心阻抗图，又称为胸部阻抗图，它是从胸部体表无损伤测量的阻抗变化曲线，可间接地反映胸腔内心脏和大血管的容积变化，且与心血管的生理活动和病理变化密切相关，因此其携带着心血管活动的丰富信息，已被广泛用于人体心功能测量和患者血流动力学的监测[1-4]。目前，一般采用Kubicek法或Sramek法测量心阻抗图[5-6]，利用微弱的高频电流将胸腔中血管阻抗变化转换为胸部体表的电压变化，但对其转换机制尚未见报道，因此本研究针对这个问题进行了初步探讨。

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1 资料与方法

1.1 阻抗变化转换为电压变化的定性分析

假设人体胸部为一导电均匀的圆柱形容积导体，小圆柱体AB为平行于人体轴线的大血管。测量时，有效值恒定的微弱高频电流(I0)送入人体胸部，通过血管的电流为Ib。当血管AB扩张时，其横截面积增大，阻抗减小，产生一个负的阻抗变化(ΔZb)，因而在血管两端出现一个负的电压变化(ΔUb)，其大小为ΔUb=IbΔZb，该电压变化在胸腔容积导体中激起图1虚线所示的电场分布。

  

图1 胸腔容积导体中的电场分布

胸部体表检测电极E1和E2是上述电场中的两个点，它们之间也会出现电压变化(ΔUbs)。因为胸部体表的ΔUbs与血管两端的ΔUb呈正比例，且ΔUb=IbΔZb，所以在胸部体表测量的ΔUbs也与血管本身ΔZb变化呈正比。由此可见，ΔUbs是ΔUb激起的电场中两点E1和E2之间电势差的变化。经标准阻抗变化的校正，可得到胸部体表测量的阻抗变化ΔZbs。应该指出，ΔZbs并不是血管本身的ΔZb变化，且比ΔZb小得多，但它与ΔZb的变化规律相同，因而它可以间接地反映胸部血管容积变化的规律，如图1所示。

在人体胸腔内或动物胸腔内直接测量输出电压(ΔUbs)与输入电压(ΔUb)、距离(L)、容积导体导电性等参数的定量关系是行不通的。为此，本研究采用模型实验进行探讨，用圆柱形容积导体来模拟人体胸腔。另外，据粗略估算，血管阻抗变化在血管本身两端产生的ΔUb变化大概为20～50 mV，它在胸部体表E1和E2之间产生的ΔUbs大概为0.1～0.3 mV，对于这样小的电压，测量误差大。为了避免上述问题，在模型实验中用10～50 V的50 Hz交流电压模拟ΔUb。

1.2 实验装置与仪器

实验装置：图2是模拟实验装置的示意图，方框ABCD分别表示装满稀盐水溶液的塑料圆桶，用于模拟人体胸部。圆桶内径为38.5 cm,溶液高度为46.0 cm，放入10 g食盐，搅拌均匀，其浓度为0.185 kg·m-3。桶内右侧壁有5对输出电压电极，E1—E’1、E2—E’2、E3—E’3、E4—E’4、E5—E’5，每块电极的大小均为3.0 cm×1.0 cm，每对电极的中心之间的距离分别为6、12、18、24、30 cm。桶的顶部和底部有1对输入电极S和S’，每块电极的大小均为2.0 cm×1.5 cm，两电极中心连线(虚线)到右侧壁的距离为20 cm。

  

图2 模拟实验装置示意图

测量仪器：SR-1000型1 kVA的调压变压器(联春电气有限公司)，HEWLETT.PACKARD 34401A型高精度多用数字表(美国Agilent Technologies公司)，17B型数字多用表(美国FLUKE公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 测量圆桶容积导体的总电流(I1)

1.3.3 输出电压(ΔUbs)与距离(L)的关系

Wade：Yeah, Wade, Z. You can call me whatever you want. I’ll call you Sam.

1.3.4 导电性对输出电压(ΔUbs)的影响

E18-D80NK-N是一款数字光电传感器，属于是NPN型光电开关[6]。当检测到目标物体时，低电平输出，正常状态是高电平输出。可外加一个1KΩ的上拉电阻连接到单片机的IO口上。具有较远的探测距离，受可见光干扰小等特点。利用该传感器，能精确控制两小车的距离，使得在非超车段两车一前一后正常行驶，超车段后车追赶上前车，交替领跑。

1)在1.3.1的条件下，在塑料圆桶溶液中加入10 g食盐，搞拌均匀，此时盐水浓度为0.37 kg·m-3，即溶液的导电性扩大了1倍。待5 min后，测量此时通过圆桶溶液的总电流(I2)。

