多通道電阻抗方法胃動力測量機制研究

趙 舒 沙 洪 任超世

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所， 天津 300192)

多通道電阻抗方法胃動力測量機制研究

趙 舒 沙 洪*任超世

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所， 天津 300192)

生物電阻抗；胃動力；多通道測量；胃收縮傳導(dǎo)

引言

胃腸動力障礙性疾病是臨床常見病。胃的動力功能是一個復(fù)雜的電活動—機械收縮和傳導(dǎo)的過程。胃起搏電位的頻率約為3次/min，由近至遠移行，自胃體至幽門傳播。胃蠕動波開始于胃體部的上1/3處，間隔出現(xiàn)環(huán)狀收縮，剛開始時波幅淺小，后逐漸加深，蠕動波呈有節(jié)律的運動向幽門方向推進，周而復(fù)始地進行。胃在消化期和消化間期均存在節(jié)律性位相性收縮，胃環(huán)行肌依次收縮，產(chǎn)生分節(jié)運動，從起搏點向幽門傳導(dǎo)[1-2]。

目前胃動力學(xué)檢查的常規(guī)診斷方法單獨使用均不能全面了解胃的運動和排空情況[3-4]，研究一種可完整觀察消化過程，能較為全面、有效和準確了解患者胃動力狀況的檢測方法日益受到國內(nèi)外醫(yī)學(xué)專家的關(guān)注和重視。生物電阻抗技術(shù)通過放置于人體上腹體表的電極注入微小交流電流，測量電阻抗信號，利用消化過程中胃的電特性及其變化規(guī)律，提取與胃運動過程相聯(lián)系的生物醫(yī)學(xué)信息，該方法無創(chuàng)廉價方便，可實現(xiàn)整個消化過程中連續(xù)的胃運動檢測[5]。

電阻抗測量受到多種因素變化的影響，情況復(fù)雜。消化過程中胃內(nèi)食物的導(dǎo)電性、胃的容積變化、消化液分泌、電極位置等因素都可能影響體表電阻抗的測量結(jié)果[6-8]。作為一種間接測量方法，體表阻抗信號與腹內(nèi)胃運動之間的定量關(guān)系尚未建立，相關(guān)性還有待深入研究。胃的運動包括胃的徑向收縮和胃蠕動波沿胃體、胃竇直至幽門的運動傳導(dǎo)過程，課題組前期建立的單通道電阻抗測量方法[9-10]反映的是胃運動引起的腹部電阻抗變化總和在體表的投影，還不能準確反映胃不同部位的收縮差異和胃蠕動波沿胃體、胃竇直至幽門傳導(dǎo)的時相關(guān)系。

為了明確正常人常規(guī)胃運動狀態(tài)下體表測量電阻抗信號與腹內(nèi)胃運動之間的相關(guān)性，建立多通道電阻抗信號與胃收縮傳導(dǎo)過程的關(guān)系，探討腹內(nèi)胃運動在體表測量電阻抗信號的反映與傳播規(guī)律，本文針對胃運動電特性變化進行仿真研究，并設(shè)計了動態(tài)模擬實驗對仿真結(jié)果進行初步驗證，探討多通道電阻抗方法檢測胃動力的測量機制。

1 方法

1.1胃收縮蠕動空間傳導(dǎo)仿真研究

電阻抗胃動力測量采用的注入電流頻率為50 kHz，滿足電準靜態(tài)和磁準靜態(tài)近似條件[11]，可用如下的電壓控制方程和邊值問題描述：

(1)

(2)

假設(shè)已知人體上腹區(qū)域的電導(dǎo)率分布，利用給定的邊界條件采用數(shù)值計算技術(shù)求解拉普拉斯方程，得出求解區(qū)域及邊界的電位分布，為實際測量提供依據(jù)。研究中為得到邊界上預(yù)設(shè)測量電極對之間的電壓降，應(yīng)用COMSOL MULTIPHYSICS軟件，采用有限單元法(finite element method，F(xiàn)EM)完成計算。COMSOL軟件根據(jù)設(shè)定的模型分布自動生成自適應(yīng)三角網(wǎng)格剖分，并根據(jù)邊界激勵條件完成正問題計算，通過改變模型中不同部分的形狀和電導(dǎo)率分布來模擬胃的運動過程。

