ImpediVET實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體組成測(cè)定分析儀在醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)第二課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

董曉敏 童學(xué)紅 郝 剛*

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在學(xué)生經(jīng)過基礎(chǔ)性和綜合性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后、有了一定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)而開設(shè)的。作為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重要部分，其目的是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、獨(dú)立解決問題和動(dòng)手能力，是培養(yǎng)科研素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展的新型人才的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備越來越先進(jìn)，在醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增添了各種新型儀器設(shè)備。為了使先進(jìn)儀器應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提高醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，本校機(jī)能實(shí)驗(yàn)室通過引入ImpediVET實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體組成測(cè)定分析儀開展此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。開放實(shí)驗(yàn)室教學(xué),該分析儀應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)7年制設(shè)計(jì)性第二課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將科研手段、科學(xué)思維方式和創(chuàng)新意識(shí)融入到機(jī)能學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

1 生物阻抗型儀器概述

醫(yī)學(xué)電阻抗(Medical electrical impedance)技術(shù)又稱生物阻抗(Bioimpedance)。生物組織的電阻抗測(cè)量的物理學(xué)基礎(chǔ)是歐姆定律，反映了電壓、電流之間的線性關(guān)系[1]。早期研究根據(jù)歐姆定律測(cè)得介質(zhì)兩端電壓和流經(jīng)介質(zhì)的電流，便可測(cè)得電阻值[2]。深入研究發(fā)現(xiàn)，僅用純電阻特性來描述生物組織缺乏合理性，測(cè)出生物組織的電容更加準(zhǔn)確地反映生物組織的電阻抗特性[3]。Cole等[4]報(bào)道，有研究者提出了頻率理論，生物組織的電阻抗特性隨著信號(hào)頻率的不同呈現(xiàn)顯著變化。醫(yī)學(xué)電阻抗技術(shù)就是利用了生物組織的這個(gè)電特性以及變化，反映機(jī)體生理和病理狀態(tài)的信息，從而對(duì)組織和器官功能狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量無創(chuàng)性檢測(cè)技術(shù)[5-10]。20世紀(jì)由于生物阻抗型儀器的測(cè)量條件和技術(shù)受限，研究結(jié)果令人質(zhì)疑。隨著電子技術(shù)、工業(yè)現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)和手段的發(fā)展，生物阻抗頻率特性測(cè)量技術(shù)隨之發(fā)展。在對(duì)生物組織阻抗頻譜測(cè)量中，不同的頻率波段有不同的測(cè)量方法。通常采用的方法有電橋測(cè)量法、雙電極測(cè)量法、四電極測(cè)量法和四環(huán)電極測(cè)量法。雙電極測(cè)量法是將幅值恒定的交變電流通過一對(duì)電極引入被測(cè)生物組織，再通過同一對(duì)電極將其兩端的電壓檢測(cè)出[11]。四電極測(cè)量法包括兩對(duì)電極，一對(duì)電流電極將恒定幅值的交變電流引入生物組織，另一對(duì)電壓電極介于兩電流電極之間，將測(cè)量出被測(cè)部位的電位差[12]。目前，生物組織的阻抗測(cè)量是采用四電極測(cè)量法，該技術(shù)適用于較寬頻率范圍。四環(huán)電極測(cè)量法由三對(duì)測(cè)量電極組成，其中一對(duì)電流電極，一對(duì)電壓電極和一對(duì)保護(hù)電極。兩個(gè)電流電極分別與兩個(gè)保護(hù)電極相連，再與一個(gè)恒流電源相接，通過這兩對(duì)電極將幅值恒定的交變電流引入生物組織，再通過兩個(gè)電壓電極測(cè)量出電位差[13]。四環(huán)電極測(cè)量法用于離體生物組織的測(cè)量。此外，還有開放端同軸電纜測(cè)量技術(shù)對(duì)活體組織高頻電特性進(jìn)行測(cè)量[14]。

