適于動物肌肉組織局部電阻抗測量的無創(chuàng)電極間距研究

付欽鵬，種銀保，趙安，趙鵬，潘文才，馬結(jié)實

第三軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400037

適于動物肌肉組織局部電阻抗測量的無創(chuàng)電極間距研究

付欽鵬，種銀保，趙安，趙鵬，潘文才，馬結(jié)實

第三軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400037

目的為了用無創(chuàng)測得的局部肌肉組織的電阻抗頻譜評估失血性休克的程度，需要確定無創(chuàng)測量電極系統(tǒng)中電極間距這一個關(guān)鍵因素。方法參照大鼠股二頭肌厚度數(shù)據(jù)，設(shè)計了3種兼具無創(chuàng)和有創(chuàng)測量的電極頭，無創(chuàng)測量電極間距分別為1.83、2.67、3.5 mm，有創(chuàng)測量電極間距均為2.67 mm；以新鮮離體的10份豬里脊肉為測量對象，對測量阻抗模值進行歐氏距離分析及Cole-Cole曲線擬合，對比擬合誤差。結(jié)果無創(chuàng)測量電極間距為2.67 mm時，無創(chuàng)測量的模值頻譜更接近有創(chuàng)測量的模值頻譜，而且該間距下無創(chuàng)測量數(shù)據(jù)擬合成Cole-Cole曲線的效果更好。結(jié)論以被測肌肉組織的厚度的1/6為無創(chuàng)電極間距時，測得的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)接近于等間距有創(chuàng)方式測得的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)。

無創(chuàng)；阻抗；電極間距；肌肉組織；失血性休克

引言

失血性休克是指由各種原因引起的急性血液或血漿大量丟失而導(dǎo)致的有效循環(huán)血量與心輸出量減少、組織灌注不足、細胞代謝紊亂和功能受損的病理生理過程。病人死亡的原因往往是組織低灌注等因素導(dǎo)致的多器官功能障礙綜合癥，院前失血性休克程度評估對戰(zhàn)創(chuàng)傷患者的分流和復(fù)蘇方案選擇具有指導(dǎo)性意義。

目前休克程度的無創(chuàng)檢測技術(shù)分為血流動力學(xué)指標檢測方法[1-5]和氧代謝指標檢測方法[6-12]。這些方法在院內(nèi)能獲得準確的評估結(jié)果，但大部分不適于院外應(yīng)用環(huán)境。生物電阻抗技術(shù)是利用生物組織與器官的電特性及變化規(guī)律提取與人體生理，病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的檢測技術(shù)，基本測量方式是利用體表的電極系統(tǒng)向檢測對象施加安全的電壓或電流激勵，在體表檢測相應(yīng)變化，獲取相關(guān)的信息，其特點是無創(chuàng)、無害、廉價、操作簡單和功能信息豐富，醫(yī)生和病人易于接受。進入21世紀后，隨著生物組織電阻抗研究的不斷深入，生物阻抗技術(shù)的基礎(chǔ)理論不斷完善，其相應(yīng)的測量或檢測技術(shù)隨著電子技術(shù)的革新也更加成熟化。例如人體組織結(jié)構(gòu)分析、生物阻抗成像等生物阻抗技術(shù)已逐漸應(yīng)用于臨床，并不斷取得進展。

有研究表明利用電阻抗特征參數(shù)可對肌肉的缺血狀態(tài)進行評估[13]，電阻抗特征參數(shù)對人體骨骼肌的不同灌注狀態(tài)也十分敏感[14]，由此外周肌肉組織的電阻抗頻譜可能用于評估失血性休克程度，但生物不同組織、測量角度不同會導(dǎo)致其電阻抗特征參數(shù)不同[15]，不同的電極類型其測量結(jié)果存在差異[16]，并且電極間距的長短會影響生物組織電阻抗信息的測量[17]。

