2022年醫(yī)學專題-人體電阻抗

五、生物(shēngwù)電學和生物(shēngwù)磁學第一頁，共四十三頁。主要(zhǔyào)內(nèi)容生物(shēngwù)電學特性生物電阻抗測量技術(shù)生物磁現(xiàn)象磁療生物磁測量技術(shù)，心、腦磁圖第二頁，共四十三頁。5.1生物電特性(tèxìng)生物電現(xiàn)象生命(shēngmìng)活動的基本特性。幾乎所有生命(shēngmìng)過程都伴隨著生物電的產(chǎn)生。生物電是以細胞為單位產(chǎn)生的。生物電的發(fā)現(xiàn)1939年兩位生理學家Hodgkin和Huxley以槍烏賊的直徑為１mm的巨大神經(jīng)軸突為實驗材料，采用細胞內(nèi)記錄的方法，證明了細胞生物電現(xiàn)象的存在。第三頁，共四十三頁。生物電產(chǎn)生(chǎnshēng)機制細胞膜——磷脂雙分子層靜息電位細胞靜息狀態(tài)下存在于細胞膜內(nèi)外(nèiwài)兩側(cè)的電位差。（內(nèi)負外正）第四頁，共四十三頁。生物電產(chǎn)生(chǎnshēng)機制1.靜息時，細胞內(nèi)的K+濃度遠高于細胞外。2.靜息狀態(tài)時，細胞膜主要對有通透性。3.因此，胞內(nèi)的K+順濃度梯度擴散(kuòsàn)到細胞外，形成電位差。Nernst公式(gōngshì)：當跨膜的濃度差（驅(qū)動K+外流）和電位差（阻止K+外流）達到平衡時，膜內(nèi)外電位差就穩(wěn)定在某一水平。第五頁，共四十三頁。生物電產(chǎn)生(chǎnshēng)機制動作電位細胞接受刺激后，膜電位在原有靜息電位基礎上出現(xiàn)(chūxiàn)迅速的倒轉(zhuǎn)和恢復的電位波動。1.靜息(jìnɡxī)2.去極化3.復極化4.后電位：負后電位正后電位第六頁，共四十三頁。生物電產(chǎn)生(chǎnshēng)機制去極相:

在受到刺激時出現(xiàn)了膜對Na+通透性的突然增大復極相：

Na+通透性的消失，并伴隨出現(xiàn)電壓門控性K+通道的開放后電位(diànwèi)：Na+-K+泵將Na+、K+分布復原，保持細胞的興奮性。第七頁，共四十三頁。典型(diǎnxíng)生物電信號生物電參數(shù)正常值頻率/Hz心電圖(ECG)0.5~4mV0.1~100腦電圖(EEG)5~300μVdc~50肌電圖(EMG)0.1~5mV20~8000眼電圖(EOG)50~350μV0.2~15胃電圖(EGG)10~1000μVdc~1皮膚電阻抗(GSR)0.5~500MΩ0.1~150第八頁，共四十三頁。5.2生物電阻抗測量(cèliáng)技術(shù)生物電阻抗測量（ElectricalBioimpedanceMeasurement），或簡稱阻抗技術(shù)，是一種利用生物組織(zǔzhī)與器官的電特性及其變化規(guī)律提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫(yī)學信息的檢測技術(shù)。特點：無創(chuàng)、無害，廉價、操作簡單和功能信息豐富等，醫(yī)生和病人易于接受。第九頁，共四十三頁。人體(réntǐ)電阻抗組織電阻率組織電阻率腦脊液血清血液神經(jīng)肝0.5550.7141.8525.080.0腦脂肪濕皮干皮無膜骨肌肉10710.8×10238.0×10240.0×10320.0×10590.0人體(réntǐ)組織的直流電阻率（Ω·m）第十頁，共四十三頁。人體電阻抗(zǔkàng)與電流頻率的關系人體可看成是一個電解質(zhì)電容器和電阻的并聯(lián)電路。