2 在第二課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中生物阻抗型儀器的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)室引入澳大利亞ImpediVET實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體組成測(cè)定分析儀，生物阻抗型儀器是基于生物電阻抗頻譜分析法(bioimpedance spectroscopy，BIS)技術(shù)測(cè)定體組成及體內(nèi)液狀況較為理想的工具，應(yīng)用于動(dòng)物研究。該儀器是單通道、四面兩極生物阻抗頻譜儀，該設(shè)備能于1 s內(nèi)在4～1000 kHz的范圍中掃描256個(gè)頻段。該設(shè)備利用復(fù)數(shù)阻抗活體測(cè)定體含水量(TBW)、細(xì)胞外液(ECF)、細(xì)胞內(nèi)液(ICF)、除脂肪量(FFM)和脂肪量(FM)。此儀器首次應(yīng)用于第二課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，參加第二課堂實(shí)驗(yàn)學(xué)生是臨床醫(yī)學(xué)7年制本科生，在第二課堂實(shí)驗(yàn)中總結(jié)了生物阻抗型儀器應(yīng)用體會(huì)和儀器操作的注意事項(xiàng)。

2.1 儀器應(yīng)用前的統(tǒng)一培訓(xùn)

首次使用此類型儀器開展第二課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)于實(shí)驗(yàn)之前舉辦儀器工程師講座。由工程師講解儀器原理、使用步驟、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)分析、注意事項(xiàng)和儀器保養(yǎng)等內(nèi)容。教師、學(xué)生均應(yīng)積極參加。生物阻抗型儀器是用四電極測(cè)量電阻抗特性，準(zhǔn)確放置電極的位置是能否獲得有效數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。因此，培訓(xùn)學(xué)生正確使用儀器、正規(guī)操作能為第二課堂實(shí)驗(yàn)的順利開展打下基礎(chǔ)。

2.2 減少噪音污染

生物阻抗型是生物電特性，通過儀器傳導(dǎo)量化輸出，因此在測(cè)試中應(yīng)盡量減少各種背景噪聲污染，提高儀器的測(cè)量精度。在實(shí)驗(yàn)操作過程中需注意：①動(dòng)物機(jī)體應(yīng)該放在絕緣材料上進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)保持動(dòng)物機(jī)體皮膚干燥；②測(cè)試中避免碰觸動(dòng)物；③測(cè)量過程中使用電池，儀器電源裝置充電狀態(tài)可出現(xiàn)噪音影響測(cè)量，污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果；④測(cè)量前使用校對(duì)器進(jìn)行校準(zhǔn)儀器電極。

2.3 儀器保養(yǎng)及電極固定

(1)實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格按照使用說明操作儀器。生物阻抗型儀器應(yīng)有實(shí)驗(yàn)室教師專人保管，儀器需放置于干燥環(huán)境，避免液體浸入，并安放平穩(wěn)。清潔儀器時(shí)應(yīng)使用干凈紗布擦拭。實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)避免電極導(dǎo)線皺縮、扭曲，避免造成電極與導(dǎo)線的損壞。

(2)在應(yīng)用生物阻抗型儀器實(shí)驗(yàn)時(shí)，電極位置的固定是獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵步驟。該儀器電極為平直電極，在固定到動(dòng)物體上時(shí)容易滑脫或偏離位置。因此，需要專門設(shè)計(jì)一個(gè)固定電極的電極架，有利于電極固定在皮膚的位置不變。

2.4 實(shí)驗(yàn)間期指導(dǎo)學(xué)生查閱生物阻抗頻譜學(xué)文獻(xiàn)

