一种生物电阻率人体体液平衡监测仪器及监测方法

摘要

一种生物电阻率人体体液平衡监测仪器由电桥电路，接口电路，计算机、恒流源电路和电极系统组成。电极系统由四只电极测头组成，2只激励电极与恒流源的输出连接，2只测量电极与电桥电路连接，电桥电路通过连线与计算机的接口连接。监测方法：步骤1：患者取平卧位或坐位。步骤2：将2个激励电极分别置于一侧下肢距踝关节处，2个测量电极置于激励电极内侧，步骤3：测定数据的读取：由本发明的体液平衡监测仪测定人体组织生物电阻率，并转换为体液的负荷值。步骤4：得到被测者的体液负荷状态输出应脱水或应补液的提示。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物电阻率人体体液平衡监测仪器及监测方法。

技术背景

随着血液透析的广泛应用，对透析效果的评价越来越重视。评价透析效果的一个重要方面就是监测透析病人的水平衡状态。1985年Auton等提出了“干体重”的概念。干体重即是病人处于水负荷平衡状态时的体重。水平衡是指每天从外界摄入和由体内氧化代谢所产生的水量和体内排出的水量处在平衡状态。由于尿毒症病人无功能肾单位占绝大部分，无法维持球管功能，不能正常调节水钠平衡，故出现少尿或无尿，细胞外液容量异常增加，结果导致浮肿、肺水肿及高血压，甚至心衰等水负荷过多的合并症。如果病人的细胞外液容量不足便可出现低血压、休克甚至死亡。所以准确地测定病人的干体重是评价透析效果的重要指标。对于干体重的测定，世界上曾进行多方面的研究。根据其测定原理可分为以下几个方面：(1)临床诊断法：根据病人的一般状态、临床表现等判断病人是否达到干体重。如果病人出现高血压，肺水肿，左心衰等，考虑为水负荷过多；如果出现低血压，则考虑为水负荷过少。(2)放射学诊断法：即用X线观察心脏横径(TP)、肺门血管宽度(VPW)，心胸比等。如果男性心胸比大于50％，女性大于55％，则考虑水负荷过多。(3)超声诊断法：利用下腔静脉(IVC)直径，IVC/体表面积之比(VCD)，萎缩指数(CI)来估计血透病人干体重。当病人超水负荷时，VCD＞11.5mm/m²，当出现低水负荷时，VCD＜8mm/m²(4)同位素评估法：应用放射性同位素硫(³⁵SO₄)或溴化钠测定细胞外液容量(EFV)，用重水法(THO)测量总体水量，应用γ示踪计算EFV和总体水容量，对比透析前后体液，评估是否达到干体重。(5)生化指标法：主要通过测定cGMP和心房肽(ANP)的值来评价病人是否达到干体重。(6)生物阻抗法：利用测定人体生物电阻抗的方法估计细胞外液容量，进而评价病人的干体重。(7)动态血容量测法等。

上述方法各有其优缺点，但受多种因素的影响，故不准确。影象学、同位素、及生化指标法比较准确，但测定方法比较复杂，没有时效性。生物阻抗法简单易行，时效性强，但由于其反映的不是导体的导电特性，测定值受导体形态的影响，故测定结果有较大偏差，且测定值不稳定，不能准确反映人体水负荷状况。所以找到一种时效性好，无创伤性，简单易行，比较精确的干体重测定法是很有必要的。

发明内容

本发明目的在于改进现有技术之缺点，而提供一种生物电阻率人体体液平衡监测仪器及监测方法，可以用于透析病人水负荷平衡监控，非透析病人体液平衡监测，危重症病人补液监测，病人营养状况监测，肥胖者脂肪含量监测，生物组织水分测定等的时效性好，无创伤性，简单易行，比较精确。为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种生物电阻率人体体液平衡监测仪器由电桥电路，接口电路，计算机、恒流源电路和电极系统组成。电极系统由四只电极测头组成，2只激励电极与恒流源的输出连接，2只测量电极与电桥电路连接，电桥电路通过连线与计算机的接口连接。

恒流源输出工作电流。电桥测定的电阻抗值由电脑通过公式(1)(2)(3)转换为体液平衡状态值：如达到体液平衡则为0。如体液负荷过多则为正值，正值越高表示水负荷超出平衡状态越多。反之则为负值，负值越大表示水负荷少于平衡状态越多。

公式(1)ρ_测定＝R(C₁²+C₂²+C₁C₂)/12πL²

这里C₁为测量电极1处的周长，C₂为测量电极2处的周长，L为两个测量电极间的距离。

公式(2)W_男＝0.2084+0.03964(ρ_男正常-ρ_男测定)

这里W_男为男性水负荷状态测定值，ρ_男正常是正常男性生物电阻率值，

ρ_男测定是男性患者生物电阻率测定值。

公式(3)W_女＝0.1762+0.01768(ρ_女正常-ρ_女测定)

