生物电阻抗技术在皮肤创伤研究中的应用进展

邹瞿超， 金锦江， 黄天海， 王 力， 陈长骏， 褚永华

(浙江大学医学院附属第二医院 临床医学工程部，浙江 杭州 310009)

0 引 言

作为人体最大的器官，皮肤起到了保护人体免受外界环境干扰的作用。各种急、慢性损伤导致皮肤的完整性受到伤害时可能会引起机体功能受损从而影响患者的生活质量，甚至死亡[1]。因此，皮肤创伤的状态评估和研究越来越引起人们的重视。

在临床工作中，常通过观察皮肤完整性、颜色和水肿程度，采用视觉模拟评分、触诊和问诊等经验性较强的方式评估皮肤创伤状态[2]。同时，也有研究者通过客观的生理参数来对皮肤创伤进行研究，如组织反射光谱法、早期炎性介质检测法、皮肤测温法、皮肤镜检测、近红外光谱血氧监测以及血流监测等[3～6]，但单一参数的研究仍然缺乏对局部创伤组织结构状况的反馈。当前，非侵入式利用生物组织及器官的电学特性来提取人体生理信息的生物电阻抗技术，由于其能够反映待测区域温度、湿度、生物结构等综合状态信息的优势，已越来越多地用于皮肤创伤状态的评估和研究[7]。

1 生物电阻抗技术及其在皮肤创伤研究中的应用原理

生物体是由细胞构成的，而细胞由细胞膜和细胞内液构成，细胞外则主要包括细胞外液和细胞外间质。就电特性而言，可将细胞内液以及细胞外液等效为电阻，细胞膜等效为电容，细胞外间质通常将其看作绝缘体，生物组织整体可等效为三元件生物阻抗模型[8]。如图1所示，基于该模型，可以通过生物电阻抗来表征生物组织电学性质，包含阻性和容性两种成分，能够完整反映生物组织在温度、湿度、压力等外部因素综合影响下的整体状态。

图1 皮肤组织三元件生物阻抗模型示意

随着生物体所加载的激励信号的频率变化，组织阻性与容性成分间比值也随之变化，这种现象称为生物组织的阻抗频谱特性。由于生物电阻抗的激励信号电压较低，一般不会对细胞的状态产生影响，更不会杀死细胞；而不同的测量频率采集到的阻抗信号对应不同组织成分的信息，因而生物电阻抗技术通过频率的调制即可实现组织不同部位的状态检测，在细胞或组织的研究中获取完整的价值较高的原位信息[9,10]。目前常用的复阻抗检测技术方法主要包括有4 臂电桥检测法、伏安法、矢量阻抗检测法、微波检测法和脉冲反射检测法等[11]。

人类皮肤由表皮、真皮和皮下组织三层不同的组织组成，每一层都有由其结构、湿度等决定的特性阻抗谱。当在有皮肤创伤区域进行阻抗测量时，其组织细胞凋亡导致富含离子的细胞质泄漏到细胞外基质中，呈现较好的导电性而阻抗值较低；同时，细胞凋亡导致的细胞膜破裂使得损伤区域组织电容特性衰减消失。因此，在低频激发状态下，皮肤创伤区域损伤组织的阻抗值能够显著区别于健康组织。利用这一特性，即可通过获取的皮肤创伤区域的生物电阻抗参数来对创伤的状态进行分析和评估。

2 生物电阻抗技术在皮肤创伤研究中的应用现状

2.1 皮肤创面状态的监测和评估

尖锐物体对于皮肤表面的伤害以及骨突处皮肤的长期受压都会造成急性或者慢性的皮肤损伤。皮肤损伤程度的不同一般可以通过创面的观察来评判，但对于一些较深处的形态不规则的创伤由于其结构复杂，深度等信息易被周边组织遮挡，难以通过肉眼进行准确评估。而生物电阻抗谱能够反映组织结构状态的特性使得生物电阻抗技术开始越来越多地应用于皮肤创面状态的监测和评估。

Swisher S L等人[12]通过贴敷于创口表面挠性的电极阵列采集创口的阻抗信息形成创口的阻抗谱图来评估创口的严重程度。Ollmar S等人[13]提出了一种用于皮肤生物阻抗测量的同轴皮肤探针通过引入了表征选定频率下皮肤阻抗的4个指数来简化皮肤生物阻抗谱的分析，从而量化生理条件下的组织反应以及导致病理状况的任何皮肤刺激的情况，实现了皮肤炎症的识别。Pei X C等人[14]设计了一种直接贴片于皮肤表面的微型可拉伸电子传感系统，可与创面缝合进行皮肤生物电阻抗的持续无线监测，从而实时在体监测慢性伤口的状态变化。

2.2 不同类型伤口愈合过程的研究

不同原因导致的创伤会形成不同类型的创面结构，如针刺伤、擦伤、割伤等，其愈合过程也存在一定的差别。通过对于不同类型伤口愈合过程中的生物电阻抗信息的持续追踪监测可以比较总结出各个类别伤口的愈合差异和规律，从而为针对性的治疗提供理论依据。

Kekonen A等人[15]设计了一种集成了Solartron 1260A频率响应分析仪和Solartron 1294A阻抗接口的设备使用Ambu bluessensor BRS固体凝胶电极基于双极生物阻抗测量方法对不同面积和种类的伤口(针刺伤、擦伤、割伤)愈合过程的阻抗变化进行了客观和定量评估。此外，该团队还开发了一种基于生物阻抗测量的伤口愈合状态评估方法和测量系统，包括特制的生物阻抗装置、测量软件以及丝网印刷电极阵列，并在7例静脉溃疡的随访研究中评估了该系统的可靠性和性能[16]。Kenworthy P等人[17]通过生物阻抗谱(BIS)技术连续测量急性烧伤伤口的电阻抗幅值和相位以实现伤口愈合过程的客观监测并作为截肢体积的参考。Lukaski H C等人[18]应用4个小型粘接电极持续采集患者小腿部较大创面的阻抗信息变化，试图利用阻抗谱特性从细胞结构和功能的层面研究该创面的愈合过程。