1.1.1仿真模型建立

圓柱體是模擬人體組織最常用的容積導(dǎo)體模型，易于定位和定量分析。用直徑0.3 m、高0.3 m的圓柱體模擬人體上腹軀干。在軀干圓柱體的內(nèi)部放置一個半徑0.08 m、高0.18 m的胃圓柱體，模擬胃體至幽門部分，圓柱頂端代表胃蠕動波起搏位置，即胃體上1/3處(見圖1)。通過改變胃圓柱體的形狀、體積和電導(dǎo)率，模擬胃運動過程中胃內(nèi)容物電導(dǎo)率分布和容積的變化。

為研究阻抗信號在高導(dǎo)電性和低導(dǎo)電性胃內(nèi)容物條件下的變化特征，參考文獻[12]所進行的人體攝入不同電導(dǎo)率液態(tài)試餐實驗研究，仿真中將軀干圓柱的電導(dǎo)率設(shè)為中性試餐的電導(dǎo)率，即σ=0.45 S/m作為背景電導(dǎo)率。將胃圓柱的電導(dǎo)率分為高電導(dǎo)率和低電導(dǎo)率兩種情況討論，分別設(shè)為σ=1.35 S/m和σ=0.15 S/m，相對于背景的電導(dǎo)率對比度相同，來模擬攝入不同性質(zhì)電導(dǎo)率食物后，上腹邊界電阻抗的變化情況。

在軀干圓柱外表面放置激勵電極，安放位置分為沿圓柱軸向和徑向兩種模式，注入頻率f=50 kHz、幅值I=5 mA的交流電流。研究兩種激勵模式不同電場分布情況下，胃的運動過程在體表電壓的反映。沿兩個激勵電極連線對稱放置邊界電壓觀測點(測量電極)，其中軸向激勵模式放置4個電壓觀測點，組成3個測量通道(見圖1(a))；徑向激勵模式放置8個電壓觀測點，組成4個測量通道(見圖1(b))；軸向激勵和徑向激勵電壓觀測點的z軸坐標相同。COMSOL仿真中，剖分由COMSOL自動完成，剖分精度選擇Finer，單元形狀選擇四面體，在胃初始狀態(tài)模型中，剖分單元數(shù)量為15 353個。基于上述圓柱體模型，對胃收縮蠕動的空間傳導(dǎo)與體表測量電阻抗信號的關(guān)系進行仿真研究。

圖1 胃圓柱模型及邊界電壓觀測點。(a) 軸向激勵模式；(b) 徑向激勵模式Fig.1 Cylinder model for stomach and voltage observation point at boundary. (a) Axial direction current excitation pattern; (b) Radial direction current excitation pattern

1.1.2評價參數(shù)設(shè)定

當胃的電導(dǎo)率、體積、形態(tài)變化時，不同位置的邊界測量電壓值變化較大，為了定量評價各通道測量電壓的有效性和敏感性，優(yōu)化電阻抗胃動力測量系統(tǒng)，定義如下評價參數(shù)：

1、邊界測量電壓敏感性

定義邊界測量電壓敏感參數(shù)δ為

(3)

式中，U0為胃狀態(tài)變化前的邊界測量電壓初值，Ui為胃狀態(tài)變化過程中的邊界測量電壓值，n為測量次數(shù)。仿真研究中，參數(shù)δ反映了測量電壓對場域電導(dǎo)率分布變化的敏感性。對于不同的激勵模式和測量通道，δ越大，邊界測量電壓的敏感性越高，檢測效果越好[13-14]。

2、邊界測量電壓均值

(4)

3、邊界測量電壓動態(tài)范圍

邊界測量電壓動態(tài)范圍為邊界電壓測量的最大值與最小值之比，即Umax/Umin。

邊界電壓的動態(tài)范圍用于評價胃的狀態(tài)變化時，各通道邊界測量電壓變化的幅度。Umax/Umin大的通道和模式能更清楚的反映胃狀態(tài)的變化過程。

1.2動態(tài)模擬實驗研究

模擬實驗裝置(見圖2)包括圓筒形鹽水槽(直徑0.3 m)，水槽上通過支架固定電機、絲杠和傳動機構(gòu)。被測模型用棉線懸吊在絲杠上，由控制器控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和方向，通過傳動機構(gòu)帶動絲杠牽拉被測模型按設(shè)定速度沿垂直方向上下勻速移動，模擬胃蠕動中電導(dǎo)率分布變化的過程。人體內(nèi)胃的位置靠近上腹體表，而裝置中被測模型懸吊于絲杠上，位于圓形水槽中心位置。為了使被測目標更為接近體表的激勵和測量電極，設(shè)計電極陣列板垂直安裝于圓筒內(nèi)，并用玻璃膠密封，將圓筒分割為兩個密閉的空間，實驗時在靠近被測模型(面向電極)一側(cè)的空間注入鹽水，電極表面與鹽水接觸，電極引線從電極陣列板背后的空間引出，接至數(shù)據(jù)采集與控制單元。激勵和測量電極的位置如圖3。

