血栓生物电阻抗检测新方法研究

李建平

（浙江师范大学工学院，浙江 金华 321000）

1 血栓与心血管疾病

世界人口正在快速老龄化，老龄化人群面临的是更为高频发的心血管疾病，并且随着信息化时代的发展，部分心血管疾病出现了年轻化的趋势。据世界卫生组织数据显示，至2020年，心血管疾病已占到所有疾病的40%[1]。心血管疾病具有较高患病率、致残率及死亡率，患者需长期用药。血栓是三大致死性心血管疾病（心脏病、卒中和静脉血栓栓塞症）的根源，故心腔血栓的及时诊断、预防等对于挽救患者生命、降低终点事件的发生至关重要[2]。为此，研究人员投入大量精力就如何准确、高效、动态地检测血栓进行研究。针对目前检测血栓的方法，本文参考大量学者研究，对当前研究现状和发展动态进行分析，旨在寻求更高效、精准及便捷的检测方法，为心血管疾病患者提供及时的血栓状态实时监测，以保障心血管疾病患者的生命健康。

血栓是血流在心血管系统血管内面剥落处形成的小块状物，主要是由积聚的白细胞和红细胞包裹而成，小块状物堆积在血液运输管道中，堵塞了血液的正常流动。因此，血栓的形成会影响脏器或者肢体的正常供血，情况严重的甚至会威胁患者的生命安全。在针对心血管疾病治疗方面，尤其在极易生成血栓的疾病或是手术治疗前后，无论是在静脉还是动脉生成的血栓，都要实时对血栓的生成进行监测，以防止其对患者生命安全造成进一步的威胁。

2 现有血栓检测方法

常规的血栓检测方法主要包括凝血4项、血栓弹力图、电子计算机断层扫描（CT）、超声多普勒、核磁共振成像（MBI）、近红外光谱（NIRS）等。但是每种检测手段在辐射安全性、设备价格、检测精度、操作要求等方面都存在一定的不足。

凝血4项包括凝血酶原时间、活化部分凝血活酶时间、凝血酶时间、纤维蛋白原，其归属于血栓性疾病检查。凝血4项主要反映内源性、外源性凝血系统状况，纤维蛋白含量和纤维蛋白原转纤维蛋白的时间，其一般被用于术前检测，便于医生事先了解患者的身体机能，查看其止血功能是否存在缺陷，以防在手术过程中，因大出血而发生意外事件。凝血4项的检测对于血栓的生成及其他疾病的监控也有一定的参考意义，但是常规凝血4项都是通过单个静态终点的凝血功能来判断机体的凝血功能，在对血液样本处理过程中，所提取的检测部分是离心过后的血液部分，而这部分缺少血小板，所以在凝血功能检测中存在一定的缺陷性[3]。

血栓弹力图（TEG）是1948年由德国人Harter发明的，其原理是采用人体全血模拟凝血过程，通过血凝块的物理特性来判断机体是否具有正常的凝血功能，其主要参数有反应时间R值、凝固时间K值、Angle、最大幅度MA值及LY30等。目前TEG主要用于肝脏移植手术、体外循环手术患者凝血功能的动态监测，并在急诊严重创伤、宫外孕破裂出血或者产后大量出血、消化道大出血等可能出现严重凝血功能障碍的疾病中得到了广泛应用[4]。TEG在心外科手术中显现了其独特的优势，与传统凝血检测指标相比，利用TEG所消耗的红细胞、血浆及血小板制品都明显减少。据研究表明，TEG在出血性疾病检测凝血功能中有一定的应用价值，能有效地预测手术过程中的失血量，减少血制品的消耗，在一定程度上减小了手术的风险[5]。由于TEG具备快速、全面反映凝血过程等优势，被越来越多临床医生所认可，血栓生成的动态监测在手术过程中起到了至关重要的作用，但是TEG检测仍属于体外检测项目，与患者真实情况仍有差别，在检测方面不能够精确区分或是鉴定凝血异常原因，仍需进一步的筛查。

CT利用X射线束对人体部位进行扫描，由于人体组织对于X射线的吸收程度不同，可将透过人体部位的X射线光线强度转变为电信号，通过模拟器换算存储至计算机，再经过矩阵计算成像[6]。CT具有图像分辨率高、扫描快速等优点，但是检测过程中存在辐射，对人体健康有一定的伤害，而且设备体积庞大，应用领域存在局限性。

