生物阻抗特性及测量的国内外现状

1、姓名：袁亚南学号：0743032052 班级：07303042生物阻抗特性及测量的国内外现状生物阻抗：人类很早就了解到生物的电阻特性，也给出了生物体产生电阻的原因： 它是当细胞内外液中电解质离子在电场中移动时，黏滞介质和狭小管道对离 子运动的阻碍作用所致。进一步的研究表明，当低频电流通过时，生物结构 具有更为复杂的电阻性质，可分解为不随时间变化的分量和随时间变化的分 量。前者就是普通的直流电阻成分，在一定限度内阻值保持不变，电流与电 压呈线性关系，起变阻器作用；后者随外加电压时间的延长，电流和电压的 变化呈非线性变化，即具有交流电阻抗特性（或成分），起滤波器的作用。目 前，这两种作用是解释神经

2、和肌肉等组织兴奋和冲动的基础。在描述物质的电阻特性时，有两个重要的概念：一是电阻率；二是电导 率。它们之间互为倒数，都是表示物质导电性能的物理量。表5.1中列出了一些生物组织的电阻率和电导率。可以看出，人体内各种组织的电阻率极不 相同，血清电阻率最低，肌肉次之，肝、脑等组织的电阻率稍高，脂肪和骨 骸的电阻率最高，肿瘤组织与正常组织亦有差别，在身体内这些组织交叉组 合形成了非均质导体。表1各种组织的电阻率和电导率组织电阻率 （仙 cm电导率1(10 40 cm )组织电阻率 cm电导率1(1040 cm)0.9% 氯 化钠溶 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肾髓质400心肌（无 血）50 107皮质610（灌满 血）207224脂肪180822050.4肝506672690脑灰质480肺（呼 气）401555白质750（充气）744766生物膜具有电容特性，有关研究表明，生物膜不但具有静态电容性质, 而且还具有极化电容性质，即当外加交流电时，生物膜的电容率不仅变化,膜的电容值也要发生变化有关细胞的许多电特性研究表明，一般活细胞表面带有负电荷，细胞内 部电场为零，内部为等势区，只是在细胞膜上存在电场，因此细胞膜可以看 作是一个电容器。1925-1927年，H 弗里克用阻抗法测出狗的红电球细胞单位面积

4、的电容 值为0.81cm2，根据实验结果，弗里克提出了他的假设，认为多数类型 细胞膜为一球形膜，膜是由双分子层脂类分子组成，其相对电容率为；=3根据球形电容器公式可知，膜单位面积的电容公式为0 ；rCm 二d通过上式可得细胞膜的厚度为d3nm而现代测量手段（如X射线和电 镜等）测出的各种细胞膜厚度为 710.5 nm,结果不相吻合，这说明弗里克 假设的细胞膜结构存在缺陷。更新的研究表明，细胞膜的结构除双分子层脂膜外，在其两侧各覆盖一 层蛋白质层，形成蛋白质-脂类物-蛋白质的三重结构，如图5.2所示，它的 相对电容率为 10。如果将此值代入式（5.4 ），得到的细胞膜厚度为 d 10nm与现代技

5、术所测结果吻合得极好，说明了膜电容存在的真实性。对于细胞膜和细胞质而言，细胞膜既存在电容，又存在电阻；而细胞质W5. 2细胞膜的片层纠构只存在电阻。表5.2列出了一些细胞的电学参量。 在现代生物学中，对于生物器官、组织及细胞 电阻抗的研究有着非常重要的理论价值。例如，由 细胞膜电容值的测定，人们认识了膜的双分子层结 构；从肌肉细胞膜的高电容（1.5cm2）特性导 出了肌肉细胞膜的折叠性质；通过测定神经细胞受 刺激后阻抗下降、电导率增加规律，为人类对神经兴奋、传导和自发过程的认识提供了理论基础。另外，通过生物电阻抗的测 定，在医学上可以诊断机体的健康状况。表2某些细胞的电学性质对象CmBmrmr

6、ico说明酵母0.687°4602000海卵细胞Arbacia1.190°1002102.5 X 104单个细胞悬液人类红细胞0.890°肌肉Rana pipiee ns1.570°4025015与纤维轴垂直神经：乌贼（静止时）1.175°10330与纤维轴平行乌贼（兴奋 时）1.175°2590530与纤维轴垂直蛙坐骨神经0.5540°5602300与纤维轴垂直猎坐骨神经0.6540°7201000与纤维轴垂直注：Cm为单位面积膜电容（AFcm2）; Bm为单位面积膜的相角（度）； rm为单位面积膜电阻（ cml

