（控制理论与控制工程专业论文）基于生物阻抗的胃动力信号分析处理研究.pdf

重庆邮电大学硕+ 论文 川l i f i i l | i | 1 1 | i | i i | i l 1 i | l l 洲 y 1 8 2 4 714 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 型筮 由e 壹太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： ；关鹰 签字日期：翮年6 月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞蜜g 电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重迭查皇太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： ；关窿 导师虢李亏勇 签字日期： 硼年6 月归 签字日期：，扩年6 月日 1 1 重庆邮电大学硕十论文摘要 摘要 胃肠疾病是常见病、多发病，其发生率约占总人口的1 0 1 2 。胃肠 动力学是一门正在迅速发展的、多学科交叉的新兴学科，阻抗检测技术目 前国际、国内都有蓬勃发展，且应用在生物医学的各种领域。本研究处理 的信号来源于一种基于生物电阻抗的胃运动检测设备。 由于其它生理信号( 如心电、呼吸) 以及受检者体位变化等的干扰，采 集到的胃动力阻抗信号往往是多信号的混合，信号分离与处理难度较大。 如何在超低频段上稳定可靠地去除呼吸等干扰，有效提取胃阻抗信号，至 今还是有待解决的重要技术问题之一。这是本课题的难点和创新点。本文 从分析胃动力信号的特点入手，探讨适合胃动力信息处理的时频分析方 法，并对拟选用的方法作了介绍和初步适用性研究。主要工作有： 课题运用小波多分辨分析用于胃动力信号处理，正确分离胃电、胃 收缩、胃排空、肠蠕动、呼吸、测量过程中的干扰等频率相近的极低频率 信号，重构出了胃蠕动节律信号、胃电信号以及胃排空信号。完成了本课 题的信号处理任务，这是课题的关键点。 完成了胃动力信号参数计算、分析。包括来源于生物阻抗胃运动信 号的时域参数、频域参数、动态谱图、变异系数等，并在胃动力参数的分 析与评价中同时考虑胃电活动、胃收缩与胃排空等环节的联系、变化等， 进而反应胃动力系统的生理、病理过程。 进行了胃动力评价的实验研究。通过胃排空试验、蠕动检测实验对 比验证了分析方法的可行性，实验结果很好地支持了研究内容。在设计的 两种试验中一些参数显示出了统计性意义，而且其统计学意义与生理过 程、病理状态吻合。 研究结果表明运用小波分析这种新的时频分析技术在处理胃动力这 种低频、微弱、噪声干扰大的生理信号是可行的，具有很好的应用价值。 阻抗胃动力技术提供的信息量是传统技术无法比拟的，传统技术仅能提供 简单排空或者简单电生理信号，多参数、多信息也是本课题一个较突出的 特色。 关键词：胃动力，生物阻抗，小波变换，多分辨分析，频谱分析 a b s t r a c t g a s t r o i n t e s t i n a ld i s e a s ei sac o n l m o nd i s e a s e ；t h ei n c i d e n c eo ft h et o t a l p o p u l a t i o ni sa b o u t1o t ol2 n o wi m p e d a n c et e c h n 0 1 0 9 yf o rd e t e c t i n g s t o m a c ha r ef l o u r i s h i n gd e v e l o p i n gi nf 0 r e i g na n dd o m e s t i c ，a n da r ea p p l i e d i nv a r i o u sb i o m e d i c a lf i e l d i nt h i sp a p e r ，t h es i g n a la n a l y z e di s f r o mt h e d e t e c t i o ne q u i p m e n to fg a s t r i cm o t i l i t yb a s e do nb i o i m p e d a n c e t h es i g n a la c q u i s i t i o no fg a s t r i cm o t i l i t yi m p e d a n c ei so r e nm i x e dw i t h o t h e rp h y s i 0 1 0 9 i c a ls i g n a l s ( s u c ha se c g ，r e s p i r a t i o n ) ，a sw e l la si n t e r f e r e n c e d u r i n gt op o s t u r a lc h a n g e s t h es e p a r a t