圖2 阻抗胃動力測量模擬實驗裝置Fig.2 Experimental device for gastric impedance measurement

圖3 電極陣列示意Fig.3 Schematic diagram of electrode array

電極陣列包括2對激勵電極和10個測量電極，可進行軸向激勵和徑向激勵。在某一激勵模式下，并行采集各相應(yīng)測量通道的邊界電壓值。不同激勵模式下的測量通道與電極編號如表1所示。由于測量目標左右形狀對稱，軸向激勵時，測量ch1、ch2、ch3通道的電壓；徑向激勵時，測量ch4、ch5、ch6通道的電壓。

表1 測量通道與電極編號

制作電導(dǎo)率分別為1.35 S/m和0.15 S/m的瓊脂模型，將1 000 mL自來水加熱至沸騰，加入瓊脂粉35 g，用玻璃棒攪拌，使瓊脂粉充分溶解。溶液在常溫下冷卻，當溶液溫度降至50℃時，逐量添加食鹽并攪拌，用HANNA DIST4筆式電導(dǎo)率儀測量，直至溶液電導(dǎo)率達到目標值。將瓊脂溶液倒入不同尺寸的培養(yǎng)皿中，冷卻后成型。圖4(a)中，3塊電導(dǎo)率為1.35 S/m的圓柱形瓊脂塊用棉線沿軸心上下穿在一起。上下層模塊的直徑為0.085 m，模擬正常胃部，中間層模塊的直徑為0.035 m，用來模擬胃環(huán)行肌收縮的狀態(tài)，胃腔閉合程度約為41%。圖4(b)為3塊串聯(lián)的低電導(dǎo)率(σ=0.15 S/m)模型。實驗時向自來水中逐量加入硫酸鈉晶體配置電導(dǎo)率σ=0.45 S/m的鹽水溶液，向被測目標所在的水槽空間中注入鹽水溶液，沒過電極，模擬人體上腹組織。瓊脂模型用棉線懸吊于絲杠下端，浸沒在鹽水中，受到重力、浮力和絲杠對它向上的拉力，三力平衡后絲杠控制瓊脂模型從初始位置向下至水槽底部作勻速運動，模擬胃收縮從胃體至胃竇傳導(dǎo)的電導(dǎo)率變化過程。運動周期約為30 s，檢測系統(tǒng)采樣頻率為5 Hz，每個模型軸向激勵和徑向激勵模式各采集一組數(shù)據(jù)。

圖4 被測瓊脂模型。(a) 瓊脂模型σ=1.35 S/m；(b) 瓊脂模型σ=0.15 S/mFig.4 Measured agar models. (a) Agar model σ=1.35 S/m; (b) Agar model σ=0.15 S/m

2 結(jié)果

2.1胃收縮蠕動空間傳導(dǎo)仿真結(jié)果

圖5 軸向激勵模式胃收縮傳導(dǎo)仿真模型與電流密度分布(每列的第1行為狀態(tài)1，第2行為狀態(tài)5，第3行為狀態(tài)9)。(a) 模型；(b) 高電導(dǎo)率 σ=1.35 S/m；(c) 低電導(dǎo)率 σ=0.15 S/mFig.5 Current density distribution in cylindrical simulation model for gastric contraction and propagation under axial direction current excitation pattern(In each column, line 1 shows the status 1, line 2 the status 5, line 3 the status 9). (a) The model; (b) Conductivity σ=1.35 S/m; (c) Conductivity σ=0.15 S/m

圖6 徑向激勵模式胃收縮傳導(dǎo)仿真模型與電流密度分布(每列的第1行為狀態(tài)1，第2行為狀態(tài)5，第3行為狀態(tài)9)。(a) 模型；(b) 高電導(dǎo)率 σ=1.35 S/m；(c) 低電導(dǎo)率 σ=0.15 S/mFig.6 Current density distribution in cylindrical simulation model for gastric contraction and propagation under radial direction current excitation pattern(In each column, line 1 shows the status 1, line 2 the status 5, line 3 the status 9). (a) The model; (b) Conductivity σ=1.35 S/m; (c) Conductivity σ=0.15 S/m

