相位角与BIVA Z评分分析在急性心力衰竭急诊住院患者中的临床应用

摘要

在本方案中，我们介绍如何获取和解读通过生物电阻抗法获得的急性心力衰竭住院患者相位角值和生物电阻抗向量分析（BIVA）Z评分，及其作为预测90天内临床事件预后标志物的临床应用价值。

摘要

急性心力衰竭的特征是神经激素系统被激活，导致钠和水潴留，并引起机体成分的改变，例如体液负荷增加或全身性充血。该疾病是导致住院的最常见原因之一，且与不良预后相关。相位角可间接评估细胞内状态、细胞完整性、细胞活力以及细胞内液与细胞外液分布情况。该参数已被证实可作为健康状况的预测因子，以及生存率和其他临床结局的指标。此外，研究发现，急性心力衰竭患者入院时相位角值低于<4.8°与更高的死亡率相关。然而，相位角降低可能与多种病理改变有关，例如体液从细胞内液（ICW） compartment 向细胞外液（ECW） compartment 转移，以及机体细胞质量（可反映营养不良）的同步减少，这些均常见于心力衰竭患者。因此，低相位角可能由水负荷过重和/或营养不良所致。生物电阻抗向量分析（BIVA）可通过图形化向量（R-Xc 图）提供有关机体细胞质量及充血状态的额外信息。此外，BIVA Z评分分析（即相对于参考人群均值的标准差数量）可采用与原始 R-Xc 图中百分位椭圆相同的方式进行解读，用于检测软组织质量或组织水合状态的变化，并有助于研究人员比较不同研究人群之间的变化。本实验方案详细说明了如何获取和解读相位角值及 BIVA Z评分分析结果，阐述其临床应用价值，并探讨其作为急诊科收治的急性心力衰竭患者90天内临床事件预后预测标志物的实用性。

引言

急性心力衰竭（AHF）由心力衰竭（HF）相关体征、症状的快速发作及加重，以及临床、血流动力学和神经激素异常的综合作用所致，其中包括全身性炎症激活，从而导致钠和水潴留¹。这种长期积聚会导致间质糖胺聚糖（GAG）网络功能失调，使其缓冲能力下降，并改变GAG网络的结构与功能^1,2。 这进一步引起机体成分的改变，原因是液体从细胞内空间向细胞外空间转移³，从而导致体液增加并引发充血，后者是心力衰竭患者住院最常见的原因。该状况主要由液体超负荷、体液隔室间的重新分布，或两者共同作用引起，需立即进行医疗干预^4,5。此病症是预后不良的主要预测因素之一^6,7。

鉴于急性心力衰竭（AHF）是65岁以上患者住院的最常见原因⁸，约90%就诊于急诊科的患者存在液体超负荷⁶，其中约50%的患者出院时仍持续存在呼吸困难和乏力症状，和/或体重减轻不明显或无减轻⁹。住院期间死亡率为4%至8%，出院后3个月内上升至8%至15%；再住院率在3个月内则介于30%至38%之间¹⁰。因此，在急诊科等实时和急性临床场景中，对充血状态进行快速而准确的评估，对于指导治疗管理¹¹以及判断疾病预后、发病率和死亡率至关重要⁶。

生物电阻抗分析（BIA）因其安全、无创和便携的技术特点，已被建议用于估算身体成分¹²。为了估算全身阻抗，BIA 使用相敏阻抗分析仪，通过置于手部和足部的四极体表电极引入恒定的交流电流¹²。该方法结合了电阻（R）、电抗（Xc）和相位角（PhA）¹³，其中 R 是指交流电流在细胞内和细胞外离子溶液中流动时所受到的阻碍。Xc 是指电流通过组织界面、细胞膜和细胞器时传导的延迟（介电成分）或顺应性¹²。PhA 反映了 R 与 Xc 之间的关系，它源自组织的电学特性，表现为电压与电流在细胞膜及组织界面之间的滞后相位差，并通过相敏设备进行测量^14,15,16,17。

相位角（PhA）由电阻（R）和电抗（Xc）的原始数据计算得出 （PA [度] = arctangent (Xc/R) × (180°/π)），被认为是反映细胞健康状况和细胞膜结构的指标之一¹⁸，同时也可作为细胞内液（ICW）与细胞外液（ECW）空间分布的指标，即反映体液隔室的异常再分布（特别是从细胞内水向细胞外水的转移，低相位角可提示此类变化）¹⁹。因此，低PhA值可能由过度水合和/或营养不良引起，而Z评分可用于判断该低PhA值是由于软组织质量减少、组织水合程度增加，或二者共同作用所致。此外，对Z评分进行转换后，有助于研究人员比较不同研究人群中的变化情况^3,14。

