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编号:10273683
胸腔心阻抗血流图波形成因的研究现状
http://www.100md.com 《生物医学工程学杂志》 1999年第1期
     作者:王海滨 董秀珍 杨照康

    单位:(第四军医大学 生物医学工程系,西安 710032)

    关键词:阻抗;波形;模型;有限元

    生物医学工程学杂志990124

    王海滨 董秀珍 杨照康 综述 藏益民 审校

    内容摘要 从心阻抗血流图波形成因的早期研究与近期研究两方面综述了目前胸腔心阻抗血流图成因的研究现状,指出修正Kubicek理论及其物理模型、精确SV的计算公式的可行途径是在阻抗容积图电场理论的指导下,将有限元建模技术应用于该研究领域。同时,对目前作者的研究工作进行了初步介绍。

    The Present Research Situation of Cause of Formation of Impedance
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    Cardiograph Waveform

    Wang Haibin Dong Xiuzheng Yang Zhaokang

    (Biomedical Engineering Department,Fourth Military Medical University,Xi'an 710032)

    Abstract This paper summarized the present research situation of cause of formation of impedance cardiograph waveform in two aspects of early and current research on it by the means of consulting a great deal of domestic and foreign data. The paper pointed out that a practicable way for correcting Kubicek theory and its physical model, making SV formula more accurate is to apply finite element technology to the research field under the guide of impedance cardiograph electric field theory. At the same time, the paper made preliminary introduction on the author's research work in the area.
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    Key words Impedance Waveform Model Finite element

    自五十年代初Nyboer[1,2]提出阻抗变化(ΔZ)与容积的变化(ΔV)成正比,并首先测量了人的肢体阻抗血流图后,六十年代中期Kubicek[3]将该测量技术用于人体胸部,采用恒流式环形四电极法记录了心阻抗图(ICG)信号波形,并在Nyboer理论的基础上依据所记录的波形,推导出了心脏每搏量(SV)的估算公式。从此ICG法以其对病人安全、操作简便、可重复检测和成本低廉等优点而得到较为广泛的应用。

    然而,随着近些年的普遍应用,也逐渐暴露出Kubicek公式的局限性。大量的临床实验已证明,Kubicek公式用于健康人、飞行员所计算出的SV是符合实际的,但对于绝大多数心血管疾病患者该公式计算出的SV不准[4],因此该方法尚存在一些亟待解决的理论研究问题;例如Nyboer提出的均匀园柱并联膨胀模型与人体胸内实际解剖结构差别太大的问题,Kubicek直接引用该模型于人体胸部,必然使SV的计算结果有误差;如何合理解释Kubicek采用恒流式环形四电极法所记录的心阻抗波形图成因的问题,即心阻抗波形图是只受主动脉血管容积改变的影响,还是受胸腔内各器官组织协同作用的影响,且这些影响在心阻抗波形图形成中所占的比重各有多少等问题均有待解决。
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    进一步阐明心阻抗波形的成因和改进心阻抗图检测技术,使SV计算结果较为可靠,波形解释较为合理,长期以来一直是无创伤心脏功能检测领域的一项基础性理论研究。

    1 心阻抗血流图波形成因的早期研究

    有关心阻抗波形图成因的探讨结果如同用心阻抗图计算的SV一样,长期以来不能得到较为统一的认识。一些实验结果和解释比较牵强、互相矛盾。从历史上看,在60~70年代通过各种动物实验探讨心阻抗波形图成因的较多,提出了许多影响因素。但是由于仪器尚无根本性改进,理论尚无创新性突破,加之现象与解释的相互矛盾,致使有关这方面的研究和报道大为减少,人们转向从实际应用角度探讨ICG的可靠性与可重复性[5]以及对老病种的检测效果[6]等。

    早期工作由传统理论的提出者,Bonjer和Nyboer等人进行。人们认为心阻抗变化并非来自心脏容积变化,而是来自动脉血液容积的变化[7],因为当用橡皮套包住开胸狗心脏时,血流图信号并未受影响。但是也有学者[8]在同样条件下观察到阻抗变化的峰值增大168%。后来又有学者通过分别控制狗的肺动脉血流和主动脉血流,观察到胸阻抗在心缩期的快速下降仅在有血液射入主动脉时出现,并且与右室射血无关[9],因此认为主动脉血流容积变化为主要起因。
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    然而当通过舒张期注射生理盐水进入心室、下腔静脉和主动脉弓的不同阶段时,观察胸阻抗的变化推断左心室射血对阻抗的形成十分重要,但是右心室射血也产生阻抗变化信号[10]。将机械心脏置入小牛体内使左、右心室收缩可短暂分离,从而发现左室对阻抗信号的贡献为60%,而右室为40%[11]。利用脉动泵分别控制灌流肺动脉和/或主动脉,同样揭示阻抗信号来自整个心血管系统,而不是单一的肺动脉血流或主动脉血流[12]

    1974年Kubicek用电磁流量计测得升主动脉血流后,发现(dz/dt)min与主动脉血流信号幅度呈线性相关[13]。但是1978年有人对主动脉的作用再次提出疑问[14],中止动物血循环,对心室、心房、肺或隔离的主动脉弓段进行连续分部波动式灌注,结果显示主动脉弓和心房内的等量容积变化将产生相同的阻抗变化。而左室内容积变化所产生的阻抗变化显著小于前两者。肺部的等量充盈与主动脉弓作用相同。而主动脉弓容积变化的影响作用仅达总体信号的30%。所以似乎胸内多个大血管在形成体表阻抗时作用相当,不相上下。
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    总之这个阶段的研究较统一的认为,血液的容积变化仍是阻抗信号的最主要起源,研究的目的试图弄清血液容积变化发生的位置。尽管也有一些学者很早就提出血流速度等非容性影响因素,但一直未能予以重视[15]