i o na n dd i s p o s a lo f t h es i g n a l sa r ev e r y d i f f i c u l t h o wt or e m o v et h eb r e a t h i n gi n t e r f e r e n c er e l i a b l y 行o mt h e u l t r a l o w f r e q u e n c ya n dt oe x t r a c ti m p e d a n c es i g n a le f f e c t i v e l yi s s t i l lo n eo f t h ei m p o r t a n tt e c h n i c a li s s u e s t ob er e s 0 1 v e d t h i si st h ed i f f i c u l t ya n d i n n o v a t i o no ft h i sr e s e a r c i h i nt h i s p a p e r w e f i r s t l ya n a l y z e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so fg a s t r i cm o t i l i t ys i g n a l s ，a n dt h e nw ed i s c u s s e dt h ea n a l y s i s m e t h o do fg a s t r i cm o t i l i t yi n f o 咖a t i o ni nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i nt h a t a d a p t si t ，a tl a s tw ep r e s e n t e dt h em e a n sc h o s e na n dd op r e l i m i n a r yr e s e a r c h i na p p l i c a t i o n t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： w a v e l e tm u l t i r e s 0 1 u t i o na n a l y s i sw a se m p l o y e dt oc o r r e c t l ys e p a r a t e e g g ，g a s t r i cc o n t r a c t i o n ， g a s t r i ce m p t y i n g ， p e r i s t a l s i s ，r e s p i r a t i o n a n d ， i n t e r f e r e n c eb e c a u s et h e yw e r ea l ll o w f r e q u e n c ys i g n a l s t h es i g n a l so f g a s t r i cp e r i s t a l s i sr h y t h m ， e g ga n d g a s t r i ce m p t y i n gs i g n a l w e r e r e c o n s t r u c t e d t h et a s ko fs ig n a l 一p r o c e s s i n gt a s k si s t h ek e yp o i n to ft h e r e s e a r c h ( 至) t h ep a r a m e t e r so fg a s t r i cm o t 订i t yh a v eb e e nd e s i g n e d i nt h ea n a l y s i s a n de v a l u a t i o no fg a s t r i cm o t i l i t yp a r a m e t e r s ，t h ec o 玎e l a t i o nc h a n g e sa n dt h e a c t i v i t i e so fg a s t r i ce n l p t y i n ga n dg a s t r i cc o n t r a c t i o nh a v eb e e nt a k e ni n t o a c c o u n t t h ep a r a m e t e r si nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n ，r u n n i n gs p e c t m ma n d c o e f n c i e n to fv a r i a b i l i t yc o m i n gf r o mb i o - i m p e d a n c eh a v e r e f l e c t e