奥地利科学家多普勒最先发现这一现象，当声音、光及无线电波等振动源与观测者以相对速度v相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同[7]。美国学者HORTON等[8]提出了利用超声多普勒检测人工心脏中的血栓，即通过超声探头反馈的频率与数字信号处理，进行数据分析成像，圈定血栓产生的大致位置。2010年徐修萍等[9]详细研究了超声多普勒血栓检测系统的原理、实现方法，包括超声波探头、发射/接收电路、处理及采集系统的设计，并利用短时傅里叶对血栓信号进行分析，根据实验对血栓检测系统的分辨率进行了验证。结果显示，该方法在一定程度上能够有效地检测人工心脏系统中的模拟血栓，并通过改变模拟血栓的大小，验证了血栓检测系统对模拟血栓大小的分辨率。由此可见，超声多普勒检测可在无创、无痛的基础上实现相对较高精度的检测，且效率高、检测时间短，但其仍存在一定的局限性，需要依赖有一定临床基础的医生凭经验做出判断，且在狭小区域会因为超声波严重衰减无法检测到信号，对于组织血管栓塞等小血管栓塞疾病检测作用大幅降低，易受气泡、红细胞凝聚等因素影响，并且超声检查也不适用长时间连续检测。

NIRS能够无创、连续、实时对人体血液动力学参量进行测量，在血管相关疾病检查方面显示出巨大优势。近红外光为760～2 500 nm范围的电磁波，日本学者KOGUCHI等[10]利用其穿透能力优势，通过光能量的吸收程度以判别血液中的血小板、血浆、白细胞、血栓等物质的成分。近红外光谱检测具有非侵入式的特点，但由于测定的是倍频与合频吸收，灵敏度差，且定量的分析要求极高的把标准化操作技术，导致检测结果的分辨率较低，无法满足检测过程中的精度要求。2016年电子科技大学孙云龙团队[11]采用NIRS技术，研制出一套近红外无线血栓监护系统，在完成相关性能测试后，探索应用于临床研究，并成功测得深静脉血栓患者数据，但相关设备费用昂贵，不具备良好的社会效益和经济效益。

MRI依据所释放的能量在不同物质、不同结构环境中的衰减不同，通过外加梯度磁场检测所发射的电磁波进行物体内部的结构成像，研究磁化核的横向弛豫及纵向弛豫对人体组织进行检测。目前，MRI被应用于医学领域进行磁共振血管成像。2011年遵义医学院附属医院放射科刘群团队[12]利用MRI及核磁共振对脑静脉窦血栓形成进行诊断。然而核磁共振成像也不适合用于连续检测，成像质量不高，并且设备昂贵，经济效益较差。

3 血栓生物电阻抗检测新方法

近些年有学者提出利用生物电阻抗方法进行血栓形成的检测，生物电阻抗技术，也被称为阻抗技术，其是一种根据生物细胞或者生物组织的电学特性，通过其变化规律反应生物组织的健康程度和生理状况的检测技术[13]。一般在检测样品容器中布置电极，并输入微量的交流电流或者电压来获取相应的阻抗值等相关电学数据，数据通过处理后，定性或是定量分析患者的生理状况。生物电阻抗与其他检测方式比较，能反映的生理信息更加丰富，且操作方便简单，检测无创、实时、精确度高，具有较高经济效益，被越来越多的医生和患者所采纳。

生物电阻抗测量技术在国外应用广泛，其技术在研究应用方面的起步比国内早，在生物、医学工程、流体动力学、工程学等方面都有重大突破，并逐渐被各领域的研究学者所重视。目前国内的生物阻抗技术以应用研究为主，以各种阻抗、导纳血流图为代表的生物阻抗技术已广泛用于临床，并不断取得进展，临床应用水平较高[14]。

构成生物的基本单元是细胞，细胞由质膜和细胞液构成并分散在组织液中，生物组织阻抗特性可以等效为如图1所示电路模型。RC是细胞质的电阻，Cm是细胞膜的电容，Rl是组织液的电阻，Ce和Re分别是双电层的电容和电阻。

图1 细胞等效电路图

由于高频信号对组织和血液有良好的穿透能力，故生物电阻抗谱适用于血栓的无创检测。据报道，生物电阻抗谱可以区分不同细胞种类，甚至是蛋白种类。因此，有学者表示生物电阻抗谱是一种很有前景的无创在线检测血栓形成的方法[15]。但是，目前只有少数研究机构利用生物电阻抗谱进行血栓形成的检测。

