心阻抗法检测的研究进展*

蒋黎鹏，杨 力，季 忠，彭承琳

（重庆大学生物工程学院，重庆 400030）

0 引言

心血管疾病严重威胁着人类的健康，其发病率和死亡率都超越了其他类型的疾病，高居首位［1］。为了对病情进行有效的诊断和防治，心功能的检测是必不可少的手段。传统的有创检测方法采用导管介入法，费用高、风险大，不仅需要专业的医生进行手术操作，而且会对被测者造成极大的伤害。近年来，心功能检测领域涌现出大量的无创方法，基于阻抗法的心功能检测作为其中具有代表性的方法之一，凭借其简单的操作、广阔的适用范围和低廉的价格等优点，取得了大量的关注和日益广泛的临床应用。

自Kubicek W G等人［2］提出该方法以来，基于阻抗法的无创心功能检测已有近半个世纪的发展历史，但其在胸腔模型的建立和电极配置等关键性技术方面都存在不少争议，其检测的准确性和对不同类型的患者的适用性也一直是研究的热点。本文在简单的介绍了基于阻抗法的无创心功能检测的原理之后，对以上的相关问题做了总结和较深入的讨论。

1 基于阻抗法的无创心功能检测原理

人体的血液循环系统能引起身体局部的体积变化，例如:血液的非匀速流动引起的血管体积变化，由电导率公式与理论可知，这些体积变化能导致相应的阻抗改变，因此，根据生物阻抗法测定原理的 Cole-cole三元件模型［3］和Schwan H P提出的频散理论［4］，将低于兴奋域的高频、微弱、恒流交流激励源施加于胸腔，通过测量其表面电位差，就能实现对胸腔阻抗的间接测量，其基本原理衍生于欧姆定律。而胸腔阻抗变化的主要来源是主动脉中的血液流量的脉动（约80%），仅少量来自胸腔内腔静脉血液流量的变化及其他一些干扰［5］，因此，通过对胸腔的阻抗图和阻抗微分图进行研究，建立阻抗变化与心血管容积变化之间的关系，就能反映出心脏射血功能的相关指数。

2 胸腔建模

胸腔建模问题是心阻抗监测技术的关键问题之一。人体的胸腔结构较为复杂，很难用一个简单的模型来完美替代，且由胸腔阻抗法导出的血流动力学参数，如心输出量（stroke volume，SV）等的计算，又跟患者的具体身体状况有关，因此，不可能建立一个万能的胸腔模型和计算方法，而由此引发的心阻抗监测的准确性问题也一直倍受争议。

最早的胸腔模型包括圆柱模型、圆台模型等，将整个胸腔看作一个圆柱体或者圆台，通过欧姆定律来获得胸腔的电阻变化，这些模型简单并且有效。IkarashiAkira等人［6］在研究最佳点电极配置时，为了评估心脏自身的容量变化对整个胸腔电阻变化的影响，采用了有限元法（finite element method，FEM），并建立了新的胸腔模型，该模型由心房、心室、大动脉、颈动脉、肺和胸腔其他物质组成，其中设定胸腔其他物质是均匀并且绝缘的。Akhand M等人［7］通过研究，确定了会影响胸腔的阻抗变化的8种重要的组织或器官:血液、脂肪、肝脏、肺、肌肉、皮肤、骨和体内空气，并且通过仿真计算出，在不考虑体内空气的条件下，其他7种组织或器官的阻抗与体表测量的阻抗的误差为3.56%，若考虑体内空气，则误差下降到1.27%。

国内的况明星等人［8］对心阻抗波形图的重建进行了研究，他们同步测量了6个导联的胸部阻抗信号，建立胸部阻抗方程组，用代数重构技术求解，得到5个部分的信号分量:到主动脉（AO）、左侧肺部血管（PL）、右侧肺部血管（PR）、左心室（LV）和右心室（RV），通过实验数据得知，血管分量AO，PL，PR的主波与心室分量LV，RV的主波反相位，LV，RV主波的负峰点处于第二心音S2的时相，也就是说LV，RV的负峰点对应于心室容积最小的状态，这表明阻抗的分量波形图符合心脏和血管的生理活动，该方法可行，并且可以反映胸部体表阻抗变化与胸腔中心血管活动之间的内在联系。相继的，他们又提出基于该重建阻抗图的计算公式［9］，得到心输出量、心功指数、左室射血分数、心收缩力指数、总外周阻力、主动脉顺应性、左室舒张末压、左室舒张指数。这些公式的计算结果能够反映患者左室心功能的改变，对患者的心功能评价有重要作用。

3 电极配置

Kubicek W G提出心阻抗系统时，采用四环电极来测量胸腔阻抗，但这种方式会让电极的配带严重地受到患者身材的影响，也会致患者的不适。Bacon Simon L等人［10］做了关于四分之三电极（three-quarter circumferential band configuration，PB）与环电极（full circumferential band electrodes，FB）的对比研究，他们对47位被测者（66%是女性）分别进行了2种电极的心阻抗测量，并得到他们的射血前期（PEP）、每搏输出量（SV）、每分输出量（CO）、血压（BP）、心率（HR）参数，结果表明，这2种电极的测量结果有很高的组内相关系数（Ricc=0.63～0.93），通过 Bland-Altman 分析得到的误差不超过5%，并且被测者表示PB测量时的不适感会减轻很多，因此，四分之三电极可以很好地替代环电极。但到目前为止，使用最多的还是点状电极，已有不少关于使用点状电极的报告［11～13］。Ikarashi Akira 等人［6］研究了检测电极的最佳放置位置，他们在胸前和背后中央位置各放置了一组1×11的检测电极，通过观察电阻抗的差值，最后确定了最佳检测电极是在锁骨中央——剑状凸起位置。宋义林等人［14］同时对通电电极和检测电极的最佳位置进行了研究，结果表明，通电用点状电极的最佳黏附位置为两耳朵的后边——下腹部（腰骨附近），而检测用点状电极的最佳黏附位置为锁骨中央——剑状凸起。

