探析生物电阻抗在法医学中应用

1 / 10 探析生物电阻抗在法医学中应用 摘要 : 目的 利用生物电阻抗技术测量尸体组织的电阻抗的死后变化，与死后经过时间的内在变化关系，试图寻找一种简便、准确可靠推断死后经过时间的新方法。方法 用阻抗测量仪测量大鼠全身多处、牛骨骼肌、猪肝脏组织不同死后经过时间的电阻抗。结果 大鼠躯体组织的电阻抗、牛骨骼肌和猪肝脏组织电阻抗随着死后经过时间的延长存在规律性变化。有望推断人体死后经过的时间。 关键词 : 法医病理学 死后经过时间 生物电阻抗 死亡时间推断指从死亡发生到发现或检查尸体时所经历的时间，又称死后间隔时间。是 法医工作的一个重要方面，也是工作中的难点。目前用于推断死亡时间的各种指标中，仍没有一个理想的简便的易于操作的价格低廉的指标用于死亡时间的推断，所以急待发现新的指标推断死亡时间。更简便实用应用于法医学的实践，有学者研究发现大鼠尸体组织及躯干阶段的电阻抗及猪肝脏组织、牛骨骼肌电阻抗值随着死亡时间的延长存在规律性变化，本文对这方面的研究成果加以综述。 生物电阻抗技术的概念 生物电阻抗技术 (bioelectrical impedance technic)是利用生物组织及器官的电学特性及其变化来提取人体生物2 / 10 体内生 理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤的检测技术。它通常是借助置于生物组织表面的驱动电极向检测对象送入一微小的交变电流 (或电压 )信号，同时，通过测量电极测量组织表面的电压 (电流 )信号，计算出相应电阻抗，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息 1-3这种技术在医学领域上已经有广泛的应用，如利用生物组织电阻抗技术测定阻抗血流图、人体阻抗成像、人体成分测量；心、肾、脑等脏器的循环功能监测及疾病的诊断 4-8这种技术具有无创、无害、廉价、操作简单和功能信息丰富等特点，因而在法医工作中有广大的应用前 景；南非学者 Querido等 91992 年首先将生物电阻抗技术应用于法医学推断死后时间研究 , 本文将从尸体组织电阻抗相对于死后时间的关系研究方面进行综述。 大鼠躯干、胸部、腹部皮肤、头皮、皮下肌肉等处不同死后经过时间的电阻抗变化 1) 大鼠完整躯干、胸部及腹部皮肤电阻的死后变化：Querido D等 10人检测大鼠完整躯干、 胸部、腹部直流电阻的死后变化，条件温度控制为 9.01.5 ，对仪器也做了些改进，选择了 8 只大鼠完整的躯干、胸腹部的肌肉组织，主要由骨骼肌组成，电极保留 21 天不动，实验中选择 死后时间间隔分别为 1h、 2d、 3d、 21d，胸部电阻 1h、 3d、 21d分别为 17427 、 33336 、 17333 ，躯干部电阻 1h、 2d、3 / 10 21d 分别为 33731 、 56746 、 29439 ，腹部电阻 1h、1d、 21d 分别为 16322 、 25433 、 12119 ，通过数据可以发现这些部位的电阻值呈现先线性上升后线性下降的趋势。 2) 大鼠腹部皮褶、头皮阻抗的死后变化： Querido D.等10人取 8 只大鼠，恒温箱温度设为 (9.01.5) ，交流电激励频率为 1KHz,测量死后大鼠腹部皮褶 电阻抗变化，结果发现 8 只大鼠皮褶阻抗表现相似的变化规律，死后 1h、 24、48、 72、 96、 120h的电阻抗值分别为 15718.0 、 238.925.2 、256.327.4 、 268.929.9 、 279.531.7 、 283.232.5,大鼠腹部皮褶阻抗逐渐下降，与死亡时间 (h)的对数呈线性关系，这个结果提示死后大鼠腹部皮褶阻抗可能作为最有用的推断死亡时间的阻抗指标之一； Querido D.等人还对 8 只大鼠头皮的交流电时阻抗进行了测量，交流电激励频率为1KHz，结过显示死后 1-24h 内大鼠头皮阻抗变化 最大，24h-144h 内大鼠头皮阻抗与时间呈双峰曲线变化，提示大鼠头皮阻抗可能不适合作为推断死亡时间的指标。 