2.3 创面治疗手段的效果评价

对于创面的治疗方式在缝合和抑制皮肤之余主要依靠药物或者物理刺激来促进伤口的愈合。而目前对于创面治疗效果的评价往往是先验式的，及通过之前类似病例的结果来进行推测，无法直观、实时、个性化地进行评估。生物电阻抗技术的应用为创面治疗效果评价提供了新的可能。

Leszek K等人[19]使用HIOKI LCR METER IM3536桥和Ag/AgCl一次性电极通过皮肤原位电阻抗的测量评价了天然鱼皮胶原蛋白给药对小腿溃疡周围环境的影响。Gonzalez-Correa C A等人[20]采用4000B生物阻抗谱分析仪对糖尿病患者的腿部创面进行追踪监测，评估了高质量、未经提炼的全蔗糖对单侧糖尿病足溃疡患者的愈合效果。Park E B等人[21]基于皮肤阻抗测量实现了压疮区域的可视化检测，并验证了光生物调节疗法的治疗效果。Cardoso L V等人[22]通过生物电阻抗技术实现了对肢体静脉溃疡的评估，并对比了压迫治疗与非压迫治疗两种方式对慢性静脉溃疡的治疗效果。

3 生物电阻抗技术在皮肤创伤研究应用中存在的不足

3.1 缺乏皮肤创伤的形成过程研究

目前的生物电阻抗技术应用在皮肤创伤的相关研究主要围绕既有皮肤创伤的愈合过程，缺乏对创伤形成过程和发展进程中生物电阻抗变化的研究。对于压疮等慢性创伤来说，早发现、早干预能够极大缓解病患痛苦，减少并发症风险。而当前的研究成果仅关注创伤愈合过程的追踪，只能应用于慢性创伤当前状态的评估和愈合过程的监控，无法对慢性创伤的形成起到预警作用，极大限制了生物电阻抗技术在皮肤创伤检测中的应用场景和临床意义。

3.2 检测结果缺乏一致性

由于不同人体之间、同一人体不同皮肤区域之间的皮肤结构和成分存在差异，导致对应的生物电阻抗频谱特性也存在差别，因此生物电阻抗技术应用在创伤领域获得的结果个性化较强，一致性较差。因此，当前的生物电阻抗技术往往只能用于评估同一患者同一创面的前后变化情况，无法在不同创面之间形成比较，不利于统一的基于生物电阻抗的创伤量化评估标准的建立和推广应用。

3.3 应用成本高

当前的复阻抗检测技术的特点是精度越高的方法其检测成本也越高。人体的生理电学特性决定了生物电阻抗技术的激励信号的功率不能太高，采集到的生物电阻抗信号较为微弱，使得采集用的仪器设备性能要求较高，较为昂贵。同时，为了避免创面的交叉感染，用于采集信号的电极往往是灭完菌的一次性电极，极大提高了生物电阻抗技术应用于创伤检测的成本。此外，为保障患者的医疗电气安全，生物电阻抗技术的应用对使用人员素质的要求较高，这也进一步限制了该技术在临床的应用。

3.4 受待测区域条件及环境影响较大

当前的检测电极与皮肤的接触方式受待测区域条件及检测环境影响较大，也需进一步优化和提升[23]。例如现有的电极大多数都只是在毛发较少的区域取得了良好的监测效果，在毛发较多的区域还是难以保证较高质量的监测生物电信号。同时，现有的电极对透水、透气性考虑较少，长时间监测时容易使皮肤产生不适感，且由于皮肤角质脱落，汗液、油脂等长期堆积也会导致信号质量逐渐下降。此外，生物电信号的采集还存在串扰问题，较大尺寸的电极容易受到其他部位信号的干扰，而较小尺寸电极的接触阻抗又会增加从而影响信号采集质量。因此,如何保证电极与生物体有着更稳定的接触阻抗以及更大的接触面积，同时能在各种复杂情况下(如毛发区域、运动状态等) 稳定地获取高质量的生物电信号，是亟待研究和解决的一个问题。

4 结束语

生物电阻抗技术由于其非侵入式、安全且操作简便等优点已经在医疗领域的得到广泛应用，常用于心电、脑电、肌电等经典生物电信号的获取以及人体成分分析等领域。随着急慢性创伤及其并发症日益引起人们的重视，生物电阻抗技术也成为皮肤创伤评估和研究的新手段。但总体而言，生物电阻抗技术在皮肤创伤领域的研究由于缺少创面形成过程研究、检测结果个体差异大、应用成本高且易受待测区域及外在环境影响，其临床价值和意义存在较大局限性。

为发挥生物电阻抗技术的优势，拓宽其在皮肤创伤领域的应用场景，可从以下几方面入手：进一步探索生物电阻抗频谱特性与创伤形成和发展的对应关系，挖掘其创伤早期预警的能力；结合日益成熟的柔性电子技术，改良电极结构、工艺和材料以减少外部干扰，提高皮肤创面区域阻抗检测特异性；引入智能化物联网技术，开发便携高效的皮肤阻抗检测仪，提高阻抗长时追踪监测的便利性和灵活性。通过不断完善生物电阻抗技术在皮肤创伤领域的应用理论和检测系统，该技术必能为创伤研究提供更高效的检测手段，为急慢性创伤的诊治提供更为全面的支持。