dt h e p h y s i o l o g i c a la n dp a t h o l o g i c a lc o u t s e ( 爹e x p e r i m e n t t oe v a l u a t e g a s t r i cm o t i l i t y h a sb e e ne x e c u t e d t h e e x p e r i m e n t s o fg a s t r i ce n l p t y i n gt e s t a n dp e r i s t a l s i sa n a l y s i sv e r i f i e dt h e l i 重庆邮电大学硕士论文 摘要 f e a s i b i l i t y o ft h em e t h o d s t h ed e s i g no ft h et w ot e s tp a r 锄e t e r ss h o w e d s t a t i s t i c a ls i g n i f i c a n c e ，a n dt h es t a t i s t i c a ls i g n i f i c a n c ew e r ea d a p t e dt oi t s p h y s i 0 1 0 9 i c a lp r o c e s s e sa n dp a t h 0 1 0 9 i c a ls t a t e g a s t r i cm o t 订i t ys i g n a l sa r ep h y s i o l o g i c a ls i g n a l so f1 0 w - f r e q u e n c y ，w e a k a n di n t e r f b r e dw i t ho t h e rn o i s e w a v e l e tt r a n s f b n ni san e wa n de f f e c t i v e t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i st e c h n o l o g y ，a n dw a su s e dt op r o c e s sg a s t r i cm o t i l i t y s i g n a l s t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di sf e a s i b l ea n dh a sg o o d v a l u e t h es y s t e ms u p p l i e sm o r ei n f o m a t i o nt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ， w h i c hc a no n l yp r o v i d eh a l fe m p t y i n gt i m eo rs i m p l ee l e c t r o p h y s i o l o g ys i g n a l m u l t i - p a r a m e t e ra n dm u l t i - i n f o m a t i o na r ea l s ot h es p e c i a lf e a t u r e so ft h i s r e s e a r c h k e y w o r d ： g a s t r i c m o t i l i t y b i o i m p e d a n c e ， w a v e l e tt r a n s f o m ， m u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i s ，s p e c t r u ma n a l y s i s i i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 目录 摘要i a b s t r a c t ll 第一章绪论1 1 1 弓j 言l 1 2 胃动力研究发展概况1 1 2 1 胃动力检测方法1 1 2 2 阻抗与胃动力一4 1 3 本课题研究的内容及其意义5 第二章生物阻抗法测量胃动力7 2 1 胃运动的生理概述7 2 1 1 胃的结构及功能7 2 1 2 正常的胃动力7 2 2 基于生物电阻抗的胃动力检测方法9 2 2 1 生物阻抗方法一9 2 2 2 阻抗式胃动力检测方法1 1 2 2 3 阻抗胃动力研究发展1 2 2 3 本章小结。1 4 第三章胃动力阻抗信号的数据处理与分析15 3 1 胃动力信号特点1 5 3 2 医学信号处理的时频分析技术1 6 3 3 小波分析理论。1 7 3 3 1 小波分析的语法规则1 8 3 3 2 小波分析的去噪原理2 0 3 4 基于小波的胃动力阻抗信号的提取和处理。