这里W_女为女性水负荷状态测定值，ρ_女正常是正常女性生物电阻率值，

ρ_女测定是女性患者生物电阻率测定值。

一种生物电阻率人体体液平衡监测方法：

步骤1：测量体位的确定：患者取平卧位或坐位。

步骤2：电极的放置：测量时将2个激励电极分别置于一侧下肢距踝关节(或上肢距腕关节)5cm和30cm处，2个测量电极置于激励电极内侧，并且测量电极与同侧激励电极的距离不小于肢体半径的1.5倍。电极与皮肤间涂生理盐水以减少空气电容，电极绑缚的松紧程度以电极与皮肤密切接触又不使人体感觉到紧为适宜。

步骤3：测定数据的读取：由本发明的体液平衡监测仪测定人体组织生物电阻率，并转换为体液的负荷状态值。

步骤4：得到被测者的体液负荷状态输出应脱水或应补液的提示。

1.技术原理：

本发明通过研究发现，低频下人体生物电阻率能很好地反映细胞外液的含量，即人体的水负荷平衡状态。利用生物电阻率可很好地评价透析病人的干体重，并能以此来管理病人的透析剂量。它克服了以往测定方法的缺点。

电阻率是导体的导电特性，定义为单位体积导体电阻的大小，它由导体的组成材料的导电特性决定。对于人体组织来说，他的电阻率是单位体积组织电阻的大小，它反映的是人体组织的导电特性。对于生物组织的电学特性的理解颇复杂。1957年Schwan等提出了颗粒悬浮介电响应模型。在外电场中，生物组织的电学响应具有明显的频率特性。他认为组织结构是导电介质(细胞外液)中悬浮着球形颗粒(细胞)，在不导电或极微弱导电的细胞膜内是导电的细胞内液。低频电流下人体组织可被看作是由导电的液体(细胞外液)中悬浮的不导电的球型颗粒(细胞)组成，这时细胞膜几乎不导电，细胞内液不参与导电，电流由细胞外液传导。这时生物组织的导电特性由细胞外液决定，生物电阻率由单位体积组织中细胞外液的容量(组织细胞外液含量)和组成决定。研究结果表明人体组织生物电阻率与同位素测定的单位体积组织中细胞外液容量有显著相关性(见表1)。

表1生物电阻率与溴化钠测定的单位体积组织细胞外液容量(EFV/Mass)的关系：

正常组(n＝14)患者组(n＝13)相关系数r-0.7601^*-0.5293^*

^*P＜0.05

由于正常人体细胞外液组成恒定，透析病人透析前后细胞外液电解质的变化对细胞外液导电性能无明显影响，所以人体生物电阻率的变化主要是由组织细胞外液含量引起。如果体液负荷过多，则组织细胞外液含量高，这时生物电阻率就减小；反之，如果体液负荷多少，则组织细胞外液含量小，这时生物电阻率就增大。这从理论上解释了生物电阻率反映体液负荷状态的准确性。

对于正常人，体液负荷处于平衡状态，组织细胞外液含量基本恒定，细胞外液组成恒定，其生物电阻率也恒定。研究结果表明正常人群性别之间生物电阻率有差异，女性高于男性；但同一性别不同年龄组之间无明显差异(见表2)。

表2表1正常人群电阻率ρ比较(每年龄组n＝15)：

    年龄    男性    女性    -19    569±30    639±33    20-29    580±33    640±34    30-39    587±27    642±32    40-49    580±31    641±38    50-59    570±30    640±39    60-    569±30    624±40    总计    575±30^*    638±36^*

            P＜0.001

人体组织可以简单地分为脂肪组织和非脂肪组织。人体组织的导电作用主要由非脂肪组织引起，而脂肪组织几乎不导电。所以单位体积组织中脂肪越多，组织细胞外液含量越少，导电性能越差，则生物电阻率就越大。由于女性的脂肪含量较男性多，所以电阻率较男性增大。对于透析病人，液体负荷过多时，组织细胞外液的含量明显增加，导致生物电阻率明显减小。在对血液透析病人的研究中发现，每次透析之前病人的生物电阻率明显低于正常值，而透析结束后其生物电阻率则接近或达到正常值(见表3)。

表3正常人和血透前病人电阻率ρ的比较结果：

男性病人正常男性女性病人正常女性(n＝25)(n＝25)(n＝25)(n＝25)电阻率ρ483±68575±30517±79638±36

             P＜0.001              P＜0.001

而这一生物电阻率变化的速度取决于病人体液负荷失衡的程度。某些体液负荷严重过多的病人，其生物电阻率须经多次透析后才能接近或达到正常值(见表4)。

表4血透病人多次透析后电阻率的动态变化：

                透析次数

      1  2  3  4  5  6  7  8  9  11  13  14  15  16  18  20  22  24  25  28  29  30  37  38  45  82  88  95  100

