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)[摘要] 生物电阻抗技术是与人体组织和器官的功能信息相联系的。
生物电阻抗技术今后的发展方向在于采用全信息生物阻抗检测方法,注意提取与人体生理、病理状态相联系的,丰富的阻抗全信息。
该技术今后具有一定的应用与发展前景。
关键词: 生物电阻抗 阻抗全信息 功能信息1 引言生物电阻抗(Electrical Bioimpedance)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。
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。
国外的生物阻抗技术在基础研究方面水平较高,以电阻抗断层图像技术(EIT)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[1]。
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,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[2]。
2 阻抗技术与人体功能信息生物阻抗技术的真正优势或诱人之处在于利用生物阻抗所携带的丰富生理和病理信息,进行人体组织与器官的无损伤功能评价。
当疾病发生时,相关组织与器官的功能性变化往往会先于器质性病变和其它临床症状,如能在疾病的潜伏期或功能代偿期及时检测和确认这些变化,对于相关疾病的普查、预防和早期治疗将是非常有利的。
生物阻抗技术提取的是与人体组织和器官功能紧密相关的电特性信息,对血液、气体、体液和不同组织成份具有独特的鉴别力,对那些影响组织与器官电特性的因素,如血液的流动与分布,肺内的血气交换,体液变化与移动等非常敏感。
以此为基础,进行心、脑、肺及相关循环系统的功能评价,血液动力学与流变学在体动态研究,肿瘤的早期发现与诊断以及人体组成成份分析等功能性评价,将是生物阻抗技术显示优越性,展现其诱人应用前景的广阔天地。
可惜这一点至今还没有被大多数研究者所充分注意。
阻抗技术的进一步发展应把重点放在全信息复阻抗检测方法和人体组织和器官功能信息的提取方面[2]。
如果充分考虑人体组织阻抗中的容抗特性,改进理论模型,采用复阻抗全信息的检测方法,以血流中的红细胞为观察研究对象,就可能实现从细胞水平上提取与人体生理、病理状态相联系的,丰富的阻抗全信息。
建立旨在评价人体组织和器官功能状态的新型检测技术。
3 发展与应用前景在获取阻抗全信息(模量与相角或实部与虚部)的前提下,生物阻抗技术可进入细胞层 1998年第11期・热点评介・ 次,今后的应用与发展前景是广阔的。
主要应用与发展方向如下:11现行血流图技术的改善和提高 由于采用包括容抗特性的人体组织阻抗物理模型,可分别描述细胞外液,细胞内液和细胞膜的电特性,不再把血液、组织、器官等作为一个均匀的整体,将在今后的血流图技术中出现与人体组织和器官功能状况紧密相关的新的特征参数,使用更准确的阻抗量化关系。
测量结果的定量性、重复性等将从根本上得到改善,适用范围扩大,被测个体之间的可比性增加。
各类血流图用于评价人体功能变化的临床应用效果将明显提高。
21实现血液动力学和流变学的在体动态研究 全信息的复阻抗检测技术可望以血流中的红细胞为观察研究对象,通过其在血流中运动状况的检测,可提取出反映血液性质、血管状态和血液流场变化等血液动力学和流变学信息,形成一系列新型的,可在体、动态地综合评价血液动力学和流变学行为的无损检测方法[8]。
具有广泛的社会效益和显著的经济效益。
31心、脑、肺血管及循环系统功能检测 以红细胞为观察研究对象的全信息生物阻抗技术,由于是从细胞水平上提取血液、血管、组织和器官的生理和病理状态及其变化信息,因而对心、脑、肺血管及循环系统的功能变化非常敏感,可方便地对这些系统进行多指标、全面的功能检测和评价[8],并可对尚未表现出临床症状的某些疾病作出前瞻性预报。
对于相关疾病的普查、预防和早期治疗将是非常有利的。
41肿瘤的早期发现和诊断 肿瘤组织细胞与正常细胞之间的差异很大。
采用对细胞变异敏感的全信息生物阻抗技术,可在细胞发生癌变的早期,获取相关信息。