目前，有研究指出在用四電極法測量組織電阻率時，為保證測量精度，插入被測組織的電極頂端到周圍其他組織的距離不低于電極間距的3倍[18]。這是有創(chuàng)測量電極間距的研究結(jié)果，但無創(chuàng)電阻抗測量電極的間距尚未形成統(tǒng)一標準，不同的電極間距測得的電阻抗存在較大差異[19]?；谒碾姌O阻抗測量方法，本研究設(shè)計3款能在局部肌肉組織上同時進行無創(chuàng)和有創(chuàng)測量的電極探頭，無創(chuàng)電極有3種不同電極間距，有創(chuàng)電極均采用一種電極間距，以有創(chuàng)電極測得的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)作為對照，通過有創(chuàng)和無創(chuàng)測量結(jié)果的對比分析，研究無創(chuàng)測量電極間距對肌肉組織局部電阻抗測量結(jié)果的影響，以期找到較為合適的無創(chuàng)電極間距進行電阻抗測量，來取代有創(chuàng)測量方式，降低阻抗測量對被測對象的損傷，從而為院前休克程度的評估提供一種無創(chuàng)的測量方式。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

由于豬里脊肉結(jié)構(gòu)組成相對單一、肌肉纖維走向明確，能模擬大鼠的股二頭肌纖維的結(jié)構(gòu)特征，所以本研究用新鮮離體的豬里脊肉作為測量對象。將新鮮離體的豬里脊肉（離體30 min內(nèi)）切割成長60 mm×40 mm×12 mm的長方體，共獲得10塊這樣的組織樣本。每塊樣本用保鮮膜包裹以防止測量前樣本表面濕度的降低。

2.2 阻抗測量方法

阻抗測量采用安捷倫公司的阻抗分析儀4294A，激勵電流為300 μA，掃描頻率1 kHz～1 MHz，共200個頻點，連續(xù)掃描方式。測量過程中借助于嬰兒培養(yǎng)箱（德爾格）保持測量樣本的溫度和濕度分別保持在36℃，50%?？傮w框圖，見圖1。

圖1 嬰兒培養(yǎng)箱示意圖

電極探頭：阻抗測量探頭上的電極按照四電極法布置，見圖2。1和4為激勵電極，2和3為測量電極。為了比較無創(chuàng)測量結(jié)果與有創(chuàng)測量結(jié)果的差距，在PCB電極探頭上并行設(shè)計了兩組四電極，上面一組為無創(chuàng)電極，下面一組為有創(chuàng)電極，見圖2a，PCB電極探頭通過一個9針串口插座與開關(guān)板連接，見圖2b。本研究參考林新博士學(xué)位論文中有創(chuàng)四電極方案設(shè)計了有創(chuàng)電極[18]，為了保證測量精度，插入被測組織的電極頂端與周圍其它組織的距離至少應(yīng)是電極間距的3倍。另外日本學(xué)者Sakamoto等[17]將人體等效為一個簡單的兩層模型，見圖3，當(dāng)d＜h＜ (d+L)/3時，電流主要流過肌肉組織。由前期解剖大鼠的實驗知大鼠股二頭肌的平均厚度約為12 mm，股二頭肌外皮膚的平均厚度約為1 mm，即L=12 mm，d=1 mm，所以電極間距h的取值范圍為1 mm＜h＜13/3 mm。

圖2 PCB電極探頭設(shè)計圖（a）與實物圖（b）

圖3 組織分層示意圖

根據(jù)上述電極間距的取值范圍，把這個區(qū)間四等分，分別取1/4、1/2和3/4等分點對應(yīng)的距離L1、L2和L3作為3種無創(chuàng)電極間距，即L1=1.83 mm、L2=2.67 mm、L3=3.5 mm。根據(jù)3種電極間距設(shè)計了3種PCB電極探頭，其有創(chuàng)測量插針間距均為2.67 mm，長度為3 mm，直徑為0.25 mm，作為對照電極；無創(chuàng)測量電極間距分別為L1、L2和L3，電極直徑1 mm。

開關(guān)板：開關(guān)板載兩個串口插座和一個四刀雙擲開關(guān)，左側(cè)串口連接至一個電極探頭，右側(cè)串口連接至阻抗分析儀；當(dāng)四刀雙擲開關(guān)撥向“Non-In”時，阻抗分析儀的4個端子與電極板上無創(chuàng)測量電極連通；當(dāng)四刀雙擲開關(guān)撥向“In”時，阻抗分析儀的4個端子與電極板上有創(chuàng)測量插針連通；這樣就實現(xiàn)有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種測量方式的選擇和切換。

