鄒瞿超， 金錦江， 黃天海， 王 力， 陳長(zhǎng)駿， 褚永華

(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院 臨床醫(yī)學(xué)工程部，浙江 杭州 310009)

0 引 言

作為人體最大的器官，皮膚起到了保護(hù)人體免受外界環(huán)境干擾的作用。各種急、慢性損傷導(dǎo)致皮膚的完整性受到傷害時(shí)可能會(huì)引起機(jī)體功能受損從而影響患者的生活質(zhì)量，甚至死亡[1]。因此，皮膚創(chuàng)傷的狀態(tài)評(píng)估和研究越來(lái)越引起人們的重視。

在臨床工作中，常通過觀察皮膚完整性、顏色和水腫程度，采用視覺模擬評(píng)分、觸診和問診等經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)的方式評(píng)估皮膚創(chuàng)傷狀態(tài)[2]。同時(shí)，也有研究者通過客觀的生理參數(shù)來(lái)對(duì)皮膚創(chuàng)傷進(jìn)行研究，如組織反射光譜法、早期炎性介質(zhì)檢測(cè)法、皮膚測(cè)溫法、皮膚鏡檢測(cè)、近紅外光譜血氧監(jiān)測(cè)以及血流監(jiān)測(cè)等[3～6]，但單一參數(shù)的研究仍然缺乏對(duì)局部創(chuàng)傷組織結(jié)構(gòu)狀況的反饋。當(dāng)前，非侵入式利用生物組織及器官的電學(xué)特性來(lái)提取人體生理信息的生物電阻抗技術(shù)，由于其能夠反映待測(cè)區(qū)域溫度、濕度、生物結(jié)構(gòu)等綜合狀態(tài)信息的優(yōu)勢(shì)，已越來(lái)越多地用于皮膚創(chuàng)傷狀態(tài)的評(píng)估和研究[7]。

1 生物電阻抗技術(shù)及其在皮膚創(chuàng)傷研究中的應(yīng)用原理

生物體是由細(xì)胞構(gòu)成的，而細(xì)胞由細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)液構(gòu)成，細(xì)胞外則主要包括細(xì)胞外液和細(xì)胞外間質(zhì)。就電特性而言，可將細(xì)胞內(nèi)液以及細(xì)胞外液等效為電阻，細(xì)胞膜等效為電容，細(xì)胞外間質(zhì)通常將其看作絕緣體，生物組織整體可等效為三元件生物阻抗模型[8]。如圖1所示，基于該模型，可以通過生物電阻抗來(lái)表征生物組織電學(xué)性質(zhì)，包含阻性和容性兩種成分，能夠完整反映生物組織在溫度、濕度、壓力等外部因素綜合影響下的整體狀態(tài)。

圖1 皮膚組織三元件生物阻抗模型示意

隨著生物體所加載的激勵(lì)信號(hào)的頻率變化，組織阻性與容性成分間比值也隨之變化，這種現(xiàn)象稱為生物組織的阻抗頻譜特性。由于生物電阻抗的激勵(lì)信號(hào)電壓較低，一般不會(huì)對(duì)細(xì)胞的狀態(tài)產(chǎn)生影響，更不會(huì)殺死細(xì)胞；而不同的測(cè)量頻率采集到的阻抗信號(hào)對(duì)應(yīng)不同組織成分的信息，因而生物電阻抗技術(shù)通過頻率的調(diào)制即可實(shí)現(xiàn)組織不同部位的狀態(tài)檢測(cè)，在細(xì)胞或組織的研究中獲取完整的價(jià)值較高的原位信息[9,10]。目前常用的復(fù)阻抗檢測(cè)技術(shù)方法主要包括有4 臂電橋檢測(cè)法、伏安法、矢量阻抗檢測(cè)法、微波檢測(cè)法和脈沖反射檢測(cè)法等[11]。

