人体电阻抗PPT课件.ppt

五 生物电学和生物磁学五 生物电学和生物磁学 1 主要内容主要内容 n n 生物电学特性生物电学特性 n n 生物电阻抗测量技术生物电阻抗测量技术 n n 生物磁现象生物磁现象 n n 磁疗磁疗 n n 生物磁测量技术 心 脑磁图生物磁测量技术 心 脑磁图 2 5 1 5 1 生物电特性生物电特性 n n 生物电现象生物电现象 n n 生命活动的基本特性 几乎所有生命过程都伴生命活动的基本特性 几乎所有生命过程都伴 随着生物电的产生 随着生物电的产生 n n 生物电是以细胞为单位产生的 生物电是以细胞为单位产生的 n n 生物电的发现生物电的发现 n n 19391939年两位生理学家年两位生理学家HodgkinHodgkin和和HuxleyHuxley以枪以枪 乌贼的直径为 乌贼的直径为 mmmm的巨大神经轴突为实验材的巨大神经轴突为实验材 料 采用细胞内记录的方法 证明了细胞生物料 采用细胞内记录的方法 证明了细胞生物 电现象的存在 电现象的存在 3 生物电产生机制生物电产生机制 n n 细胞膜细胞膜 磷脂双分子层磷脂双分子层 n n 静息电位静息电位 n n 细胞静息状态下存在于细胞膜内外两侧的电位细胞静息状态下存在于细胞膜内外两侧的电位 差 内负外正 差 内负外正 4 生物电产生机制生物电产生机制 1 静息时 细胞内的K 浓度远 高于细胞外 2 静息状态时 细胞膜主要对 有通透性 3 因此 胞内的K 顺浓度梯度 扩散到细胞外 形成电位差 Nernst公式 当跨膜的浓度差 驱动K 外流 和电位差 阻止K 外流 达 到平衡时 膜内外电位差就稳 定在某一水平 5 生物电产生机制生物电产生机制 n n 动作电位动作电位 n n 细胞接受刺激后 膜电位在原有静息电位基础细胞接受刺激后 膜电位在原有静息电位基础 上出现迅速的倒转和恢复的电位波动 上出现迅速的倒转和恢复的电位波动 1 静息 2 去极化 3 复极化 4 后电位 负后电位 正后电 位 6 生物电产生机制生物电产生机制 n去极相 n在受到刺激时出 现了膜对Na 通透 性的突然增大 n复极相 nNa 通透性的消失 并伴随出现电压门控性K 通道的开放 n后电位 nNa K 泵将Na K 分布复原 保持细胞的 兴奋性 7 典型生物电信号典型生物电信号 生物电参数生物电参数正常值正常值 频率频率 Hz Hz 心电图心电图 ECG ECG 0 5 4 mV0 5 4 mV0 1 1000 1 100 脑电图脑电图 EEG EEG 5 300 V5 300 Vdc 50dc 50 肌电图肌电图 EMG EMG 0 1 5 mV0 1 5 mV20 800020 8000 眼电图眼电图 EOG EOG 50 350 V50 350 V0 2 150 2 15 胃电图胃电图 EGG EGG 10 1000 V10 1000 Vdc 1dc 1 皮肤电阻抗皮肤电阻抗 GSR GSR 0 5 500 M0 5 500 M 0 1 1500 1 150 8 5 2 5 2 生物电阻抗测量技术生物电阻抗测量技术 n生物电阻抗测量 Electrical Bioimpedance Measurement 或简称 阻抗技术 是一种利用生物组织与器官的 电特性及其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 n特点 无创 无害 廉价 操作简单和功 能信息丰富等 医生和病人易于接受 9 人体电阻抗人体电阻抗 组织组织电阻率电阻率组织组织电阻率电阻率 脑脊液脑脊液 血清血清 血液血液 神经神经 肝肝 0 5550 555 0 7140 714 1 851 85 25 025 0 80 080 0 脑脑 脂肪脂肪 湿皮湿皮 干皮干皮 无膜骨无膜骨 肌肉肌肉 107107 10 8 1010 8 10 2 2 38 0 1038 0 10 2 2 40 0 1040 0 10 3 3 20 0 1020 