圖7為軸向激勵模式下，預(yù)設(shè)模型從狀態(tài)0連續(xù)變化至狀態(tài)9時，3個通道測量電壓的變化波形。高電導(dǎo)率(σ=1.35S/m)胃內(nèi)容物情況下，胃收縮發(fā)生部位的局部電導(dǎo)率降低，邊界測量電壓值升高。在胃收縮狀態(tài)1～3，通道1的電壓明顯升高(形成波峰)；在胃收縮狀態(tài)4～6，通道2的電壓明顯升高；在胃收縮狀態(tài)7～9，通道3的電壓明顯升高，與各通道測量電極覆蓋的范圍相對應(yīng)。低電導(dǎo)率(σ=0.15S/m)胃內(nèi)容物情況下，胃收縮發(fā)生部位的局部電導(dǎo)率升高，邊界測量電壓值降低(形成波谷)，傳導(dǎo)規(guī)律與高電導(dǎo)率胃內(nèi)容物的情況相同。邊界測量電壓的波形清晰顯示了胃收縮發(fā)生的部位及傳導(dǎo)過程。相鄰?fù)ǖ篱g存在相位差，大小與蠕動波傳播速度以及測量電極的安放位置和距離有關(guān)。

圖8為徑向激勵模式下，胃單次收縮傳導(dǎo)邊界測量電壓變化波形。在徑向激勵模式下，4個測量通道的電壓觀測點分別位于2、4、6、8狀態(tài)胃收縮發(fā)生段的中心位置。在高電導(dǎo)率(σ=1.35S/m)和低電導(dǎo)率(σ=0.15S/m)胃內(nèi)容物情況下，胃收縮發(fā)生部位的邊界測量電壓值分別升高和降低，4個通道波形的幅值依次分別在2、4、6、8狀態(tài)達到最大值(波峰)和最小值(波谷)，相鄰?fù)ǖ篱g存在明顯的相位差，反映了胃蠕動的傳導(dǎo)過程。

2.2動態(tài)模擬實驗結(jié)果

采用具有不同電導(dǎo)率的瓊脂模型(圖4)進行動態(tài)模擬實驗，軸向激勵和徑向激勵模式下的邊界電壓測量結(jié)果如圖9。

表2 不同激勵模式下胃收縮傳導(dǎo)的參數(shù)評價結(jié)果

圖7 圓柱模型軸向激勵模式胃收縮傳導(dǎo)的邊界電壓變化。(a) 高電導(dǎo)率 σ=1.35 S/m；(b) 低電導(dǎo)率 σ=0.15 S/mFig.7 Boundary voltage in cylindrical simulation model for gastric contraction and propagation under axial direction current excitation pattern. (a) Conductivity σ=1.35 S/m; (b) Conductivity σ=0.15 S/m

圖8 圓柱模型徑向激勵模式胃收縮傳導(dǎo)的邊界電壓變化。(a) 高電導(dǎo)率 σ=1.35 S/m； (b) 低電導(dǎo)率 σ=0.15 S/mFig.8 Boundary voltage in cylindrical simulation model for gastric contraction and propagation under radial direction current excitation pattern. (a) Conductivity σ=1.35 S/m; (b) Conductivity σ=0.15 S/m