此外，PhA 被认为是健康状况的预测指标、生存率的指示标志，以及多种临床结局的预后标志物^3,20，即使在其他临床条件下^20,21,22,23也具有重要意义，其中较高的 PhA 值表明细胞膜完整性更强、细胞活力更高^10,13，因而功能状态更佳。相比之下，较低的 PhA 值则反映细胞膜完整性受损和通透性增加，可能导致细胞功能障碍甚至细胞死亡^14,22,24。在慢性心力衰竭（CHF）患者中，较小的 PhA 值与更差的功能分级相关²⁵。此外，PhA 测量的一个优势在于无需依赖回忆参数、体重或生物标志物。

多项研究建议，在体液转移和体液再分布异常或水合状态不稳定的患者（如急性心力衰竭患者²⁶）中，应使用生物电阻抗分析（BIA）的原始测量值。这是因为BIA基于回归方程来估算总体水（TBW）、细胞外水（ECW）和细胞内水（ICW）。因此，由于软组织水合状态与生理状态之间的关系，这类患者的瘦体质量和脂肪质量估算值可能存在偏差²⁷。

生物电阻抗向量分析（BIVA）方法克服了传统生物电阻抗分析（BIA）方法的一些局限性²⁸。它通过对抗体组成中的细胞质量（BCM）、细胞质量完整性及水合状态进行半定量评估，提供额外的信息²⁹。因此，BIVA 可通过电阻-电抗图（R-Xc 图）上的向量分布和距离模式来估算体液容量^28,30。BIVA 利用在 50 kHz 频率下通过 BIA 测得的全身电阻（R）和电抗（Xc）值，生成阻抗（Z）的向量图。

为了调整电阻值 R 和电抗值 Xc 的原始数据，需将参数 R 和 Xc 按身高（H）进行标准化处理，表示为 R/H 和 Xc/H，单位为 Ohm/m，并以矢量形式绘制在 R-Xc 图上^16,28；该矢量具有一定的长度（与总身体水量 TBW 成正比）和方向。

性别特异性的R-Xc图包含三个椭圆，分别对应健康参考人群的50%、75%和95%容许椭圆^28,31,32；这些椭圆的形状由R/H与Xc/H之间的关系决定。然而，为了在性别特异的健康参考人群中评估阻抗参数，原始的BIA参数被转换为双变量Z评分（在BIVA Z评分分析中），并绘制在R-Xc Z评分图上^33,34。与R-Xc图相比，该图以双变量Z评分形式表示标准化的R/H和Xc/H，即Z(R)和Z(Xc)表示相对于参考组均值的标准差倍数³³。Z评分的容许椭圆保留了与原始R-Xc图上百分位数椭圆相同的模式^31,33。R-Xc的Z评分图能够反映软组织质量和组织水合状态的变化，且独立于回归方程或体重。

沿椭圆长轴的矢量位移反映了水合状态的变化；当矢量缩短至低于椭圆75%极点时，提示凹陷性水肿（敏感性=75%，特异性=86%）；然而，在急性心力衰竭（AHF）与慢性心力衰竭（CHF）患者中，检测凹陷性水肿的最佳阈值有所不同，其中75%下极对应于AHF患者，而50%下极对应于CHF患者水肿（敏感性=85%，特异性=87%）³⁵。另一方面，沿短轴的矢量位移对应于细胞质量。椭圆左侧表示较高的细胞质量（即较多的软组织），较短的矢量对应于肥胖个体，其相位特征与运动员相似，后者具有较长的矢量。相反，右侧则表示较低的身体细胞质量^21,34；根据Picolli等人的研究^31,33，神经性厌食、HIV和癌症组患者的矢量评分位于短轴右侧，属于恶病质类别。

本研究旨在阐述如何在急诊科收治的急性心力衰竭（AHF）患者中通过生物电阻抗分析（BIA）获取和解读相位角（PhA）值，并展示其作为预测90天事件预后的生物标志物的临床适用性/实用性。

方案

本方案已获国家医学与营养科学研究所Salvador Zubirán研究伦理委员会批准（编号：3057）。为开展生物电阻抗测量，采用四极多频设备（见材料表）。该设备可在50 kHz频率下提供精确的电阻（R）、电抗（Xc）和相位角（PhA）原始数值，从而以最佳信噪比测量阻抗。所使用的粘性电极需符合制造商的推荐要求。研究中已获得受试患者的书面知情同意。

