适于动物肌肉组织局部电阻抗测量的无创电极间距研究

付钦鹏，种银保，赵安，赵鹏，潘文才，马结实

第三军医大学第二附属医院 医学工程科，重庆 400037

适于动物肌肉组织局部电阻抗测量的无创电极间距研究

付钦鹏，种银保，赵安，赵鹏，潘文才，马结实

第三军医大学第二附属医院 医学工程科，重庆 400037

目的为了用无创测得的局部肌肉组织的电阻抗频谱评估失血性休克的程度，需要确定无创测量电极系统中电极间距这一个关键因素。方法参照大鼠股二头肌厚度数据，设计了3种兼具无创和有创测量的电极头，无创测量电极间距分别为1.83、2.67、3.5 mm，有创测量电极间距均为2.67 mm；以新鲜离体的10份猪里脊肉为测量对象，对测量阻抗模值进行欧氏距离分析及Cole-Cole曲线拟合，对比拟合误差。结果无创测量电极间距为2.67 mm时，无创测量的模值频谱更接近有创测量的模值频谱，而且该间距下无创测量数据拟合成Cole-Cole曲线的效果更好。结论以被测肌肉组织的厚度的1/6为无创电极间距时，测得的电阻抗频谱数据接近于等间距有创方式测得的电阻抗频谱数据。

无创；阻抗；电极间距；肌肉组织；失血性休克

引言

失血性休克是指由各种原因引起的急性血液或血浆大量丢失而导致的有效循环血量与心输出量减少、组织灌注不足、细胞代谢紊乱和功能受损的病理生理过程。病人死亡的原因往往是组织低灌注等因素导致的多器官功能障碍综合症，院前失血性休克程度评估对战创伤患者的分流和复苏方案选择具有指导性意义。

目前休克程度的无创检测技术分为血流动力学指标检测方法[1-5]和氧代谢指标检测方法[6-12]。这些方法在院内能获得准确的评估结果，但大部分不适于院外应用环境。生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及变化规律提取与人体生理，病理状况相关的生物医学信息的检测技术，基本测量方式是利用体表的电极系统向检测对象施加安全的电压或电流激励，在体表检测相应变化，获取相关的信息，其特点是无创、无害、廉价、操作简单和功能信息丰富，医生和病人易于接受。进入21世纪后，随着生物组织电阻抗研究的不断深入，生物阻抗技术的基础理论不断完善，其相应的测量或检测技术随着电子技术的革新也更加成熟化。例如人体组织结构分析、生物阻抗成像等生物阻抗技术已逐渐应用于临床，并不断取得进展。

有研究表明利用电阻抗特征参数可对肌肉的缺血状态进行评估[13]，电阻抗特征参数对人体骨骼肌的不同灌注状态也十分敏感[14]，由此外周肌肉组织的电阻抗频谱可能用于评估失血性休克程度，但生物不同组织、测量角度不同会导致其电阻抗特征参数不同[15]，不同的电极类型其测量结果存在差异[16]，并且电极间距的长短会影响生物组织电阻抗信息的测量[17]。

目前，有研究指出在用四电极法测量组织电阻率时，为保证测量精度，插入被测组织的电极顶端到周围其他组织的距离不低于电极间距的3倍[18]。这是有创测量电极间距的研究结果，但无创电阻抗测量电极的间距尚未形成统一标准，不同的电极间距测得的电阻抗存在较大差异[19]。基于四电极阻抗测量方法，本研究设计3款能在局部肌肉组织上同时进行无创和有创测量的电极探头，无创电极有3种不同电极间距，有创电极均采用一种电极间距，以有创电极测得的电阻抗频谱数据作为对照，通过有创和无创测量结果的对比分析，研究无创测量电极间距对肌肉组织局部电阻抗测量结果的影响，以期找到较为合适的无创电极间距进行电阻抗测量，来取代有创测量方式，降低阻抗测量对被测对象的损伤，从而为院前休克程度的评估提供一种无创的测量方式。