2 1 3 4 1 原始阻抗胃动力信号2 l 3 4 2 分解算法研究2 4 3 4 3 小波基函数的选择2 5 3 4 4 小波去噪方法对比研究2 7 3 4 5 胃蠕动信号提取与处理3 0 3 4 6 胃蠕动信号与同步胃电信号分析提取3 2 3 4 7 胃排空信号提取与处理3 3 3 5 本章小结3 4 第四章胃动力阻抗信号的参数提取3 5 4 1 频谱分析及参数计算3 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 胃肠疾病是一种常见病、多发病，其发生率约占总人口的1 0 1 2 【1 】。胃肠 病的危害相当严重，如果胃肠疾病长期得不到治疗，将会导致身体功能严重失衡 甚至引发癌变。患了胃肠疾病还会影响工作、生活、劳动和情绪等。因此，胃肠 病专家特别重视对胃肠疾病的预警和治疗。胃肠疾病患者大多在表现出器质性病 变时，已经出现了功能性改变。在我国，胃肠病例中的5 0 与胃动力异常相关， 已受到消化内科医生的特别关注和重视【2 1 。 胃肠动力学是一门正在迅速发展的、多学科交叉的新兴学科。在国外，胃动 力学的研究也还是一个十分年轻的医学前沿课题，国内则起步较唰1 1 。 长期以来，人们对胃动力功能的研究远远落后于对胃的内、外分泌功能及胃 的形态学的研究。其中一个很重要的原因就是缺乏方便、有效的胃动力学检查方 法或手段【坫】。 生物阻抗技术的研究最早始于1 8 7 1 年，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 息的无损伤检测技术。在胃的活动期，如胃排空或胃蠕动时，由于胃的形态及其 内容物组成情况与容积的改变较大，其电特性变化非常明显，变化规律与胃动力 学状况相对应。胃动力阻抗信号比较容易提取【3 4 】。这种技术或方法，具有无创、 廉价、安全、无毒无害、操作简单和信息丰富等特点，医生和病人易于接受，具 有广泛的应用前景。以下就胃动力检测方法的研究现状加以概述，并说明本课题 研究的内容及意义。 1 2 胃动力研究发展概况 1 2 1 胃动力检测方法 胃运动的检测包括胃的收缩、蠕动规律以及胃排空时间的测量。在国内外现 发展出多种检测方法，腔内压测量、恒压器检查属有创方法；胃排空闪烁显像、 放射性核素呼气试验、不透x 线标志物测定胃肠道通过时间检查等为核素方法； 超声法、胃电图法等属无创方法。 1 9 2 2 年，a l v a r e z 首次报道了从人体表记录的胃电活动。其后，许多学者以 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 不同方法在人和动物进行了关于胃电的一系列研究。胃电活动是胃动力的基础， 胃电图( e l e c 仃o g a s t r o 伊锄，e g g ) 通过体表电极描记法记录胃肌电活动变化可作为 胃运动功能的客观指标。 签麦冒电图无创、方便，是目前应用较普遍的方法之一，胃被认为是一个电 收缩搅拌腔，有许多情况与心脏电生理学相似，但胃电只反映胃的电活动频率， 包括正常的神经肌肉活动，也包括与恶心和胃排空延迟相关的胃电节律紊乱。胃 电图是检测胃平滑肌细胞的慢波电位。胃运动生理学认为，慢波电位的变化不会 直接引起胃肌收缩，只有当叠加了一动作电位时才会引起胃肌收缩，收缩的强度 和频率与动作电位的大小和数量成正比。而慢波电位只是决定了胃蠕动的速度、 方向和节律。且大量研究证明，即使在消化间期移行性复合运动( m i 鲥i n gm o t o r c o i n p l e x e s ，m m c ) i i i 期或餐后，也并非1 0 0 的慢波电位上均叠加了动作电位。 所以胃电图无法直接反映胃运动过程【5 1 。 因此体表胃电检测无创、方便，可以直接用于评价与胃节律有关的疾病【6 】， 但体表胃电的产生并不是完全对应于胃的活动【7 】，如果只采用体表胃电作为评价 依据，那在胃蠕动和胃排空等机械活动过程中，对由机械活动失常所引起的胃动 力紊乱就不能做出准确判断【8 】。 膣凼压左望量是定量检测胃收缩的最为常用的方法。将固态或灌注式测压导 管插管到胃内适当位置，插管可以在内窥镜下或者x 光透视下进行，应用腹部x 线摄片可确定导管的准确定位。通过压力传感器和连接器可将导管连接各种压力 记录仪，从而定量检测胃收缩，测量胃的机械活动。早先曾经用钡餐实验来检查， 尽管透视方法可以发现各种腔闭合性或非腔闭合性收缩，但是结果不容易被量 化，只能简单研究胃的排空效应而已。理论上，应用腔内压力测量可以研究胃动 力，即胃的运动。胃的运动包括空腹和餐后以及各种环境和个人刺激因素下的胃 肌肉收缩与松弛，而腔内压力检测需要很高的检测条件，必须配有x 透视装置、 各种记录器以及对消化道插管。并且胃的肌肉或者机械活动受到电活动的调节与 介导，而本技术只有单一的机械压力指标，对胃动力评价与评估显得单一而且操 作繁琐。 垣压矍捡测是指通过向腔内气袋注入和回抽气体保持袋内压力恒定而测量 胃内压力的办法。进餐时胃的近端舒张，以容纳食物。继而胃张力恢复。胃近端 以张力性活动为主，而远端则以节律性收缩为主。胃的储存和排空功能协调一致。 