生物电阻抗法无创测量颅内压的理论探讨
作者：刘国庆 肖贵遐 彭玉平 朱代谟
单位：第一军医大学 医学物理教研室, 广东 广州 510515
关键词：阻抗；无创伤；测量；颅内压
中国医学物理学杂志990415 摘要：本文探讨了用生物电阻抗法无创测量颅内压的原理，分析了当颅内压变化时，颅内脑血流及脑脊液的变化情况，并初步推导出通过测量脑阻抗和颈阻抗来监护颅内压的方法。
中图分类号：R445 文献标识码：A
文章编号：1005-202X(1999)04-0243-03
An investigation of non-invasive intracranial pressure monitor by bio-electrical impedance measurement
, http://www.100md.com
LIU Guo-qing,XIAO Gui-xia,PENG Yu-ping,et al.
(Department of BME, The First Military Medical University, Guangzhou 510515,China)
Abstract: A theory of non-invasive intracranial pressure measurement was given. The state of CSF、CBF and CBV was analyzed when ICP changed, and a method of monitoring ICP by measuring the brain impedance and cervical impedance was derived.
Key words: impedance;non-invasive;measurement;intracranial pressure
, 百拇医药
前言：颅内压增高是颅脑疾病中经常出现的、并且是使病情严重甚至引起死亡的并发症。在临床上，对于颅脑病人，动态地监测颅内压的变化情况，已成为一个重要的监护手段。
1891年Quinke首创用腰椎穿刺法测定颅内压，直到1960年Lundberg才实现了颅内压的持续监测。但到目前为止，各种临床上的颅内压监护都是有创的。其基本方法是：在颅腔内植入传感器或引入导管，用压力传感器将压力信号转变为与之成正比的电信号。这些有创性的测量方法一般都较精确，但无一例外地有置入麻烦，存在受感染的危险，监护时间不能太长等缺陷。因此，无创的颅内压监护仪器的研制开发已成为当务之急。
生物电阻抗技术是一种无创性的人体信息检测方法，已在临床检查和监护中得到一定的应用。在颅腔内，某一区域发生了病理生理的变化，必然会使该区域的阻抗发生变化，从而导致整个颅内阻抗的变化，并且，它常常是在病变症候出现之前出现，因此，运用生物电阻抗技术进行颅内压监护是可行的，并可在症候出现之前预告病情的发展情况，有着较大的研究价值。
, 百拇医药
1 生理基础[1，2]
1.1 颅内容积代偿
颅腔及其内容物(脑组织、脑脊液、血液)中脑脊液的液体静力压和脑血管的张力变动的压力是组成颅内压的生理基础。按Morno-Kellie的原理，在颅腔内容物处于正常的生理情况下，脑组织的体积不能被压缩，特别是在急性颅内压升高的情况下，其体积保持恒定，颅内压的调节是靠脑脊液和脑血流量保持动态的平衡来进行的。由于颅腔是刚性的，在颅腔内容物体积增大到一临界点时，颅内压就有明显的升高。
正常情况下，脑脊液总量(约占颅腔总容积的10%)是不变的，分泌速度很少受到颅内压的影响，其吸收速度与分泌速度相等，均为每分钟0.3～0.5 ml。当颅内压升高时，吸收速度随之成正比增加，并逐渐达到一个极限值。当脑脊液的容积代偿功能(被耗尽后，开始出现颅内压升高的迹象。