2 材料与方法

2.1 实验材料

由于猪里脊肉结构组成相对单一、肌肉纤维走向明确，能模拟大鼠的股二头肌纤维的结构特征，所以本研究用新鲜离体的猪里脊肉作为测量对象。将新鲜离体的猪里脊肉（离体30 min内）切割成长60 mm×40 mm×12 mm的长方体，共获得10块这样的组织样本。每块样本用保鲜膜包裹以防止测量前样本表面湿度的降低。

2.2 阻抗测量方法

阻抗测量采用安捷伦公司的阻抗分析仪4294A，激励电流为300 μA，扫描频率1 kHz～1 MHz，共200个频点，连续扫描方式。测量过程中借助于婴儿培养箱（德尔格）保持测量样本的温度和湿度分别保持在36℃，50%。总体框图，见图1。

图1 婴儿培养箱示意图

电极探头：阻抗测量探头上的电极按照四电极法布置，见图2。1和4为激励电极，2和3为测量电极。为了比较无创测量结果与有创测量结果的差距，在PCB电极探头上并行设计了两组四电极，上面一组为无创电极，下面一组为有创电极，见图2a，PCB电极探头通过一个9针串口插座与开关板连接，见图2b。本研究参考林新博士学位论文中有创四电极方案设计了有创电极[18]，为了保证测量精度，插入被测组织的电极顶端与周围其它组织的距离至少应是电极间距的3倍。另外日本学者Sakamoto等[17]将人体等效为一个简单的两层模型，见图3，当d＜h＜ (d+L)/3时，电流主要流过肌肉组织。由前期解剖大鼠的实验知大鼠股二头肌的平均厚度约为12 mm，股二头肌外皮肤的平均厚度约为1 mm，即L=12 mm，d=1 mm，所以电极间距h的取值范围为1 mm＜h＜13/3 mm。

图2 PCB电极探头设计图（a）与实物图（b）

图3 组织分层示意图

根据上述电极间距的取值范围，把这个区间四等分，分别取1/4、1/2和3/4等分点对应的距离L1、L2和L3作为3种无创电极间距，即L1=1.83 mm、L2=2.67 mm、L3=3.5 mm。根据3种电极间距设计了3种PCB电极探头，其有创测量插针间距均为2.67 mm，长度为3 mm，直径为0.25 mm，作为对照电极；无创测量电极间距分别为L1、L2和L3，电极直径1 mm。

开关板：开关板载两个串口插座和一个四刀双掷开关，左侧串口连接至一个电极探头，右侧串口连接至阻抗分析仪；当四刀双掷开关拨向“Non-In”时，阻抗分析仪的4个端子与电极板上无创测量电极连通；当四刀双掷开关拨向“In”时，阻抗分析仪的4个端子与电极板上有创测量插针连通；这样就实现有创和无创两种测量方式的选择和切换。

2.3 单个肌肉组织电阻抗测量与分析

在电阻抗测量前保证四电极的连线与被测肌肉组织纤维的走向平行，将电极头与被测肌肉组织良好接触后对单个离体肌肉组织进行电阻抗测量，分别用3种无创电极测量的平均模值频谱与有创电极测量的平均模值频谱进行对比。

2.4 有创测量与无创测量的电阻抗模值的差异分析

依次利用3款电极探头的有创电极和无创电极测量准备好的10块猪肉组织的电阻抗频谱数据，计算每款电极探头上无创测量数据与有创测量数据的欧式距离。欧式距离反映两个向量之间的真实距离，基于秩和检验统计学方法分析各电极探头欧氏距离的差异。

2.5 肌肉组织无创测得的电阻抗频谱特性曲线拟合误差分析

生物组织由细胞液和细胞膜组成，所以生物电阻抗是一个复数，其实部为细胞液的电阻值，虚部为细胞膜的电容电抗值，生物电阻抗的实部和虚部在一定的激励频率范围内会表现出规律性的变化。为了衡量不同无创电极间距对电阻抗频谱特性曲线（即Cole-Cole曲线）的影响，将电阻抗实部作为横坐标，将虚部作为纵坐标，利用最小二乘方法可以拟合出Cole-Cole曲线，并利用拟合残差作为拟合误差的评估指标。