0 10 5 5 90 090 0 人体组织的直流电阻率 m 10 人体电阻抗与电流频率的关系人体电阻抗与电流频率的关系 n人体可看成是一个电解质电容器和电阻的并联电 路 直流在细胞间隙流过 交流可通过细胞间隙 和细胞 频率频率 0 0 100Hz100Hz10kHz10kHz10MHz10MHz10GHz10GHz 电阻率电阻率 90909 19 17 77 72 02 00 80 8 人体肌肉组织电阻率与频率的关系 11 生物电阻抗测量技术生物电阻抗测量技术 n通常是借助置于体表的电极系统向检测对 象送入一微小的交流测量电流或电压 检 测相应的电阻抗及其变化 然后根据不同 的应用目的 获取相关的生理和病理信息 12 生物阻抗技术应用生物阻抗技术应用 n n 阻抗血流图阻抗血流图 n n 胃动力学检测胃动力学检测 n n 人体成分分析人体成分分析 n n 电阻抗成像技术电阻抗成像技术 13 阻抗血流图阻抗血流图 n n 根据体表测量的电阻抗变化的信息来确定根据体表测量的电阻抗变化的信息来确定 体内组织器官由于血液循环引起的 生理体内组织器官由于血液循环引起的 生理 病理 容积变化的方法 病理 容积变化的方法 n n 简化模型简化模型 单根血管与组织阻抗并联模型 一般使用20k 100kHz 频率的恒流 恒压 源 测量计算被测部分阻 抗Z 阻抗变化 Z 以 及 Z微分dZ dt等 14 阻抗血流图阻抗血流图 n n 是生物阻抗技术应用最广泛的领域之一 是生物阻抗技术应用最广泛的领域之一 促进了血流图临床应用的进一步发展 促进了血流图临床应用的进一步发展 n n 主要领域 主要领域 n n 阻抗心动图阻抗心动图 利用四电极法测量跨胸阻抗及其 利用四电极法测量跨胸阻抗及其 微分图 或导纳 然后计算每搏输出量 微分图 或导纳 然后计算每搏输出量 n n 脑阻抗血流图脑阻抗血流图 应用于脑动脉硬化 闭塞性脑 应用于脑动脉硬化 闭塞性脑 血管病及血管性头痛 血管病及血管性头痛 n n 肺循环阻抗图肺循环阻抗图 反映随着每个心动周期肺循环 反映随着每个心动周期肺循环 容积变化的曲线图 容积变化的曲线图 15 胃动力学检测胃动力学检测 n原理 在胃的活动期 由于其形态及其内容物组 成情况与容积的改变较大 其电特性变化非常明 显 变化规律与胃动力学状况相对应 n胃运动的频率约为3次 分 对检测系统的实时性 要求不高 采用普通阻抗方法 灵敏地提取这种 电特性变化信息已有初步临床应用 n如采用代表阻抗技术的发展方向阻抗断层成像方 法 以图像形式给出检测结果 无论在灵敏度或 获取信息的数量与质量上都将更好 16 人体成分分析人体成分分析 n n 与同位素稀释法 总体钾法 双能与同位素稀释法 总体钾法 双能x x线吸收线吸收 法以及皮褶厚度法等方法相比 法以及皮褶厚度法等方法相比 生物电阻生物电阻 抗法抗法测量人体成分简单 快速和准确 是测量人体成分简单 快速和准确 是 体成分测量的理想手段 体成分测量的理想手段 n n 基于生物电阻抗技术的体成分测量原理基于生物电阻抗技术的体成分测量原理 人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计 关系 例如 非脂肪组织具有比脂肪组关系 例如 非脂肪组织具有比脂肪组 织更小的电阻抗 织更小的电阻抗 17 人体成分分析人体成分分析 n n 1 1 全身测量 全身测量 n在全身阻抗测量中 多采用四电极法 以减少 接触阻抗的影响 以其他参考方法 如皮褶计 法 水下称重法 双能X 射线吸收法 CT法等测 量人体成分作为对照 即可得到基于阻抗分析 法的人体成分预测公式 18 人体成分分析人体成分分析 n n 2 2 分段测量 分段测量 n n 在全身阻抗测量中 上下肢的贡献和影响最大在全身阻抗测量中 上下肢的贡献和影响最大 即全身测量难以正确反映身体各部位含水量 即全身测量难以正确反映身体各部位含水量 及其变化的真实情况 及其变化的真实情况 