在正常生理情况下，颅内血容量约占总容积的7%，脑血流量较为稳定，保持在750 ml/min左右。在脑脊液代偿的末期，随着病变的继续，脑血容量开始减少，但由于脑血管的自动调节行为，使脑血流量基本上还能维持正常。在脑血液的容积代偿功能(约占3%)末期，颅内容物的体积增大到临界点，颅内压开始明显升高，脑血流量开始有较明显的减少，颅内压在15～35 mmHg范围内脑血流量保持正常的2/3左右，当颅内压升到35～50 mmHg时，脑血流量仅约为正常的1/2。
, 百拇医药
由上分析可看出，应尽量在容积代偿期内得知颅内压的发展情况。观察脑脊液总量的变化情况是进行颅内压监护的一个重要点。其次，脑血流量及脑血容的变化也是体现颅内压异常的重要特征。设法测出脑脊液、脑血容及脑血流的变化情况，可得出颅内压的变动趋势，在病变症候出现之前预测病情，为抢救病人赢得时间。
1.2 颅内容积-压力关系
在容积代偿期内，颅内压保持不变或变化很少。当容积代偿机能消耗到临界点后，即使颅内物质有少量的增加，颅内压也有明显的升高，即容积压力成指数关系，即
P＝P0eK.△V
式中，P0为颅内压正常值，K为一常数。
图2上半部分为Langfitt于1966年从猴的动物实验中得出的容积-压力关系的典型曲线。按前面的分析，可把关系曲线大致分为三部分，如图所示。第I部分为脑脊液代偿区，第II部分为脑血液代偿区，第三部分为颅内压高峰区。这三部分并非是截然分开的，且不同的人各区的长度(前两区的长度表征了容积代偿能力)也不一样。
, 百拇医药
2 电阻抗法监护颅内压的原理
Geselowitz关系式[3]
是计算容积导体内某一区域电导率的变化而引起的阻抗变化的基本理论依据，这也是电阻抗法监护颅内压的理论基础。式中，Lψ为容积导体中某一区域电导率未变时的导联场，LtΦ为该区域电导率改变了△g(xyz)后的导联场。△Z为由此所得的互阻改变值。如图1所示，在容积导体的A、B点注入电流Iab，测量C、D点的电压Vcd，即可得互阻为：
Z=Vcd/Iab
, 百拇医药
图1 互阻测量示意图
颅内各组织有着不同的电阻率，其值见表1[4]。
表1 颅内各组织电阻率 组 织
电阻率((m)
脑脊液
0.65
血 液
1.5
神经组织
白 质
6.82
灰 质
, 百拇医药
2.84
骨 质
166
从表中可看出，脑脊液的电阻率最小，其次是血液。颅骨的电阻率最大。由于在颅内压升高过程中，脑脊液的体积和脑血容变化最大，它们对脑阻抗变化的贡献也显然最大。
图2 颅内压与脑阻抗关系示意图
我们可以把脑阻抗Z分为两部分：基础阻抗Z0，交流阻抗△Z，如图2所示。正常情况下，颅内各物质总量恒定，Z0保持不变，△Z沿Z上下波动，波动原因为心跳、呼吸、咳嗽等。
在脑脊液代偿期内，其它物质(如肿瘤等)取代了被排出的脑脊液的空间，由于脑脊液的电阻率最小，脑基础阻抗随病情发展较快升高，曲线斜率较大。在脑血液代偿期中，脑血容减小，因血液的电阻率较脑脊液高，而低于其它组织，故脑基础阻抗仍然上升，但曲线斜率有所减小。观察到的基础阻抗曲线出现一拐点，这是一重要的特征点。
, 百拇医药
颅内容积代偿功能被耗尽后，随着颅内物质增加，颅内压急剧升高，脑灌注压迅速减小。这一阶段中，脑阻抗曲线斜率变化不大，而与脑灌注压成正比的脑血流则有较大的变化，即在脑血流变化曲线中也出现一拐点，这也是一重要的特征点。
为了得到脑血流的信息，有必要在颈段再加两对导联来测量颈部的阻抗。颈阻抗也分为基础阻抗Z和交流阻抗△Z两部分，它直接反映了脑血流的变动情况。同时，综合脑阻抗和颈阻抗信号，还可分析得出颅内其它物质如脑脊液、肿瘤等的阻抗变化信息，以便进一步确定病情。
3 初步的实验及分析