男1                                       444                         478         499      549

男2                      418                                  436                 545          622

男3                                                   519             638         613

男4                                           547         554     577

男5                                       579                 619

男6         572      586

男7                           547  574

女1       576                      577  551               611                     644    606

女2   420          436             488    569     606     583

女3   395          615   590

女4             522                533          561 588 581

女5                                                       560       574   601

女6                                                                              713       683

女7                                                                                              628  628  631  635

生物电阻率与血透病人的临床症状有很好的相关性。病人水负荷过多的临床表现越严重，其生物电阻率越小；反之，如果病人出现脱水症状，则生物电阻率明显高于正常值。另外，应用生物电阻率作为参数，应用电阻率超滤方程预定血透病人的超滤量，也达到了数字化管理病人的满意效果(见表5)。

表5血透前后生物电阻率差值Δρ和超滤量Y的关系：

男性女性相关系数r0.8642^*0.7003^*

^*P＜0.05

附图说明：

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明的测量示意图

图3是本实用新型电路原理图。

具体实施方式： 

实施例1：如图1所示，一种生物电阻率人体体液平衡监测仪器由电桥电路2选用GR1689-P-RLC型数字电桥电路、接口电路3、计算机4、恒流源电路1和电极系统组成。电极系统由四只电极测头组成，2只激励电极5、6通过连线9、10与恒流源1的输出连接，2只测量电极7、8与通过连线11、12与电桥电路2连接，电桥电路2通过连线与计算机的接口电路3连接，接口电路3选用IEE488-D型接口电路。

恒流源电路1如图3所示，电源输入经保险管并联电阻R1和电容C1，后分别接热敏电阻R3电阻R2再连接扼流线圈TT1，扼流线圈TT1接桥式整流电路D9，桥式整流电路D9输出接电阻R4和电容C2、二极管D1，电容C2接地，电阻R4接二极管D3、D5和三极管T1的基极和电容C4，三极管T1的发射极接电阻R6后接地，二极管D3与二极管D4串联后接地，三极管T1的集电极接并联的电阻R5和电容C3后接二极管D2，二极管D2与二极管D1连接后与变压器TT2的初级的一端连接，变压器TF2的初级的另一端与三极管T1的集电极连接，电容C4与可变电阻R7串联后与二极管D6和变压器TT2的另一初级连接，二极管D5和二极管D6分别与并联的电阻R1和电容C1的一端连接，变压器TT2的次级输出与热敏电阻R9和可变电阻R11连接，热敏电阻R9和可变电阻R11的另一端与稳压管D7和D8和电阻R10的一端连接并接出输出线。

恒流源1输出1mA，3KHz的工作电流。电桥电路2测定的电阻抗值通过IEE488-D型接口进入计算机4，由计算机4中的计算程序，通过公式的计算转换为体液平衡状态值：如达到体液平衡则为0。如体液负荷过多则为正值，正值越高表示水负荷超出平衡状态越多。反之则为负值，负值越大表示水负荷少于平衡状态越多。

实施例2：一种生物电阻率人体体液平衡监测方法：

步骤1：测量体位的确定：患者取平卧位或坐位。

步骤2：电极的放置：测量时将2个激励电极5、6分别置于一侧下肢距踝关节或上肢距腕关节5cm和30cm处，2个测量电极7、8置于激励电极5、6内侧，并且测量电极7、8与同侧激励电极5、6的距离不小于肢体半径的1.5倍。所述的电极与皮肤间涂生理盐水以减少空气电容，电极绑缚的松紧程度以电极与皮肤密切接触又不使人体感觉到紧为适宜(见图2)。

步骤3：测定数据的读取：由本发明的体液平衡监测仪测定人体组织生物电阻率，并转换为体液的负荷状态值。电桥电路2测定的电阻抗值通过IEE488-D型接口进入计算机4，

步骤4：由计算机4中的计算程序，通过公式(1)、(2)、(3)的计算转换为体液平衡状态值：

公式(1)ρ_测定＝R(C₁²+C₂²+C₁C₂)/12πL²

这里C₁为测量电极7处的周长，C₂为测量电极8处的周长，L为两个测量电极7、8间的距离。

公式(2)W_男＝0.2084+0.03964(ρ_男正常-ρ_男测定)

这里W_男为男性水负荷状态测定值，ρ_男正常是正常男性生物电阻率值，

ρ_男测定是男性患者生物电阻率测定值。

公式(3)W_女＝0.1762+0.01768(ρ_女正常-ρ_妇女测定)

这里W_女为女性水负荷状态测定值，ρ_女正常是正常女性生物电阻率值，

ρ_女测定是女性患者生物电阻率测定值。

步骤5：得到被测者的体液负荷状态输出应脱水或应补液的提示。

实施例3：如图2所示，电桥电路2、接口电路3和计算机4安装在控制箱13内。