3) 大鼠皮下肌肉组织电阻抗测量，分析肌肉组织电阻抗和死亡时间之间的内在联系；国内学者赵小红等 11人利用华中科技大学研制的四电极生物阻抗测量仪选取 20 只成年大白鼠为研究对象，随机分成四组，并且选定四个不同的测4 / 10 量的温度（ 9 ， 14 ， 16 ， 20 ），设定每隔 3h 记录一次电阻数据值，然后对所测的数据进行统计分析，对不同时间点电阻抗值和死亡时间的关系进行曲线拟合，计算相关系数；结果显示所有的大鼠皮 下肌肉组织电阻抗呈现先上升后下降的趋势，即死亡初期 1 4 天电阻抗幅值迅速上升，达峰后随着时间的推移呈下降趋势，最终趋于平坦；同时也发现温度越高，生物电阻抗值上升和下降的速度也越快。 牛宰后骨骼肌生物电阻抗随死亡时间的变化 刘慧燕等 13学者采用四导联的生物阻抗测量仪，试验变频范围设定为 5KHZ-200KHZ,通过 RS232串口线与计算机相连接，试验中随机采取 15 头牛作为样品，分为两个组，每头牛取样品 10 份，除了当天测定的样品外，其余 9 份分样真空包装，当天测定的样品立即测定 (放血到测定大概需要 3个小时 )生物电阻抗值、 PH 值，以后每 24 小时取样测定以上指标，对测定出的结果进行分析，分析宰后牛骨骼肌生物电阻抗随时间的变化趋势。实验中发现，牛宰后初期，僵直化开始建立，生物电阻抗迅速上升，频率在 5、 10、 20KHZ 时，阻抗值第二天最高，第三天随时间的推移呈线形下降趋势，最终趋于平坦。频率大于 40KHZ 时，第三天生物电阻抗值最高，第四天开始生物电阻抗值变化缓慢。频率在 5、 10、 20KHZ时，阻抗值第二天最高，这与电流信号较弱和僵直过程细胞内发生的一系列生理生化反应有密切的关系。 5 / 10 生物电阻抗值变化的影响因素 温度： 环境温度是影响电阻抗幅值最主要的参数之一，生物电阻抗与死亡关系其实质是反映尸冷和自溶的联合作用。赵小红等 12人取 Wistar 健康成年 20 只大鼠，分成 4 个实验组，分别对应于四个不同的测量温度，结果发现温度越高，生物电阻抗值上升的越快，下降的也越快，温度低生物电阻抗值上升得越缓慢，下降得更缓慢，生物电阻抗下降斜率与温度变化成正相关。 David Querido 等 11人在室温下测量大鼠尸体细胞外阻抗的同时，将不同尸温下的测量值纠正为 40的理论值，校正后的阻抗值从死后 1 72h 一直呈直线下降。 PH 值： 尸体组织由于血供的中断，尸体组织的有氧代谢中止，取而代之的是无氧糖酵解增强，最后代谢中止，无氧糖酵解导致了肌肉的 PH 值的下降，加之低温的作用，使得肌桨网的钙离子游离出来， PH 值的变化，也使得细胞膜上的钠钾 ATP酶的活性发生变化，从而引起细胞内外离子变化，细胞内钠水滞留，从而引起细胞内渗透压升高，细胞肿胀。细胞外离子浓度减少，电导减少，生物电阻抗增强，随着时间的变化，细胞肿胀破裂，电导增强，从而引起生物电阻抗下降。因此选择适宜的 PH 值环境监测，有利于利用生物电阻抗推断死6 / 10 亡时间的变化。 频率： 1964 年 Schwan 提出频散理论，表明生物组织的电特性随频率在不同的频段呈显著变化，生物电阻抗值受电流信号频率的影响较明显，频率越大，阻抗值越小。方海田 22等对40 头牛的实验也验证了这一点，随着频率的升高生物电阻抗值均呈下降趋势，尤其前三天变化较明显，第四天到第十天生物电阻抗值的下降幅度逐渐减小。这符合了电阻抗频率特性。电阻抗频率特性就是生物组织的电阻抗随着激励信号频率增加而减小现象， 19 世纪末 Bersnstein 提出了他的 ” 细胞膜理论 ” ，他认为细胞内才是导电性的组织，而包围它的细胞膜在低频时是绝缘的，细胞外是导电的细胞间质。当输入低频电流时，由于细胞膜在低频时是绝缘的，所以电流必须绕过细胞膜流过。然而，在输入高频电流时，细胞膜的电容特性允许电流进入细胞，这样就大大增加了细胞直接载流的能力， 1910 年， Hober 实验也支持了这一理论。 