 

表1 ΔUbs与ΔUb的关系

  

ΔUbU/VLl/cmdl/cmΔUbsU/V5024201.914024201.573024201.172024200.751024200.39

如图2所示，将ΔUb模拟交流电压与电极S和S’相连，该电压调为50 V，测量此时通过圆桶容积导体的I1(此时盐水浓度为0.185 kg·m-3)。

1)将ΔUb的模拟电压与电极S和S’相连，S与S’之间的虚线到右侧壁d仍保持为20 cm。

1)将ΔUb与电极S和S’相连，此时电极S与S’之间的虚线到圆桶右侧壁的距离(d)为20 cm。测量检测电极E4和E’4之间的ΔUbs[此时E4与E’4之间的距离(L)为24 cm]。

基于成都平原城市群县域经济综合得分，利用K-均值聚类分析将其划分为4个类型，分别为经济发达型、经济较发达型、经济中等型和经济滞后型，利用ArcGIS绘制成都平原城市群县域经济差异图(见图2).

2)在保持ΔUb为50 V不变的条件下，分别测量输出电极E1—E’1(L=6 cm)、E2—E’2(L=12 cm)、E3—E’3(L=18 cm)、E4—E’4(L=24 cm)、E5—E’5(L=30 cm)之间的ΔUbs，数据见表2。

 

表2 ΔUbs与L的关系

  

ΔUbU/VLl/cmdl/cmΔUbsU/V506200.545012201.045018201.555024201.965030202.29

1.3.2 输出电压(ΔUbs)与模拟电压(ΔUb)的关系

2)在保持L、d不变的情况下，利用调压变压器，5次改变ΔUb，分别为50、40、30、20、10 V。分别测量E4与E’4之间对应的ΔUbs，数据见表1。

2)分别重复1.3.2和 1.3.3两步的测量，并将第二轮的测量值与第一轮相应的测量值比较。

不同的颜色能带来不同的心理效应，如表2。比如红色的警示路牌能刺激道路上其他驾驶员的情绪，给他们带来积极的情绪，使他们提高警惕，颜色通过心理效应发挥了正面的作用，但长时间红色的视觉感官又会让看的人产生烦躁的情绪，应用不当，颜色也会产生负面的作业。同时，心理效应又不单单是带来的情绪上面的效应，也有视觉上的效应。比如颜色的深浅和冷暖会影响到颜色的远近感，通常来说，颜色越深，颜色越暖，给人感觉越近，反之仍成立。于是红橙黄等暖色看起来有逼近感，感觉较近，蓝绿紫等冷色系有后退之感，感觉较远。而在交通道路上，有逼近感的颜色更能触发我们的神经，调动我们的情绪，使我们更快同时更积极的做出相对应的行动。

2 结果

根据表1、2中的测量数据，分别画出输出电压(ΔUbs)和输入电压(ΔUb)、距离(L)的点线关系图，见图3和图4。

  

图3 输出电压(ΔUbs)与模拟电压(ΔUb)的关系

  

图4 输出电压(ΔUbs)与距离(L)的关系

由表1、2中的数据和图3、4的点线关系可以看出：1)图3的点线是一条直线，这表明ΔUbs与模拟ΔUb呈正比例线性关系。2)图4的点线前半部分是一条直线，后半部分稍微弯曲了一些，说明ΔUbs与输出电极之间的距离L呈近似的正比例线性关系。3)在第一轮的1.3.2、1.3.3的测量中，圆桶内盐水浓度为0.185 kg·m-3，此时通过圆桶容积导体的总电流为I=67 mA。在第二轮的实验中，圆桶内盐水浓度为0.37 kg·m-3，此时通过圆桶容积导体的总电流为I2=116 mA。虽然在第二轮测量中，圆桶容积导体的导电性近似提高了1倍，但第二轮按1.3.2、1.3.3 的测量数据与第一轮按1.3.2、1.3.3 的测量数据是一致的。可见，在其他测量条件不变的情况下，容积导体的导电性变化不影响测量结果。

3 讨论

由生理学知，随着心脏的收缩和舒张，胸腔中血管的容积会随着心动周期发生变化，其阻抗也随之同步变化。在心阻抗图测量中，通过人体胸部的高频电流I0有效值是恒定的，当血管的阻抗变化时，其两端会产生相应的电压(ΔUb)变化(在暂停呼吸的情况下，此时胸腔中其他器官的阻抗都不变化，不会产生相应的电压变化)。这样，在某一时刻血管的一端会出现正电荷，而在另一端则出现负电荷。两端的电荷在胸腔中共同产生一个与血管阻抗变化同步的电场变化。