直流在細胞(xìbāo)間隙流過；交流可通過細胞(xìbāo)間隙和細胞(xìbāo)。頻率0100Hz10kHz10MHz10GHz電阻率909.17.72.00.8人體(réntǐ)肌肉組織電阻率與頻率的關系第十一頁，共四十三頁。生物電阻抗測量(cèliáng)技術(shù)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，然后根據(jù)不同的應用目的，獲取(huòqǔ)相關的生理和病理信息。第十二頁，共四十三頁。生物阻抗(zǔkàng)技術(shù)應用阻抗血流圖胃動力學檢測人體成分分析(fēnxī)電阻抗成像技術(shù)第十三頁，共四十三頁。阻抗(zǔkàng)血流圖根據(jù)體表測量的電阻抗變化的信息來確定(quèdìng)體內(nèi)組織器官由于血液循環(huán)引起的（生理、病理）容積變化的方法。簡化模型單根血管與組織阻抗并聯(lián)(bìnglián)模型一般使用20k~100kHz頻率的恒流（恒壓）源，測量計算被測部分阻抗Z、阻抗變化ΔZ，以及ΔZ微分dZ/dt等。第十四頁，共四十三頁。阻抗(zǔkàng)血流圖是生物阻抗技術(shù)應用最廣泛的領域之一，促進了血流圖臨床應用的進一步發(fā)展。主要領域：阻抗心動圖：利用四電極法測量跨胸阻抗及其微分圖（或?qū)Ъ{），然后計算每搏輸出量。腦阻抗血流圖：應用于腦動脈硬化、閉塞性腦血管病及血管性頭痛。肺循環(huán)阻抗圖：反映隨著(suízhe)每個心動周期肺循環(huán)容積變化的曲線圖。第十五頁，共四十三頁。胃動力學檢測(jiǎncè)原理：在胃的活動期，由于其形態(tài)及其內(nèi)容物組成情況與容積的改變較大，其電特性變化非常明顯，變化規(guī)律與胃動力學狀況相對應。胃運動的頻率約為3次/分，對檢測系統(tǒng)的實時性要求不高。采用普通阻抗方法，靈敏地提取(tíqǔ)這種電特性變化信息已有初步臨床應用。如采用代表阻抗技術(shù)的發(fā)展方向阻抗斷層成像方法，以圖像形式給出檢測結(jié)果，無論在靈敏度或獲取信息的數(shù)量與質(zhì)量上都將更好。第十六頁，共四十三頁。人體成分(chéngfèn)分析與同位素稀釋法、總體鉀法、雙能x線吸收法以及皮褶厚度法等方法相比，生物電阻抗法測量人體成分簡單、快速和準確，是體成分測量的理想手段。基于生物電阻抗技術(shù)的體成分測量原理：人體的電阻抗特性(tèxìng)與體成分之間存在統(tǒng)計關系。（例如：非脂肪組織具有比脂肪組織更小的電阻抗。）第十七頁，共四十三頁。人體成分(chéngfèn)分析1）全身測量在全身阻抗測量中，多采用四電極法，以減少接觸(jiēchù)阻抗的影響，以其他參考方法，如皮褶計法，水下稱重法，雙能X射線吸收法，CT法等測量人體成分作為對照，即可得到基于阻抗分析法的人體成分預測公式。第十八頁，共四十三頁。人體成分(chéngfèn)分析2）分段測量在全身阻抗測量中，上下肢的貢獻和影響最大，即全身測量難以(nányǐ)正確反映身體各部位含水量及其變化的真實情況。第十九頁，共四十三頁。人體(réntǐ)成分分析2)分段(fēnduàn)測量從理論(lǐlùn)上來說，分段阻抗測量要優(yōu)于全身阻抗測量法，尤其對于人體成分不均勻分布的人群（胖、瘦、高、矮等）更是如此。第二十頁，共四十三頁。人體成分(chéngfèn)分析3）多頻率測量(cèliáng)采用多頻率測量技術(shù)不僅可以提供更準確的阻抗測量，而且還從簡單的測量脂肪與非脂肪，向多參數(shù)，如細胞外液體積，全身含水量，非脂肪物質(zhì)，蛋白質(zhì)，骨礦質(zhì)，K，Ca，Na離子等測量方向發(fā)展。