The Development and Application of Thoracic Electrical Bio－impedance<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

王祥瑞　　　                   
李  雯
上海第二医科大学附属仁济医院麻醉科，上海，200127

　　　　　　　　　　　　　ABSTRACT

　　Thoracic electrical bioimpedance(TEB)has been an important clinical study in recent years as a noninvasive method for the assessment of organic function. The mechanism of TEB and clinical application were discussed in the review, and its utilization in other clinical domain was introduced in this paper

　　利用电生物阻抗技术检测人体器官活动与功能状态已成为近年来临床医学无创伤检测方法研究的重要方面。心阻抗图技术从提出到现在已有30年的历史，从简单到复杂，经历了不断的发展与演变，而电生物阻抗技术在临床其它领域的应用，更为这一技术的发展与完善提供了广阔前景。
一、 基本原理
　　根据欧姆定律（电阻= 电压/电流），即电流与电压呈正比，与电阻成反比，人体组织也是导体，高频交流电通过人体时可产生阻抗，除了电阻性阻抗外，还有容抗和感抗，但在人体组织中可以忽略不计。因为低频电流仅在细胞表面产生阻抗，不进入细胞，而高频电流可进入深部组织，反映内脏血流的容积变化。
　　心脏收缩时随着射血胸腔内电阻抗发生变化。心阻抗又称生物阻抗法（Thoracic electrical bioimpedance，TEB），是利用心动周期中胸部电阻抗的变化，测定左心室收缩时间和计算心搏量。早在1907年Gramer发现心动周期中有电阻抗的变化，1940年Nyboer首先采用四电阻法在人体胸部通过高频电流，记录到与心动周期一致的阻抗变化，同时计算出CO。假定人的胸腔为一圆柱体，从颈根部到剑突的长度不变，血液的电阻率（ρ），则容积变化与阻抗变化密切相关。1966年Kubicek采用直接式阻抗仪测定心阻抗变化，推导出著名的Kubicek公式，将每搏量与生物阻抗的测定值建立关联：

      其中  p = 电阻率135-150Ω/cm，L= 电极E₂-E₃之间的垂直距离，Z₀ 为基础阻抗，dz/dtmax= 左室峰值射血速率，LVET= 左室射血时间。
      1981年Sramek^[1]观察到肺水肿病人的基础阻抗下降，但应用Kubicek 公式测搏出量（SV）却明显升高，这显然与临床表现不符，故提出对Kubicek 公式加以修正。修正后的公式为:
                            
　　式中Vept是高频低安培通过胸部组织的容积，T为心室射血时间。Sramek将该数学模式储存于计算机内，研制成NCCOM1-3型（BOMed）。随着技术的进步，近几年诞生了更先进的阻抗监测仪，如利用修正的Kubicek公式及微机联机的Rheo Cardio Monitor。
二、操作方法
　　NCCOM操作简单，只需将8枚电极分别置于颈部和胸部两侧。测定经过胸部的持续的电流变化，然后根据身高、体重和性别计算胸腔容积。根据容积的变化，推导并同步连续显示HR、CO等参数的变化。它不仅能反映每次心跳时各参数的变化，也能计算一段时间内（如4、10秒）的平均值。
　　两个电极粘于颈部两侧， 两个电极粘于剑突水平胸两侧腋中线，另两个电极分别粘于前额和左下肢膝下。测量周期为12s， 测量准确性和重复性都较佳。上海第二医科大学附属仁济医院麻醉科对16名冠脉搭桥病人进行CO监测，并与有创CO进行比较，相关系数为0.85（n=180）。阻抗法与呼气末CO＜sub>2法（RBCO）所测CO的相关系数是0.87（n=118）。
　　新近在增加呼吸过滤器、程序数字化及加快测量速度的基础上研制出新型的阻抗监测仪（BioZ System， version 1.3，Cardiodynamics International Corporation， San Diego， CA）。操作方法为两对双向电极分别粘附于颈根部，另两对分别粘附在剑突下两侧。测量周期为15s。对75例健康受试者进行测量，结果表明其精确性及重复性均较好，但所测的CI（2.0-7.2L/min/m²）略大于温度稀释法测定值。
　　另一种由Renaissance Technologies（Newton， PA）设计完成的TEB测定仪，采用11个电极，其中两个置入性电极放在颈根部两侧，另两个置入性电极放在下胸部两侧，4个电极粘附在置入性电极5cm以内处，3个心电图电极分别放在心脏周围及左肩。对209例危重病人进行试验，与温度稀释法进行比较，r²=0.74，而精确性及偏差分别为0.75L/min/m²、-0.124 L/min/m².

