心阻抗法檢測(cè)的研究進(jìn)展*

蔣黎鵬，楊 力，季 忠，彭承琳

（重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引言

心血管疾病嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的健康，其發(fā)病率和死亡率都超越了其他類(lèi)型的疾病，高居首位［1］。為了對(duì)病情進(jìn)行有效的診斷和防治，心功能的檢測(cè)是必不可少的手段。傳統(tǒng)的有創(chuàng)檢測(cè)方法采用導(dǎo)管介入法，費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)大，不僅需要專(zhuān)業(yè)的醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)操作，而且會(huì)對(duì)被測(cè)者造成極大的傷害。近年來(lái)，心功能檢測(cè)領(lǐng)域涌現(xiàn)出大量的無(wú)創(chuàng)方法，基于阻抗法的心功能檢測(cè)作為其中具有代表性的方法之一，憑借其簡(jiǎn)單的操作、廣闊的適用范圍和低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，取得了大量的關(guān)注和日益廣泛的臨床應(yīng)用。

自Kubicek W G等人［2］提出該方法以來(lái)，基于阻抗法的無(wú)創(chuàng)心功能檢測(cè)已有近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷史，但其在胸腔模型的建立和電極配置等關(guān)鍵性技術(shù)方面都存在不少爭(zhēng)議，其檢測(cè)的準(zhǔn)確性和對(duì)不同類(lèi)型的患者的適用性也一直是研究的熱點(diǎn)。本文在簡(jiǎn)單的介紹了基于阻抗法的無(wú)創(chuàng)心功能檢測(cè)的原理之后，對(duì)以上的相關(guān)問(wèn)題做了總結(jié)和較深入的討論。

1 基于阻抗法的無(wú)創(chuàng)心功能檢測(cè)原理

人體的血液循環(huán)系統(tǒng)能引起身體局部的體積變化，例如:血液的非勻速流動(dòng)引起的血管體積變化，由電導(dǎo)率公式與理論可知，這些體積變化能導(dǎo)致相應(yīng)的阻抗改變，因此，根據(jù)生物阻抗法測(cè)定原理的 Cole-cole三元件模型［3］和Schwan H P提出的頻散理論［4］，將低于興奮域的高頻、微弱、恒流交流激勵(lì)源施加于胸腔，通過(guò)測(cè)量其表面電位差，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)胸腔阻抗的間接測(cè)量，其基本原理衍生于歐姆定律。而胸腔阻抗變化的主要來(lái)源是主動(dòng)脈中的血液流量的脈動(dòng)（約80%），僅少量來(lái)自胸腔內(nèi)腔靜脈血液流量的變化及其他一些干擾［5］，因此，通過(guò)對(duì)胸腔的阻抗圖和阻抗微分圖進(jìn)行研究，建立阻抗變化與心血管容積變化之間的關(guān)系，就能反映出心臟射血功能的相關(guān)指數(shù)。

2 胸腔建模

胸腔建模問(wèn)題是心阻抗監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。人體的胸腔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型來(lái)完美替代，且由胸腔阻抗法導(dǎo)出的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如心輸出量（stroke volume，SV）等的計(jì)算，又跟患者的具體身體狀況有關(guān)，因此，不可能建立一個(gè)萬(wàn)能的胸腔模型和計(jì)算方法，而由此引發(fā)的心阻抗監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性問(wèn)題也一直倍受爭(zhēng)議。

最早的胸腔模型包括圓柱模型、圓臺(tái)模型等，將整個(gè)胸腔看作一個(gè)圓柱體或者圓臺(tái)，通過(guò)歐姆定律來(lái)獲得胸腔的電阻變化，這些模型簡(jiǎn)單并且有效。IkarashiAkira等人［6］在研究最佳點(diǎn)電極配置時(shí)，為了評(píng)估心臟自身的容量變化對(duì)整個(gè)胸腔電阻變化的影響，采用了有限元法（finite element method，F(xiàn)EM），并建立了新的胸腔模型，該模型由心房、心室、大動(dòng)脈、頸動(dòng)脈、肺和胸腔其他物質(zhì)組成，其中設(shè)定胸腔其他物質(zhì)是均勻并且絕緣的。Akhand M等人［7］通過(guò)研究，確定了會(huì)影響胸腔的阻抗變化的8種重要的組織或器官:血液、脂肪、肝臟、肺、肌肉、皮膚、骨和體內(nèi)空氣，并且通過(guò)仿真計(jì)算出，在不考慮體內(nèi)空氣的條件下，其他7種組織或器官的阻抗與體表測(cè)量的阻抗的誤差為3.56%，若考慮體內(nèi)空氣，則誤差下降到1.27%。

