的監護。

圖3 血管圓柱體模型Fig.3 Vascular cylinder model

3.2 電阻抗式呼吸監測

人體呼吸的原理是橫膈膜的收縮以及變平，胸腹部的肌肉交替張弛，胸廓的起伏變化，由此導致肌體胸腹部的電阻抗也隨之發生變化。基于此原理可以通過測量人體胸腹部電阻抗的變化來監測人體呼吸的頻率以及波形等。電阻抗式呼吸監測系統一般采用四電極法，分別是一對激勵電極和一對測量電極，電極位置對稱地放置于胸腔兩側腋中線之間，測量電極位于激勵電極內側，兩電極保持適當的位置，如圖4所示。

圖4 呼吸阻抗測量電極位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of electrode position for respiratory impedance measurement

通過激勵電極引入一個高頻的（如 80 kHz）、恒定的電流，人體呼吸時胸廓的起伏變化，引起胸腹部的電阻抗相應的改變，使得測量電極采集到的電壓發生變化，將該高頻電壓經過檢波、放大、濾波等處理后傳入A/D進行模數轉換，最后傳入MCU進行相關的數據處理，最終轉換為呼吸曲線[13]。人體的呼吸深度和頻率等生理信息可通過該曲線直觀反映。通過對人體呼吸的監測，可以為人體相關的呼吸類疾病監測提供有利的信息，例如老年慢性阻塞性肺疾病、睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（SAHS）等[14]。

3.3 電阻抗斷層成像技術

生物電阻抗斷層成像技術（electrical impedance tomography,EIT）是一種功能性醫學成像技術，具有無創、無害、無放射性的特征[15]。檢測原理是通過向人體表面施加安全的激勵電壓（或電流），然后檢測人體表面的電流（或電壓）信號來獲得人體內部電阻率的分布，使用不同的重建算法，如等位線反投影算法和Newton-Raphson算法，可以重建人體內部電阻抗變化的圖像或電阻率的分布[16]。

EIT檢測系統包括硬件系統和圖像重建，硬件系統主要由激勵源、阻抗檢測、成像顯示部分、系統控制等部分組成，主要是采集人體內部電阻抗的分布信息。圖像重建是根據采集到的電阻抗信息利用圖像重建算法實現人體內部電阻抗的圖像顯示、重建等，如圖5所示。

圖5 生物電阻抗斷層成像檢測系統Fig.5 Bioelectrical impedance tomography detection system

EIT是功能性成像，并且操作簡單，成像成本低，具有較好的臨床應用價值，可用于肺部成像，檢測人體呼吸的變化[17]，或者用于危重癥患者胸腔成像，判斷是否積液等[18]。但是EIT成像相對于CT、超聲成像空間分辨率較低。成像算法穩定性、提高空間分辨率、阻抗擾動的靈敏度、精確的系統建模[19]是未來EIT成像需要解決的問題。

3.4 生物電阻抗測量與分析

3.4.1 生物電阻抗法胃動力學檢測

利用生物電阻抗法檢測胃動力學參數是近年來的研究熱點，臨床上胃電信號常作為胃動力系統紊亂的診斷依據，但是胃的全部生理活動并不能完全由胃電信號反應，特別是對于胃的收縮、蠕動、排空等機械活動[20]。將電阻抗方法用于檢測胃阻抗信息來反應胃的機械活動，建立對胃動力學評測更加準確的方法以及為臨床胃動力學的研究提供新的思路。

3.4.2 生物電阻抗人體成分分析

生物電阻抗人體成分分析的原理是人體內各個組織、器官在不同生理、病理狀態下其電特性不同，通過電阻抗法可采集人體相應部位的阻抗與相位信息。生物電阻抗人體成分分析可應用于營養醫學，主要對肥胖的管理、人體體脂率的測量[21]以及識別低肌肉量的患者等[22]，用于運動醫學領域對于人體水分、熱量損耗和非脂肪物質分析等。

3.4.3 腦部監測

腦損傷后的腦水腫、腦出血以及顱腦炎癥等疾病都會造成腦內物質增加，顱腔為一個近似封閉的環境，當腦內物質增加時會導致顱內壓強增加，在醫學上將這種現象稱之為顱內壓增高。較長時間處于顱內壓增高會造成腦卒中，威脅人的生命安全[23]。當顱內壓增高的時候，腦內物質增加可以使得腦阻抗發生變化，所以可以采用生物電阻抗檢測技術測量腦部阻抗，判斷顱內壓是否升高，對腦部診斷起到一定的輔助作用，在臨床應用中具有重要的意義。

3.4.4 人體信號監測中的接觸阻抗測量

在使用電極對人體生命信號的檢測過程中，由于患者體位的變化、監測部位的出汗、電極的脫落以及電極耦合劑的改變等因素導致電極與監測部位之間的接觸發生改變，引起電極與監測部位之間接觸阻抗明顯的變化。在對顱腦EIT成像監測[24]、腦電接觸阻抗的測量監測導聯有無脫落[25]以及移動心電對于運動干擾的去除時[26]，對于接觸阻抗的監測均具有重要意義。

4 生物電阻抗測量技術面臨的主要問題

生物電阻抗測量目前在應用中仍存在測量方法的局限性，其中主要的關鍵技術點表現在以下幾個方面：

①人體對應的不同組織或者器官，在進行測量時、電極粘貼的位置、恒壓或者恒流定量的大小、具體模型相對簡單以及測量電流分布不均勻等[27]；② 測量時的體位不同、食物的攝取量均會對測量結果有一定的影響；③EIT算法的不足，有限元模型對于邊界的電壓（電流）的敏感性差異較大，使得阻抗重構效果不佳，如何實現測量人體最優的有限元自動剖分是目前EIT所面臨的問題[28]；④復阻抗虛部信息不易提取，忽略相位的影響，可能丟失大量重要信息。

5 生物電阻抗測量技術的發展前景

隨著科學與技術的發展，測量技術與計算機技術的不斷進步，勢必使得生物電阻抗測量技術的測試和操作更加方便與快捷，可將其應用在以下幾個方面：

①對于一些潛在的淋巴水腫的患者，通過電阻抗測量的技術可以早期發現異常的病理組織，明確病因，便于進行治療[29]；②用于腫瘤的早期發現以及惡性腫瘤術后的短期結果的預測[30]；③對于復阻抗信號的采集，獲得更多的人體生物信號，建立更加精確的生物模型；④可進一步將電阻抗測量技術應用于食物的檢測，判斷食物的成熟度以及新鮮程度。

6 總結與展望

較為全面地介紹了生物電阻抗測量方法進展及應用現狀，旨在讓讀者更加清晰地認識和了解生物電阻抗在不同方面的應用。目前，生物電阻抗測量技術主要應用在阻抗血流圖、呼吸監測、斷層成像技術、胃動力學檢測、人體成分分析、顱內壓檢測、接觸阻抗等幾個方面。雖然生物電阻抗測量技術影響因素眾多，但是與其它非侵入性監測方式相比，生物電阻抗測量具有無創、無害、快速、廉價、操作簡單和功能豐富等特點。隨著工程化設計的進步和臨床實踐的研究，生物電阻抗法在臨床診斷中將發揮著重要作用。