胃张力记录可以发现胃的储存功能是否正常。胃张力测定需要电子恒压器。其原 理是在胃腔近端放置一个气囊，并与电子调节泵连接。胃松弛时电泵泵入气体， 收缩时吸出气体，使气囊内始终维持恒定的低压水平。这种恒压器可定量测定胃 上部的慢收缩和松弛，还可以观察在不同水平气囊内压时气囊容积的变化。此外， 2 重庆邮电大学硕+ 论文第一章绪论 与胃排空或测压同步进行时，能进一步研究相互间的关系。迷走神经切断术后胃 底顺应性降低，一些非手术患者餐后易早饱，有类似的运动病理。该方法在测量 时要向胃内插管，患者不宜接受【9 】。 放射性核素闪烁显像是4 0 多年前由g r i 伍t h 和他的同事第一次用5 l c r 标记 的麦片粥测定胃排空而发明的技术。与前述方法相比，闪烁显像是非侵袭性的， 不受正常生理功能的干扰，并能对固体、液体定量分析。与医院放射科所用方法 比较，闪烁显像使用低放射性核素，易于定量，并使用普通的可消化食物而不是 钡餐这样的非营养物质，对被试者的影响更小。一旦固相或者液相的食物被放射 性核素标记，并进行合适的衰减校正后就可以用核医学相机记录放射性计数，直 接得到胃内固相或液相的容积比例，分别用几何假设的方法测定胃内残留的固体 和液体。该方法也在其他影像学检查中应用，由于闪烁显像易于定量，准确性高 现在已经成为测定胃排空的金标准【l0 1 。闪烁核素显像法主要测定参数是排空时 间、半排空时间以及目前也越来越被研究者认可的固相食物延迟相时间，但是本 检测方法试餐要求很高需要专门许可并对测量结果有较大影响，测量结果参数单 调，仅有排空数据还不能全面评价胃运动信息，还需要实时获取胃蠕动的运动信 号以及胃的电信号传播状况。另外一些受试者对放射性标记物耐受性差，甚至出 现恶心、呕吐等消化道症状，使应用受到一定限制。 x 线对比造影法：这是利用钡剂或其它不透x 线的食物进行x 线观察，以 研究胃动力的方法。早在1 9 0 2 年，c 锄o n 就己报道以x 线透视法观察胃的容纳 与排空。应用对比造影法作x 线透视、摄片或电影，可观察胃所处的位置、张 力高低，蠕动波的频率与深度，以及胃排空情况。当今该法仍被广泛应用。但以 该法观察胃运动与排空较难定量。且钡剂对胃有刺激作用。有学者对钡餐显示为 胃排空延迟的受检者作同位素法复查，结果近半数属胃排空正常。因此，x 线观 测胃排空的临床意义有待进一步研究。 实时超声法：1 9 8 2 年d a t 锄a i l 等报道，由六十多个传感器组成的探头对胃 进行线阵式实时超声扫描，可成功测量胃的流质排空。他们以该法发现，应用“胃 复安 一组受检者的液体排空，较生理盐水对照组明显加快。因而认为，以超声 检测胃排空的方法安全、简便、可重复。但该法费时较多且有某些技术问题，如 胃内气体干扰成象等，须进一步研究解决。 放射性核素呼气实验：胃闪烁显像以放射性( 通常是 咖 和 1 1 1 h 1 ) 为基 础的检查技术对于检查者和相关人员来说又暴露于放射线的危险而且需要配备 昂贵的检测系统和分析设备就更限制了其应用，近年来发展了呼气实验可以克服 上述缺点。放射性核素呼气实验可分析进食含稳定放射性核素 c 标记的食物后 呼出气体中”c 1 2 c 的比值变化。通过简单的光谱测定法或者激光红外分光镜检 人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术，具有无创、无害、廉价、 操作简单和功能信息丰富等特点，医生和患者易于接受。 胃动力，或胃的运动和排空是一个复杂的电活动机械收缩和传导的过程， 它由胃平滑肌的肌电活动开始，引发胃体、胃窦收缩并向远端的幽门传播。它遵 从电活动的节律，也取决于传导性收缩的幅度、收缩时限、方向以及传导的距离 等因素的影响，同时还受到食物种类、胃肠激素反应、昼间变异等多种因素的制 约。只是单独从电( 活动) 或机( 械收缩) 的角度认识和研究胃动力显然是不完 整的。 鉴于胃动力是一个复杂的电活动机械收缩和传导过程，本研究在综合分析、 研究了国内外胃动力学检测方法现状与发展动态的基础上，提出应基于电机复 合系统的高度，重新认识胃的电活动，胃收缩与胃排空等环节的联系、变化和因 果关系，应综合提取电起搏一引导收缩传导控制效果，即整个电一机复合过程中 胃动力学信息，分析其变化规律，并将其与胃肠生理和病理联系，以建立全面、 准确、有效的胃动力学检查和评价方法。 胃是人体比较容易提取阻抗信息的器官之一，在胃的活动期，如胃排空或胃 收缩、蠕动时，由于胃的形态、容积及其内容物组成情况的改变较大，其电特性 变化非常明显，变化规律与胃动力学状况相对应，相关性强。阻抗法测胃动力 4 本文拟解决的关键技术问题： 1 ) 完成了胃动力信息处理方法研究：根据胃动力信号的特点，利用小波 分析这一时频分析方法，以及多分辨率分析算法正确分离胃电、胃收 缩、胃排空、肠蠕动、呼吸、测量过程中的干扰等频率相近的极低频 率信号，提取出正确的胃动力信息。这是本课题的关键点。 2 ) 完成了胃动力评价方法的参数设计：胃动力信号相关参数计算分析包括 蠕动信号、功率谱图、动态谱图、排空曲线等图谱参数；功率、幅度、 节律、节律比、变异系数等数字参数。