以上所作的仅是理论上的推导，为了进一步了解脑阻抗与颅内压的关系，我们用我室开发的阻抗仪作了初步的实验，实验方法为在耳后和颈部对称部位贴上电极，测出正常人安静情况下的△Z波形见图3a(脑部)和图3b(颈部)，定标信号(左端的三角波)峰值为0.1 Ω。图3c是用导管法测得的颅内压波形图。
, http://www.100md.com
图3表明，脑阻抗的△Z波形与颅内压压力波形非常相似，各波形均是由大的呼吸波和小的脉博波叠加而成，这一点并不难理解：
(1)由于呼吸的影响，颈静脉回流受到一个与呼吸同步的周期性的阻力，脑阻抗和颈阻抗相应地随之周期性变化。呼吸时，胸内的压力变化由颈静脉传递到颅内，使颅内压也呈周期性变化(见图3c)。
图3 脑阻抗和颅内压波形图
(2)脑动脉的脉动远远大于脑脊液的脉动，△Z图就明显受到了脑动脉脉动的影响。脑动脉的压力变化传递到脑脊液中，也使颅内压与之同步变化。
(3)由于血液的电导率较大，血容增加时，使阻抗变小，却使压力升高；血容减小时，阻抗变大，压力降低。因此阻抗波形和压力波形周期一样，形状恰好相反。
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另外，在测量过程中，基础阻抗均保持一个较稳定的值，脑部为(27.8±0.1)Ω,颈部为(22.6±0.1)Ω，这与前面的分析一致。
4 讨论
为了提高测量电极对颅内阻抗变化的灵敏度及改善测量效果，拟进一步作以下几点改进措施。
(1)由于颅腔是骨性的封闭腔，骨组织的电阻率高达166 Ω.m，因此电流主要分布在头皮层，只有少量的电流进入颅腔。采用保护电极技术[5]，使测量电流较多地进入颅内，可提高颅内区域和颅外区域的相对灵敏度。 (2)从Geselowitz关系式可看出，两导联平行时，对同一△g(xyz)测出的△Z最大，合理地设置电极的位置，可提高测量的灵敏度。
(3)采用同心圆电极[6]，即外圈为环形的电流电极，中间为圆形实心的测量电极。这种电极形式既克服分离电极的不足，又能在一定程度上消除接触阻抗的影响，同时，由于电流电极和测量电极制成一体，更适合于在头部及颈部粘贴，是比较理想的电极形式。
, 百拇医药
从理论上看，用生物电阻抗法对预测颅内压发展趋势效果较好，但不能准确地测量颅内压值。首先，引起阻抗变化的原因复杂，除了脑脊液、脑血流等主要因素外，其它部分组织的电导率变化也会影响脑部的电场分布，使测量不可避免地有一定差异。其次，脑阻抗与颅内压并没有直接的联系，不同的病人，不同的病情，容积代偿能力的不同，在颅内压相同时测出的阻抗值也大不一样。但我们可测量△Z乃至△Z/△t波形，通过一些特征点来观察颅内压的发展情况。由于生物阻抗法是一种功能性的方法，可在先于症候出现之前进行病情预测，开发出的仪器简单，监护时间不受限制，可进行连续监护，且不存在受感染的危险，在颅内压监护方面有着很好的研究价值和应用前景。
基金项目：广东省自然科学基金资助课题
参考文献:
1 马景孟，等. 颅内压增高与临床各科疾病[M]. 北京：中国科学技术出版社,1995.67.
, 百拇医药
2 韩哲生,曹美鸿；等. 颅内压与颅内压增高[M].兰州：甘肃科学技术出版社, 1993.
3 David B.Geselowitz. An Application of Electrocardiographic Lead Theory to Impedance Plethysmography[J]. IEEE Trans.on Bio-Med.Eng., 1971,18: 38.
4 姚磊,刘军等.医学实用数据手册[M].中国广播电视出版社,1993.
5 Sahakian Alan V, et al. Electrode Motion Artifacts in Electrical Impedance Pneu-mography[J]. IEEE Trans on BME. 1985，(32)6: 448-451.