3 结果

3.1 单个肌肉组织电阻抗分析结果

通过对比发现有创电阻抗测量和无创电阻抗测量模值都随频率的升高而下降，说明无创测量的电阻抗频谱符合生物组织电阻抗的频谱特性，见图4。

同时通过有创测得电阻抗模值与无创测得电阻抗模值的对比，前两种无创电极测量的电阻抗模值比有创电极测量的模值大，而第三种电极所测得的阻抗值则在一定频率后比有创电极测得的模值要小。

3.2 有创测量与无创测量的电阻抗模值的差异分析结果

3款电极探头的欧式距离，见图5。欧式距离越短则该款电极探头上的有创和无创测量的频谱越相近。

通过箱图可以看出第二种电极探头的无创电极测量的模值与有创电极测量的模值相差较小，表明第二种电极探头无创电极测量的模值更接近有创测量的模值。同时对有创测量和无创测量的欧氏距离进行秩和检验，假设第一种电极的欧氏距离大于第二种电极，第二种电极欧氏距离小于第三种电极，第一种电极大于第三种电极，置信区间在0.05情况下，P值分别为0.00195、0.001367和0.00195，均小于0.05，则接受原假设，说明第二种无创电极探头测量的欧氏距离比相其他两种电极探头测量的欧氏距离要小。

3.3 肌肉组织电阻抗频谱特性曲线拟合

3种无创电极间距对应的Cole-Cole曲线，见图6。其中，蓝色的散点是测得的10个样本的原始数据的均值，紫色的圆环是这些数据曲线拟合的结果。

数据的残差平方和越小，其拟合程度越好。3种无创电极的拟合的残差表，见表1。由表1拟合残差值可以看出第二种电极拟合效果较好，同时第二种有创和无创电极得到残差的标准差也较小，表明第二种电极拟合误差误差波动较小，拟合值相对较为稳定，对3种无创电极的残差两两进行秩和检验，所得P值为0.48997，0.41045，0.51003均大于0.05，没有显著性差异，说明电极间距的大小对电阻抗频谱拟合影响不是很大。

图4 3种电极头的无创与有创电极测得的阻抗谱

图5 有创无创测量模值欧氏距离箱图

图6 3种无创电极电阻抗频谱特性曲线拟合

表1 3种无创电极的拟合的残差表

4 结论与讨论

无创电极测量电阻抗时紧贴肌肉组织，并不像有创电极插入肌肉组织，这使得无创电极的电流不能很好的流经肌肉组织，相关研究表明当电极距离远小于表层厚度时,电流只穿过表层，检测系统只对表层的阻抗变化敏感，不能检测到内部组织的信息。当电极间距增大到接近于表层厚度时，电流才部分穿入到深层, 检测结果中才可能包含一部分内部组织（如肌肉组织）信息[20]，当电极间距进一步加大，电流会深入到肌肉层下层的脏器组织，从而使测量数据的离散性增大。本研究考虑到了未来实验中失血性休克模型中大鼠股二头肌的实际厚度（12 mm），发现当无创测量电极的间距约为股二头肌实际厚度的1/6时，无创电极测得的频谱数据与同电极间距的有创电极测得的频谱数据较接近。因此，本研究提出的无创电极确定方法为将来人体下肢电阻抗电极间距的确定提供了一种参考思路。

本实验的目的是确定一种适于大鼠肌肉组织无创电阻抗电极间距。通过对3种无创电极测量的电阻抗模值与有创电极测量的电阻抗模值进行比较知，第二种无创电极间距的电极测得的电阻抗模值与有创电阻抗电极测得的模值最接近。第一种无创电极间距较小，电流不能很好的流经组织内部，第三种电极间距较大，电流流经整个组织，能反映组织内部阻抗，但实际应用时会反映出肌肉下层物质的电阻抗信息，使阻抗测量值误差较大，而第二种电极间距在其余两种电极间距之间，激励电流在两测量电极之间分布相对较为均匀，使得测量值与具有相等电极间距的有创电极的测得数据较为接近。优选出的第二种无创测量电极的间距是以有创测量方式为对照的，在活体大鼠的股二头肌上能否获得准确的电阻抗频谱数据有待进一步活体动物试验验证。

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本文编辑 袁隽玲

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

国家自然科学基金（81401487）；重庆市重点研发项目（cstc2014yykfB10008）。

作者邮箱：13636715459@163.com