并在胃动力参数的分析与评价中 同时考虑胃电活动，胃收缩与胃排空等环节的联系、变化等。 3 ) 进行了胃动力评价的实验研究：胃排空试验、蠕动检测实验对比验证分 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 析方法的可行性，实验结果很好地支持了研究内容。在设计的两种试验 中一些参数显示出了统计性意义，而且其统计学意义与生理过程、病理 状态吻合。 本文研究内容还包括以下几部分工作： 第二章介绍胃生理及胃运动功能的相关知识以及生物阻抗测量胃动力的技 术方法和阻抗测量胃动力系统总体介绍。 第三章胃动力信息处理方法研究：利用小波多分辨分析技术正确分离胃电、 胃收缩、胃排空、肠蠕动、呼吸、测量过程中的干扰等频率相近的极低频率信号， 提取出正确的胃动力信息。 第四章胃阻抗信号相关参数计算分析，包括功率谱图、动态谱图等图谱及 功率、节律、节律比、变异系数等数字参数。 第五章进行了胃动力评价的实验研究：胃排空试验、蠕动检测实验对比验 证分析方法的可行性。 基于生物阻抗的胃动力测量方法能够提供一种无创的方法来研究和估计与 胃肠生理学和病理学情况一致的胃动力情况。下一章将详细介绍生物阻抗技术理 论、阻抗式胃动力的测量系统和技术方法以及其发展应用。 6 胃是消化道中内腔最大的器官，上接食管、下连十二指肠。全胃分为贲门部、 胃底部、胃体部、胃窦部和幽门部。它是主要的消化器官，在食物的容纳、消化、 运输中起着重要作用。进入胃的食物，与胃分泌液充分混和研磨后变为食糜，食 糜中的蛋白质在胃中可以得到初步消化，无机盐、水和醇类则可部分被吸收【l9 1 。 在生理学上讨论胃运动时，通常将胃分为首区和尾区。胃首区包括胃底和胃 体口侧部，其膜电位表现缓慢低幅值的去极化，不产生起搏电位，运动方式是缓 慢持久的紧张性收缩，生理功能主要为接受、储存固体食物并转运液体到十二指 肠。胃尾区含胃体尾侧部、胃窦和胃十二指肠连接部，该区有向远端传播的周期 性。基本电节律( b a s i ce l e c 缸c a lr h 舛l i n ，b e r ) 和负载的峰电( s p i k ep o t 朗t i a l ，s p ) 可产生起搏电位，以蠕动性收缩活动为特点，起胃泵的作用。主要生理功能为混 合、研磨、排空固体食物且防止十二指肠胃反流。胃尾区、幽门括约肌及近端十 二指肠形成一个重要的动力区，调控着胃的排空功能【2 0 】。 胃的功能分为内、外分泌功能及动力功能。胃的动力功能是消化系统最重要 的生理功能之一，是在神经、体液等因素的调节下由胃平滑肌协调运动完成的， 它包括食物入胃以后的容纳、混和、推进、排空和屏障等作用【2 1 1 ，是消化道消 化和吸收的基础。 2 1 2 正常的胃动力 胃的运动，即胃肠道对食物的混合与推进功能是通过三种类型的收缩运动的 调控完成的：( a ) 节律性位相性收缩运动；( b ) 极度推进性收缩运动；( c ) 张力 性收缩。在餐后与消化间期，依靠节律位相性收缩运动混合食物并缓慢向远端推 进。这些收缩运动对食物混合及推进功能的效应取决于他们的空间和时间特性。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章生物阻抗法测量胃动力 收缩运动的传导性对食物正常推进至关重要。肠道神经元以及肠平滑肌细胞与 c 旬a 1 细胞产生的慢波参与调控这些收缩运动。极度推进性收缩运动包括两种类 型：( a ) 巨大移行性收缩运动( 百a n tm i 鲫i n gc o n 仃a c t i o i l s ，g m c s ) ，可推动食 物团块向远端移动；( b ) 逆行性巨大收缩运动( r e 昀舀a d e 西a i l tc o n 仃a c t i o n ，r g c s ) ， 可推动食物团块向近端移动。g m c s 可导致收缩和松弛张力的下行抑制，而位相 性收缩无此作用。在特殊情况下，他们还产生腹部痉挛性疼痛感觉。在呕吐前， 通过内脏运动发射，逆行性巨大收缩运动可使小肠上段内容物迅速反流入胃内。 张力性收缩运动的精确生理作用尚不明确，他们可持续数分钟至数小时，通过缩 小肠腔直径可能增强周期性和极度推进性收缩运动。不同的胃肠道器官对食物的 混合作用强度和推进速度存在很大区别。相应的，不同器官间三种收缩类型的空 间和时间特性也大相径庭【2 2 1 。 胃的上述三种运动在胃的不同消化时期表现不同。 ( 一) 消化期的胃运动 胃运动的主要形式以及作用：食物刺激咽、食管等处的感受器，发射性引起 ( 近端) 胃舒张，胃容积增大( 5 0 i i l l 增大至1 5 0 0 i i l l ) ，传出神经发出作用，释 放肽类递质。从而有利于胃容纳食物。胃平滑肌还主要表现出节律型位相性收缩 运动，产生食物的搅拌、混合、研磨、推送食物的效果。食物入胃5 m i n 开始， 就有了这种收缩运动，而且一般是从胃的中部开始，向幽门部推进并逐步增加节 律，一般是3 次m i n 。紧张性收缩也必不可少，这样可以保持胃的形态、位置， 也属于胃蠕动的基础。 