人類皮膚由表皮、真皮和皮下組織三層不同的組織組成，每一層都有由其結(jié)構(gòu)、濕度等決定的特性阻抗譜。當(dāng)在有皮膚創(chuàng)傷區(qū)域進(jìn)行阻抗測(cè)量時(shí)，其組織細(xì)胞凋亡導(dǎo)致富含離子的細(xì)胞質(zhì)泄漏到細(xì)胞外基質(zhì)中，呈現(xiàn)較好的導(dǎo)電性而阻抗值較低；同時(shí)，細(xì)胞凋亡導(dǎo)致的細(xì)胞膜破裂使得損傷區(qū)域組織電容特性衰減消失。因此，在低頻激發(fā)狀態(tài)下，皮膚創(chuàng)傷區(qū)域損傷組織的阻抗值能夠顯著區(qū)別于健康組織。利用這一特性，即可通過獲取的皮膚創(chuàng)傷區(qū)域的生物電阻抗參數(shù)來(lái)對(duì)創(chuàng)傷的狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估。

2 生物電阻抗技術(shù)在皮膚創(chuàng)傷研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 皮膚創(chuàng)面狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估

尖銳物體對(duì)于皮膚表面的傷害以及骨突處皮膚的長(zhǎng)期受壓都會(huì)造成急性或者慢性的皮膚損傷。皮膚損傷程度的不同一般可以通過創(chuàng)面的觀察來(lái)評(píng)判，但對(duì)于一些較深處的形態(tài)不規(guī)則的創(chuàng)傷由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深度等信息易被周邊組織遮擋，難以通過肉眼進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。而生物電阻抗譜能夠反映組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特性使得生物電阻抗技術(shù)開始越來(lái)越多地應(yīng)用于皮膚創(chuàng)面狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

Swisher S L等人[12]通過貼敷于創(chuàng)口表面撓性的電極陣列采集創(chuàng)口的阻抗信息形成創(chuàng)口的阻抗譜圖來(lái)評(píng)估創(chuàng)口的嚴(yán)重程度。Ollmar S等人[13]提出了一種用于皮膚生物阻抗測(cè)量的同軸皮膚探針通過引入了表征選定頻率下皮膚阻抗的4個(gè)指數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化皮膚生物阻抗譜的分析，從而量化生理?xiàng)l件下的組織反應(yīng)以及導(dǎo)致病理狀況的任何皮膚刺激的情況，實(shí)現(xiàn)了皮膚炎癥的識(shí)別。Pei X C等人[14]設(shè)計(jì)了一種直接貼片于皮膚表面的微型可拉伸電子傳感系統(tǒng)，可與創(chuàng)面縫合進(jìn)行皮膚生物電阻抗的持續(xù)無(wú)線監(jiān)測(cè)，從而實(shí)時(shí)在體監(jiān)測(cè)慢性傷口的狀態(tài)變化。

2.2 不同類型傷口愈合過程的研究

不同原因?qū)е碌膭?chuàng)傷會(huì)形成不同類型的創(chuàng)面結(jié)構(gòu)，如針刺傷、擦傷、割傷等，其愈合過程也存在一定的差別。通過對(duì)于不同類型傷口愈合過程中的生物電阻抗信息的持續(xù)追蹤監(jiān)測(cè)可以比較總結(jié)出各個(gè)類別傷口的愈合差異和規(guī)律，從而為針對(duì)性的治療提供理論依據(jù)。

Kekonen A等人[15]設(shè)計(jì)了一種集成了Solartron 1260A頻率響應(yīng)分析儀和Solartron 1294A阻抗接口的設(shè)備使用Ambu bluessensor BRS固體凝膠電極基于雙極生物阻抗測(cè)量方法對(duì)不同面積和種類的傷口(針刺傷、擦傷、割傷)愈合過程的阻抗變化進(jìn)行了客觀和定量評(píng)估。此外，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種基于生物阻抗測(cè)量的傷口愈合狀態(tài)評(píng)估方法和測(cè)量系統(tǒng)，包括特制的生物阻抗裝置、測(cè)量軟件以及絲網(wǎng)印刷電極陣列，并在7例靜脈潰瘍的隨訪研究中評(píng)估了該系統(tǒng)的可靠性和性能[16]。Kenworthy P等人[17]通過生物阻抗譜(BIS)技術(shù)連續(xù)測(cè)量急性燒傷傷口的電阻抗幅值和相位以實(shí)現(xiàn)傷口愈合過程的客觀監(jiān)測(cè)并作為截肢體積的參考。Lukaski H C等人[18]應(yīng)用4個(gè)小型粘接電極持續(xù)采集患者小腿部較大創(chuàng)面的阻抗信息變化，試圖利用阻抗譜特性從細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的層面研究該創(chuàng)面的愈合過程。