可确定肿瘤的存在,并监测细胞癌变的发生和发展过程,精确定位异常与正常细胞的界面等,将为肿瘤的早期发现、及时治疗和康复监测提供一种有效的无损检测手段。
51人体组成成份测定 不同的组织、器官具有不同的构成特点和组成成份,表现出相应的阻抗特性。
使用全信息的阻抗方法可以准确地检测和区分脂肪、肌肉、矿物质和含水物质等人体组成成分[10]。
还可以对组织中的水肿、血肿、气肿和肺内粉尘等作出鉴别。
这对于各类人群的健康调查,儿童生长发育中营养状况的评价,指导运动员训练、提高竞赛成绩,正确地进行减肥和健美锻炼以及相关疾病的诊断等是一种非常方便而有效的方法。
61电阻抗断层图像技术(EIT) 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不使用核素或射线,对人体无害,可以多次测量,重复使用,可以成为对病人进行长期、连续监护而不给病人造成损伤或带来不适的医院监护设备。
加之其成本低廉,不要求特殊的工作环境,因而是一种理想的,具有诱人应用前景的无损伤医学成像技术。
作为当今生物医学工程学重大研究课题和具有广泛应用前景的热门研究领域之一,EIT已经吸引了世界各国越来越多的研究者。
目前国外的EIT研究工作多集中于改善成像模型和算法方面,以期提高EIT的分辨能力。
事实上, EIT的真正诱人之处在于利用生物阻抗所携带的丰富生理和病理信息,实现功能成像,这是其它成像技术,如CT、超声成像技术等无法与之相比的。
如能将研究工作的重点放在深化生物阻抗检测技术,利用阻抗全信息,丰富和发展EIT图像功能,则EIT的发展将进入一个新天地[11]。
笔者在全面分析和研究了当今EIT技术状况和存在问题的基础上,目前正以实现EIT 功能成像为主要目标,在国家自然科学基金的支持下,直接针对影响EIT发展和进入临床应用的两大关键问题———系统分辨力差和阻抗信息丢失严重,利用多年从事生物阻抗基础研究和技术储备的优势,采用区别于国外同行的研究方法和技术路线,进行EIT成像系统的方法学研究,旨在走出一条适合我国国情,能将EIT 技术迅速推向临床应用的发展道路。
・热点评介・电子科技导报 参考文献1 Proceedings of the5th International Conference on Electrical Bio2Impedance.1995,9.2 任超世,崔云莉等1医学电阻抗技术的问题和发展与应用前景1中国医学物理学杂志,1997,14(1):59～6113 J.Nyboer.Electrical Impedance Plethysmography.2nd2ed S pringfield,ⅢCharles C,Thomas,1970.4 王慧艳1血液的电特性和电测红细胞压积1国外医学生物医学工程分册,1991(2):69～7415 Visser KR.Electric properties of flowing blood and impedance cardiography.Ann.of Biomed.Eng.1989,17:463～473.6 E1Trautman et al.A practical analysis of the electri2 cal conductivity of blood.IEEE BME,1983(3):141～153.7 Hiroshi K anai.Physical properties of flowing blood.IEEE7th Ann.conf.Eng.Med.Bio.S oc,1985.8 王慧艳,任超世1一种研究血液电特性的新方法———多频率阻抗法1山东生物医学工程,1994(2):2～719 郝冬梅,任超世1检测肺血流分布的深部区域阻抗法的研究1中国医学物理学杂志,1995,12(1): 54～57110 王慧艳,任超世1生物电阻抗法测量人体组成成分1国外医学生物医学工程分册,1996,19(2): 96111 任超世1EIT———一种诱人的医学成像新技术1电子科技导报,1996,(5):9～131注:任超世,研究员,中国电子学会高级会员,生物医学电子学分会及生命电子学分会委员,中国生物医学工程学会生物医学测量分会生物电阻抗学组副主任。
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1998年第11期・热点评介・ 。