7、）,为单位面积细胞质电阻（ cm ）；技为特征频率(KH0 ,它是阻抗最大时的频率。在生物电阻抗的研究中，多数人认为生物组织仅是电阻和电容组成，没 有电感性质。但某些实验表明，神经细胞在改变细胞外液的离子成分时，尤 其是改变钙离子浓度的情况下，发现有正性电抗成分，显示有电感元件的可 能。但在一般情况下，我们通常不考虑电感元件的作用。技术基础：生物电阻抗( Electrical Bioimpedance )技术，亦称生物阻抗 (Bioimpedanee )或简称为阻抗(Impedanee)技术，是利用生物组织与器官 的电特性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一种无 损伤检测技术

8、。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。这种技术或方法，具有无创、廉价、 安全、无毒无害、操作简单和功能信息丰富等特点，医生和病人易于接受。对于医学电阻抗的研究最早始于 19世纪末 20世纪初，医学电阻抗技术是 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

9、 理信息。生物阻抗特性及测量国内外现状：对生物组织电特性的研究可以追溯到 18 世纪。 1780 年意大利神经生物 学家 Galvani 通过观察蛙的神经肌肉收缩现象，建立了生物电理论。这个早 期的发现促使 Galvani 和其他研究人员开始使用可控电流来测试人体的反 应。在接下来的一个世纪里，在一些疾病的治疗中，电被认为是一种有效的 潜在的治疗方法。最早研究生物阻抗的是德国科学家Hermanr，他于1871年成功的测量了骨骼肌的电阻。1930年Sapegno用交流电桥第一次测出生物组 织的电容。1944年ColeKS提出生物组织的阻抗可能用复平面上的一段圆弧 表示。后来ColeRH再进一步将

10、其发展为Cole-Cole理论，并建立了生物组织 的三元件等效模型。1960年Schwan成功提出了频散理论，表明生物组织电 特性随频率在不同频段呈现显著变化。 至此，生物组织电特性理论基本形成。把生物阻抗测量与生物功能首先联系起来的是Nyboer,他利用电阻抗体积秒计数研究动脉脉冲波与流入人体器官中的动脉血流，还将阻抗特性用于 人体肢体测量并获得了较好的效果。而把生物阻抗测量用于人体成分分析的 开拓者是Thomasset，他把生物阻抗作为全身水量测定法的一个指标进行初 始研究。后来， Hoffer 等建立了总体阻抗与全身水量的关系。在此基础上， Henty 等人开始了用生物阻抗测量评价人体成

11、分的方法研究，研究结果初步 显示了阻抗法分析人体成分的可行性与有效性。现在，生物阻抗测量被医学 研究人员及医务工作者认为是非常有前途的一种技术，并已广泛应用于心、 脑、肺等血流图。呼吸及肺通气功能测量以及人体组成成分分析和阻抗成像 等诸多方面。在经络阻抗测量方面也有了应用，证实了经络低阻抗特性，不 过进一步的研究还不是很多。阻抗测量仪的研究上，国内外的很多学者做了大量的工作，不同测量原理、信号提取方法、不同应用范围等各个方面进行了相关的研究。 不同测量原理：生物阻抗测量中大多数研究者是采用输入激励电流测量 电压的方法，在电流源的设计上，对于单频可以直接用振荡器、振荡电路等 实现，多频的可以用

12、DDS正弦波发生器或锁相环频率合成产生。生物阻抗 测量对恒流源精度有很高的要求，许多学者在这方面作了工作。另外还有输 入电压测量电流的方法，以及分压的方法。近期也有学者采用无接触式驱动 和测量的方法，如通过线圈在人体中感应出电流，同时在皮肤表面通过放置 电极测量电压。信号提取方法：在生物阻抗测量系统的信号提取方面也有很多学者提出 了不同的设计方案。很多用模拟解调方法、乘积型 D/A 转换或者直接载波补 偿方法进行鉴相，再用 A/D 进行采样。也有采用随机采样、同步欠采样、 DSP 算法等信号处理方法进行提取的。不同应用方向：不同应用对生物阻抗测量系统有不同的要求，生物阻抗 代表着不同的含义，对