2.3 創(chuàng)面治療手段的效果評(píng)價(jià)

對(duì)于創(chuàng)面的治療方式在縫合和抑制皮膚之余主要依靠藥物或者物理刺激來(lái)促進(jìn)傷口的愈合。而目前對(duì)于創(chuàng)面治療效果的評(píng)價(jià)往往是先驗(yàn)式的，及通過之前類似病例的結(jié)果來(lái)進(jìn)行推測(cè)，無(wú)法直觀、實(shí)時(shí)、個(gè)性化地進(jìn)行評(píng)估。生物電阻抗技術(shù)的應(yīng)用為創(chuàng)面治療效果評(píng)價(jià)提供了新的可能。

Leszek K等人[19]使用HIOKI LCR METER IM3536橋和Ag/AgCl一次性電極通過皮膚原位電阻抗的測(cè)量評(píng)價(jià)了天然魚皮膠原蛋白給藥對(duì)小腿潰瘍周圍環(huán)境的影響。Gonzalez-Correa C A等人[20]采用4000B生物阻抗譜分析儀對(duì)糖尿病患者的腿部創(chuàng)面進(jìn)行追蹤監(jiān)測(cè)，評(píng)估了高質(zhì)量、未經(jīng)提煉的全蔗糖對(duì)單側(cè)糖尿病足潰瘍患者的愈合效果。Park E B等人[21]基于皮膚阻抗測(cè)量實(shí)現(xiàn)了壓瘡區(qū)域的可視化檢測(cè)，并驗(yàn)證了光生物調(diào)節(jié)療法的治療效果。Cardoso L V等人[22]通過生物電阻抗技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)肢體靜脈潰瘍的評(píng)估，并對(duì)比了壓迫治療與非壓迫治療兩種方式對(duì)慢性靜脈潰瘍的治療效果。

3 生物電阻抗技術(shù)在皮膚創(chuàng)傷研究應(yīng)用中存在的不足

3.1 缺乏皮膚創(chuàng)傷的形成過程研究

目前的生物電阻抗技術(shù)應(yīng)用在皮膚創(chuàng)傷的相關(guān)研究主要圍繞既有皮膚創(chuàng)傷的愈合過程，缺乏對(duì)創(chuàng)傷形成過程和發(fā)展進(jìn)程中生物電阻抗變化的研究。對(duì)于壓瘡等慢性創(chuàng)傷來(lái)說，早發(fā)現(xiàn)、早干預(yù)能夠極大緩解病患痛苦，減少并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。而當(dāng)前的研究成果僅關(guān)注創(chuàng)傷愈合過程的追蹤，只能應(yīng)用于慢性創(chuàng)傷當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估和愈合過程的監(jiān)控，無(wú)法對(duì)慢性創(chuàng)傷的形成起到預(yù)警作用，極大限制了生物電阻抗技術(shù)在皮膚創(chuàng)傷檢測(cè)中的應(yīng)用場(chǎng)景和臨床意義。

3.2 檢測(cè)結(jié)果缺乏一致性

由于不同人體之間、同一人體不同皮膚區(qū)域之間的皮膚結(jié)構(gòu)和成分存在差異，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的生物電阻抗頻譜特性也存在差別，因此生物電阻抗技術(shù)應(yīng)用在創(chuàng)傷領(lǐng)域獲得的結(jié)果個(gè)性化較強(qiáng)，一致性較差。因此，當(dāng)前的生物電阻抗技術(shù)往往只能用于評(píng)估同一患者同一創(chuàng)面的前后變化情況，無(wú)法在不同創(chuàng)面之間形成比較，不利于統(tǒng)一的基于生物電阻抗的創(chuàng)傷量化評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的建立和推廣應(yīng)用。