6 Aoyagi T, et al. Proc of the Vth ICEBI[C]. 1981. 369-372.
收稿日期：1999-01-10, 百拇医药
单位：第一军医大学 医学物理教研室, 广东 广州 510515
关键词：阻抗；无创伤；测量；颅内压
中国医学物理学杂志990415 摘要：本文探讨了用生物电阻抗法无创测量颅内压的原理，分析了当颅内压变化时，颅内脑血流及脑脊液的变化情况，并初步推导出通过测量脑阻抗和颈阻抗来监护颅内压的方法。
中图分类号：R445 文献标识码：A
文章编号：1005-202X(1999)04-0243-03
An investigation of non-invasive intracranial pressure monitor by bio-electrical impedance measurement
, http://www.100md.com
LIU Guo-qing,XIAO Gui-xia,PENG Yu-ping,et al.
(Department of BME, The First Military Medical University, Guangzhou 510515,China)
Abstract: A theory of non-invasive intracranial pressure measurement was given. The state of CSF、CBF and CBV was analyzed when ICP changed, and a method of monitoring ICP by measuring the brain impedance and cervical impedance was derived.
Key words: impedance;non-invasive;measurement;intracranial pressure
, 百拇医药
前言：颅内压增高是颅脑疾病中经常出现的、并且是使病情严重甚至引起死亡的并发症。在临床上，对于颅脑病人，动态地监测颅内压的变化情况，已成为一个重要的监护手段。
1891年Quinke首创用腰椎穿刺法测定颅内压，直到1960年Lundberg才实现了颅内压的持续监测。但到目前为止，各种临床上的颅内压监护都是有创的。其基本方法是：在颅腔内植入传感器或引入导管，用压力传感器将压力信号转变为与之成正比的电信号。这些有创性的测量方法一般都较精确，但无一例外地有置入麻烦，存在受感染的危险，监护时间不能太长等缺陷。因此，无创的颅内压监护仪器的研制开发已成为当务之急。
生物电阻抗技术是一种无创性的人体信息检测方法，已在临床检查和监护中得到一定的应用。在颅腔内，某一区域发生了病理生理的变化，必然会使该区域的阻抗发生变化，从而导致整个颅内阻抗的变化，并且，它常常是在病变症候出现之前出现，因此，运用生物电阻抗技术进行颅内压监护是可行的，并可在症候出现之前预告病情的发展情况，有着较大的研究价值。
, 百拇医药
1 生理基础[1，2]
1.1 颅内容积代偿
颅腔及其内容物(脑组织、脑脊液、血液)中脑脊液的液体静力压和脑血管的张力变动的压力是组成颅内压的生理基础。按Morno-Kellie的原理，在颅腔内容物处于正常的生理情况下，脑组织的体积不能被压缩，特别是在急性颅内压升高的情况下，其体积保持恒定，颅内压的调节是靠脑脊液和脑血流量保持动态的平衡来进行的。由于颅腔是刚性的，在颅腔内容物体积增大到一临界点时，颅内压就有明显的升高。
正常情况下，脑脊液总量(约占颅腔总容积的10%)是不变的，分泌速度很少受到颅内压的影响，其吸收速度与分泌速度相等，均为每分钟0.3～0.5 ml。当颅内压升高时，吸收速度随之成正比增加，并逐渐达到一个极限值。当脑脊液的容积代偿功能(被耗尽后，开始出现颅内压升高的迹象。