HAYASHI等[16]针对不同血液种类凝血测定进行了研究，在不同凝血浓度或是不同血液种类情况下，进行实验并通过理论推导和仿真模型的建立，初步得出介电常数值与血栓形成过程之间的定量关系。ASAKURA等[17]针对不同HCT的牛血标本在血栓形成过程中介电常数和介电损耗的变化进行了分析，阐述并验证血栓形成过程中，红细胞的聚集和纤维蛋白的产生对血液特性的影响。WEN等[18]基于多频阻抗谱的血液脉动流定量测量了正常血液（非凝集）中红细胞的聚集，实验中对猪血和牛血进行了研究，结果表明，猪血和牛血的弛豫频率fc表现出相反的性能，原因是猪血容易形成红细胞聚集体，而牛血则不容易形成红细胞聚集体，这表明所提出的弛豫频率fc是测量RBCs聚集的有效方法。此外，还提出了修正的Hanai方程来定量计算RBCs聚集对弛豫频率fc的影响，证实了一种高速在线红细胞聚集传感方法在体外循环系统中的可行性。

LI等[19]建立了多频电阻抗测量流动血液的实验装置，见图2；并分析了剪应力对流动血液中红细胞的影响，见图3；将红细胞的取向、形变以及膜厚纳入影响因素得出模拟仿真结果，见图4；然后对传统的静态胶体Hanai混合方程进行了修正,将实验结果与修正Hanai混合方程的理论评价进行了比较，最终阐明了流动血液中的电参数(特征频率fc、形状因子α、零频率R0时的电阻和无限频率R∞时的电阻)特性：fc是全血特征频率，取决于红细胞电阻RRBC，血浆电阻Rplasma以及双层膜电容Cm；随着流量Q的增加，RRBC变大，fc不断上升，最终Q达到一定值，而fc变化微小，原因是红细胞趋于定向，不再发生形变以及膜厚变化；α受血液均匀性的影响，如果RBCs呈球形，则血液中的所有RBCs在相同的条件下(方向、形状和厚度)，其值接近1。然而，RBCs呈碟状，在低流量下，大多数RBCs呈随机取向，在高流量情况下，更多的RBCs取向在相同的纵向，这使得流动的血液更加均匀；R0主要受红细胞取向的影响，R0随着流量Q的增大而减小；R∞则对流量Q不敏感，不同流量Q下趋于稳定值。研究中所发现的电参数特性为后续动态检测血栓的形成奠定了一定的基础。

图2 流动血液的实验装置[19]

图3 剪应力对流动血液中红细胞的影响[19]

图4 血液循环管横截面血流依赖因子分布的模拟结果[19]

随后LI等[20]采用生物电阻抗谱对血栓形成进行了定量测量和评价，搭建了血栓生物电阻抗检测装置，见图5，并通过仿真计算，以Hanai理论定量阐述血栓生成的变化过程，在CaCl2溶液注入t ＜ 2 min的情况下，纤维蛋白的产生被证实会导致血液阻抗的降低；在t ＞ 2 min的情况下，微血栓凝块已被证实在血栓形成过程中增加了血液的阻抗。利用阻抗谱中血液的阻抗参数Z*(T)来阐述血栓形成过程中血液的阻抗性能，被证实该方法是一种有前途的无创血栓检测方法，具有较好的应用前景。

图5 血栓生物电阻抗检测及仿真计算结果[20]

4 发展方向

人口老龄化日益严峻，临床上对于血栓检测的需求也与日俱增。未来血栓的检测方法将向便携化、快速化、微型化、实时化方向发展。生物电阻抗技术较传统的CT、核磁共振、光学、超声检测，具有数据精确可靠，检测操作简单及实时监测等优势。将生物电阻抗应用于血栓检测将为广大的心血管患者提供一定有利的保障，更大程度地保障患者的健康，挽救更多患者的生命。生物电阻抗技术在医学方面的应用广泛，但是国内对其在心血管疾病的预防与检测中的应用还未成型。所以，对于生物电阻抗技术在血栓生成检测的研究仍需继续深入，为后续研制高效、微型化、便携化的血栓检测设备奠定基础。