消化期的胃运动最终导致胃中的食物进入十二指肠而排空。其大致过程是： 胃的蠕动导致胃内压升高，升至大于十二指肠内压，这是一个做功过程，由这种 动力克服十二指肠内压以及幽门瓣的作用来实现胃排空，一般混合食物排空时间 是4 6 h 。胃的排空也受到多种因素的控制，其中胃排空的速率与胃内食物量 的平方根成正比，也刺激胃肠反射，刺激胃壁神经丛反射，分泌胃泌素，加快胃 动力，从而促进排空。但是人体系统始终是保持平衡的，这种排空也是与小肠的 消化吸收相适应，间断性的一点一点地进行的。 ( 二) 消化间期的胃运动 消化间期胃运动的特点就是移行性复合运动，它分为4 个时相，耗时 9 0 1 2 0 m i “周期。 1 相：静止期，4 5 6 0 m i n ； 重庆邮电大学硕士论文 第二章生物阻抗法测餐胃动力 2 相：间断不规则收缩； 3 相：连续强烈收缩，5 l o m i i l 排空； 4 相：过渡期，5 i i l i n ； m m c 昼夜节律性排空，夜间排空速率比白天慢；呈现间断性特点。 2 2 基于生物电阻抗的胃动力检测方法 2 2 1 生物阻抗方法 医学电阻抗( m e d i c a le l e c t r i c a lh i l p e d a n c e ) 技术，亦称生物阻抗( b i o i m p e d a i l c e ) 或简称为阻抗( h t l p e d a l l c e ) 技术。生物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 生物医学信息的无损伤检测技术。它通常是借助置于体表的电极系统向检测对象 送入一微小的交流测量电流或电压，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，获取相关的生理和病理信息，如细胞测量、体积测量、人体组 织结构分析、人体成分分析等方面。这种技术或方法，具有无创、廉价、安全、 无毒无害、操作简单和信息丰富等特点，医生和病人易于接受，具有广泛的应用 前景【2 3 】。 生物体组织成分的变化，如脂肪、水分、电解质等的变化，都会引起生物体 阻抗的变化。就是说生物阻抗含有生物体的生理功能和病理生理状态的信息。因 此阻抗信号的获得和处理也是生物医学信号处理的重要内容。从信号的产生特征 来看，阻抗信号属于诱发信号。从获得阻抗信号的硬件( 换能装置) 装置来看， 主要有两类：电桥法( 两极法) 和伏安法( 四极法) 。所用的激励电源为2 0 2 0 0 k h z 的正弦交流电。 生物阻抗测量的基本原理生物组织的等效电路模型讲i 生物组织含有大量不同形状的细胞，这些细胞之间的液体可视为电解质。因 此，当直流或低频电流施加于生物组织时，电流将以任意一种方式经过细胞，主 要流经细胞外液。当施加于生物组织的电流频率增加时，细胞膜电容的容抗减少， 一部分电流将穿过细胞膜进入细胞内液。所以生物组织的低频阻抗较大而高频阻 抗较小，阻抗值由大到小的过渡恰好反映了生物组织细胞膜的电容性质，生物组 织的这种特性最早被p h i l i p p s o n ( 1 9 2 0 年) 所认识，并导出了等效电路的概念。 生物组织的电路模型可用图2 1 所示的电路等效，其中的黜、r e 、c m 代表 整个生物组织的等效内、外液电阻和膜电容，这就是所谓的三元件生物阻抗模型。 9 重庆邮电大学硕+ 论文第二章生物阻抗法测量胃动力 生物阻抗测量的基本方法 对生物组织阻抗的测量，在不同频段有不同的测量方法，用于不同部位时情 况也稍有不同，但总体测量结构大致如图2 2 所示。 测量的关键在于电极系统的选择，在低频段一般采用电桥法、双电极法、四 电极法和四环电极法。目前常用的是四电极测量技术，将供电电极与测量电极分 离，测量电极处于电流密度分布比较均匀的中间段，这样就很好地克服了皮肤 电极接触阻抗问题以及电极与生物组织电解液之间的极化问题，大大提高了测量 精度。 r 1 一_ 、 l 激励源 e 幸( 人体) l j 、j b 豳每回日圆由回 图2 1 生物组织等效电路模型图2 2 生物阻抗测量结构框图 伏安( 四电极) 法测定阻抗信号原理 临床使用比较多的是测定阻抗信号的伏安法，亦称为直接法或四极法。 ( 一) 伏安法阻抗测量基本原理一全电路欧姆定律 如图2 3 ，根据欧姆定律，a 、b 间的电位差为： = t 墨 ( 2 1 ) 若能保持电路中的电流t 恒定，则足与u 彻成线性关系，测量出a b 两点 之间的电位差变化即可得到待测阻抗或电阻的变化。由图可以看出，回路电流l 为：厶= 羔 ( 2 2 ) 为： ，+ 尺x ( 2 2 ) 因此，欲使乞= 埘r ，理论上要求，专o o ，即要求高内阻的电源。可见， 伏安法要求使用恒流源。 ( 二) 生物绢织的容积阳抗 1 0 重庆邮电大学硕十论文 第二章生物阻抗法测量胃动力 阻抗包括电阻和电抗，电抗又可分为容抗和感抗，对于生物体包括人，感抗 是可以忽略。因此可以认为：生物体内的阻抗由电阻和容抗两部分构成的。当通 电频率足够高时，容抗很小，可以忽略不计，对于人体z 尺，即可以把体内的 阻抗看成只是由纯电阻构成的。