13、于成分分析、流量检测、功能成像等相关领域均有学 者做了相应的研究。针对不同应用，进行侧重本身要求的设计。目前的测量方法很多功能比较单一， 仅仅针对某一方面的研究进行设计， 很多都只是针对某一个或者某两个频率进行测量，可以实现多频测量的系统 在电路结构和信号处理方面相对都比较复杂，频带带宽不是很宽，频率分辨 率和频率变化速度也都有待提高，而且由于构成电路的部分比较多，所以稳 定性和抗干扰能力不是很好。而从生物阻抗频散理论可以看出，生物阻抗随 着激励频率的不同呈现出很显著的变化，所以可实现多个频路测量的系统对 生物阻抗技术具有更重要的意义。对阻抗谱测量系统可以从带宽、频率分辨 率和系统稳定性等方面

14、做一些工作。国外的生物阻抗技术在基础研究方面水平较高，以电阻抗断层图象技术（E I T）为发展方向的新一代生物阻抗技术正吸引着世界各国越来越多的研 究者。国内的生物阻抗技术以应用研究为主，以各种临床血流图为代表的生 物阻抗技术已广泛用于临床，并不断取得进展，临床应用水平较高。但是， 无论在基础研究还是在临床应用领域，使用单一测量频率、只取阻抗模量的 现行阻抗测量方法的现状是不能令人满意的。除了定量性差和定位性不好以 外，它还把一些可能是最重要的，最能反映生物阻抗特点和优越性的宝贵信 息丢失了。测量方法简介： 单频率测量方法。单频率测量方法相对比较容易实现，所获得的数据能 够简单反映人体组织的阻

15、抗特性和器官的功能状态，一些研究者将它作为临 床监护的基本参数。多频率测量方法。多频率测量也称频谱分析法，它可以得到模拟电路中 的Ri、Re和C,能够完整反映人体阻抗信息，从而提高了测量结果的再现能力。 多频率测量较多应用于人体成分分析，因为人体水分（细胞内液体和细胞外液体）和Ri、Re相 关性教高。此外，多频率测量方法还可以向 K、Ca Na离子等测量方向发展。复阻抗方法。根据电子技术相关理论，采用合适的测量频率，采用相敏 检测方法，即可同时提取复数阻抗的模量和相角，或者实部与虚部，以复阻 抗的形式描述被测组织与器官的电特性。从而获得包括附图中三元件影响在内的相关生理和病理学信息。根据国内外

16、文献报道， 以上三种生物阻抗测量方法有较好的应用效果并在 不断地完善中。根据不同地研究目的可以选择不同地研究方法或把不同方法 相结合，并不要一定局限于某一种方法。生物阻抗测量技术的应用 :细胞测量细胞计数器这种方法是阻抗技术在细胞领域广为人知的应用。它可以用 于计量悬浊液中的细胞数目。它是基于生物细胞很难传导低频交流电的原理 的，测量的原理相当简单：使细胞通过一个毛细管，当细胞通过时毛细管的 电阻抗便会发生变化。细胞浓度可以通过阻抗的波动来估计。有些时候甚至 可以由单个细胞通过时的阻抗峰值来提取细胞大小的信息。它被用来快速计 数细胞和测量它们个体大小。自从它成为细胞研究的有价值工具以来，几乎

17、每个生物实验室都有了一个。Velick和Gorin在四十年代就已经成功地使用了 这项技术。如果加上高频便能测到细胞内部并提供蛋白质评估。 血球容积测量如果在导电溶液中电介质粒子的形状和大小已知，那么可以估计到该粒 子的浓度。商业血液分析器已经用这种方法测量血球容积。细胞培育监测生 物阻抗可以量化工业生物反应器中的生物量或者研究细胞培育对于外界作用 的反应（毒素、高电压等）。体积测量生物阻抗不仅与生物组织电特性相关而且依赖于组织的几何形状。 因此， 如果组织的电导参数是已知的话， 阻抗方法可以用来测量组织的大小或体积。 此外，如果组织的电特性不变的话，可以通过观察阻抗波动来获得组织的体 积变化信