4 临床应用

Parry Steve W等人［15］首次将心阻抗法用于诊断血管迷走神经性昏厥。血管迷走神经性昏厥的诊断通常用直立倾斜试验（head-up tilt test，HUTT）来完成，但这种诊断方法非常耗时，通常需要20～40 min，并且缺乏衡量的金标准。通过对患者与正常人2组进行直立倾斜试验前和试验中进行心阻抗检测，观察2组的血流动力学参数变化，来研究心阻抗法对诊断血管迷走神经性昏厥的意义，结果表明，在试验前，2组的血流动力学参数无明显差异，而在试验中当患者处于昏厥前期，心输出指数（cardiac index，CI）、末期心舒张指数（end-diastolic index，EDI）与左心室作功指数（left ventricular work index，LVWI）这3项都有明显区别。因此，单独用心阻抗法来诊断血管迷走神经性昏厥还不能实现，但如何结合直立倾斜试验来进行更安全、更方便的试验，有待研究。

用心阻抗法对孕妇进行检测的问题已经被研究和讨论了很长时间，由于它的无创安全性，心阻抗法在妇产科已经拥有了一席之地。Tomsin K等人［16］从孕妇怀孕第7个月起，对她们进行3种姿势的22个血流动力学参数的测量，最后保证每位孕妇的每个姿势的数据不少于30组，然后对这些数据进行组间和组内的皮尔逊相关系数的计算，结果是这些相关系数都不小于0.8，于是他们得出结论，心阻抗法对孕妇的检测具有很高的可靠性，对评定孕妇的心功能有指导意义。同样，San-Frutos L等人［17］对18名健康孕妇从怀孕第18周到产后6个月进行心阻抗检测，并用SAS数统计软件来分析结果，最后他们总结并得出结论:对于孕妇的心功能检测，心阻抗法可能是最合适和最准确的方法。但是，Moertl M G等人［18］在用该方法对孕妇进行了大量的重复实验并细心分析之后，得出结论:孕期所检测的心输出量都是无效数据，强烈不建议对孕妇进行心阻抗检测。无论如何，心阻抗法在妇产科已经有了长时间的临床应用，这是不争的事实。

高血压是比较常见的疾病，有着庞大的患病人群。De Marzo等人［19］对50例成年高血压患者进行了直立和平躺2种姿势的检测，试图以血流动力学参数依据对患者进行分类，结果表明，不同的高血压患者拥有不同的心血管异常情况，而通过心阻抗检测可以大致把这些异常情况分为心室异常、大动脉异常和其他异常三类，这样针对不同的患者就可以对症下药，采取快速降压或是常见的预防措施，甚至是对心脏和血管进行必要的手术。钟传茂等人［20］将120例血压控制未达标的原发性高血压患者（已经接受1～3种降压药物治疗）进行随机分组，一组接受常规降压治疗，另一组接受无创血液动力学监测治疗策略，该策略定期地对患者进行监测，并适时调整降压用药。最后根据实验结果进行统计分析，得出结论:对血压控制未达标的高血压患者在阻抗心动图无创血液动力学监测指导下的降压治疗较常规治疗更有效。Tikkakoski Antti J等人［21］将155名高血压患者与232名正常人进行了对比检测，获取了他们分别处于平躺状态和直立倾斜实验状态下的血液动力学参数，结果表明，不管处于哪种状态，高血压患者的血管阻力和动脉硬度都呈现更高的数值。Zhao Xiajuan等人［22］也在汉族老年人中做了类似的实验，结果同样表明，高血压患者的血管阻力和动脉硬度更大，并且随着年龄的增长，这2项都呈升高的趋势。

另外，心阻抗法还被应用到了一些不太常见的环境或者疾病。Krzesinski Pawel等人［23］初步将心阻抗法做为高原上检测血流动力学参数的工具，从而得知，在高原上的血流动力学的大部分参数都会呈现出明显的差异，并且得出结论，对于因高海拔而产生心血管紊乱等症状时，心阻抗法的无创和简便等特点可以为心功能的检测提供便利。Muller Mattew D等人［24］尝试用心阻抗法检测人们在急性冷暴露（acute cold exposure，ACE）环境下的参数，结果与预期一致，长达65min暴露于5℃的低温环境下，心输出量会随着心率的降低而升高，实验证明:心阻抗法在急性冷暴露条件下的检测是有效的。Tocco F等人［25］更是自行设计了一种可以用于水下环境的便携式心阻抗仪，用该设备检测25℃，3 m深水下环境的屏息人员，虽然没能检测出明显的潜水反应，但总体的结果也令人满意。

5 结论

近年来，心阻抗法已经被越来越广泛的应用于临床，虽然该方法有一些局限性，比如:对于电极放置有困难、活动过多的病人、过度肥胖患者等难以适用，或是其准确性将受到严重的影响，但随着国内外不断涌出的关于心阻抗法的大量研究，其结果证明了心阻抗法有它无法比拟的优点，心阻抗法的推广势不可挡，它将开启无创血流动力学的新篇章。

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