低频电流下人体阻抗模型的研究

低频电流下人体阻抗模型的研究

目的:探讨低频电流(f<1 000 Hz)下人体阻抗的模型。方法:采用串联电路法测量94名男性在不同频率电流下人体手臂阻抗的大小。结果:随着电流频率的增加,人体阻抗呈现下降趋势。结论:人体阻抗模型可以认为是由电阻和电容组成的复杂的串并联电路,因而具有容抗的性质。

[Abstract] Objective: To discuss the model of the human body impedance under the low-frequency current (f<1 000 Hz). Methods: The size of the arm impedance of 94 men under different frequency current was measured with series circuit. Results: With the current frequency increase, a downward trend appeared in the human body impedance. Conclusion: The human body impedance models can be considered to be complex series-parallel circuit composed of the resistors and capacitors, which has a nature of the capacitance.

[Key words] Low frequency current; Human body impedance; Model

阻抗是指交流电路中电阻、电容和电感对交流电所起的阻碍作用[1]。人体阻抗是人体皮肤、血液、肌肉、细胞组织等含有的电阻和电容对交流电的阻碍作用[2],这种阻碍作用受到电流频率的影响。在临床上,各种电疗、诊断(肌电图、脑电图、心电图)需要了解人体阻抗的频率特性,以达到良好的治疗和诊断效果[3]。在日常生活中,我们接触最多的脉冲电流是50 Hz的工频电,而医学上把频率低于1 000 Hz的脉冲电流称作低频电流[4]。因此,研究人体阻抗的低频特性就显得尤为重要。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取齐齐哈尔医学院2009级本科临床医学专业4个班级中的94名男生作为被测量对象,测量其手臂人体阻抗。测量对象平均年龄(19.65±1.45)岁,平均身高(172.33±12.36) cm,平均体重(66.21±15.21) kg,身高、体重数据均来自于新生入学体检记录。

1.2 方法

测量电路如图1所示,采用串连分压电路,在不同电源频率下测得电压Uab和UR,则手臂阻抗Z手臂=RUab/UR,其中R=20 kΩ。交流电源采用江苏洪泽瑞特电子设备有限公司生产的XD2A型低频信号发生器,可产生1 Hz到1 MHz的正弦波振荡信号,频率基本误差为(1%f±0.3) Hz。电压Uab和UR的测量采用江苏扬中绿扬电子厂生产的YB2172A型交流毫伏表,其测量频率范围为2~5 MHz,测量电压范围30 μV~100 V;与手臂接触的a、b两电极片采用医用心电夹代替。

1.3 统计学处理

每一名学生的测量数据记入事先设计好的表格中,经计算得到每一名学生的手臂阻抗,数据以均数±标准差(x±s)表示,将手臂阻抗值用SPSS 13.0进行统计并进行确切概率法检验,P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 手臂阻抗

测量对象在不同频率下手臂阻抗值见表1。从表1中的数据可以看出,人体手臂阻抗在低频电流(f<1 000 Hz)下为几千欧量级;随着电流频率的增加,人体阻抗呈现下降趋势。

2.2 人体阻抗模型

皮肤阻抗模型如图2所示,皮肤下组织由各种细胞组成,细胞的阻抗模型如图3所示。人体阻抗由皮肤阻抗和皮肤下组织阻抗两部分构成,人体阻抗模型如图4所示。

3 讨论

阻抗是由于交流电路中电阻、电容和电感对电流共同的阻碍作用引起的,其中导体对电流的阻碍作用叫电阻,电容和电感对电流的阻碍作用叫电抗。在测量手臂人体阻抗时,电流流经的路径是电极片、皮肤、皮肤下各种组织、另一侧皮肤、另一电极片。人体阻抗就产生在皮肤和皮肤下各种组织中,即人体阻抗是皮肤阻抗和皮肤下各种组织阻抗之和。

皮肤的最外层是表皮,包含有角质层,导电性能极差,相当于电介质[5]。表皮下是真皮及皮下组织,其中含有大量的血管[6],因此导电性能较好。在导电性能较好的真皮和电极片间夹了一层导电性能极差的表皮,这一结构相当于一个电容器,而表皮中有汗腺孔,会有少量的离子通过,因此皮肤阻抗模型相当于一个漏了电的电容器。

皮肤下是电阻率不相同的各种物质,它们由各种细胞构成。细胞膜主要由脂类物质组成,导电性能差,而细胞内溶液和细胞间质导电性能好,这样细胞膜加上内外溶液便构成了一个电容器。细胞膜具有选择通透性,可以通过某些特定离子[7],因此细胞的阻抗模型也相当于一个漏了电的电容器。人体内处处存在这样的电容器[8]。

人体阻抗是皮肤阻抗和皮肤下各种组织阻抗之和,因此,人体阻抗模型相当于一个由电阻和电容构成的复杂的串并联电路。从这个模型可以看出,人体阻抗在低频电流下具有容抗的性质,随着电流频率的增加,人体阻抗呈现下降趋势。

[参考文献]

[1]陈仲本.医学电子学基础[M].2版.北京:人民卫生出版社,2006:12-13.

[2]胡新珉.医学物理学[M].7版.北京:人民卫生出版社,2008:194-195.

[3]李亚芳,刘美玉,王保珩,等.人体阻抗特性产生的物理机制[J].数理医药学杂志,2007,20(6):858-860.

[4]袁国祥.低频电流的人体效应研究与应用[D].武汉:华中师范大学,2006:1-2.

[5]林宗贤.160例中国人健康皮肤屏障功能与相关影响因素的研究[D].上海:复旦大学,2009:9-12.

[6]孙素姣.与美容相关的皮肤结构特点[J].中国美容医学,2008,17(2):305-307.

[7]陈誉华.医学细胞生物学[M].4版.北京:人民卫生出版社,2008:6-15.

[8]梁路光.医用物理学[M].2版.北京:高等教育出版社,2008:225-229.