从图1可以看出，胸部体表检测电极(E、E’)是上述变化电场中的两个点，在它们之间会出现随血管阻抗变化的电势差变化[即E、E’之间电压(ΔUbs)变化]。根据电学理论，血管两端的电荷量与两端的电压变化(ΔUb)呈正比例，因此在胸部电场中两个检测电极之间的ΔUbs与血管两端的ΔUb呈正比例。从本研究模型实验的表1数据和图3点线关系可以看出，两个对应检测电极之间的输出ΔUbs与输出ΔUb呈正比例线性关系。这表明，本研究的模型实验结果与电学理论是一致的。

从模型实验的点线关系图4总体来看，输出电压变化ΔUbs与两检测电极之间的距离L呈正比例关系。但起始部分的斜率稍大一些，末尾部分的斜率稍微小一些，这是由圆桶中的电场分布所决定的。根据电场理论，对于如图1所示容积导体，如果在A、B两点放有电荷，则在右侧壁的上端部分和下端部分，沿着垂直方向的电场强度分量会小一些，其单位长度上的电势变化率也随之小一些，因此图4点线关系图的末尾部分的斜率会减小。本实验为了操作方便，实验中使用的圆柱形容积导体的直径是38.5 cm，而人体胸部直径一般在24～30 cm，同样高度的圆柱形容积导体，如果直径缩小，其侧壁上正比例的电势分布范围会扩大，完全可以满足胸部阻抗图测量的范围。

以某一施工工程为例，其结构主要为混凝土结构类型，建筑物的总体高度为20m，建筑的一部分功能是销售和展示。在该环保的设计方法中，对计算机三维数据模式进行了广泛应用，并对施工设计方案进行不断优化，将建筑物的能源消耗保持在合理范围内。同时，对环保型施工技术进行了应用，避免较多的物资消耗；还有效回收利用了废弃原材料，取得了良好的环保效果。

本测量结果还表明，圆桶容积导体的导电性变化不影响实验的测量结果。在第二轮测量中，虽然通过的圆桶容积导体的总电流和电流密度J近似扩大了1倍，盐水溶液的导电性增加了1倍，但其电阻率ρ却缩小了1倍。根据欧姆定律的微分形式J=E/ρ，溶液中电场强度可表示为E=Jρ，本实验中J、ρ的变化会互相抵消，溶液中的电场强度保持不变。这表明，尽管第二轮溶液的导电性增强了，但电场中的电场分布没有发生变化，因此在其他条件没有改变的情况下，导电性变化对本实验的测量结果没有影响。

需要指出的是：在用高频恒流法测量心阻抗图时，在胸部容积导体中实际上同时存在着两个电场，一个是有效值恒定的高频电流送入胸部时产生的恒定电场，另一个是胸部大血管阻抗变化产生的变化电场，其中前者比后者大得多。两者叠加后，形成一个幅度微小的调制电场。在胸部体表两个检测电极(E和E’)之间产生一个幅度调制的电压信号，经阻抗检测电路放大、检波和校正后，可得到基础阻抗(Z0)和阻抗变化(ΔZ)，这就是高频恒流法测量心阻抗图的基本原理。

吴耕说：“四月渭河边的柳树上，也有很多鸟叫，黄鹂的喉咙细，乌鸦的嗓门粗。柳树下面，有青蛙产卵，鲫鱼扳籽，都是乌油乌油的一大摊，晚上举着灯，可以捉一麻袋麻雀、青蛙，第二天让我娘炸着或烤着吃，美！”

参考文献：

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[2] Morris R，Sunesara I，Darby M，et al.Impedance cardiography assessed treatment of acute severe pregnancy hypertension：a randomized trial[J].J Matern Fetal Neonatal Med，2016，29(2)：171-176.

[3] Krzesiński P，Gielerak G，Stańczyk A，et al.Association of N-terminal pro-brain natriuretic peptide and hemodynamic parameters measured by impedance cardiography in patients with essential hypertension[J].Clin Exp Hypertens，2015，37(2)：148-154.

[4] 陈国伟，郑宗锷.现代心脏内科学：上册[M].2版.长沙： 湖南科学技术出版社，2002：228-249.

[5] Kubicek W G，Karnegis J N，Patterson R P，et al.Development and evaluation of an impedance cardiac output system[J].Aerosp Med，1966，37(12)：1208-1212.

[6] Sramek B B，Rose D M，Miyamoto A.Stroke volume equation with a linear base impedance model and its accuracy as compared to thermodilution and magnetic flowmeter techniques in humans and animals[C].Zadar：Yugoslavia，1983:38-41.

(责任编辑：胡炜华)