多頻率和阻抗譜的測量包含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而準確的結(jié)果。第二十一頁，共四十三頁。電阻抗(zǔkàng)成像技術(shù)阻抗(zǔkàng)成像接觸式掃描(sǎomiáo)成像EISI斷層成像EIT非接觸式感應電流成像ICEIT磁感應阻抗成像MIT第二十二頁，共四十三頁。功能(gōngnéng)成像阻抗成像：以人體組織、器官的阻抗分布或阻抗變化為研究對象，通過配置于人體體表的電極系統(tǒng)，提取與人體生理、病理(bìnglǐ)狀態(tài)相關的組織或器官的電特性信息，給出反映組織、器官功能狀態(tài)及其變化規(guī)律的功能性圖像結(jié)果。電阻抗斷層成像：利用生物阻抗檢測技術(shù)給出人體組織與器官阻抗的斷層圖像，也叫阻抗CT。第二十三頁，共四十三頁。電阻抗(zǔkàng)斷層成像電阻抗斷層成像的測量(cèliáng)方框結(jié)構(gòu)第二十四頁，共四十三頁。心臟收縮期序列圖像。藍色與紅色區(qū)域大小(dàxiǎo)及色度的改變對應于心室和心房容積（血量）的變化。第二十五頁，共四十三頁。電阻抗(zǔkàng)斷層成像不使用射線或核素，無毒無害，操作方便，可多次測量，是一種廉價的無損傷醫(yī)學圖像檢測技術(shù)。與現(xiàn)有的CT、MRI、超聲等成像技術(shù)緊密結(jié)合，互為補充，應用于疾病的早期診斷、康復和愈后。實現(xiàn)(shíxiàn)醫(yī)學圖像監(jiān)護?？梢詫Σ∪诉M行長時間、連續(xù)監(jiān)護而不會給病人造成損傷或帶來不適。第二十六頁，共四十三頁。電阻抗(zǔkàng)斷層成像EIT是一種新型的圖像重建技術(shù)，在醫(yī)學中的研究是在最近三十年才發(fā)展起來的。缺點：分辨率較低。國外主要研究有效提高重建圖像的空間分辨率和減小計算量。國內(nèi)開展工作較晚。EIT還處于實驗室研究階段，但是應用前景廣闊，已成為(chéngwéi)當今生物醫(yī)學工程學重大研究課題之一。第二十七頁，共四十三頁。5.3生物(shēngwù)磁現(xiàn)象生物材料的磁性人體中所含元素：碳、氫、氧、氮、硫、磷、氯、鈉、鉀、鈣、鎂、鐵等和一些微量元素。其中多數(shù)有順磁性（3d或4d族的過渡離子(lízǐ)）。蛋白質(zhì)、酶和自由基均為順磁性占人體70%的水具有弱抗磁性極少數(shù)材料為鐵磁性第二十八頁，共四十三頁。5.3生物(shēngwù)磁現(xiàn)象人體磁場生物組織、器官、細胞等存在很微弱的磁場。產(chǎn)生原因：①變動磁場：生物電荷運動產(chǎn)生。如心磁場10－11T，腦磁場10－12T②定常磁場：自然界含有鐵性成分及某些磁性物質(zhì)(如Fe3O4粉塵等）經(jīng)呼吸道吸入或經(jīng)消化道食入人體內(nèi)而形成的磁場；10－8T③感應磁場：生物磁性材料在外磁場的作用下產(chǎn)生的磁場;④誘發(fā)磁場：在外界刺激(cìjī)下產(chǎn)生誘發(fā)電位，引起誘發(fā)磁場。如誘發(fā)腦磁場10－13T第二十九頁，共四十三頁。第三十頁，共四十三頁。機體(jītǐ)與外磁場的相互作用感應電動勢：生物（帶電）體在磁場中運動所致。分子極化——電荷再分布；帶電粒子遷移——傳導電流；洛侖茲力：磁場中，帶電粒子改變原來的運動方向?；瘜W物質(zhì)內(nèi)部再分布。磁化：具有固有磁矩的永磁偶極子、磁性微粒、正負離子、自由基等受磁場力矩作用產(chǎn)生磁化。