2.3 單個肌肉組織電阻抗測量與分析

在電阻抗測量前保證四電極的連線與被測肌肉組織纖維的走向平行，將電極頭與被測肌肉組織良好接觸后對單個離體肌肉組織進行電阻抗測量，分別用3種無創(chuàng)電極測量的平均模值頻譜與有創(chuàng)電極測量的平均模值頻譜進行對比。

2.4 有創(chuàng)測量與無創(chuàng)測量的電阻抗模值的差異分析

依次利用3款電極探頭的有創(chuàng)電極和無創(chuàng)電極測量準備好的10塊豬肉組織的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)，計算每款電極探頭上無創(chuàng)測量數(shù)據(jù)與有創(chuàng)測量數(shù)據(jù)的歐式距離。歐式距離反映兩個向量之間的真實距離，基于秩和檢驗統(tǒng)計學(xué)方法分析各電極探頭歐氏距離的差異。

2.5 肌肉組織無創(chuàng)測得的電阻抗頻譜特性曲線擬合誤差分析

生物組織由細胞液和細胞膜組成，所以生物電阻抗是一個復(fù)數(shù)，其實部為細胞液的電阻值，虛部為細胞膜的電容電抗值，生物電阻抗的實部和虛部在一定的激勵頻率范圍內(nèi)會表現(xiàn)出規(guī)律性的變化。為了衡量不同無創(chuàng)電極間距對電阻抗頻譜特性曲線（即Cole-Cole曲線）的影響，將電阻抗實部作為橫坐標，將虛部作為縱坐標，利用最小二乘方法可以擬合出Cole-Cole曲線，并利用擬合殘差作為擬合誤差的評估指標。

3 結(jié)果

3.1 單個肌肉組織電阻抗分析結(jié)果

通過對比發(fā)現(xiàn)有創(chuàng)電阻抗測量和無創(chuàng)電阻抗測量模值都隨頻率的升高而下降，說明無創(chuàng)測量的電阻抗頻譜符合生物組織電阻抗的頻譜特性，見圖4。

同時通過有創(chuàng)測得電阻抗模值與無創(chuàng)測得電阻抗模值的對比，前兩種無創(chuàng)電極測量的電阻抗模值比有創(chuàng)電極測量的模值大，而第三種電極所測得的阻抗值則在一定頻率后比有創(chuàng)電極測得的模值要小。

3.2 有創(chuàng)測量與無創(chuàng)測量的電阻抗模值的差異分析結(jié)果

3款電極探頭的歐式距離，見圖5。歐式距離越短則該款電極探頭上的有創(chuàng)和無創(chuàng)測量的頻譜越相近。

通過箱圖可以看出第二種電極探頭的無創(chuàng)電極測量的模值與有創(chuàng)電極測量的模值相差較小，表明第二種電極探頭無創(chuàng)電極測量的模值更接近有創(chuàng)測量的模值。同時對有創(chuàng)測量和無創(chuàng)測量的歐氏距離進行秩和檢驗，假設(shè)第一種電極的歐氏距離大于第二種電極，第二種電極歐氏距離小于第三種電極，第一種電極大于第三種電極，置信區(qū)間在0.05情況下，P值分別為0.00195、0.001367和0.00195，均小于0.05，則接受原假設(shè)，說明第二種無創(chuàng)電極探頭測量的歐氏距離比相其他兩種電極探頭測量的歐氏距離要小。

3.3 肌肉組織電阻抗頻譜特性曲線擬合

3種無創(chuàng)電極間距對應(yīng)的Cole-Cole曲線，見圖6。其中，藍色的散點是測得的10個樣本的原始數(shù)據(jù)的均值，紫色的圓環(huán)是這些數(shù)據(jù)曲線擬合的結(jié)果。

數(shù)據(jù)的殘差平方和越小，其擬合程度越好。3種無創(chuàng)電極的擬合的殘差表，見表1。由表1擬合殘差值可以看出第二種電極擬合效果較好，同時第二種有創(chuàng)和無創(chuàng)電極得到殘差的標準差也較小，表明第二種電極擬合誤差誤差波動較小，擬合值相對較為穩(wěn)定，對3種無創(chuàng)電極的殘差兩兩進行秩和檢驗，所得P值為0.48997，0.41045，0.51003均大于0.05，沒有顯著性差異，說明電極間距的大小對電阻抗頻譜擬合影響不是很大。

