生物阻抗特性及測量的國內外現(xiàn)狀

1、姓名：袁亞南學號：0743032052 班級：07303042生物阻抗特性及測量的國內外現(xiàn)狀生物阻抗：人類很早就了解到生物的電阻特性，也給出了生物體產生電阻的原因： 它是當細胞內外液中電解質離子在電場中移動時，黏滯介質和狹小管道對離 子運動的阻礙作用所致。進一步的研究表明，當?shù)皖l電流通過時，生物結構 具有更為復雜的電阻性質，可分解為不隨時間變化的分量和隨時間變化的分 量。前者就是普通的直流電阻成分，在一定限度內阻值保持不變，電流與電 壓呈線性關系，起變阻器作用；后者隨外加電壓時間的延長，電流和電壓的 變化呈非線性變化，即具有交流電阻抗特性（或成分），起濾波器的作用。目 前，這兩種作用是解釋神經

2、和肌肉等組織興奮和沖動的基礎。在描述物質的電阻特性時，有兩個重要的概念：一是電阻率；二是電導 率。它們之間互為倒數(shù)，都是表示物質導電性能的物理量。表5.1中列出了一些生物組織的電阻率和電導率?？梢钥闯?，人體內各種組織的電阻率極不 相同，血清電阻率最低，肌肉次之，肝、腦等組織的電阻率稍高，脂肪和骨 骸的電阻率最高，腫瘤組織與正常組織亦有差別，在身體內這些組織交叉組 合形成了非均質導體。表1各種組織的電阻率和電導率組織電阻率 （仙 cm電導率1(10 40 cm )組織電阻率 cm電導率1(1040 cm)0.9% 氯 化鈉溶 液50140脾630血清70 78105正常乳 房430全血16023

3、056 85乳癌170肌胳肌47071158 90腎髓質400心?。o 血）50 107皮質610（灌滿 血）207224脂肪180822050.4肝506672690腦灰質480肺（呼 氣）401555白質750（充氣）744766生物膜具有電容特性，有關研究表明，生物膜不但具有靜態(tài)電容性質, 而且還具有極化電容性質，即當外加交流電時，生物膜的電容率不僅變化,膜的電容值也要發(fā)生變化有關細胞的許多電特性研究表明，一般活細胞表面帶有負電荷，細胞內 部電場為零，內部為等勢區(qū)，只是在細胞膜上存在電場，因此細胞膜可以看 作是一個電容器。1925-1927年，H 弗里克用阻抗法測出狗的紅電球細胞單位面積

4、的電容 值為0.81cm2，根據實驗結果，弗里克提出了他的假設，認為多數(shù)類型 細胞膜為一球形膜，膜是由雙分子層脂類分子組成，其相對電容率為；=3根據球形電容器公式可知，膜單位面積的電容公式為0 ；rCm 二d通過上式可得細胞膜的厚度為d3nm而現(xiàn)代測量手段（如X射線和電 鏡等）測出的各種細胞膜厚度為 710.5 nm,結果不相吻合，這說明弗里克 假設的細胞膜結構存在缺陷。更新的研究表明，細胞膜的結構除雙分子層脂膜外，在其兩側各覆蓋一 層蛋白質層，形成蛋白質-脂類物-蛋白質的三重結構，如圖5.2所示，它的 相對電容率為 10。如果將此值代入式（5.4 ），得到的細胞膜厚度為 d 10nm與現(xiàn)代技

5、術所測結果吻合得極好，說明了膜電容存在的真實性。對于細胞膜和細胞質而言，細胞膜既存在電容，又存在電阻；而細胞質W5. 2細胞膜的片層糾構只存在電阻。表5.2列出了一些細胞的電學參量。 在現(xiàn)代生物學中，對于生物器官、組織及細胞 電阻抗的研究有著非常重要的理論價值。例如，由 細胞膜電容值的測定，人們認識了膜的雙分子層結 構；從肌肉細胞膜的高電容（1.5cm2）特性導 出了肌肉細胞膜的折疊性質；通過測定神經細胞受 刺激后阻抗下降、電導率增加規(guī)律，為人類對神經興奮、傳導和自發(fā)過程的認識提供了理論基礎。另外，通過生物電阻抗的測 定，在醫(yī)學上可以診斷機體的健康狀況。表2某些細胞的電學性質對象CmBmrmr

