在体动物组织复阻抗频谱的测量及初步结果.docx
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在体动物组织复阻抗频谱的测量及初步结果
在体动物组织复阻抗频谱的测量及初步结果
心脏杂志(CldnHeartj)2003,15(3)
在体动物组织复阻抗频谱的测量及初步结果.
付峰,,臧益民.,董秀珍,王跃民.,尤富生,刘锐岗,史学涛
(第四军医大学:
1.生物医学工程系,2.基础部生理学教研室,陕西西安710032)
摘要:
目的:
探索测量在体动物组织复阻抗频谱的方法.方法;系统采用频率响应测量原理和四电极法.结果;实现
了生物组织复阻抗频谱的测量系统,设计了用于在体组织测量的电极,利用这一系统进行了部分在体动物组织复
阻抗频谱的测量.初步测量结果表明:
在体动物组织在缺血前后,阻抗频谱变化显着.结论:
动物组织复阻抗频谱在
供血正常状态及缺血后有显着变化,且缺血前后的变化与随离体时间的变化性质完全不同.
关奠词:
电阻抗频谱,潮量,在体
中图分类号:
E318.6文献标识码{A文章编号:
1009-7236(2OO3)O3一O23O—O3
Invitroimpedancespectrummeasurementandpreliminaryresults
FUFeng,ZANGYi—rain.,DONGXiu—zhen,WANGYue-min.,YOUFu-sheng,LIURui-
gang,SHIXue-tao
(1.DepartmentofBiomedicalEngineering,2.DepartmentofPhysiology,FourthMilitaryMedical
University,Xi’an,Shaanxi710032,China)
Abstract:
AIM:
Toseekforamethodtomeasuretheimpedancespectruminvivo.METHoDS:
Thesystemwedesignedwasbasedonfour—electrodemethodandFrequencyResponseAnalyze
method.RESULTS:
Asystemwasimplementedtomeasureimpedancespectruminvivo,andrel—
evantinvlvoelectrodewasdesigned.Measurementwerecarriedoutontissueofcanineandrab—
bit.CoNCLUSIoN:
Theimpedancespectrumofanimalvariedsignificantlyafterischemia,and
thiskindofvariationwasdifferentfromthevariationwithtimeapartfromthebody.
Keywords:
impedancespectrum;measurement;invivo
电阻抗作为生物组织的一个基本的物理参数,
长期以来得到生物物理学家和应用生理学家的广泛
关注.目前在电生理学领域大量使用的膜片钳,电压
钳技术正是基于细胞膜的电阻抗效应原理.生物组
织作为一种电介质,它的电特性值得深入研究.早期
生物物理学研究表明,在直流状态下生物组织表现
出的电阻特性的差异可以用于区分不同的组织;而
更值得关注的是生物组织的电阻抗随着外加电信号
频率的不同而表现出很大的变化,这种现象我们称
之为电阻抗频谱[13.
对在体动物组织的电阻抗频谱进行测量在技术
上难度很大,国内外未见相关报道.本研究利用作者
研制的生物组织复阻抗频谱测量系统r.-I,首次对动
物的部分在体组织进行了复阻抗频谱的测量,作者
分别测量了几种动物组织在体供血正常及切断供血
前后的复阻抗频谱变化情况.
1材料和方法
1.1测量系统简介在生物组织复阻抗频谱特性
测量中,为了得到多种频率下电压与电流的关系,硬
件上必须有电流源,电压测量系统,数据存贮设备.
当然采用电压驱动,电流测量的方式同样可以得到
复阻抗特性,但由于过强的电流会影响生物组织活
性,需要将流入电流加以控制;另一方面从测量技术
上来讲,电压测量比电流测量更容易实现r.-I.
由于生物组织的特殊性,用于生物组织复阻抗
频谱特性测量的电流源及测量系统与常规设备不
同[4].除了要能提供频率稳定的驱动电流,另外还
?
基金项目;国家自然科学基金项目(30270378)I国家”九五重点攻关项目(96-920-12—04)
心脏杂志(ChinHeartJ)2003,15(3)
由于离体组织的复阻抗随离体时间延长而发生一定
变化,对离体组织的一次扫频(驱动频率由低频到高
频或由高频到低频依次加载到被测目标)必须在足
够短的时间内完成,因而要求电流源的频率转换时
间非常短;引入生物组织的电流其幅值本身就很小,
很小的偏差就会对测量结果造成相当大的影响,因
而电流源必须能提供幅值稳定的交变电流;电压测
量系统必须为高输入阻抗,高共模抑制比,并要具备
足够的带宽和稳定的增益,因而对整个系统性能的
要求很高
1.1.1系统总体构成作者构造了图1所示的生
物复阻抗频谱测量系统.
至
Voltage
Solartron
Sl—l260
—一c”
一—-J
I
I
I
l
一—
?
竺a一1一
I
图1生物复阻抗频谱测量系统
图2在体测量用蔓阻抗电极
图1所示系统中,频响分析仪SolartronSI.
