生物电阻抗测量

生物组织对交流电所表现的电阻抗称为生物电阻抗。关于生物电阻抗测量的研究，自六十年代起已在国内外引起广泛重视。1969年在美国纽约召开了第一届生物电阻抗国际会议。
在生物组织中含有一些电阻率不同的物质，表现有电阻和容抗存在。图1(a)表示包括两个接触电极在内的生物电阻抗的一种简化等效电路。生物电阻抗的大小与通电频率之间的关系如图1(b)所示。人体内肌肉、脂肪、骨胳、血液等不同组织的电阻率不同。血液的电阻率还和红细胞压积 (Hct)大小有关。对于流动着的血液，其电阻率也受切变率和测量方位的影响，如图2所示。

图1 生物电阻抗的简化等效电路(a)
及其与通电频率的关系(b)

图2 电阻率与切变率及血流方向的关系

阻抗容积图 从人体外记录的用以反映体内容积随时间变化的电阻抗变化图，称为电阻抗容积描记图，简称阻抗容积图。其中反映血管容积变化的常称为阻抗血流图，而反映肺容积变化的常称为阻抗呼吸图。就其测量部位划分，可以分为心阻抗图、肝阻抗图、肺阻抗图、肾阻抗图、脑阻抗图、肢体阻抗图以及一些其他部分的阻抗图等等。在定量计算方面研究较多的是心阻抗图、肺阻抗图（呼吸图）和肢体阻抗图。
设有一圆柱形均匀导体，长度为L，体积为V，电阻率为ρ，电阻抗为Z

该式表示导体体（容）积的增量与电阻抗的增量之间的关系，常称为Ny-boer公式。Nyboer公式是研究阻抗容积图的基础。被测生物组织可近似为圆柱形均匀导体。
关于阻抗容积图的测量方法，较为常用的有电桥法，恒流法和恒压法。电桥法是利用一定频率的交流电桥，并在一定的失衡条件下，由桥上两点输出的电势差来反映阻抗容积图。恒流法是在保持被测两点之间的恒定频率和恒定电流强度的条件下，利用其电位差的变化来反映电阻抗的变化，借以描记阻抗容积图。恒压法是在维持被测两点之间的恒定电压和恒定频率条件下，利用电流强度的变化来反映电导纳的变化，并可根据电导纳与电阻抗之间的关系，反映体内容积的变化。典型的阻抗容积图如图3所示，其中(a)为阻抗血流图，(b)为阻抗呼吸图。

图3 典型的阻抗容积图

心阻抗图 心阻抗图是以研究心脏排血为目的而在体表固定位置测出的阻抗容积图。通常使用恒流法测心阻抗图。电流频率较多采用50kHz～100kHz，电流强度的安全阈值与采用的频率有关，一般在60mA以下。电极的形状和位置，比较通行的是环形四电极法，即两测量电极中的一个绕于颈下缘，另一个绕于剑突位，而两电流电极分别绕于两测量电极外侧超过3cm处。环形四电极恒流法测心阻抗图的简单方框图如图4所示。利用心阻抗微分图可测量心搏出量。如已知血液电阻率为ρ(Ω·

图4 心阻抗图的测量

cm)，两测量电极间的距离为L(cm)，两测量电极间的基础阻抗为Z0(Ω)，阻抗对时间的一阶导数最大值为dz/dt/max(Ω/s)，左心室射血时间为T(s)，则可按Kubicek公式求得心脏每次搏动的输出量SV(ml),

max·T。这一方法的主要优点是无创性。其测得值同其他方法(电磁流量计法、热稀释法等)对比分析表明，在基础阻抗过大或过小，以及心阻抗微分图的图形变异太大时，测量误差较大。原因之一是心阻抗图测量区域的生物组织并非均匀导体和圆柱体形状。已经提出过一些办法改进，其中值得注意的有锥台模型公式和心导纳公式。
利用锥台模型，结合十二点电极法(如图5所示)，可得出计算心脏每次搏动的输出量的锥台模型公式，即SV=式中C代表剑突位的身体周长(cm)。所谓十二点电极法，即采用十二个点状电极来代替环形四电极。3、4两个电极位于颈下缘周线与前额面的左右两个交叉点上，代替颈部下端环形电极； 1、2两个电极分别位于3、4两个点电极上端的3～4cm处，代替颈部上端环形电极； 胸前5、6两个点电极位于锁骨中线与剑突水平面的两个交叉点处，背后的7、8两个点电极位于肩胛中线与剑突水平面的交叉点处，它们相当于环形四电极法的剑突位环形电极；9、10、11、12四个点电极分别处于5、6、7、8四个点电极下端4～6cm位置，相当于剑突下方的环形电极。

图5 椎台模型(a)和十二点电极
的位置(b)

心导纳图 心导纳图为心阻抗图的特殊形式，它表示由心脏排血产生的体内容积变化所引起的导纳变化。与阻抗图法比较，导纳图法的主要优点是，求搏出量时不必测量基础阻抗。测量时电极形状和位置与心阻抗图法相同，其计算公式稍为简单，即SV=ρL2·dY/dtmax·T，式中SV代表每次心搏的输出量(ml),ρ为血液电阻率(Ω·cm),L为极间距离(cm),dY/dtmax为导纳对时间的一阶导数最大值(mho/s),T为左心室射血时间(s)。常用的

图6 导纳容积图测量装置

心导纳图测量装置有两种。其一为恒流源式，某二为恒压源式，如图6所示。
导纳法也常用于测量四肢血流量，并可与动脉压搏动图同步记录，用来测量血管的顺应性和体弹性模量。还可以将手指或上肢置于盐水槽中，利用环形四电极导纳法，将血流电阻率和红细胞压积进行无创性测定。
肢体阻抗图 利用阻抗法可以测量四肢血流量。为了便于比较测量结果，常求两测量电极间的容积增量(△V)与其总容积(V)之比值，即△V/V。在测量方法上，比较常用的是气袋加压阻断静脉法，如图7所示。在两测量电极的上端（近心端）置一气袋，当将气袋中的气体压强增加至50mmHg时，即可阻断静脉回流。此时该肢段每单位时间内血液容积的增量，即等于动脉血液的流入量。假设在气袋加压过程中两测量电极间的电阻抗改变量为△Z(Ω)，所经历的时间为△T(min),积增量(ml),Z₀为基础阻抗(Ω),L为两测量电极间的距离(cm),C为此肢段的平均周长(cm)。如果用每100ml肢体组织通过血流的ml/min数作为流量(Q)单位，即单位取ml·min^-1·100ml^-1，则肢体血同用其他方法 （如水容积法等）测得值近似。

图7 静脉阻断法