三、心脏动力学的监测
　　1． 心肌收缩性指数（IC）
　　IC是胸部阻抗dz/dt_max和基础阻抗Z₀的比值，正常成人休息状态为0.033-0.065/s。IC是主动脉内峰值血流的标准化反映。血流峰值表示心肌收缩性，即心室肌纤维短速率。血液是不能被压缩的液体，当心肌收缩性增加时血流峰值也增高，而峰值血流降低常伴有低血容量，因此IC是与容量有关的测定心肌收缩性指标。
　　dz/dt主要反映主动脉内峰值血流，而dz²/dt²代表主动脉内血流速率的加速度，标准化后的最大值称为加速度指数。ACI=( dz²/dt²) _max/TFI（胸腔液体指数）
　　成人仰卧正常范围是0.5-1.5/s²。当主动脉开放时，主动脉血流达到最大值接近65m/s，它的速度最大值与加速度峰值有密切关系。加速度峰值表示等容收缩时积蓄的机械能释放，与左心室搏功有明显关系。因此，ACI主要反映心肌收缩力状态，与容量和后负荷完全无关。
　　3． 收缩时间比值（STR）
　　心室射血时间（VET）为主动脉开放到关闭的时间，在阻抗图上dz/dt明显的标志了主动脉瓣的开放和关闭。射血前期（PEP）为心电图QRS波的Q波开始至主动脉开放的间期。总电机械收缩时间直接与心率有关，即：(Q-S₂)=PEP+VET，VET与SV成正比，如EF降低是由SV降低所至，则VET减慢，PEP也发生相应变化。收缩时间比值（STR）定义为：STR=PEP/VET，STR是反映心泵效率的敏感指标，当EF下降引起分母减少时，STR相应增加。
　　4． 射学分数（EF）
　　射血分数为每搏量与左室舒张末容积的比率，是反映心室纤维缩短程度的一个全面指标，为左室泵功能提供有用的度量。EF=SV/EDV=SI/EDI，EDV心室舒张末期容积，EDI心室舒张末期容积指数。成人EF正常值为60-75%。也可由心阻抗法中的收缩时间比值计算：EF=0.84-0.64STR。
　　纽约大学医学中心采用双盲法同时用NCCOM-R7和放射性核素测定28名志愿受试者的EF值，结果表明两种方法有良好的相关性（r=-0.85）。但用心阻抗测定EF有一定的限制因素：急性心梗时由于肾上腺素能神经张力增高，PEP和VET同时缩短，两者比值正常，导致EF过大；左束支传导阻滞时，由于电极导延迟而致PEP增大，但VET正常，EF过小。
　　5．心排血量（CO）和心指数(CI)
      1981年Sramek提出新的公式测搏出量（SV），从生理角度来看，每搏量与人体质量、射血周期、峰值流速成正比。CO=HR×SV×1000,CI=CO/BSA,SI=SV/BSA。大多数临床研究证实，NCCOM₃及其它心阻抗方法和温度稀释法所测心排量有良好的相关性。但当有心律失常时，HR计算错误，CO失真；高动力型败血症时，TEB所测值低于温度稀释法;主动脉关闭不全时，TEB所显示的SV或SI，CO或CI为左室收缩期射出的血流，不能反映舒张期返流的血量，因此CO和SV偏大；油脂性或出汗皮肤患者应考虑电极粘性；术中监测时易受电刀干扰。
　　6．左室功指数（LCWI）
　　左室功指数表示左心室每搏克服后负荷所作的功，与心肌耗氧量有明显关系。LCWI=(MAP-PAOP)×CI×0.0144，其中MAP为平均动脉压，PAOP为肺动脉楔压。正常值成人3.6-5.7kg•m/m²，新生儿2.9-4.4 kg•m/m²。
　　7．体循环血管阻力指数（SVRI）
　　体循环血管阻力指数主要反映机体外周血管舒缩状态。SVRI=[(MAP-CVP)/CI]×80，CVP为中心静脉压(Kpa)，正常值为1700-2600dyn•s/cm⁵m²。
　　TEB在重症病人监测中以MAP为纵轴，CI为横轴，以及SVRI和LCWI等参数描绘出心功能环，反映血流动力学和氧气输送的意义，CI动态的反映DO2I和VO2I，SVRI主要反映后负荷，LCWI与心肌耗氧量有关。重症患者在治疗中必须保证各器官由足够的灌注，因此心脏应增加搏出量，否则导致脏器血流灌注不足，引起功能衰竭。Shoemaker^[2]经广泛研究提出重危患者血流动力学纠正目标为:CI=4.5L/min/m²，MAP=12.3kPa，SVRI=1582 dyn•s/cm⁵m²，LCWI=5.57 kg•m/m²。

