生物电阻抗测量及成像

一.引言

生物电阻抗在医学上是一种非常简单的测量方法，根据它的原理，我们可以走出相关器材，而且它富有医学上许多的要求，而且测量结果准确，器材使用寿命高等优点，所以生物电阻抗在生物医学测量中有着不可或缺的作用。

本文阐述了生物电阻抗法生物医学检测的几个方面的应用，即电阻抗式呼吸监测、阻抗血流图、生物电阻抗法人体成分检测、电阻抗断层成像技术等。

二.生物电阻抗简介

生物电阻抗测量（阻抗生物电阻抗测量）是一种利用生物组织和器官的电特性提取人体生理和病理条件的生物医学信息的检测技术

三.起源与发展

1.起源

十八世纪末，意大利神经生理学家伽利米通过观察青蛙的神经肌肉收缩建立了生物电的理论，这可能是最早的生物电阻抗测量的应用。德国科学家赫尔曼是第一个研究生物组织电阻抗的人。在1871年，他用电流通过不同方向的骨骼肌时，发现了不同的阻力值。这就是骨骼肌的阻力，经计算，横向阻力（沿骨骼肌方向）约为纵向阻力的4～9倍（沿骨骼肌的方向）。1930年，SAPGENO首次首次使用交流电桥测量出生物组织的电容。

自那时以来，生物电阻抗技术正变得越来越实用。人体成分分析技术、人体流程图和电阻抗断层成像技术开始成为各国学者研究的重点方向。

2.国外发展

最早用来测量生物组织电阻抗的是电桥法，但是因为它很难调节桥梁的平衡，而且精度不高。因此，在现实中，这种方法相对并不适用。还有就是Geddes L. A提出了双电极测量技术。由于其诸多缺点，四电极已经取代这种方法。Warsaw理工大学的T. Palko以及F.BiAlOKZ和其他学者已经开发了一种多频生物电阻抗测量系统来提取生物电阻抗的振幅。印度科学家进行了山羊眼睛晶状体电阻抗的测量与建模，将眼部晶状体物质在不同刺激频率下的阻抗图进行描绘，其展现出完美的半圆弧图形。

3.国内发展

早些时候发明了一套生物组织的四电极复合阻抗测量系统，其意义在于测量了生物组织的复阻抗频率特性。此外，还有人建立了一套多路独立人体阻抗测量系统，运用某种算法对胸部阻抗信号分解。多频电阻抗法和人体脂肪分析仪是根据血液电阻抗的一个频率特性和典型的三分量血液模型所提出了得一种研究血液电特性的新方法得到的。虽然取得了一些成绩，但仍存在一些问题。

四.在医学上的应用

1.电阻抗式呼吸监测

由于现代监测技术的要求（即对各种生理参数的连续监测），应做到无创、准确、稳定，尽可能减少不适、无过敏等特点。所以要实现便携式呼吸设备还是比较难实现，现在能做到的只是监测呼吸频率，通过呼吸频率去获取个人的呼吸是否正常。而对于呼吸监测的方法，目前为止较为常见的就是生物阻抗法，因为它的特性比较符合解决以上的大多数问题。然而，由于心脏、血流和运动干扰会影响呼吸信号的测量，因为呼吸信号是低频信号。运动引起的运动伪影特别大，可能会导致呼吸频率的计算出现错误。

关于无创通气的监测，可以绘制肺的阻抗图并且进行连续的监测，并且在其他肺功能辅助下，可以做到略微准确的诊断。

2.阻抗血流图

如果对人体的某个特定位置是加一个恒定的电流激励，则响应电压随着阻抗变化而变化，这是一个最简单的欧姆定律，我们可以根据电压的改变来反映阻抗的变化，而阻抗的变化可以反映血管容积的变化，于是就得到了阻抗血流图。根据在不同部位进行激励而进行测量，就可以得到不同部位的阻抗血流图，从而反应各个部位在不同时刻的血液循环状态。

在的论文里曾指出：设计并实现一种通过数字正交序列解调的手持式阻抗血流信号检测系统，而它的供电采用可持续使用的锂电池，它的优点就显而易见了，最重要的是能实现测量数据的无线传输。而这种设备可以对不同时刻的不同部位进行血流信号检测，并随着人体自由移动，在未来可以根据不同的要求进行升级，以适应不同需求。

3.生物电阻抗法人体成分检测

目前，整体阻抗测量、分段阻抗测量和局部阻抗测量是基于生物电阻抗的人体成分测量的主要方法。

对于人体成分你或许会觉得种类很多，但是对于脂肪你肯定就了解了，对于是胖子的我来说更明白，但是该如何去测量你有多胖呢？事实上，这也是生物电阻抗测量的一个应用。我们可以建立腹部电阻抗模型，然后根据腹部的不同深度完善数学模型，然后反映出脂肪含量和其他的成分的的组成。

对于不同的人群，就有不同的标准，可以根据生物电阻抗测量的方法，测出不同人群的相关信息，并进行统计，关于这项实验，四川大学以及当地一医院曾配合做过这项实验，至于结果，我就不得而知了。

现在，对于测试身体成分，实际意义上是去测试躯干的电阻抗，并不能达到测试身体任意一处的电阻抗。或许有些设备能够通过虚拟的手段获取局部的电阻抗，但却并不能准确反映人体最重要的腹部。

4.电阻抗断层成像技术

电阻抗断层成像技术 （EIT）：它的全拼是Electrical Impedance Tomography，它是一种新的医学成像技术，具有无损伤、医学图像监护和具有功能成像等特点。

其实EIT有静态与动态两个方式。它是由测量与图像显示两个部分，而测量的组成其实就是一个激励（电压）和检测电路所组成。根据电阻抗技术测得响应。

图像显示部分的重要部分就是怎样去显示为可懂的图像，这需要一个对电阻抗信息读取，然后根据读取的信息进行图像重建与显示。

EIT相比于其他的优势是功能成像，它可以精确显示组织的生理与病理信息，例如组织充血，癌变等。且更满足现在医学上的无创无害，测量简便，系统操作容易，但是在空间分辨率上还有着不足；

我通过一篇论文了解到，EIT技术还可以应用到脑电检测，从而对其分析及研究，可以帮助到一些关于颅内的病的确诊以及治疗，但具体的一些细节，并没有得到验证。

五.技术瓶颈

1.可用系统激励频率范围有限

在目前的技术中，很少有1MHz～5MHz的系统可以用来提取细胞内的流体信息。大多数的技术的频率范围在几百KHz以下，对于这样一个低频信号恐怕不足以在真正意义上穿透细胞膜。

2. 信息采集技术

经研究表明，复阻抗存在实部与虚部，虽然实部和虚部都存在着很多生理与病理信息，但是人体复阻抗的虚部信息比较难检测，虚部的信号强度差不多只有实部的十分之一。所以如何去把信息提取就至关重要，如果能提取较为全面的信息，那么我相信通过对信息的应用，可以用于医学的各个方面。

六．小结

作为生物医学测量的基本方式，在此基础上的应用也越来越多。也有很多也已经应用于临床上。

尽管生物电阻抗测量技术的研究已经获得很大的进展，已经在临床进展，但它任然存在着突出的问题没有解决。比如以上提到的EIT与超声、传统相比。空间的分辨率存在着明显的不足。所以，以后生物电阻抗的未来还很广。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/ff0c155eb6360b4c2e3f5727a5e9856a5712266a.html