6、ico說明酵母0.687°4602000海卵細胞Arbacia1.190°1002102.5 X 104單個細胞懸液人類紅細胞0.890°肌肉Rana pipiee ns1.570°4025015與纖維軸垂直神經：烏賊（靜止時）1.175°10330與纖維軸平行烏賊（興奮 時）1.175°2590530與纖維軸垂直蛙坐骨神經0.5540°5602300與纖維軸垂直獵坐骨神經0.6540°7201000與纖維軸垂直注：Cm為單位面積膜電容（AFcm2）; Bm為單位面積膜的相角（度）； rm為單位面積膜電阻（ cml

7、）,為單位面積細胞質電阻（ cm ）；技為特征頻率(KH0 ,它是阻抗最大時的頻率。在生物電阻抗的研究中，多數(shù)人認為生物組織僅是電阻和電容組成，沒 有電感性質。但某些實驗表明，神經細胞在改變細胞外液的離子成分時，尤 其是改變鈣離子濃度的情況下，發(fā)現(xiàn)有正性電抗成分，顯示有電感元件的可 能。但在一般情況下，我們通常不考慮電感元件的作用。技術基礎：生物電阻抗( Electrical Bioimpedance )技術，亦稱生物阻抗 (Bioimpedanee )或簡稱為阻抗(Impedanee)技術，是利用生物組織與器官 的電特性及其變化提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫(yī)學信息的一種無 損傷檢測技術

8、。它通常是借助置于體表的電極系統(tǒng)向檢測對象送入一微小的 交流測量電流或電壓，檢測相應的電阻抗及其變化情況，然后根據不同的應 用目的，獲取相關的生理和病理信息。這種技術或方法，具有無創(chuàng)、廉價、 安全、無毒無害、操作簡單和功能信息豐富等特點，醫(yī)生和病人易于接受。對于醫(yī)學電阻抗的研究最早始于 19世紀末 20世紀初，醫(yī)學電阻抗技術是 利用生物組織與器官的電特性(阻抗、導納、介電常數(shù)等)及其變化提取與 人體生理、病理狀況相關的生物醫(yī)學信息的無損傷檢測技術。它通常是借助 置于體表的電極系統(tǒng)向檢測對象送入一微小的交流測量電流或電壓，檢測相 應的電阻抗及其變化情況，然后根據不同的應用目的，獲取相關的生理和病

9、 理信息。生物阻抗特性及測量國內外現(xiàn)狀：對生物組織電特性的研究可以追溯到 18 世紀。 1780 年意大利神經生物 學家 Galvani 通過觀察蛙的神經肌肉收縮現(xiàn)象，建立了生物電理論。這個早 期的發(fā)現(xiàn)促使 Galvani 和其他研究人員開始使用可控電流來測試人體的反 應。在接下來的一個世紀里，在一些疾病的治療中，電被認為是一種有效的 潛在的治療方法。最早研究生物阻抗的是德國科學家Hermanr，他于1871年成功的測量了骨骼肌的電阻。1930年Sapegno用交流電橋第一次測出生物組 織的電容。1944年ColeKS提出生物組織的阻抗可能用復平面上的一段圓弧 表示。后來ColeRH再進一步將