國(guó)內(nèi)的況明星等人［8］對(duì)心阻抗波形圖的重建進(jìn)行了研究，他們同步測(cè)量了6個(gè)導(dǎo)聯(lián)的胸部阻抗信號(hào)，建立胸部阻抗方程組，用代數(shù)重構(gòu)技術(shù)求解，得到5個(gè)部分的信號(hào)分量:到主動(dòng)脈（AO）、左側(cè)肺部血管（PL）、右側(cè)肺部血管（PR）、左心室（LV）和右心室（RV），通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，血管分量AO，PL，PR的主波與心室分量LV，RV的主波反相位，LV，RV主波的負(fù)峰點(diǎn)處于第二心音S2的時(shí)相，也就是說(shuō)LV，RV的負(fù)峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)于心室容積最小的狀態(tài)，這表明阻抗的分量波形圖符合心臟和血管的生理活動(dòng)，該方法可行，并且可以反映胸部體表阻抗變化與胸腔中心血管活動(dòng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。相繼的，他們又提出基于該重建阻抗圖的計(jì)算公式［9］，得到心輸出量、心功指數(shù)、左室射血分?jǐn)?shù)、心收縮力指數(shù)、總外周阻力、主動(dòng)脈順應(yīng)性、左室舒張末壓、左室舒張指數(shù)。這些公式的計(jì)算結(jié)果能夠反映患者左室心功能的改變，對(duì)患者的心功能評(píng)價(jià)有重要作用。

3 電極配置

Kubicek W G提出心阻抗系統(tǒng)時(shí)，采用四環(huán)電極來(lái)測(cè)量胸腔阻抗，但這種方式會(huì)讓電極的配帶嚴(yán)重地受到患者身材的影響，也會(huì)致患者的不適。Bacon Simon L等人［10］做了關(guān)于四分之三電極（three-quarter circumferential band configuration，PB）與環(huán)電極（full circumferential band electrodes，F(xiàn)B）的對(duì)比研究，他們對(duì)47位被測(cè)者（66%是女性）分別進(jìn)行了2種電極的心阻抗測(cè)量，并得到他們的射血前期（PEP）、每搏輸出量（SV）、每分輸出量（CO）、血壓（BP）、心率（HR）參數(shù)，結(jié)果表明，這2種電極的測(cè)量結(jié)果有很高的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（Ricc=0.63～0.93），通過(guò) Bland-Altman 分析得到的誤差不超過(guò)5%，并且被測(cè)者表示PB測(cè)量時(shí)的不適感會(huì)減輕很多，因此，四分之三電極可以很好地替代環(huán)電極。但到目前為止，使用最多的還是點(diǎn)狀電極，已有不少關(guān)于使用點(diǎn)狀電極的報(bào)告［11～13］。Ikarashi Akira 等人［6］研究了檢測(cè)電極的最佳放置位置，他們?cè)谛厍昂捅澈笾醒胛恢酶鞣胖昧艘唤M1×11的檢測(cè)電極，通過(guò)觀察電阻抗的差值，最后確定了最佳檢測(cè)電極是在鎖骨中央——?jiǎng)钔蛊鹞恢?。宋義林等人［14］同時(shí)對(duì)通電電極和檢測(cè)電極的最佳位置進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，通電用點(diǎn)狀電極的最佳黏附位置為兩耳朵的后邊——下腹部（腰骨附近），而檢測(cè)用點(diǎn)狀電極的最佳黏附位置為鎖骨中央——?jiǎng)钔蛊稹?/p>