圖4 3種電極頭的無創(chuàng)與有創(chuàng)電極測得的阻抗譜

圖5 有創(chuàng)無創(chuàng)測量模值歐氏距離箱圖

圖6 3種無創(chuàng)電極電阻抗頻譜特性曲線擬合

表1 3種無創(chuàng)電極的擬合的殘差表

4 結(jié)論與討論

無創(chuàng)電極測量電阻抗時緊貼肌肉組織，并不像有創(chuàng)電極插入肌肉組織，這使得無創(chuàng)電極的電流不能很好的流經(jīng)肌肉組織，相關(guān)研究表明當(dāng)電極距離遠小于表層厚度時,電流只穿過表層，檢測系統(tǒng)只對表層的阻抗變化敏感，不能檢測到內(nèi)部組織的信息。當(dāng)電極間距增大到接近于表層厚度時，電流才部分穿入到深層, 檢測結(jié)果中才可能包含一部分內(nèi)部組織（如肌肉組織）信息[20]，當(dāng)電極間距進一步加大，電流會深入到肌肉層下層的臟器組織，從而使測量數(shù)據(jù)的離散性增大。本研究考慮到了未來實驗中失血性休克模型中大鼠股二頭肌的實際厚度（12 mm），發(fā)現(xiàn)當(dāng)無創(chuàng)測量電極的間距約為股二頭肌實際厚度的1/6時，無創(chuàng)電極測得的頻譜數(shù)據(jù)與同電極間距的有創(chuàng)電極測得的頻譜數(shù)據(jù)較接近。因此，本研究提出的無創(chuàng)電極確定方法為將來人體下肢電阻抗電極間距的確定提供了一種參考思路。

本實驗的目的是確定一種適于大鼠肌肉組織無創(chuàng)電阻抗電極間距。通過對3種無創(chuàng)電極測量的電阻抗模值與有創(chuàng)電極測量的電阻抗模值進行比較知，第二種無創(chuàng)電極間距的電極測得的電阻抗模值與有創(chuàng)電阻抗電極測得的模值最接近。第一種無創(chuàng)電極間距較小，電流不能很好的流經(jīng)組織內(nèi)部，第三種電極間距較大，電流流經(jīng)整個組織，能反映組織內(nèi)部阻抗，但實際應(yīng)用時會反映出肌肉下層物質(zhì)的電阻抗信息，使阻抗測量值誤差較大，而第二種電極間距在其余兩種電極間距之間，激勵電流在兩測量電極之間分布相對較為均勻，使得測量值與具有相等電極間距的有創(chuàng)電極的測得數(shù)據(jù)較為接近。優(yōu)選出的第二種無創(chuàng)測量電極的間距是以有創(chuàng)測量方式為對照的，在活體大鼠的股二頭肌上能否獲得準確的電阻抗頻譜數(shù)據(jù)有待進一步活體動物試驗驗證。

[1] Cooke WH,Salinas J,Convertino VA,et al.Heart rate variability and its association with mortality in prehospital trauma patients[J].J Trauma,2006,60(2):363-370.

[2] Pestel GJ,Hiltebrand LB,Fukui K,et al.Assessing intravascular volume by difference in pulse pressure in pigs submitted to graded hemorrhage[J].Shock,2006,26(4):391-395.

[3] Ishikawa K,Shirato C,Yanagisawa A.Electrocardiographic changes due to sauna bathing. Influence of acute reduction in circulating blood volume on body surface potentials with special reference to the Brody effect[J].Br Heart J,1983,50(5):469-475.

[4] Norris PR,Morris JJ,Ozdas A,et al.Heart rate variability predicts trauma patient outcome as early as 12 h:implications for military and civilian triage[J].J Surg Res,2005,129(1):122-128.

[5] Cooke WH,Rickards CA,Ryan KL,et al.Autonomic compensation to simulated hemorrhage monitored with heart period variability[J].Crit Care Med,2008,36(6):1892-1899.

[6] Soller B,Smith C,Zou F,et al.Investigation of noninvasive muscle pH and oxygen saturation during uncontrolled hemorrhage and resuscitation in swine[J].Shock,2014,42(1):44-51.

[7] Soller BR,Zou F,Ryan KL,et al.Lightweight noninvasive trauma monitor for early indication of central hypovolemia and tissue acidosis: a review[J].J Trauma Acute Care Surg,2012,73 (2 Suppl1):S106-S111.