實(shí)驗(yàn)研究課題是圍繞著生物阻抗頻譜學(xué)的新進(jìn)展、新技術(shù)、新方法而開展，而學(xué)生平時(shí)很少接觸其相關(guān)內(nèi)容。在研究式第二課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)要求學(xué)生根據(jù)研究題目，查閱外文文獻(xiàn)資料并且對(duì)重點(diǎn)文獻(xiàn)熟讀吃透。通過在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讓學(xué)生綜述閱讀文獻(xiàn)，并在課堂上進(jìn)行匯總分析比較，從而加深學(xué)生對(duì)生物阻抗頻譜學(xué)科研內(nèi)容的了解。在一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力不強(qiáng)，通過教師指導(dǎo)學(xué)生查閱、搜索文獻(xiàn)、分析所獲取資料，學(xué)會(huì)運(yùn)用課堂知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著精密測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)生物機(jī)體和電特性的測(cè)量越來越精確。生物阻抗頻譜學(xué)技術(shù)是一項(xiàng)無創(chuàng)在體測(cè)量技術(shù)，對(duì)于探索心輸出量、組織血流量、體內(nèi)水分及細(xì)胞內(nèi)外液等機(jī)體電信號(hào)具有高精度、可靠性高、功耗低和成本低的特點(diǎn)[15-16]。在第二課堂教學(xué)和開放實(shí)驗(yàn)室中使用該測(cè)量技術(shù)獲取數(shù)據(jù)方便、可靠和快捷。第二課堂應(yīng)用生物阻抗型儀器進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，可為設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)，為融合經(jīng)典實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]MeAdmas ET,Jossinet J,Tissue impedance:a historical overview[J].Physiol Meas,1995,16(3 Suppl A):A1-A13.

[2]郝會(huì)玲.數(shù)字化生物電阻抗測(cè)量平臺(tái)研究[D].北京:北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院,2012.

[3]劉文禮.生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[4]李常偉.骨骼肌生物電阻抗與組織生物活性相關(guān)性的初步研究[D].石家莊:河北醫(yī)科大學(xué),2012.

[5]董秀珍.生物電阻抗成像研究的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2008,27(10):641-643,649.

[6]Weyer S,Ulbrich M,Leonhardt S.A model-based approach for analysis of intracellular resistance variations due to body posture on bioimpedance measurements[C].Journal of Physics Conference Series,2013,434(1):1203.

[7]Gabriel C,Gabriel S,Corthout E.The dielectric properties of biological tissues:I.literature survey[J].Phys Med Biol,1996,41(11):2231-2247.

[8]Oldham NM.Overview of bioelectrical impedance analyzers[J].Am J Clin Nutr,1996,64(3):405-412.

[9]Kushner RF.Bioelectrical impedance analysis:a review of Principles and applications[J].J Am Coll Nutr,1992,11(2):199-209.

[10]Medrano G,Eitner F,Walter M,et al.Modelbased correction of the influence of body position on continuous segmental and hand-to-foot bioimpedance measurements[J].Med Biol Eng Comput,2010,48(6):531-541.

[11]Aliau-Bonet C,Pallas-Areny R.On the effect of body capacitance to ground in tetrapolar bioimpedance measurements[J].IEEE Trans Biomed Eng,2012,59(12):3405-3411.

[12]Polczynski MH,Seitz MA.Low-frequency 4-probe impedance measuring system[J].Med Biol Eng Comput,1977,15(5):573-574.

[13]Zili Huang,Erxing Zheng.Four-ring-electrode system for impedance measurement[C].IEEE Ninth Annual Conference of the Engineering in Medical and biology Society,1987:1433.

[14]唐敏.生物阻抗測(cè)量原理與測(cè)量技術(shù)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,1997,14(2):152-155.

[15]Deshpande AK,Jindal GD,Jagasia PM,et al.Impedance plethysmography of thoracic region:impedance cardiography[J].J Postgrad Med,1990,36(4):207-212.

[16]Critchley LA,Calcroft RM,Tan PY,et al.The effect of lung injury and excessive lung fluid,on impedance cardiac output measurement,in the critically ill[J].Intensive Care Med,2000,26(6):679-685.