四、血管外肺水的监测
　　败血症、成人呼吸窘迫综合征（ARDS）等原因均可引起肺水肿，定量测定肺组织含水量，对重危病人肺水肿的治疗，以及预防心脏手术后并发症有重要意义。温度--染料稀释法能准确地定量测定血管外肺水（EVLW），但其创伤性和并发症限制了在临床上的应用。测定胸阻抗稳定状态的指标为胸腔基础阻抗（Z₀），其数值能反映胸腔内液体含量，胸腔积水和肺水肿时Z₀减少，治疗好转后随之增高，因此Z₀又称为胸腔液体指数（TFI）^[3]。
　　金定炼等在40例肺切除术中用NCCOM₃监测，观察到肺组织从胸腔移除后，TFI随之上升，其上升幅度和肺内液体含量相关系数r=0.83。在关胸前分别将300ml、500ml和800ml生理盐水倒入胸腔，然后吸干，结果表明胸腔倒水后TFI明显增高，TFI上升的幅度与胸腔内液体呈正比。
　　Spinale等在ARDS狗动物实验中，用NCCOM₃和温度稀释法同时测定EVLW，结果表明两种方法均能动态的反映EVLW的变化。但NCCOM₃所显示的TFI并不能定量地反映EVLW,为此Zellner^[4]提出了阻抗法测定EVLW的计算公式，并和温度稀释法在ARDS狗动物模型上进行了比较。胸腔液体容量（TFC）为TFI的倒数，EVLW增加导致胸阻抗改变，△TFC相应改变。胸阻抗不仅反映固定组织如心脏、肺和胸壁，还反映动态因素如心脏容量、血浆容量和肺淋巴液。为了准确的测出EVLW，需考虑血细胞压积（HCT）和右室舒张末容积（RVEDV），EVLW的测定公式为：EVLW=(0.08)(TFC)+(1.41)(HCT)+(-1.35)(RVEDV)-31.2。
　　在ARDS狗动物实验中同时观察阻抗和温度稀释两种方法对肺水的监测，结果表明在狗体注射液体30min内两种方法有显著差异，但30min后两种方法测定值无显著差异，因此认为阻抗法在测定肺内液体转移有重要的价值。
五、临床应用
　　自1981年阻抗分析仪问世以来，已经进行了动物实验和临床应用，我们于1985年已开始临床实验研究。TEB适用于非胸腔手术病人的监测，在重症监测病房中连续监测病人血流动力学状态，对心血管药物效果的评价，对小儿心血管功能和脱水的评估，对分娩过程中血流动力学监测等。研究表明，心阻抗监测方法简单可靠，重复性好，与温度稀法的测量结果有良好的相关性（r=0.91）。
　　我们于1985年应用NCCOM-2观察临床手术病人诱导前后、术中、术毕的血流动力学指标，包括心率、每搏量、心排血量、射血速率指数、心室射血时间、胸腔液体指数等，研究药物、呼吸机模式、老年病人的心血管功能状态，认为作为一种无创伤性监测方法，操作简单、安全、敏感可重复。与微机联机后，从键盘输入血压和中心静脉压，通过微机计算后显示16项参数反映全身血流量、心泵功能、心肌收缩性左心室作功等^[5]。我们应用该仪器测定老中青男女600人，获取了正常值^[6]。
　　近期美国Cardiodyamice公司的Bioz.com阻抗血液动力学连续监护系统采用DISQ技术（D数字I阻抗S信号Q数字化），即使用数字信号处理技术将病人的阻抗信号数字化，结合高分辨率模拟数字转换，能自动测定阻抗信号增益，以提高测量和计算的准确性和更新性。ZMARC算法（Z阻抗M调节AR主动脉C还原）是一种通过改变Sramek-Bernstein方程式来说明随年增长带来的主动脉顺应性变化，并自动调整由于主动脉顺应性变化所引起的误差的计算方法，能够感知和调整主动脉的顺应性，对许多血液动力参数进行更精确的计算。通过辅助诊断屏监测，以条形图形式显示可选择的14种血流动力学参数，同时以SI为X轴，MAP为Y轴建立坐标图，实时观察病人血流动力学变化和药物疗效，还可打印瞬时监测结果的报告^[7]。
　　总之，心阻抗法测定心脏血流量具有良好的精确性和重复性，可实时无创的监测血流动力学，心脏动力学和血管外肺水的变化，有利于临床医生采用多种治疗方法来纠正重危患者的循环异常，有效的降低病死率，且操作简单、费用低廉并能动态观察心血管系统的变化趋势^[8]。但TEB易受一定的干扰，故在临床上的广泛应用受到一定程度限制。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