18、息。阻抗体积描记图在这个方法中，生物阻抗用于估计危急情况下的血容量。其中一个应用 就是通过测量充血时间来观测危急情况下的静脉血栓和静脉收缩情况。阻抗 心动描记图通过植入式电极或皮肤表面电极测量阻抗可以评估心血博出量 （胸廓阻抗图）。阻抗呼吸描记图阻抗心动描记图的基本原理也可以应用于 监测肺部呼吸情况。人体组织结构分析不同的组织存在不同电导参数，我们容易想到可以用生物阻抗来识别不 同的组织。很明显，这方面最有意义的应用应该是癌症监测。然而该想法从 诞生至今并没有重大的进展，这个领域的研究还需深入。不过，必须提到的 是：一种多通道生物阻抗装置现已商业利用于乳房癌成影。该系统所显示的 乳房阻抗图出可

19、以反映出乳房是健康的还是有癌症。组织监测用阻抗对生物现象监测是一件极有意思的事情。检测的项目包括体液变 化、呼吸、血流、心输出量等。细胞水肿、间隙水肿和间隙连接闭合是一些 导致生物阻抗参数变化的因素。这些因素与细胞的新陈代谢相关，对于它们 的实时监测非常有用。这些领域的应用现处于研究水平，然而，相应的成果 非常有前景，未来的临床应用具有合理性。缺血监测在一些心脏手术过程中心脏被人工停止跳动，在这过程中，医生没有任 何关于心肌状况的信息， 唯一可控制的参数是血液循环恢复的时间 （缺血期） 因此，一个能指示因缺血而对心脏造成的损害的系统很有意义。一些论文指 出：心脏或其它组织器官的缺血包含了生物阻

20、抗参数的变化。 器官移植能力评估组织的生物阻抗监测已被用来确定器官是否适用于移植。这种方法可以 量化器官移植前后或期间缺血造成的损害。 器官移植排异监测在器官移植中， 排异所引起的炎症能由生物阻抗装置观测到。在这个方面的应用有学者提出 用植入式电极探头远程观测。也有学者提出一种无损伤观测方法，但这种方 法还有一些重要的实践问题存在。生物阻抗成像EIT属于功能成像，是继形态、结构成像之后，新一代更为有效的成像技 术。EIT可以用于描绘人体组织断层或整体的阻抗图像。EIT通过配置于人体体表的电极系统，提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信 息，使用计算机重建算法处理数据，从而得出反映组

21、织、器官功能状态及其 变化规律的功能性图像结果。与其它图像方法（超声成像 ,X射线成像或核磁 共振成像）相比，EIT所得结果相对较差，分辨率较低；但从费用、测量速度 和所得信息的定量性方面考虑，EIT方法有较大优势。虽然现在一些临床研究 已经实现，但EIT还未成为一种标准化的方法。国外学者做了大量相当复杂精密的研究来探索“宏观”阻抗图像的可行 性。这包括硬件、重建算法和潜在的医学应用。但有一点似乎被忽略了：许 多人体组织是高度各向异性的，而且各向异性的程度取决于频率。因此，如 果不考虑各向异性的话，电流密度和电压分布将会与计算所得明显不同。在 生物阻抗成像中各向异性值得注意。人体成分分析 不同

22、的组织、 器官具有不同的构成特点和组成成分， 表现出相应的阻抗特性。 人体成分分析通常使用两种方法：生物阻抗分析（BIA）和生物阻抗频谱分析（BIS）。BIA使用单一频率测量阻抗，人们选择低于和高于预期的B频散范 围的频率来测量阻抗，并从 中提取信息。低频值反应了细胞外物质的阻抗而高频值则包括了细胞内外全 部物质的阻抗。但不同人体之间的差异性会导致所得结果较大波动。而 BIS 测量方法较好的减少了这种波动。BIS测量包含了更为丰富的阻抗和人体成分 信息，有望从中得到人体成分分析更为全面和准确的结构。参考文献：1、 生物阻抗技术概述王文艇 钟季康 马骏 齐华林 同济大学生命科学和技术学院，物理系，附属医院泌尿科，附属东方医院2、 生物电阻抗测量技术任超世 中国医学科学院生物医学工程研究所3、生物电阻抗技术与人体功能信息 任超世中国医学科学院、中国协和医科大学生物医学工程研究所4、Assessment of fat-free mass using bioelectrical impedance measurements of the human bodyHenry C