4 臨床應(yīng)用

Parry Steve W等人［15］首次將心阻抗法用于診斷血管迷走神經(jīng)性昏厥。血管迷走神經(jīng)性昏厥的診斷通常用直立傾斜試驗(yàn)（head-up tilt test，HUTT）來(lái)完成，但這種診斷方法非常耗時(shí)，通常需要20～40 min，并且缺乏衡量的金標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)患者與正常人2組進(jìn)行直立傾斜試驗(yàn)前和試驗(yàn)中進(jìn)行心阻抗檢測(cè)，觀察2組的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化，來(lái)研究心阻抗法對(duì)診斷血管迷走神經(jīng)性昏厥的意義，結(jié)果表明，在試驗(yàn)前，2組的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)無(wú)明顯差異，而在試驗(yàn)中當(dāng)患者處于昏厥前期，心輸出指數(shù)（cardiac index，CI）、末期心舒張指數(shù)（end-diastolic index，EDI）與左心室作功指數(shù)（left ventricular work index，LVWI）這3項(xiàng)都有明顯區(qū)別。因此，單獨(dú)用心阻抗法來(lái)診斷血管迷走神經(jīng)性昏厥還不能實(shí)現(xiàn)，但如何結(jié)合直立傾斜試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行更安全、更方便的試驗(yàn)，有待研究。

用心阻抗法對(duì)孕婦進(jìn)行檢測(cè)的問(wèn)題已經(jīng)被研究和討論了很長(zhǎng)時(shí)間，由于它的無(wú)創(chuàng)安全性，心阻抗法在婦產(chǎn)科已經(jīng)擁有了一席之地。Tomsin K等人［16］從孕婦懷孕第7個(gè)月起，對(duì)她們進(jìn)行3種姿勢(shì)的22個(gè)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量，最后保證每位孕婦的每個(gè)姿勢(shì)的數(shù)據(jù)不少于30組，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行組間和組內(nèi)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，結(jié)果是這些相關(guān)系數(shù)都不小于0.8，于是他們得出結(jié)論，心阻抗法對(duì)孕婦的檢測(cè)具有很高的可靠性，對(duì)評(píng)定孕婦的心功能有指導(dǎo)意義。同樣，San-Frutos L等人［17］對(duì)18名健康孕婦從懷孕第18周到產(chǎn)后6個(gè)月進(jìn)行心阻抗檢測(cè)，并用SAS數(shù)統(tǒng)計(jì)軟件來(lái)分析結(jié)果，最后他們總結(jié)并得出結(jié)論:對(duì)于孕婦的心功能檢測(cè)，心阻抗法可能是最合適和最準(zhǔn)確的方法。但是，Moertl M G等人［18］在用該方法對(duì)孕婦進(jìn)行了大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)并細(xì)心分析之后，得出結(jié)論:孕期所檢測(cè)的心輸出量都是無(wú)效數(shù)據(jù)，強(qiáng)烈不建議對(duì)孕婦進(jìn)行心阻抗檢測(cè)。無(wú)論如何，心阻抗法在婦產(chǎn)科已經(jīng)有了長(zhǎng)時(shí)間的臨床應(yīng)用，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。

高血壓是比較常見(jiàn)的疾病，有著龐大的患病人群。De Marzo等人［19］對(duì)50例成年高血壓患者進(jìn)行了直立和平躺2種姿勢(shì)的檢測(cè)，試圖以血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)依據(jù)對(duì)患者進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)果表明，不同的高血壓患者擁有不同的心血管異常情況，而通過(guò)心阻抗檢測(cè)可以大致把這些異常情況分為心室異常、大動(dòng)脈異常和其他異常三類(lèi)，這樣針對(duì)不同的患者就可以對(duì)癥下藥，采取快速降壓或是常見(jiàn)的預(yù)防措施，甚至是對(duì)心臟和血管進(jìn)行必要的手術(shù)。鐘傳茂等人［20］將120例血壓控制未達(dá)標(biāo)的原發(fā)性高血壓患者（已經(jīng)接受1～3種降壓藥物治療）進(jìn)行隨機(jī)分組，一組接受常規(guī)降壓治療，另一組接受無(wú)創(chuàng)血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)治療策略，該策略定期地對(duì)患者進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并適時(shí)調(diào)整降壓用藥。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出結(jié)論:對(duì)血壓控制未達(dá)標(biāo)的高血壓患者在阻抗心動(dòng)圖無(wú)創(chuàng)血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)指導(dǎo)下的降壓治療較常規(guī)治療更有效。Tikkakoski Antti J等人［21］將155名高血壓患者與232名正常人進(jìn)行了對(duì)比檢測(cè)，獲取了他們分別處于平躺狀態(tài)和直立傾斜實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明，不管處于哪種狀態(tài)，高血壓患者的血管阻力和動(dòng)脈硬度都呈現(xiàn)更高的數(shù)值。Zhao Xiajuan等人［22］也在漢族老年人中做了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果同樣表明，高血壓患者的血管阻力和動(dòng)脈硬度更大，并且隨著年齡的增長(zhǎng)，這2項(xiàng)都呈升高的趨勢(shì)。