10、其發(fā)展為Cole-Cole理論，并建立了生物組織 的三元件等效模型。1960年Schwan成功提出了頻散理論，表明生物組織電 特性隨頻率在不同頻段呈現(xiàn)顯著變化。 至此，生物組織電特性理論基本形成。把生物阻抗測量與生物功能首先聯(lián)系起來的是Nyboer,他利用電阻抗體積秒計數(shù)研究動脈脈沖波與流入人體器官中的動脈血流，還將阻抗特性用于 人體肢體測量并獲得了較好的效果。而把生物阻抗測量用于人體成分分析的 開拓者是Thomasset，他把生物阻抗作為全身水量測定法的一個指標進行初 始研究。后來， Hoffer 等建立了總體阻抗與全身水量的關系。在此基礎上， Henty 等人開始了用生物阻抗測量評價人體成

11、分的方法研究，研究結果初步 顯示了阻抗法分析人體成分的可行性與有效性?，F(xiàn)在，生物阻抗測量被醫(yī)學 研究人員及醫(yī)務工作者認為是非常有前途的一種技術，并已廣泛應用于心、 腦、肺等血流圖。呼吸及肺通氣功能測量以及人體組成成分分析和阻抗成像 等諸多方面。在經絡阻抗測量方面也有了應用，證實了經絡低阻抗特性，不 過進一步的研究還不是很多。阻抗測量儀的研究上，國內外的很多學者做了大量的工作，不同測量原理、信號提取方法、不同應用范圍等各個方面進行了相關的研究。 不同測量原理：生物阻抗測量中大多數(shù)研究者是采用輸入激勵電流測量 電壓的方法，在電流源的設計上，對于單頻可以直接用振蕩器、振蕩電路等 實現(xiàn)，多頻的可以用

12、DDS正弦波發(fā)生器或鎖相環(huán)頻率合成產生。生物阻抗 測量對恒流源精度有很高的要求，許多學者在這方面作了工作。另外還有輸 入電壓測量電流的方法，以及分壓的方法。近期也有學者采用無接觸式驅動 和測量的方法，如通過線圈在人體中感應出電流，同時在皮膚表面通過放置 電極測量電壓。信號提取方法：在生物阻抗測量系統(tǒng)的信號提取方面也有很多學者提出 了不同的設計方案。很多用模擬解調方法、乘積型 D/A 轉換或者直接載波補 償方法進行鑒相，再用 A/D 進行采樣。也有采用隨機采樣、同步欠采樣、 DSP 算法等信號處理方法進行提取的。不同應用方向：不同應用對生物阻抗測量系統(tǒng)有不同的要求，生物阻抗 代表著不同的含義，對

13、于成分分析、流量檢測、功能成像等相關領域均有學 者做了相應的研究。針對不同應用，進行側重本身要求的設計。目前的測量方法很多功能比較單一， 僅僅針對某一方面的研究進行設計， 很多都只是針對某一個或者某兩個頻率進行測量，可以實現(xiàn)多頻測量的系統(tǒng) 在電路結構和信號處理方面相對都比較復雜，頻帶帶寬不是很寬，頻率分辨 率和頻率變化速度也都有待提高，而且由于構成電路的部分比較多，所以穩(wěn) 定性和抗干擾能力不是很好。而從生物阻抗頻散理論可以看出，生物阻抗隨 著激勵頻率的不同呈現(xiàn)出很顯著的變化，所以可實現(xiàn)多個頻路測量的系統(tǒng)對 生物阻抗技術具有更重要的意義。對阻抗譜測量系統(tǒng)可以從帶寬、頻率分辨 率和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面

14、做一些工作。國外的生物阻抗技術在基礎研究方面水平較高，以電阻抗斷層圖象技術（E I T）為發(fā)展方向的新一代生物阻抗技術正吸引著世界各國越來越多的研 究者。國內的生物阻抗技術以應用研究為主，以各種臨床血流圖為代表的生 物阻抗技術已廣泛用于臨床，并不斷取得進展，臨床應用水平較高。但是， 無論在基礎研究還是在臨床應用領域，使用單一測量頻率、只取阻抗模量的 現(xiàn)行阻抗測量方法的現(xiàn)狀是不能令人滿意的。除了定量性差和定位性不好以 外，它還把一些可能是最重要的，最能反映生物阻抗特點和優(yōu)越性的寶貴信 息丟失了。測量方法簡介： 單頻率測量方法。單頻率測量方法相對比較容易實現(xiàn)，所獲得的數(shù)據能 夠簡單反映人體組織的阻