19 人体成分分析人体成分分析 n n 2 2 分段测量分段测量 从理论上来说 分段阻抗测量要优于全身阻抗测量法 尤 其对于人体成分不均匀分布的人群 胖 瘦 高 矮等 更是如此 20 人体成分分析人体成分分析 n n 3 3 多频率测量 多频率测量 n n 采用多频率测量技术不仅可以提供更准确的阻采用多频率测量技术不仅可以提供更准确的阻 抗测量 而且还从简单的测量脂肪与非脂肪 抗测量 而且还从简单的测量脂肪与非脂肪 向多参数 如细胞外液体积 全身含水量 非向多参数 如细胞外液体积 全身含水量 非 脂肪物质 蛋白质 骨矿质 脂肪物质 蛋白质 骨矿质 K K CaCa NaNa离子离子 等测量方向发展 等测量方向发展 n n 多频率和阻抗谱的测量包含更为丰富的阻抗和多频率和阻抗谱的测量包含更为丰富的阻抗和 人体成分信息 有望从中得到人体成分分析更人体成分信息 有望从中得到人体成分分析更 为全面而准确的结果 为全面而准确的结果 21 电阻抗成像技术电阻抗成像技术 阻抗成像 接触式 扫描成像 EISI 断层成像 EIT 非接触式 感应电流成像 ICEIT 磁感应阻抗成像 MIT 22 功能成像功能成像 n n 阻抗成像 阻抗成像 n n 以人体组织 器官的阻抗分布或阻抗变化为研以人体组织 器官的阻抗分布或阻抗变化为研 究对象 通过配置于人体体表的电极系统 提究对象 通过配置于人体体表的电极系统 提 取与人体生理 病理状态相关的组织或器官的取与人体生理 病理状态相关的组织或器官的 电特性信息 给出反映电特性信息 给出反映组织 器官功能状态及组织 器官功能状态及 其变化规律其变化规律的功能性图像结果 的功能性图像结果 n n 电阻抗断层成像 电阻抗断层成像 n n 利用生物阻抗检测技术给出人体组织与器官阻利用生物阻抗检测技术给出人体组织与器官阻 抗的断层图像 也叫阻抗抗的断层图像 也叫阻抗CTCT 23 电阻抗断层成像电阻抗断层成像 电阻抗断层成像的测量方框结构 24 心脏收缩期序列图像 蓝色与红色区域大小及色 度的改变对应于心室和心房容积 血量 的变化 25 电阻抗断层成像电阻抗断层成像 n n 不使用射线或核素 无毒无害 操作方便不使用射线或核素 无毒无害 操作方便 可多次测量 是一种廉价的无损伤医学 可多次测量 是一种廉价的无损伤医学 图像检测技术 图像检测技术 n n 与现有的与现有的CTCT MRIMRI 超声等成像技术紧密 超声等成像技术紧密 结合 互为补充 应用于疾病的早期诊断结合 互为补充 应用于疾病的早期诊断 康复和愈后 康复和愈后 n n 实现医学图像监护 可以对病人进行长时实现医学图像监护 可以对病人进行长时 间 连续监护而不会给病人造成损伤或带间 连续监护而不会给病人造成损伤或带 来不适 来不适 26 电阻抗断层成像电阻抗断层成像 n n EITEIT是一种新型的图像重建技术 在医学中是一种新型的图像重建技术 在医学中 的研究是在最近三十年才发展起来的 的研究是在最近三十年才发展起来的 n n 缺点 分辨率较低 缺点 分辨率较低 n n 国外主要研究有效提高重建图像的空间分国外主要研究有效提高重建图像的空间分 辨率和减小计算量 国内开展工作较晚 辨率和减小计算量 国内开展工作较晚 n n EITEIT还处于实验室研究阶段 但是应用前景还处于实验室研究阶段 但是应用前景 广阔 已成为当今生物医学工程学重大研广阔 已成为当今生物医学工程学重大研 究课题之一 究课题之一 27 5 3 5 3 生物磁现象生物磁现象 n n 生物材料的磁性生物材料的磁性 n n 人体中所含元素 碳 氢 氧 氮 硫 磷 人体中所含元素 碳 氢 氧 氮 硫 磷 氯 钠 钾 钙 镁 铁等和一些微量元素 氯 钠 钾 钙 镁 铁等和一些微量元素 其中多数有顺磁性 其中多数有顺磁性 3d 3d 或或 4d 4d 族的过渡离子 族的过渡离子 蛋白质 酶和自由基均为顺磁性 蛋白质 酶和自由基均为顺磁性 n n 占人体占人体70 70 的。