另外，心阻抗法還被應(yīng)用到了一些不太常見(jiàn)的環(huán)境或者疾病。Krzesinski Pawel等人［23］初步將心阻抗法做為高原上檢測(cè)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的工具，從而得知，在高原上的血流動(dòng)力學(xué)的大部分參數(shù)都會(huì)呈現(xiàn)出明顯的差異，并且得出結(jié)論，對(duì)于因高海拔而產(chǎn)生心血管紊亂等癥狀時(shí)，心阻抗法的無(wú)創(chuàng)和簡(jiǎn)便等特點(diǎn)可以為心功能的檢測(cè)提供便利。Muller Mattew D等人［24］嘗試用心阻抗法檢測(cè)人們?cè)诩毙岳浔┞叮╝cute cold exposure，ACE）環(huán)境下的參數(shù)，結(jié)果與預(yù)期一致，長(zhǎng)達(dá)65min暴露于5℃的低溫環(huán)境下，心輸出量會(huì)隨著心率的降低而升高，實(shí)驗(yàn)證明:心阻抗法在急性冷暴露條件下的檢測(cè)是有效的。Tocco F等人［25］更是自行設(shè)計(jì)了一種可以用于水下環(huán)境的便攜式心阻抗儀，用該設(shè)備檢測(cè)25℃，3 m深水下環(huán)境的屏息人員，雖然沒(méi)能檢測(cè)出明顯的潛水反應(yīng)，但總體的結(jié)果也令人滿意。

5 結(jié)論

近年來(lái)，心阻抗法已經(jīng)被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于臨床，雖然該方法有一些局限性，比如:對(duì)于電極放置有困難、活動(dòng)過(guò)多的病人、過(guò)度肥胖患者等難以適用，或是其準(zhǔn)確性將受到嚴(yán)重的影響，但隨著國(guó)內(nèi)外不斷涌出的關(guān)于心阻抗法的大量研究，其結(jié)果證明了心阻抗法有它無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，心阻抗法的推廣勢(shì)不可擋，它將開(kāi)啟無(wú)創(chuàng)血流動(dòng)力學(xué)的新篇章。

［1］胡 鑫.基于心電與阻抗信息的心血管功能檢測(cè)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2007:1.

［2］Kubicek W G，Karnegis J N，Patterson R P，et al.Development and evaluation of an impedance cardiac output system［J］.Aerospace Med，1966，37:1208-1212.

［3］彭承琳，郭興明.人體細(xì)胞內(nèi)外液分布阻抗測(cè)量?jī)x的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，1996，17（6）:612-616.

［4］Schwan H P.Analysis of dielectric data:Experience with biological materials［J］.IEEE Transactions on Electrical Insulation，1985（12）:913-922.

［5］馬立業(yè).無(wú)創(chuàng)心臟血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)儀的工作原理、參數(shù)意義和臨床價(jià)值［J］.中國(guó)心血管雜志，2008，13（1）:72.

［6］Ikarashi Akira，Nogawa Masamichi，Tanaka Shinobu，et al.Experimental and numerical study on optimal spot-electrodes arrays in transthoracic electrical impedance cardiography［C］//Proceedings of the 29th Annual International Conference of the IEEE EMBS，Cité Internationale，Lyon，F(xiàn)rance，2007:23-26.