15、抗特性和器官的功能狀態(tài)，一些研究者將它作為臨 床監(jiān)護的基本參數(shù)。多頻率測量方法。多頻率測量也稱頻譜分析法，它可以得到模擬電路中 的Ri、Re和C,能夠完整反映人體阻抗信息，從而提高了測量結果的再現(xiàn)能力。 多頻率測量較多應用于人體成分分析，因為人體水分（細胞內液體和細胞外液體）和Ri、Re相 關性教高。此外，多頻率測量方法還可以向 K、Ca Na離子等測量方向發(fā)展。復阻抗方法。根據電子技術相關理論，采用合適的測量頻率，采用相敏 檢測方法，即可同時提取復數(shù)阻抗的模量和相角，或者實部與虛部，以復阻 抗的形式描述被測組織與器官的電特性。從而獲得包括附圖中三元件影響在內的相關生理和病理學信息。根據國內外

16、文獻報道， 以上三種生物阻抗測量方法有較好的應用效果并在 不斷地完善中。根據不同地研究目的可以選擇不同地研究方法或把不同方法 相結合，并不要一定局限于某一種方法。生物阻抗測量技術的應用 :細胞測量細胞計數(shù)器這種方法是阻抗技術在細胞領域廣為人知的應用。它可以用 于計量懸濁液中的細胞數(shù)目。它是基于生物細胞很難傳導低頻交流電的原理 的，測量的原理相當簡單：使細胞通過一個毛細管，當細胞通過時毛細管的 電阻抗便會發(fā)生變化。細胞濃度可以通過阻抗的波動來估計。有些時候甚至 可以由單個細胞通過時的阻抗峰值來提取細胞大小的信息。它被用來快速計 數(shù)細胞和測量它們個體大小。自從它成為細胞研究的有價值工具以來，幾乎

17、每個生物實驗室都有了一個。Velick和Gorin在四十年代就已經成功地使用了 這項技術。如果加上高頻便能測到細胞內部并提供蛋白質評估。 血球容積測量如果在導電溶液中電介質粒子的形狀和大小已知，那么可以估計到該粒 子的濃度。商業(yè)血液分析器已經用這種方法測量血球容積。細胞培育監(jiān)測生 物阻抗可以量化工業(yè)生物反應器中的生物量或者研究細胞培育對于外界作用 的反應（毒素、高電壓等）。體積測量生物阻抗不僅與生物組織電特性相關而且依賴于組織的幾何形狀。 因此， 如果組織的電導參數(shù)是已知的話， 阻抗方法可以用來測量組織的大小或體積。 此外，如果組織的電特性不變的話，可以通過觀察阻抗波動來獲得組織的體 積變化信

18、息。阻抗體積描記圖在這個方法中，生物阻抗用于估計危急情況下的血容量。其中一個應用 就是通過測量充血時間來觀測危急情況下的靜脈血栓和靜脈收縮情況。阻抗 心動描記圖通過植入式電極或皮膚表面電極測量阻抗可以評估心血博出量 （胸廓阻抗圖）。阻抗呼吸描記圖阻抗心動描記圖的基本原理也可以應用于 監(jiān)測肺部呼吸情況。人體組織結構分析不同的組織存在不同電導參數(shù)，我們容易想到可以用生物阻抗來識別不 同的組織。很明顯，這方面最有意義的應用應該是癌癥監(jiān)測。然而該想法從 誕生至今并沒有重大的進展，這個領域的研究還需深入。不過，必須提到的 是：一種多通道生物阻抗裝置現(xiàn)已商業(yè)利用于乳房癌成影。該系統(tǒng)所顯示的 乳房阻抗圖出可