1260为系统的核心.频响分析仪为整个系统提供多
种频率的驱动电流,并提供绝大部分的电压测量电
路;数据采集接口为IEEE-488标准数据总线及接
口板;主机为IBM-PC兼容机;阻抗测量,分析软件
为Z60.
1.1.2在体复阻抗频谱的测量电极采用图2所
示电极进行在体动物组织复阻抗频谱测量.一对驱
动电极和一对测量电极都固定在一块绝缘板上且位
于同一直线上,电极都为Ag/AgC1材料,其长度可
以根据游离出的组织的大小来调整.驱动电极间距
为40mm,测量电极间距为12mm.
1.1.3电流驱动和电压测量测量系统按其主要
功能在系统中将其分为3个模块:
电流源部分,测量
部分,监控部分.电流源可以提供从10t-d-Iz到32
MHz的正弦波电流,其电流输出是通过程控恒流源
完成,输出信号的波形,幅值,频率,相位都可以由程
序控制.电压测量部分可以有多种工作模式,而在生
物复阻抗频谱测量中,主要用于测量差模交流电压
信号.系统的监控功能由内部微处理器和固化在
RoM中的监控程序完成,也可通过mEE488标准
接口用PC对其进行控制.采用四电极法测量生物
组织复阻抗.电压测量电路以差动电压测量方式进
行复阻抗测量,信号线采用镀金的屏蔽电缆,屏蔽端
保持良好共地.
1.2动物和方法兔,犬各6只,状态良好,雌雄不
拘,室温下用30mg/kg戊巴比妥钠静脉注射麻醉
后,分别依次将腿部肌肉,肝脏,脾脏(犬)游离,放于
绝缘托架上,除主要血管,尽量避免与体内其它器官
的接触,将电极(图2)安放在游离出的部分组织上,
保持各个电极与被测组织的良好接触,对其进行复
阻抗频谱测量;之后用结扎的方法切断其血液循环,
立刻再测量复阻抗频谱.
由于在体测量情况下不能很好地控制被测对象
的几何尺寸,因而对于复电阻抗实,虚部,测量结果
有较大的离散度,但这对于观察和分析复电阻抗频
谱中的一些特征参数并无太大影响,而在这一实验
中,作者更为关注的是同一组织在切断供血前后的
变化,因而只要保持探头安放位置固定,并保证被测
部位与动物体其他部位良好的电隔离状态不发生改
变即可.
2结果
对兔的肌肉,肝脏进行在体复电阻抗频谱测量
的结果如图3,图4所示:
在体组织切断供血后,复
阻抗实部显着增大,虚部在中,低频段(1O~100
kI-Iz)明显增大,复阻抗频谱中的特征频率降低.
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图3a兔在体肌肉组织复阻抗频谱
心脏杂志(ChinHeartJ)2003,15(3)
图4c狗在体脾组织复阻抗频谱
3讨论
3.1复阻抗实部显着增大在体组织切断供血后,
复阻抗实部显着增大,对于肝脏和脾脏这样供血丰
富的器官,复阻抗实部在低频段增加了近一倍,而对
骨骼肌这样的组织也有一定的增加,但其增加的幅
度远不如那些血液供应丰富的器官.考虑到血液的
电阻率远远小于其他实质性组织,切断供血后复阻
抗实部的增加就不难理解了[a].
3.2复阻抗虚部在中,低频段有明显增加在体组
织切断供血后,复阻抗虚部在中,低频段(10~100
kHz)有明显增加.由于复测量是在切断供血后立即
进行的,这时细胞水平的生理变化还不足以影响组
织的电特性,因而作者认为这时复阻抗虚部的增加
可能是由缺血引起细胞外液成份发生改变所致.
3.3复阻抗频谱中的特征频率降低在体组织在
供血切断后,复阻抗频谱中的特征频率降低,但总的
来说这种变化与随离体时间增加而发生的特征频率
向高频端的漂移相比是不显着的.结合血液的复阻
抗频谱测量结果,血液表现出较高的特征频率(500
kHz附近),可以更好地理解在体组织在切断供血后
特征频率的降低.
值得注意的是组织在缺血后复阻抗频谱发生的
改变与离体组织复阻抗频谱随着离体时间的变化尽
管表现出一定相似之处(实,虚部不同程度地增加),
但作者认为这两种变化的机制是不同的,特征频率
的变化也表现出了二者的差别.在体组织缺血后,特
征频率变低;离体组织特征频率随离体时间增加向
高频端移动,这反映出两种变化的原因是不同的.作
者认为:
缺血引起的在体组织复阻抗频谱的变化主
要是由细胞外液成份发生改变造成,而离体组织阻
抗频谱随离体时间发生的变化则主要是由细胞活性
(主要是细胞膜活性)逐步丧失造成,当然这一过程
中细胞内,外液成份变化也对组织复阻抗频谱特性
的改变起了一定作用.进一步的研究将深入分析两
种因素的影响.
参考文献
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心脏充盈模型的初步结果口].心脏杂志,2003,15
(1)12—
14.
(收穑日期z2002—12—13,.I}厨日期2003—03—02)
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