［7］Akhand M，Trakicl A，Terril P，et al.Optimal tissue types in the thoracic electrical impedance modelfor thoracic electrical bioimpedance（TEB）studies［C］//The 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS Minneapolis，Minnesota，USA，2009:2-6.

［8］Kuang M X，Xiao Q J，Kuang N Z，et al.Studies on separating the impedance change components of blood vessels and ventricles in thorax from mixed impedance signals on chestsurface［J］.Med Phys，2011，38:3270-3278.

［9］Qiujin X，Zhen W，Mingxing K，et al.Thoracic impedance change equation deduced on the basis of parallel impedance model and Ohm's law［J］.Med Phys，2012，39:1042-1045.

［10］Bacon Simon L，Keller Avril J，Lavoie Kim L，et al.Comparison of a three-quarter electrode bandconfiguration with a full electrode band configuration forimpedance cardiography［J］.Psychophysiology，2010，47:1087-1093.

［11］Penny B C，Patwardhan N A，Wheeler H B.Simplified electrode array for impedance cardiog raphy［J］.Med＆ Biol Eng ＆ Comput，1985，23:1-7.

［12］Gotshall R W，Sexson W R.Comparison of band and spot electrodes for the measurement of strok volume by the bioelectric impedance technique［J］.Critical Care Medicine，1994，22:420-425.

［13］Ikarashi A，Sasaki K，Moroe，et al.Quantitative evaluation of optimal electrode array for impedance electrical cardiography［C］//The 18th SICE Symposium on Biological and Physiological Engineering，Nigata，2003:377-378.

［14］宋義林，高樹(shù)枚，五十嵐朗，等.基于電阻抗法無(wú)拘束心排量檢測(cè)的最佳電極配置［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2011，28（1）:32-58.

［15］Parry Steve W，Norton Michael，Pairman Jessie，et al.Impedance cardiography:A role in vasovagal syncope diagnosis［J］.Age and Aging，2009，38:718-723.

［16］Tomsin K，Mesens T，Molenberghs G，et al.Venous pulse transit time in normal pregnancy and preeclampsia［J］.Reprod Sci，2012，19:431-436.

［17］San-Frutos L，Engels V，Zapardiel I，et al.Hemodynamic changes during pregnancy and postpartum:A prospective study using thoracic electrical bioimpedance［J］.Matern Fetal Neonatal Med，2011，24:1333-1340.

［18］Moertl M G，Schlembach D，Papousek I，et al.Hemodynamic evaluation in pregnancy:Limitations of impedance cardiography［J］.Physiol Meas，2012，33:1015-1026.

［19］De Marzo，Arthur P.Using impedance cardiography with postural change to stratify patients with hypertension［J］.Therapeutic Advances in Cardiovascular Disease，2011，5（3）:139-148.

［20］鐘傳茂，許德饒，劉俊德.無(wú)創(chuàng)血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)對(duì)高血壓治療的影響［J］.中國(guó)醫(yī)療前沿，2011，6（11）:3-6.

［21］Tikkakoski Antti J，Tahvanainen Anna M，Leskinen Miia H，et al.Hemodynamic alterations in hypertensive patients at rest and during passive head-up tilt［J］.Journal of Hypertension，2013，31（5）:906-915.

［22］Zhao Xiajuan，Ding Ding，Huang Yanyan，et al.Impedance cardiographic hemodynamic variables and hypertension in elderly Han residents［J］.Upsala Journal of Medical Sciences，2013，118（2）:80-86.

［23］Krzesinski Pawel，Sadlon Narcyz Michal，Grudzien Kamil Tomasz，et al.Impedance cardiography as a tool for haemodynamic monitoring at high altitude:A preliminary study［J］.Kardiologia Polska，2012，70（9）:911-917.

［24］Muller Matthew D，Ryan Edward J，Kim Chul Ho，et al.Reliability of the measurement of stroke volume using impedance cardiography during acute cold exposure［J］.Aviatoin Space and Environmental Medicine，2010，81（2）:120-124.

［25］Tocco F，Crisafulli A，Marongiu E，et al.A portable device to assess underwater changes of cardio dynamic variables by impedance cardiography［J］.Journal of Physics:Conference Series，2012，407:1-5.