19、以反映出乳房是健康的還是有癌癥。組織監(jiān)測用阻抗對生物現(xiàn)象監(jiān)測是一件極有意思的事情。檢測的項目包括體液變 化、呼吸、血流、心輸出量等。細胞水腫、間隙水腫和間隙連接閉合是一些 導致生物阻抗參數(shù)變化的因素。這些因素與細胞的新陳代謝相關，對于它們 的實時監(jiān)測非常有用。這些領域的應用現(xiàn)處于研究水平，然而，相應的成果 非常有前景，未來的臨床應用具有合理性。缺血監(jiān)測在一些心臟手術過程中心臟被人工停止跳動，在這過程中，醫(yī)生沒有任 何關于心肌狀況的信息， 唯一可控制的參數(shù)是血液循環(huán)恢復的時間 （缺血期） 因此，一個能指示因缺血而對心臟造成的損害的系統(tǒng)很有意義。一些論文指 出：心臟或其它組織器官的缺血包含了生物阻

20、抗參數(shù)的變化。 器官移植能力評估組織的生物阻抗監(jiān)測已被用來確定器官是否適用于移植。這種方法可以 量化器官移植前后或期間缺血造成的損害。 器官移植排異監(jiān)測在器官移植中， 排異所引起的炎癥能由生物阻抗裝置觀測到。在這個方面的應用有學者提出 用植入式電極探頭遠程觀測。也有學者提出一種無損傷觀測方法，但這種方 法還有一些重要的實踐問題存在。生物阻抗成像EIT屬于功能成像，是繼形態(tài)、結構成像之后，新一代更為有效的成像技 術。EIT可以用于描繪人體組織斷層或整體的阻抗圖像。EIT通過配置于人體體表的電極系統(tǒng)，提取與人體生理、病理狀態(tài)相關的組織或器官的電特性信 息，使用計算機重建算法處理數(shù)據，從而得出反映組

21、織、器官功能狀態(tài)及其 變化規(guī)律的功能性圖像結果。與其它圖像方法（超聲成像 ,X射線成像或核磁 共振成像）相比，EIT所得結果相對較差，分辨率較低；但從費用、測量速度 和所得信息的定量性方面考慮，EIT方法有較大優(yōu)勢。雖然現(xiàn)在一些臨床研究 已經實現(xiàn)，但EIT還未成為一種標準化的方法。國外學者做了大量相當復雜精密的研究來探索“宏觀”阻抗圖像的可行 性。這包括硬件、重建算法和潛在的醫(yī)學應用。但有一點似乎被忽略了：許 多人體組織是高度各向異性的，而且各向異性的程度取決于頻率。因此，如 果不考慮各向異性的話，電流密度和電壓分布將會與計算所得明顯不同。在 生物阻抗成像中各向異性值得注意。人體成分分析 不同

22、的組織、 器官具有不同的構成特點和組成成分， 表現(xiàn)出相應的阻抗特性。 人體成分分析通常使用兩種方法：生物阻抗分析（BIA）和生物阻抗頻譜分析（BIS）。BIA使用單一頻率測量阻抗，人們選擇低于和高于預期的B頻散范 圍的頻率來測量阻抗，并從 中提取信息。低頻值反應了細胞外物質的阻抗而高頻值則包括了細胞內外全 部物質的阻抗。但不同人體之間的差異性會導致所得結果較大波動。而 BIS 測量方法較好的減少了這種波動。BIS測量包含了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和準確的結構。參考文獻：1、 生物阻抗技術概述王文艇 鐘季康 馬駿 齊華林 同濟大學生命科學和技術學院，物理系，附屬醫(yī)院泌尿科，附屬東方醫(yī)院2、 生物電阻抗測量技術任超世 中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所3、生物電阻抗技術與人體功能信息 任超世中國醫(yī)學科學院、中國協(xié)和醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程研究所4、Assessment of fat-free mass using bioelectrical impedance measurements of the human bodyHenry C