在正常生理情况下，颅内血容量约占总容积的7%，脑血流量较为稳定，保持在750 ml/min左右。在脑脊液代偿的末期，随着病变的继续，脑血容量开始减少，但由于脑血管的自动调节行为，使脑血流量基本上还能维持正常。在脑血液的容积代偿功能(约占3%)末期，颅内容物的体积增大到临界点，颅内压开始明显升高，脑血流量开始有较明显的减少，颅内压在15～35 mmHg范围内脑血流量保持正常的2/3左右，当颅内压升到35～50 mmHg时，脑血流量仅约为正常的1/2。
, 百拇医药
由上分析可看出，应尽量在容积代偿期内得知颅内压的发展情况。观察脑脊液总量的变化情况是进行颅内压监护的一个重要点。其次，脑血流量及脑血容的变化也是体现颅内压异常的重要特征。设法测出脑脊液、脑血容及脑血流的变化情况，可得出颅内压的变动趋势，在病变症候出现之前预测病情，为抢救病人赢得时间。
1.2 颅内容积-压力关系
在容积代偿期内，颅内压保持不变或变化很少。当容积代偿机能消耗到临界点后，即使颅内物质有少量的增加，颅内压也有明显的升高，即容积压力成指数关系，即
P＝P0eK.△V
式中，P0为颅内压正常值，K为一常数。
图2上半部分为Langfitt于1966年从猴的动物实验中得出的容积-压力关系的典型曲线。按前面的分析，可把关系曲线大致分为三部分，如图所示。第I部分为脑脊液代偿区，第II部分为脑血液代偿区，第三部分为颅内压高峰区。这三部分并非是截然分开的，且不同的人各区的长度(前两区的长度表征了容积代偿能力)也不一样。
, 百拇医药
2 电阻抗法监护颅内压的原理
Geselowitz关系式[3]
是计算容积导体内某一区域电导率的变化而引起的阻抗变化的基本理论依据，这也是电阻抗法监护颅内压的理论基础。式中，Lψ为容积导体中某一区域电导率未变时的导联场，LtΦ为该区域电导率改变了△g(xyz)后的导联场。△Z为由此所得的互阻改变值。如图1所示，在容积导体的A、B点注入电流Iab，测量C、D点的电压Vcd，即可得互阻为：
Z=Vcd/Iab
, 百拇医药
图1 互阻测量示意图
颅内各组织有着不同的电阻率，其值见表1[4]。
表1 颅内各组织电阻率 组 织
电阻率((m)
脑脊液
0.65
血 液
1.5
神经组织
白 质
6.82
灰 质
, 百拇医药
2.84
骨 质
166
从表中可看出，脑脊液的电阻率最小，其次是血液。颅骨的电阻率最大。由于在颅内压升高过程中，脑脊液的体积和脑血容变化最大，它们对脑阻抗变化的贡献也显然最大。
图2 颅内压与脑阻抗关系示意图
我们可以把脑阻抗Z分为两部分：基础阻抗Z0，交流阻抗△Z，如图2所示。正常情况下，颅内各物质总量恒定，Z0保持不变，△Z沿Z上下波动，波动原因为心跳、呼吸、咳嗽等。
在脑脊液代偿期内，其它物质(如肿瘤等)取代了被排出的脑脊液的空间，由于脑脊液的电阻率最小，脑基础阻抗随病情发展较快升高，曲线斜率较大。在脑血液代偿期中，脑血容减小，因血液的电阻率较脑脊液高，而低于其它组织，故脑基础阻抗仍然上升，但曲线斜率有所减小。观察到的基础阻抗曲线出现一拐点，这是一重要的特征点。
, 百拇医药
颅内容积代偿功能被耗尽后，随着颅内物质增加，颅内压急剧升高，脑灌注压迅速减小。这一阶段中，脑阻抗曲线斜率变化不大，而与脑灌注压成正比的脑血流则有较大的变化，即在脑血流变化曲线中也出现一拐点，这也是一重要的特征点。
为了得到脑血流的信息，有必要在颈段再加两对导联来测量颈部的阻抗。颈阻抗也分为基础阻抗Z和交流阻抗△Z两部分，它直接反映了脑血流的变动情况。同时，综合脑阻抗和颈阻抗信号，还可分析得出颅内其它物质如脑脊液、肿瘤等的阻抗变化信息，以便进一步确定病情。
3 初步的实验及分析
以上所作的仅是理论上的推导，为了进一步了解脑阻抗与颅内压的关系，我们用我室开发的阻抗仪作了初步的实验，实验方法为在耳后和颈部对称部位贴上电极，测出正常人安静情况下的△Z波形见图3a(脑部)和图3b(颈部)，定标信号(左端的三角波)峰值为0.1 Ω。图3c是用导管法测得的颅内压波形图。