六、生物电阻抗断层成像技术
　　电阻抗断层成像(EIT)是以目标内电阻抗的分布或变化为成像对象的一种新型成像技术。既往研究表明某些人体组织的生理功能变化（充血和放电等）或病理改变（如癌变等）的信息会在EIT图像中体现出来^[9]。
　　对生物体来说，由于细胞种类、排列的疏密、细胞间质及细胞膜通透性的有同，不同组织、甚至于同种组织的不同方向及状态所表现出的阻抗特性都不可能不同；另一方面由于组织的生理或病理改变必然会影响到细胞膜的通透性和细胞间质的电解浓度等的变化，从而影响到其组织的频率特性能^[10]。阻抗成像的基本原理是通过被成像目标周围的电极注入交变电流，并同步测量边界上的电压、采用多驱动电极和测量电极结构实现四电极阻抗测量，利用图像重构法对相敏调技术得到的变换阻抗数据进行重构，形成阻抗断层图像。
　　静态EIT以测量对象内部电阻率的绝对分布为成像目标，通过对测量目标外加驱动电压或电流测量其边界电压或电流，以估计目标内部电阻率分布的绝对值。动态EIT技术以测量对象内部电阻率分布在时间上的变化作为求解目标，通过对测量目标外加驱动电压或电流，测量其边界电压或电流分布，以估计目标内部电阻率分布的变化。
　　由于胸腔内电阻抗波形的不同，胸腔内大血管表面及血流量的改变可实时准确的评估^[11]。通过电阻抗断层成像重建二维构想，可监测心肺功能，诊断肺水肿、肺病栓塞，对内出血及胸腔内肿瘤做出早期判断^[12]。而三维构想的重建，对心肺内血流量的变化及器官的定位在临床应用上具有一定的可行性^[13]。
　　EIT具有功能成像的性质，该技术对人体无创无害，系统结构简单，测量简便造价低，在对病人长期的图像监护方面具有广泛的应用前景，这些是目前多数临床成像手段难以做到的。同时该技术造价低、费用低的特点也非常适合进行广泛的医疗普查。虽然目前其图像分辨不能与CT等成像技术相比，但仍是一种有应用前景的新型成像技术，是对目前医学成像手段的有力补充。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

参考文献
1. Sremak BB.Problem in respiratory.1989;2:274-6.
2. Shoemaker WC,et al.Chest,1988;94:1176-9.
3. 王祥瑞等，临床麻醉学杂志，1993,9(5):240-3.
4. Zhllner JL,et al.J Surg Res,1990:48:454-9.
5. 王祥瑞等，中华麻醉学杂志。1991,11(6):325-7.
6. 孙大金等，中华麻醉学杂志。1992,12(6).
7. 陈琦等，中华麻醉学杂志。2001,21(11):649-52.
8. 王祥瑞等，心功能杂志。1992,4:234-6.
9. Holder DS.Clin Phys Physiol Meas,1989;10:267-74.
10. Mcadams ET,et al.Physiol Meas,1995;16(Supple A):A1-A13.
11. Hoetink AE,et al.IEEE Trans Med Imaging.2002 Jun;21(6):653-61.
12. Mueller JL, et al.IEEE Trans Med Imaging.2002 Jun;21(6):555-9.
13. Newell JC, et al.Physiol Meas,2002;Feb;23(1):203-9.

　　王祥瑞，男，44岁，上海第二医科大学附属仁济医院麻醉科、外科ICU主住，教授，主任医师，博士生导师。中国针灸学会针刺镇痛与麻醉分会理事、上海生物电阻抗学会委员兼秘书、上海医学会麻醉学会委员，中华医学杂志审稿专家，临床麻醉学杂志编委，已在国家核心期刊发表论文，综述50余篇，主编“围手术其呼吸治疗学”一本，参加编写麻醉学，危重病人治疗专著五本。
　　李雯，女，30岁，2003年获麻醉学硕士学位，上海第二医科大学附属仁济医院麻醉科，发表论文2篇。