沿外磁場取向（離子轉(zhuǎn)動(zhuàndòng)、改變分子鍵角）磁力：使具有固有磁矩的微粒產(chǎn)生位移。導致化學物質(zhì)的擴散和積累。第三十一頁，共四十三頁。生物(shēngwù)磁的應用生物磁學的研究內(nèi)容包括兩部分：①磁場(cíchǎng)引起的生物效應——治療。磁療②生物機體自身或被誘發(fā)產(chǎn)生的磁場——診斷；例如心磁圖、腦磁圖等。第三十二頁，共四十三頁。5.4磁療(cíliáo)利用磁場治病，我國已有兩千多年的歷史。利用磁場的生物效應，已制成多種磁療儀器。靜態(tài)磁：家用，如永久磁性的磁片固定于相應的穴位，通過(tōngguò)對穴位的作用達到治療的目的。簡單的有磁石穴位粘帖膠布、磁枕、磁性腹帶等。動態(tài)磁：醫(yī)院的磁療器械一般采用電磁、懸磁、脈沖磁等。第三十三頁，共四十三頁。5.4磁療(cíliáo)特點：安全、方便、無痛苦。作用：磁場能夠促進血液循環(huán)，改善毛細血管通透性，有利于炎癥的消散，對扭傷、軟組織損傷有一定的療效；磁療對人體有鎮(zhèn)靜的作用，能夠調(diào)節(jié)植物神經(jīng)功能紊亂，緩解心悸失眠等癥狀；同時磁療還可以調(diào)節(jié)內(nèi)分泌，有助于緩解便秘和止瀉。研究內(nèi)容：磁場類型、磁場強度、作用部位、治療(zhìliáo)時間等第三十四頁，共四十三頁。5.5生物磁測量(cèliáng)技術(shù)心磁場和腦磁場的特點：心臟磁場只有地球磁場的大約(dàyuē)10-6，更微弱的腦部磁場只有地球磁場的大約10-8測量儀器：超導量子干涉儀（又成SQID磁強計），靈敏度達10-15T組成：①SQID本身被封在一個超導屏蔽的小盒內(nèi)，可對干擾磁場進行部分屏蔽；②檢測線匝，用來探測磁場；③杜瓦瓶，內(nèi)盛液氦。第三十五頁，共四十三頁。心磁場(cíchǎng)和心磁圖心磁場心肌的興奮→心臟電場→體外（心）磁場。心磁圖在體外測定(cèdìng)胸部周圍磁場變化，記錄下來就是心磁圖。心磁圖與心電圖一樣，用P波、QRS波群、T波、和S－T段命名第三十六頁，共四十三頁。腦磁圖腦電：神經(jīng)活動聯(lián)系著體內(nèi)復雜的信息處理系統(tǒng)，支配著從運動、體感、聽覺、視覺(shìjué)等基本功能，到語言、情感、思維等高級功能。微弱的電(磁)信號有波形、幅度、能量、頻率、相位、頻譜等特征，與特定的正常和異常生理活動相對應。腦磁圖是腦神經(jīng)細胞的生物電流產(chǎn)生的磁場，在頭部表面的檢測結(jié)果。測量的是體內(nèi)神經(jīng)電流源引發(fā)的瞬間磁場。第三十七頁，共四十三頁。腦磁圖腦磁圖檢測分類：①自發(fā)性腦磁場：α波；癲癇性棘波。②誘發(fā)性腦磁場：體感意識、聽覺、視覺等誘發(fā)磁場。③內(nèi)因性腦磁場：意識、隨意運動前主觀設想、抽象思維。優(yōu)點(yōudiǎn)：不受組織電阻的影響；無損傷；對腦內(nèi)興奮部位推斷有獨特性腦磁圖藍色區(qū)為癲癇(diānxián)灶第三十八頁，共四十三頁。腦磁圖的臨床(línchuánɡ)應用腦磁圖在癲癇外科中的應用進行癲癇灶的精確定位，該方法不受頭皮(tóupí)和顱骨等傳導介質(zhì)的影響。腦磁圖與腦功能區(qū)定位術(shù)前對腦功能區(qū)進行精確定位，有助于最大限度的保留腦功能區(qū)腦磁圖與腦梗死功能缺損程度的測定可靈敏的檢測出皮層中樞功能損傷第三十九頁，共四十三頁。腦磁圖的臨床(línchuánɡ)應用腦磁圖在神經(jīng)精神疾病中的應