3.3 應(yīng)用成本高

當(dāng)前的復(fù)阻抗檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)是精度越高的方法其檢測(cè)成本也越高。人體的生理電學(xué)特性決定了生物電阻抗技術(shù)的激勵(lì)信號(hào)的功率不能太高，采集到的生物電阻抗信號(hào)較為微弱，使得采集用的儀器設(shè)備性能要求較高，較為昂貴。同時(shí)，為了避免創(chuàng)面的交叉感染，用于采集信號(hào)的電極往往是滅完菌的一次性電極，極大提高了生物電阻抗技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)傷檢測(cè)的成本。此外，為保障患者的醫(yī)療電氣安全，生物電阻抗技術(shù)的應(yīng)用對(duì)使用人員素質(zhì)的要求較高，這也進(jìn)一步限制了該技術(shù)在臨床的應(yīng)用。

3.4 受待測(cè)區(qū)域條件及環(huán)境影響較大

當(dāng)前的檢測(cè)電極與皮膚的接觸方式受待測(cè)區(qū)域條件及檢測(cè)環(huán)境影響較大，也需進(jìn)一步優(yōu)化和提升[23]。例如現(xiàn)有的電極大多數(shù)都只是在毛發(fā)較少的區(qū)域取得了良好的監(jiān)測(cè)效果，在毛發(fā)較多的區(qū)域還是難以保證較高質(zhì)量的監(jiān)測(cè)生物電信號(hào)。同時(shí)，現(xiàn)有的電極對(duì)透水、透氣性考慮較少，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)容易使皮膚產(chǎn)生不適感，且由于皮膚角質(zhì)脫落，汗液、油脂等長(zhǎng)期堆積也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量逐漸下降。此外，生物電信號(hào)的采集還存在串?dāng)_問題，較大尺寸的電極容易受到其他部位信號(hào)的干擾，而較小尺寸電極的接觸阻抗又會(huì)增加從而影響信號(hào)采集質(zhì)量。因此,如何保證電極與生物體有著更穩(wěn)定的接觸阻抗以及更大的接觸面積，同時(shí)能在各種復(fù)雜情況下(如毛發(fā)區(qū)域、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等) 穩(wěn)定地獲取高質(zhì)量的生物電信號(hào)，是亟待研究和解決的一個(gè)問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

生物電阻抗技術(shù)由于其非侵入式、安全且操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域的得到廣泛應(yīng)用，常用于心電、腦電、肌電等經(jīng)典生物電信號(hào)的獲取以及人體成分分析等領(lǐng)域。隨著急慢性創(chuàng)傷及其并發(fā)癥日益引起人們的重視，生物電阻抗技術(shù)也成為皮膚創(chuàng)傷評(píng)估和研究的新手段。但總體而言，生物電阻抗技術(shù)在皮膚創(chuàng)傷領(lǐng)域的研究由于缺少創(chuàng)面形成過程研究、檢測(cè)結(jié)果個(gè)體差異大、應(yīng)用成本高且易受待測(cè)區(qū)域及外在環(huán)境影響，其臨床價(jià)值和意義存在較大局限性。

為發(fā)揮生物電阻抗技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，拓寬其在皮膚創(chuàng)傷領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景，可從以下幾方面入手：進(jìn)一步探索生物電阻抗頻譜特性與創(chuàng)傷形成和發(fā)展的對(duì)應(yīng)關(guān)系，挖掘其創(chuàng)傷早期預(yù)警的能力；結(jié)合日益成熟的柔性電子技術(shù)，改良電極結(jié)構(gòu)、工藝和材料以減少外部干擾，提高皮膚創(chuàng)面區(qū)域阻抗檢測(cè)特異性；引入智能化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)便攜高效的皮膚阻抗檢測(cè)儀，提高阻抗長(zhǎng)時(shí)追蹤監(jiān)測(cè)的便利性和靈活性。通過不斷完善生物電阻抗技術(shù)在皮膚創(chuàng)傷領(lǐng)域的應(yīng)用理論和檢測(cè)系統(tǒng)，該技術(shù)必能為創(chuàng)傷研究提供更高效的檢測(cè)手段，為急慢性創(chuàng)傷的診治提供更為全面的支持。