1. 实验与患者准备

注意：这些步骤在进行生物阻抗分析（BIA）测量之前完成。

1. 定期使用已知阻值为 500 Ω（范围：496–503 Ω）的测试电阻检测设备，以检查阻抗测量的准确性。
2. 根据制造商说明书以及文献中描述的四极法³⁶，对执行生物电阻抗分析（BIA）测量的操作人员进行培训。
   注意：患者必须禁食至少 4–5 小时。若患者意识清醒，应向其解释即将进行的操作过程。
3. 脱去患者右脚的鞋袜，并移除与皮肤接触的任何金属物品，例如手镯、手表、戒指和项链等。
   注意：若右脚有损伤，应将其包扎后改用左侧肢体进行测量（若双侧足部均无法暴露或无法放置电极，则不能进行生物电阻抗分析测量）。
4. 根据患者的耐受情况，让其取仰卧位或半卧位，四肢外展约 45° 角。对于肥胖患者，应在两腿之间放置一张床单，以避免大腿之间发生接触。
5. 将导线连接至设备；设备上有明确标识指示正确的连接方式。

2. 生物电阻抗测量

1. 确定放置电极的部位。使用70%的酒精棉片清洁这些部位，并等待酒精完全挥发后再放置电极（电极的具体位置此前已有描述）³⁷。
   ​注意：有关生物电阻抗测量的详细信息，请参考此前描述的实验方案³⁷。

3. 在 R-Xc Z 分数图上分析 BIA 原始参数

1. 下载 Piccolli³⁸ 开发的 BIVA 容差 软件（见材料表）。
   注意：该软件包含七个工作表（指南/参考人群/点图/路径/受试者/Z 分数/Z 图）。
2. 点击参考人群工作表，根据患者特征选择相应的参考人群，并将其复制粘贴至第一行黄色行中。
   注意：软件仅读取第一行黄色行，参考人群需放置于此。参考人群编号从 1 到 10（人群代码列），显示在黄色行下方的各行中。
3. 点击Z 分数工作表，插入参考人群数据，并将患者数据输入第二行。
   注意：参考人群数据包括人群代码（Popul Code）、参考人群中包含的患者数量（Popul Size, N）、按身高 m² 标准化的电阻均值（单位为欧姆）（R/H Mean）、按身高 m² 标准化的电阻标准差（R/H SD）、按身高 m² 标准化的电抗均值（单位为欧姆）（Xc/H Mean），以及按身高 m² 标准化的电抗标准差（Xc/H SD）。这些数据可在参考人群工作表中找到（A 至 F 列）。
   1. 将每位患者的病历号输入受试者 ID字段（G 列）。
   2. 在组代码字段（H 列）中输入 1 至 10 之间的数字。
   3. 将通过生物电阻抗分析（BIA）测得并按米为单位的身高进行调整的电阻值输入R/H 受试者字段（I 列）。
   4. 将通过生物电阻抗分析（BIA）测得并按米为单位的身高进行调整的电抗值输入Xc/H 受试者字段（J 列）。
   5. 在绘图选项字段（K 列）中输入数值 1 以生成图表；若需跳过某行，请将该单元格留空。
4. 点击电子表格程序菜单，点击加载项选项卡，然后点击计算按钮。
   ​注意：Z(R) 分数（L 列）和Z(Xc) 分数（M 列）将自动计算。
5. 点击Z 图工作表；然后在电子表格程序菜单中，点击加载项选项卡和新建图表按钮。
6. 按照步骤 4 和步骤 5 进行 BIVA Z 分数和相位角分析。

4. BIVA Z值的解读与分析

注意：在 R-Xc Z 值图中识别四种模式。沿主轴的极端位置，下部模式与充血相关，而上部模式与脱水状态相关。沿次轴的极端位置，左侧模式与软组织中较多的细胞质量相关，而右侧模式与软组织中较少的细胞质量相关。根据该组的平均年龄计算双变量 Z 值时，使用以下公式：Z(R) = (该组平均年龄的 R/H 值 - 参考人群 R/H 平均值) / 参考人群的标准差；Z(Xc) = (该组平均年龄的 Xc/H 值 - 参考人群 Xc/H 平均值) / 参考人群的标准差。

1. 可视化并识别 50%、75% 和 95% 椭圆。 x （电抗）和 y （电阻）轴显示标准差。
   注意：性别特异性的 R-Xc Z 分值图根据水合状态和 BCM 进行分类，位于 75% 容许椭圆内的所有矢量均被视为表示组织阻抗正常。
2. 确定水合状态的轴并向量分类。
   注意：位于下极75%容差椭圆下方的向量表示充血状态，位于75%容差椭圆内的所有向量表示无充血。位于上极75%容差椭圆外的向量被认为表示脱水状态。
3. 在图表中确定 BCM 轴并对方向向量进行分类。
   注意：向量向左侧偏移表示更高的体细胞质量（BCM），而向右侧偏移的向量则表示较低的体细胞质量。
4. 确定所绘制数值与参考组均值之间的标准差倍数。
   注意：位于下极（主轴）75% 容差椭圆内且在左侧（次轴）75% 椭圆外的向量，解释为提示充血状态伴 BCM 减少（软组织减少）；位于右侧（次轴）的向量，解释为提示充血状态伴 BCM 增加（软组织增多）。
5. 另一方面，位于下极（主轴）75% 容差椭圆内且在左侧（短轴）75% 椭圆外的向量被解释为表示非充血状态且体细胞量（BCM）减少（软组织较少）；而位于右侧（短轴）的向量则被解释为表示非充血状态且体细胞量（BCM）增加（软组织较多）。