[8] Cammarata GA,Weil MH,Fries M,et al.Buccal capnometry to guide management of massive blood loss[J].J Appl Physiol 2006,100(1):304-306.

[9] Baron BJ,Dutton RP,Zehtabchi S,et al.Sublingual capnometryfor rapid determination of the severity of hemorrhagic shock[J]. J Trauma,2007,62(1):120-124.

[10] Cammarata GA,Weil MH,Castillo CJ,et al.Buccal capnometry for quantitating the severity of hemorrhagic shock[J]. Shock,2009,31(2):207-211.

[11] Lu H,Zheng J,Zhao P,et al.Buccal partial pressure of carbon dioxide outweighs traditional vital signs in predicting the severity of hemorrhagic shock in a rat model[J].J Surg Res, 2014,187(1):262-269.

[12] Choi JY,Lee WH,Yoo TK,et al.A new severity predicting index for hemorrhagic shock using lactate concentration and peripheral perfusion in a rat model[J].Shock,2012,38(6):635-641.

[13] Kun S,Ristic B,Peura RA,et al.Algorithm for tissue ischemia estimation based on electrical impedance spectroscopy[J].IEEE Trans Biomed Eng,2003,50(12):1352-1359.

[14] Clemente F,Romano M,Bifulco P,et al.EIS measurements for characterization of muscular tissue by means of equivalent electrical parameters[J].Measurement,2014,(58):476-482.

[15] Karki B,Wi H,Mcewan A,et al.Evaluation of a multi-electrode bioimpedance spectroscopy tensor probe to detect the anisotropic conductivity spectra of biological tissues[J].Meas Sci Technol,2014,25(7):075702.

[16] Nguyen DT,Kosobrodov R,Barry MA,et al.Electrode-skin contact impedance: In vivo measurements on an ovine model[J]. J Physics:Con Seri,2013,434:012023.

[17] Sakamoto S.Method of and apparatus for producing pure water:USA,US4262489[P].1981.

[18] 林新.生物組織阻抗頻譜測量技術(shù)及特性的基礎(chǔ)研究[D].西安:第四軍醫(yī)大學(xué),2005.

[19] 王智運,趙碩峰,鄧親愷,等.生物組織穿刺電極的設(shè)計及其結(jié)構(gòu)對電阻抗測量的影響[J],2011,30(3):230-300.

[20] 郝冬梅,關(guān)曉光.人體區(qū)域電阻抗測量的研究現(xiàn)狀[J].國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊,1995,18(1):23-28.

本文編輯 袁雋玲

Suitable Noninvasive Electrode Distance for Local Electrical Impedance Measurement of Animal Muscle Tissue

FU Qin-peng, CHONG Yin-bao, ZHAO An, ZHAO Peng, PAN Wen-cai, MA Jie-shi

Department of Medical Engineering, the Second Affiliated Hospital, the Third Military Medical University, Chongqing 400037, China

ObjectiveIt is necessary to determine the electrode distance in noninvasive electrode system, so as to assess the degree of hemorrhagic shock with noninvasive measurement of the electrical impedance spectrum of local muscle tissue.MethodsAccording to the thicknesses of biceps femoris of rats, three kinds of probes with both noninvasive and invasive electrode arrays were designed. The electrode distances of noninvasive measurements were 1.83, 2.67 and 3.5 mm respectively, while the invasive measuring electrode distances were 2.67 mm. Ten fresh pork fillets were taken as the object for measurement. The differences of measurements were analyzed by Euclidean distance and the fitting errors were analyzed in the process of Cole-Cole curve fitting with the noninvasive measurements.ResultsThe measured results were closer to the invasive measurements and the corresponding Cole-Cole curve fitting error was better when the electrode distance of noninvasive was 2.67 mm.ConclusionThe measured impedance spectrum data is close to the invasively measured data with the same electrode distance when use 1/6 of the thickness of the measured muscle tissue as the non-invasive electrode distance.

noninvasive; electrical impedance; electrode distance; muscle tissue; hemorrhagic shock

R318.08

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.010

1674-1633(2017)08-0038-04

2017-04-28

2017-05-08

國家自然科學(xué)基金（81401487）；重慶市重點研發(fā)項目（cstc2014yykfB10008）。

作者郵箱：13636715459@163.com