根据这一原理，把机体作为电阻，当适当频率和 强度( 5 0 1 0 0 k h z ，0 5 翻俄) 的恒定电流通过被测组织，拾取这段组织的电 阻变化信号，即可代表该组织的阻抗变化。阻抗值大小与电流特点有关，也与组 织特性有关。因此，血管内血流量、心脏活动和呼吸改变均可引起阻抗的改变。 伏安( 四极) 法阻抗信号测量系统 伏安( 四极) 法阻抗测量系统框图如图2 4 。图中z s k l 、z s k 4 为激励电极与 皮肤的接触阻抗，z s k 2 、z s l ( 3 为测量电极与皮肤的接触阻抗，z b l 、z b 2 为测量 电极与激励电极间的组织的阻抗。前置放大器( p a ) 测量的是由缓慢变化的阻抗信 号调制了的高频( 2 0 1 0 0 k h z ，依具体设计而定) 信号。经解调和低通滤波处 理后，得到基础阻抗z o ，其值一般在2 5 3 5q 之间。其中随血流的波动的部分 经o a 2 放大后输出阻抗的变化部分z 。阻抗的变化部分经o a l 、c 1 、r 1 组成 的有源微分电路微分后，输出阻抗微分信号倒d t 。将z o 、z 及d z d t 数字化 后，可输出数字信息。在实际应用中，在被测电路中串联一标准电阻，以接入 短路方式操作提供校准方波。 图2 3 伏安法基本原理图2 4 伏安( 四极) 法阻抗信号测量系统 典型的四电极测量系统包含两对电极，一对电极( 电流电极) 将恒定幅值的交 变电流引入生物组织，另一对电极( 电压电极) 介于两电流电极之间，将检测出被 测部位的电位差。 2 2 2 阻抗式胃动力检测方法 在人体的各个组织、器官中由于血液的电阻率较低，肺的电阻率较高【2 5 1 ， 所以阻抗法较多地用于测量血流阻抗、心输出量以及呼吸监护【2 8 1 。阻抗检测技 术目前国际、国内都有蓬勃发展，且应用在生物医学的各种领域，说明在胃部体 1 1 重庆邮电大学硕十论文第二章生物阻抗法测量胃动力 表测量的阻抗变化能够在一定程度上反映胃的蠕动及排空情况。 胃区阻抗信号通过在腹部电极外加变化的电流测量电位差来获得阻抗值。被 测者上腹部阻抗随胃以及其周围组织体积变化而变化【2 9 1 。 本文的阻抗胃动力信号采集来源于本实验室设计的一种基于阻抗法的无创 胃动力信息检测设备。检测系统整体由胃电和胃阻抗信号同步采集系统、胃动力 信息分析系统和主控电路三部分构成。该设备利用恒流式阻抗测量法中的四极法 设计胃阻抗信号采集电路和恒流源电路，同时利用四极法中的检测电极作为胃电 信号采集电路的输入端，实现胃电信息和胃阻抗信息的同步获取，为后续分析两 者间的相关性提供了依据。系统中两对导联电极一对为恒流源激励；另一对为信 号采集导联，胃电和阻抗胃运动信号共用信号采集电极，在电极导联线后分路进 行分别地信号滤波和送入信号采集设备的两个a ，d 通道。导联的电极选用通用 的a g a g c l 惰性电极。电路示意图如图2 5 所示。 洲筇电极 背丽 图2 5 胃阻抗、胃电信息采集系统图2 6 电极摆放位置 采集方法是将4 只一次性电极置于受试者上腹，如图2 6 ，其中的激励电极 输入峰峰值为4 n 认、5 0 k h z 的恒定电流，另一组信号采集导联电极用于提取阻 抗信号和胃电信号，将阻抗方法和胃电测量同步进行以获得胃电活动和胃收缩的 信息。获得的胃动力信号经过电极进入a d u c 8 3 4 ，经处理后，把采集到的胃动 力数据经过串口送入计算机。计算机中的应用程序从串口接收数据，并对其进行 数据处理和显示： 该方法通过体表电极连续的检测胃的运动信号，根据胃阻抗随胃的内容物变 化而变化的原理分析胃功能。通过提取与胃动力学状况相对应的电特性及其变化 信息，反映胃的收缩、蠕动及排空过程，从而达到检测与评价胃动力功能的目的。 表面电极的引入是该技术一个优点，利用最新的技术发展成果的表面电极通常轻 而小。这种方法叫做阻抗法测胃动力，对被测者无创。 2 2 3 阻抗胃动力研究发展 1 9 8 5 年s 砸o n 报告了采用阻抗方法提取胃运动信号的研究工作。他们用4 电极体表阻抗方法得到了反映胃排空过程的曲线，并从中获取到与胃收缩频率相 嘏v 重庆邮电大学硕士论文第二章生物阻抗法测量胃动力 一致的、2 - 4 次m i n 的胃蠕动信号。随后，s u t t o n 将阻抗法测得的胃排空时间 与染料稀释法得到的结果进行了比较，发现两者差别不大，认为上腹阻抗法能反 映胃内容物变化及排空过程。他们还对食物电导率和胃酸变化所导致的影响进行 了考察。结果表明，对于不同电导率的定量液体食物，阻抗的变化没有一致的联 系；对同一受试者同时测量p h 值、电导率和阻抗，当食物的导电性增加时，阻 抗值和p h 值下降，阻抗和食物电导率之间不存在线性互反关系。他们还研究了 药物对胃排空的影响，观察到在服用胃复安后，阻抗法记录的平均半排空时间显 著低。s u 仕o n 的研究工作卓有成效，为采用阻抗方法提取胃动力信息奠定了良好 的基础【3 0 】。 1 9 8 7 年f 锄i l o l l i 将阻抗方法和胃电测量同步进行以获得胃电活动和