, http://www.100md.com
图3表明，脑阻抗的△Z波形与颅内压压力波形非常相似，各波形均是由大的呼吸波和小的脉博波叠加而成，这一点并不难理解：
(1)由于呼吸的影响，颈静脉回流受到一个与呼吸同步的周期性的阻力，脑阻抗和颈阻抗相应地随之周期性变化。呼吸时，胸内的压力变化由颈静脉传递到颅内，使颅内压也呈周期性变化(见图3c)。
图3 脑阻抗和颅内压波形图
(2)脑动脉的脉动远远大于脑脊液的脉动，△Z图就明显受到了脑动脉脉动的影响。脑动脉的压力变化传递到脑脊液中，也使颅内压与之同步变化。
(3)由于血液的电导率较大，血容增加时，使阻抗变小，却使压力升高；血容减小时，阻抗变大，压力降低。因此阻抗波形和压力波形周期一样，形状恰好相反。
, http://www.100md.com
另外，在测量过程中，基础阻抗均保持一个较稳定的值，脑部为(27.8±0.1)Ω,颈部为(22.6±0.1)Ω，这与前面的分析一致。
4 讨论
为了提高测量电极对颅内阻抗变化的灵敏度及改善测量效果，拟进一步作以下几点改进措施。
(1)由于颅腔是骨性的封闭腔，骨组织的电阻率高达166 Ω.m，因此电流主要分布在头皮层，只有少量的电流进入颅腔。采用保护电极技术[5]，使测量电流较多地进入颅内，可提高颅内区域和颅外区域的相对灵敏度。 (2)从Geselowitz关系式可看出，两导联平行时，对同一△g(xyz)测出的△Z最大，合理地设置电极的位置，可提高测量的灵敏度。
(3)采用同心圆电极[6]，即外圈为环形的电流电极，中间为圆形实心的测量电极。这种电极形式既克服分离电极的不足，又能在一定程度上消除接触阻抗的影响，同时，由于电流电极和测量电极制成一体，更适合于在头部及颈部粘贴，是比较理想的电极形式。
, 百拇医药
从理论上看，用生物电阻抗法对预测颅内压发展趋势效果较好，但不能准确地测量颅内压值。首先，引起阻抗变化的原因复杂，除了脑脊液、脑血流等主要因素外，其它部分组织的电导率变化也会影响脑部的电场分布，使测量不可避免地有一定差异。其次，脑阻抗与颅内压并没有直接的联系，不同的病人，不同的病情，容积代偿能力的不同，在颅内压相同时测出的阻抗值也大不一样。但我们可测量△Z乃至△Z/△t波形，通过一些特征点来观察颅内压的发展情况。由于生物阻抗法是一种功能性的方法，可在先于症候出现之前进行病情预测，开发出的仪器简单，监护时间不受限制，可进行连续监护，且不存在受感染的危险，在颅内压监护方面有着很好的研究价值和应用前景。
基金项目：广东省自然科学基金资助课题
参考文献:
1 马景孟，等. 颅内压增高与临床各科疾病[M]. 北京：中国科学技术出版社,1995.67.
, 百拇医药
2 韩哲生,曹美鸿；等. 颅内压与颅内压增高[M].兰州：甘肃科学技术出版社, 1993.
3 David B.Geselowitz. An Application of Electrocardiographic Lead Theory to Impedance Plethysmography[J]. IEEE Trans.on Bio-Med.Eng., 1971,18: 38.
4 姚磊,刘军等.医学实用数据手册[M].中国广播电视出版社,1993.
5 Sahakian Alan V, et al. Electrode Motion Artifacts in Electrical Impedance Pneu-mography[J]. IEEE Trans on BME. 1985，(32)6: 448-451.
6 Aoyagi T, et al. Proc of the Vth ICEBI[C]. 1981. 369-372.
收稿日期：1999-01-10, 百拇医药