當高電導(dǎo)率(σ=1.35 S/m)三層瓊脂模型(見圖4(a))勻速下降時，軸向(徑向)激勵模式下，ch1至ch3(ch4至ch6)通道測量電壓的波形依次呈現(xiàn)下降-上升-下降的雙波谷，表現(xiàn)出與被測模塊運動相對應(yīng)的時序關(guān)系。這是由于測量電極對覆蓋的被測區(qū)域，在高電導(dǎo)率三層瓊脂模型經(jīng)過時，區(qū)域內(nèi)的電導(dǎo)率整體升高，故測量電阻抗值降低；波谷中間的小波峰為三層模型的中間層(胃收縮擾動)經(jīng)過時，由于局部的電導(dǎo)率降低引起的電壓升高，與仿真研究中邊界測量電壓的波峰含義相同。軸向激勵模式各通道出現(xiàn)雙波谷的時間差約為9 s；徑向激勵模式各通道出現(xiàn)雙波谷的時間差約為6 s，這與各測量通道的電極安放位置和間距正好相對應(yīng)。軸向激勵模式下，ch1和ch3通道的測量電壓幅值大于ch2通道；徑向激勵模式下，ch5通道的電壓幅值大于ch4和ch6。這是由于激勵電極面積較小，電場分布不均勻，靠近電極的測量通道電流密度大，電壓下降快，與仿真研究的結(jié)果相符。ch3(ch6)通道電壓幅值的峰值略高于ch1(ch4)通道，是由于牽引被測模塊上下運動的絲杠為絕緣材料，絲杠進入鹽水后，增加了整個被測場域的電阻。徑向激勵模式的測量電壓幅值高于軸向激勵模式，但兩種激勵模式測量電壓變化的幅度相近。徑向激勵模式只有測量電壓幅值較大的第二通道(ch5)存在較為明顯的雙波谷，對電導(dǎo)率變化的敏感性弱于軸向激勵。

當被測目標為低電導(dǎo)率(σ=0.15 S/m)三層瓊脂模型(見圖4(b))時，邊界測量電壓的變化規(guī)律與高電導(dǎo)率模型相似，表現(xiàn)出與被測模塊運動方向相對應(yīng)的時序關(guān)系，只是波形變化方向與高電導(dǎo)率情況相反(呈現(xiàn)上升-下降-上升的雙波峰)，邊界測量電壓的幅值高于高電導(dǎo)率模型。

3 討論

上述仿真與模擬實驗研究的結(jié)果表明，從人體上腹體表提取的多通道電阻抗胃動力信號與腹內(nèi)胃的形態(tài)、胃內(nèi)容物和胃的運動緊密相關(guān)。當胃平滑肌收縮從起搏點向幽門傳導(dǎo)時，體表測量的阻抗信號表現(xiàn)為和預(yù)設(shè)模型收縮節(jié)律相一致的周期性波動，多個測量通道間的波形存在明顯的相位差，相位差的大小與蠕動波的傳播速度，以及測量電極的位置和道間距離有關(guān)。

胃內(nèi)容物為高電導(dǎo)率和低電導(dǎo)率(相對于背景)情況下，邊界電壓波形的變化趨勢相同，方向相反。高、低電導(dǎo)率胃內(nèi)容物對體表測量阻抗信號的影響不是簡單的反相關(guān)系。在本文仿真研究條件下，軸向激勵模式邊界測量電壓對高電導(dǎo)率胃內(nèi)容物有較高的敏感性，徑向激勵模式對低電導(dǎo)率胃內(nèi)容物有較高的敏感性。

軸向和徑向兩種激勵模式均可有效地反映胃的收縮狀態(tài)和蠕動傳導(dǎo)過程，各有優(yōu)勢。軸向激勵模式的測量電極沿胃收縮蠕動傳導(dǎo)方向放置，其邊界測量電壓反映了測量通道覆蓋范圍內(nèi)的平均阻抗變化，波形更為平滑。徑向激勵模式的測量電極垂直于胃收縮蠕動傳導(dǎo)方向，沿電極所在位置的胃環(huán)行肌收縮方向放置，可更敏感地反映該位置的胃環(huán)行肌收縮。靠近激勵電極的測量通道，邊界測量電壓結(jié)果有較大的均值和較高的敏感性。在實際應(yīng)用中，可依據(jù)不同的要求，采用不同的激勵模式，或?qū)煞N激勵測量模式相結(jié)合。

由于瓊脂材料特性和實驗手段的限制，目前的裝置模擬實驗還比較粗糙，與仿真研究模型有一定的差異，只能做定性分析。下一步將設(shè)計更為符合胃運動狀態(tài)的裝置模擬實驗方案，提高測量精度，爭取實現(xiàn)定量分析。

4 結(jié)論

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MechanisticStudyofMultichannelImpedanceMethodforGastricMotilityMeasurement

ZHAO Shu SHA Hong*REN Chao-Shi

(InstituteofBiomedicalEngineering,ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalCollege,Tianjin300192,China)

electrical bio-impedance; gastric motility; multi-channel measurement; propagation of gastric contraction

10.3969/j.issn.0258-8021.2014. 02.001

2013-10-10， 錄用日期:2014-03-01

國家自然科學(xué)基金(81301288)

R318

A

0258-8021(2014) 02-0129-10

*通信作者。E-mail: shahong2000@163.com