肌肉组织纤维方向： 刘慧燕等 20人也发现肌肉的纤维方向对生物电阻抗值也有很大的影响，频率在 5KHZ 到 100KHZ 时，肌肉纤维方向对电阻抗值影响最大，即横向电阻（沿垂直于骨骼肌的方向）大于纵向电阻（沿骨 骼肌的方向）在 100KHZ 到 200KHZ 时影响较小。这可能与肌肉组织的成分有关。离子要穿过肌纤维7 / 10 膜和结缔组织膜，这使得离子在肉组织内的运动阻力增大，所以电导率较低，阻抗值较大。 肌肉组织的失水率： 方海田等 14人对牛宰后骨骼肌肉的生物电阻抗值、失水率进行了测试，结果表明宰后十天牛肉样二项指标均有明显的变化全部肉样的失水率总的变化是先上升后下降，这点和牛宰后骨骼肌肉的生物电阻抗值变化趋势一样，同时宰后肉的保水性受以下几方面因素的影响： pH 值、蛋白质的变性程度、 ATP 含量，可以推测是因为受到理化因 互的影响，从而影响肌肉组织的保水性，继而引起生物电阻抗值的变化。 电极： 宫伟彦等 15人人选取了不同生产厂家的 4 种一次性银氯化银心电图，按顺序编号为电极 1， 2， 3 和 4，对其交、直流阻抗性能及其变化情况进行观察。为了摊除其他因素的影响，测量时将同样的 2 只被测电极相互对接，形成电极对进行测量。电极 1 为不干涸导电凝胶，电极 2 为导电压敏胶，电极 3， 4 为预制胶。每种电极均选取 5 对进行测量，取其平均。结果发现：电极 1 测量到 8 到 10 小时，其交流阻会突然发生变化，直降为零，如停止测量，过 1 到 2 个小时，电阻抗值会恢 复，再在经过一段时间又会降到零，而电极 2没有较大的变化，电极 3、 4 也不会突然变为零，同时还发8 / 10 现电极对的接触状态对电阻抗有很大的影响，当电极对接触较紧的时，交流阻抗较小，当电极对接触较松时，交流阻抗较大。因此选择适宜的电极测量电阻抗极为重要，应当建立电阻抗测量电极技术标准和相关评价方案，这在国内外研究还是没有的。 回顾与展望 Querido D.等 9-11人经过多年的研究，发现了生物组织的电阻率、腹部皮褶阻抗，国内学者赵小红等 19人也发现大鼠皮下肌肉组织电阻抗也有娄似规律的变化，刘慧燕等13学 者对牛骨骼肌研究以及国外学者 D. Haemmerich 等16对猪肝脏组织生物电阻抗的研究都得到了娄似规律性的变化，为最后过度到人的尸体，取得有用价值的依据，实验中选材有躯体肌肉组织到和内脏组织，能够更可靠反映电阻抗与死亡时间的关系，有待我们深入研究。 参 考 文 献 1 ColeCole KS.Electric impedance of suspensions of sPheres J.Gen Physiol,1928.12(1):29-31. 2 GedeesLA ， BakerLE Principles of applied biomedical instrumentation. Third EditionM. New York: A Wiley- Interscience Publication， 1989:573-576. 3 马岚，杨玉星 .生物电阻抗特征参数提取方法及测量9 / 10 系统的研究 .航天医学与医学工程， 2002， 15(3):199 一 202. 4 任超世 .生物电阻抗测量技术，中国医疗器械信息，XX,10(1): 21-25. 5 肖贵遐，韩冰，刘国庆，朱代谟 .生物电阻抗技术的医学应用 中国医学物理学杂志 XX， 20(4):287 一 289 6 于瑞敏，董宏彬，李清亚，等 .8 一 13 岁儿童体成份测定 J.中国学校卫生， 1997;18(5):367 一 369. 7 WidhalmK， Sehonegger K， Huemer C. et al.Does the BMI reflect body fat in obese children and adolescents? 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