董晓敏 童学红 郝 刚*

实验教学改革中，设计性实验教学是在学生经过基础性和综合性实验训练后、有了一定理论和实践基础而开设的。作为创新性实验教学内容的重要部分，其目的是培养学生创新精神、独立解决问题和动手能力，是培养科研素质全面协调发展的新型人才的要求。随着科学技术的发展，实验室仪器设备越来越先进，在医学机能学实验教学中增添了各种新型仪器设备。为了使先进仪器应用到实验教学中，提高医学生学习的积极主动性，本校机能实验室通过引入ImpediVET实验动物体组成测定分析仪开展此项实验教学实践。开放实验室教学,该分析仪应用到临床医学7年制设计性第二课堂实验教学，将科研手段、科学思维方式和创新意识融入到机能学设计性实验教学的各个环节。

1 生物阻抗型仪器概述

医学电阻抗(Medical electrical impedance)技术又称生物阻抗(Bioimpedance)。生物组织的电阻抗测量的物理学基础是欧姆定律，反映了电压、电流之间的线性关系[1]。早期研究根据欧姆定律测得介质两端电压和流经介质的电流，便可测得电阻值[2]。深入研究发现，仅用纯电阻特性来描述生物组织缺乏合理性，测出生物组织的电容更加准确地反映生物组织的电阻抗特性[3]。Cole等[4]报道，有研究者提出了频率理论，生物组织的电阻抗特性随着信号频率的不同呈现显著变化。医学电阻抗技术就是利用了生物组织的这个电特性以及变化，反映机体生理和病理状态的信息，从而对组织和器官功能状态进行测量无创性检测技术[5-10]。20世纪由于生物阻抗型仪器的测量条件和技术受限，研究结果令人质疑。随着电子技术、工业现代化测量技术和手段的发展，生物阻抗频率特性测量技术随之发展。在对生物组织阻抗频谱测量中，不同的频率波段有不同的测量方法。通常采用的方法有电桥测量法、双电极测量法、四电极测量法和四环电极测量法。双电极测量法是将幅值恒定的交变电流通过一对电极引入被测生物组织，再通过同一对电极将其两端的电压检测出[11]。四电极测量法包括两对电极，一对电流电极将恒定幅值的交变电流引入生物组织，另一对电压电极介于两电流电极之间，将测量出被测部位的电位差[12]。目前，生物组织的阻抗测量是采用四电极测量法，该技术适用于较宽频率范围。四环电极测量法由三对测量电极组成，其中一对电流电极，一对电压电极和一对保护电极。两个电流电极分别与两个保护电极相连，再与一个恒流电源相接，通过这两对电极将幅值恒定的交变电流引入生物组织，再通过两个电压电极测量出电位差[13]。四环电极测量法用于离体生物组织的测量。此外，还有开放端同轴电缆测量技术对活体组织高频电特性进行测量[14]。

2 在第二课堂实验教学中生物阻抗型仪器的应用

本实验室引入澳大利亚ImpediVET实验动物体组成测定分析仪，生物阻抗型仪器是基于生物电阻抗频谱分析法(bioimpedance spectroscopy，BIS)技术测定体组成及体内液状况较为理想的工具，应用于动物研究。该仪器是单通道、四面两极生物阻抗频谱仪，该设备能于1 s内在4～1000 kHz的范围中扫描256个频段。该设备利用复数阻抗活体测定体含水量(TBW)、细胞外液(ECF)、细胞内液(ICF)、除脂肪量(FFM)和脂肪量(FM)。此仪器首次应用于第二课堂实验教学中，参加第二课堂实验学生是临床医学7年制本科生，在第二课堂实验中总结了生物阻抗型仪器应用体会和仪器操作的注意事项。

2.1 仪器应用前的统一培训

首次使用此类型仪器开展第二课堂实验时，应于实验之前举办仪器工程师讲座。由工程师讲解仪器原理、使用步骤、数据上传、数据分析、注意事项和仪器保养等内容。教师、学生均应积极参加。生物阻抗型仪器是用四电极测量电阻抗特性，准确放置电极的位置是能否获得有效数据的关键。因此，培训学生正确使用仪器、正规操作能为第二课堂实验的顺利开展打下基础。

2.2 减少噪音污染

生物阻抗型是生物电特性，通过仪器传导量化输出，因此在测试中应尽量减少各种背景噪声污染，提高仪器的测量精度。在实验操作过程中需注意：①动物机体应该放在绝缘材料上进行测试，同时保持动物机体皮肤干燥；②测试中避免碰触动物；③测量过程中使用电池，仪器电源装置充电状态可出现噪音影响测量，污染实验结果；④测量前使用校对器进行校准仪器电极。

2.3 仪器保养及电极固定

(1)实验中严格按照使用说明操作仪器。生物阻抗型仪器应有实验室教师专人保管，仪器需放置于干燥环境，避免液体浸入，并安放平稳。清洁仪器时应使用干净纱布擦拭。实验完毕应避免电极导线皱缩、扭曲，避免造成电极与导线的损坏。

(2)在应用生物阻抗型仪器实验时，电极位置的固定是获取实验数据的关键步骤。该仪器电极为平直电极，在固定到动物体上时容易滑脱或偏离位置。因此，需要专门设计一个固定电极的电极架，有利于电极固定在皮肤的位置不变。

2.4 实验间期指导学生查阅生物阻抗频谱学文献

实验研究课题是围绕着生物阻抗频谱学的新进展、新技术、新方法而开展，而学生平时很少接触其相关内容。在研究式第二课堂实验教学中应要求学生根据研究题目，查阅外文文献资料并且对重点文献熟读吃透。通过在实验教学中让学生综述阅读文献，并在课堂上进行汇总分析比较，从而加深学生对生物阻抗频谱学科研内容的了解。在一般教学实验中学生的实验设计能力不强，通过教师指导学生查阅、搜索文献、分析所获取资料，学会运用课堂知识设计实验方案。

3 结语

随着精密测量技术的不断发展，对生物机体和电特性的测量越来越精确。生物阻抗频谱学技术是一项无创在体测量技术，对于探索心输出量、组织血流量、体内水分及细胞内外液等机体电信号具有高精度、可靠性高、功耗低和成本低的特点[15-16]。在第二课堂教学和开放实验室中使用该测量技术获取数据方便、可靠和快捷。第二课堂应用生物阻抗型仪器进行教学实践活动，可为设计教学实验积累经验，为融合经典实验提供基础数据。

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

[2]郝会玲.数字化生物电阻抗测量平台研究[D].北京:北京协和医学院,2012.

[3]刘文礼.生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2010.

[4]李常伟.骨骼肌生物电阻抗与组织生物活性相关性的初步研究[D].石家庄:河北医科大学,2012.

[5]董秀珍.生物电阻抗成像研究的现状与挑战[J].中国生物医学工程学报,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.生物阻抗测量原理与测量技术[J].生物医学工程学杂志,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.