    2 心阻抗血流图波形成因的近期研究

    80~90年代随着现代电子计算机的应用与发展,用于检测人体心脏泵血功能的心阻抗血流图技术的基础理论研究,又一次成为国内外临床医学无创伤检测方法研究的一个热点。尤其是通过对人体胸腔实际解剖结构进行二维、三维的计算机仿真研究来探讨有关心阻抗波形图成因的问题,其目的是推导出SV的精确计算公式,提高其临床应用的可信度。

    心阻抗波形图成因的近期研究主要表现在受Geselowtz阻抗容积图电场理论[16]的指导,对多种数学模型及算法的应用。另外还有对血流速度、血流成份(如Hct)等非容积性因素的研究。
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    有学者[17]在羔羊身上建立肺动脉阻断模型和主动脉弓分流模型,发现右室每搏量与阻抗变化有显著的正相关关系,但当主动脉弓分流发生时,这一正相关关系破坏。提示心阻抗图反映心输出量的急性改变不可靠,胸腔阻抗的改变与否并不一定反映心输出量的状况。

    在进行动物实验的同时,一些学者采用数学模型方法探讨心阻抗波形图的成因。较为典型的是Sakmato[18](1979)、Patterson[19](1985)和Wang[20](1995)以实际人体胸腔的解剖学形态为基础建立了胸腔心阻抗血流图的全新三维有限差分物理模型,探讨心阻抗波形图的成因问题,但没有给出胸腔阻抗改变与主动脉中血液容积改变之间的定量关系,即没有给出SV的精确计算公式,而且有限差分方法的数值计算精度有限;而Kim[21](1988)则采用有限元技术建立了人体胸腔阻抗心动图的三维有限元模型,该技术是将容积导体的被测阶段划分为有限个体积元。每个体积元以其解剖部位的组织特性有一电导率,电导率的分布遵从Laplace方程。对边界条件做相应的限制以后,认为该方法具有唯一解。在传统恒流式环形四电极方式下,其数值解和实验测值提示阻抗变化与主动脉弓内血容积变化呈线性关系。此外,还有收缩期左室腔血容积下降,肺组织血流灌注引起肺部电阻率的下降、以及主动脉弓、颈动脉内红细胞旋转而引起的血液电阻率下降等都是胸阻抗的主要贡献者。Kim在研究中明确指出胸腔阻抗改变与主动脉中血液容积改变之间存在的某种定量的关系,也就是说通过对心阻抗血流图的三维建模研究,一定能够合理的解释心阻抗波形图的成因,同时推导出SV的精确计算公式。虽然Kim没给出这个定量关系并且Kim是以解剖图谱为依据来选取与他本人几何尺寸大体相当的人体胸腔CT图片,这使得所建三维有限元模型计算出的数值解有一定的误差,但他的研究成果给我们提出了一种修正Kubicek均匀园柱并联膨胀物理模型、深入探讨心阻抗波形图的成因问题的新方法。随着高速大容量电子计算机的广泛应用,其运算复杂,巨大的数据处理量费时的缺点已不存在。
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    3 总结

    通过查阅大量有关胸腔阻抗血流图成因研究的国内外文献资料,归纳以上几方面的内容,可看出:

    (1)已经发现Nyboer-Kubicek理论及模型存在诸多局限,不能直接用于心阻抗图成因的解释及有关心输出量的精确计算。

    (2)已经提出了阻抗容积图的电场理论,严密的数学推导给出了体表阻抗变化的新公式,明确表达了阻抗变化与电导率改变和导联方式的关系,提供了完善阻抗检测技术的新途径,但该理论的数学计算过程十分复杂,尚未得到广泛的应用。

    (3)已经肯定心阻抗图的形成不仅有胸内各器官(如主动脉、肺动脉、静脉、心脏房室腔)内的血液容积的改变,而且有血流速度、血流成份(血细胞压积等)的影响作用。

    综上所述,从目前国内外对胸腔阻抗血流图的成因研究现状来看,如果想真正地修正Kubicek理论及其物理模型,精确SV的计算公式,可行的途径是在阻抗容积图电场理论的指导下,采用有限元建模的技术,首先建立动物胸腔的物理模型并用计算机仿真技术求其数值解以求更真实地反映心血管系统的生理活动,然后再建立实际人体胸腔的物理模型,使研究更具说服务。关于这方面的研究,国外只有一些零星的报道,且无动物实验作基础,而国内尚未见研究报道。并且对于胸腔阻抗改变与主动脉中血液容积改变关系的定量描述即(SV)与(ΔZ)之间的量化关系确定以及胸腔左、右心同步射血时阻抗血流图的三维有限元模型建立的研究国内外尚未见报道。这在很大程度上是因为动物体或实际人体胸腔横截面CT图片的实时截取、在体胸腔三维有限元高精度数值解的求得以及该数值解与心血管系统生理现象之间的合理解释等均比较困难。作者目前正在从事胸腔阻抗血流图三维有限元建模的研究工作,并已建立了从狗的颈部到胸腔剑突处20层、630单元、814个结点的在体胸腔三维计算机有限元仿真模型,并得到了相应的胸腔三维电场分布的数值解。
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    作者单位:藏益民 审校(第四军医大学 生物医学工程系,西安 710032)

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    (收稿:1997-03-27), http://www.100md.com