5. 直接计算和解读相位振幅（PhA）

注意：需要原始的 R₅₀ 和 Xc₅₀ 值来计算相位角（PhA）。

1. 将原始的 R₅₀ 和 Xc₅₀ 值代入公式。
   注：在 RStudio 中的公式为：atan(Xc₅₀/R₅₀)*(180°/π)；在 Microsoft Excel 中的公式为：=ATAN(Xc₅₀/R₅₀)*(180°/PI)。结果以度（°）表示。
   相位角（PhA）通常介于 5° 至 7° 之间；然而，健康运动员的 PhA 值可高达 9.5° 以上。若入院时 PhA 值低于 4.8°，则该受试者在 90 天内发生临床事件（死亡或再入院）的风险比（HR）为 2.7（95%CI 1.08–7.1，p = 0.03）³⁹，在随后 24 个月内死亡的风险比为 2.67（95%CI 1.21–5.89，p = 0.01）²⁰。

结果

根据上述方案，我们展示了四名急性心力衰竭患者（两名女性和两名男性）的数据，这些患者因急诊入院，用于说明相位角值和BIVA Z评分分析在临床中的适用性。生物电阻抗测量在入院后24小时内使用相敏多频设备进行。

为了计算相对于年龄组均值的双变量Z评分，使用以下公式：Z(R) = (年龄组的R/H均值 - 参考人群的R/H均值) / 参考人群的标准差，以及Z(Xc) = (年龄组的Xc/H均值 - 参考人群的Xc/H均值) / 参考人群的标准差。

BIA 测量完成后，根据患者入院时的 PhA 值将其分为两类：(1) PhA < 4.8° 和 (2) PhA ≥ 4.8°。若患者在出院后 90 天内发生院内死亡、院外死亡或因任何原因再次住院，则定义为事件发生。患者的临床特征见表 1，表 2 显示了根据 PhA 分组的两名男性和两名女性患者入院时的实验室检查和超声心动图特征。

病例1

讨论

本方案描述了在急诊科收治的急性心力衰竭（AHF）患者临床实践中应用R-Xc Z评分分析的实用性。鉴于AHF患者住院的主要原因为充血，对其快速而准确的检测和评估对患者的预后至关重要⁶。

本文阐述了急性心力衰竭（AHF）的多种临床表现，以及如何利用BIVA Z值分析（容量负荷状态和体细胞质量）对患者进行准确且可靠的评估与分类；此外，相位角（PhA）<4.8°患者的特征与其他已被证实与不良预后相关的预测指标一致，例如血清白蛋白水平较低、住院时间较长以及脑钠肽水平较高³⁵。

相位角（PhA）结合电阻-电抗Z评分图（R-Xc Z-score图）可用于评估充血状态和体细胞质量（BCM），从而在评估充血时提供有用且准确的信息；它也是一种诊断工具，可用于判断亚临床充血、临床充血及外周水肿的存在⁴¹。此外，由于在急性或慢性心力衰竭（HF）患者住院期间，其水合状态和营养状态的微小变化均可被检测到，...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
70% 酒精棉片	NA	NA	可使用任意品牌
BIVA 软件 2002	NA	NA	是一款为学术用途开发的软件，可在 http:// www.renalgate.it/formule_calcolatori/ bioimpedenza.htm 网站的"Piccoli 教授公式集"部分下载
氯己定擦拭巾	NA	NA	可使用任意品牌
检查床	NA	NA	可使用任意品牌
导联线方型插口	BodyStat	SQ-WIRES
长型 Bodystat 0525 电极	BodyStat	BS-EL4000
Quadscan 4000 设备	BodyStat	BS-4000	阻抗测量范围： 20 - 1300 Ω 欧姆 测试电流：620 μA 频率：5、50、100、200 kHz 准确度：5 kHz 阻抗：± 2 Ω；50 kHz 阻抗：± 2 Ω；100 kHz 阻抗：± 3 Ω；200 kHz 阻抗：± 3 Ω 50 kHz 电阻：± 2 Ω 50 kHz 电抗：± 1 Ω 50 kHz 相位角：± 0.2° 校准：配备一个电阻器，用于定期独立验证。 阻抗读数应在 496 至 503 Ω 之间。