阻抗测量

人体阻抗的测量原理

阻抗信号的测量通常借助于置于体表的电极系统，向收件对象注入低于兴奋阈值的恒定交流电流，同时检测相应的电压变化，获得被测组织的阻抗信息。《多路独立人体阻抗测量和信号分析》

一般的生物阻抗信号测量系统包括4个部分：恒定交流电流源，信号拾取，放大及解调部分和阻抗信号分析处理部分。目前常用的检测系统工作过程如下：首先用一对电极把恒流源产生的电流注入被检测的生物组织，同时使用另一对电极拾取在电流激励下被检组织产生的电压、经放大、解调后传送给信号处理部分；信号分析处理的主要任务是提取复合信号中有意义的部分，用于临床诊断和生理参数计算。

根据上述检测方法以及有关生物学原理表明：1）可以认为检测到的电压信号与恒流源注入交流信号频率相同，，其峰值包络维阻抗信号的描记；

图1 皮肤的结构

1.皮肤阻抗的特性及其物理机制

皮肤的结构示意图( 图 1 ) 中， 皮肤的最外层是表皮 ， 包括角质层， 其中有汗腺孔 ， 下面是真皮及皮下组织， 其中有大量血管。由于真皮及皮下组织导电性较好， 可模拟为纯电阻 R 。皮肤的阻抗大小主要取决于角质层， 角质层相当于一层很薄的绝缘膜 ， 类似于电容器的中间介质， 真皮和电极片类似于电容器的两个极板， 如图 1 所示。由于汗腺孔里有少量离子通过， 所以我们把表皮模拟为漏电的电容器。其表皮的阻抗可看成纯电容 C 和纯电阻R ’的并联 ， 其表皮阻抗大小可用公式：

计算得之， 其中2f ωπ=。表皮下面的真皮和皮下组织电阻不太高， 其电性能象纯电阻R ， 故皮肤阻抗电路模拟为图 2，从上面公式和图2中， 以显示出皮肤阻抗实质上具有容性阻抗的特性， 其皮肤阻抗大小随电流频率 f 增大而减小。

2.皮下其它组织阻抗特性产生的物理机制

皮下深部的各种组织都是由细胞组成的， 细胞膜的主要成分是脂类物质和各种膜蛋白， 由于脂类物质在电学上几乎绝缘( 电阻率 1310m ρ=Ω ) ，

它相当于电容器的中间介质， 而膜蛋白的ρ值相对低得多， 再因蛋白的功能特性， 在宏观上膜两侧造成特定的导电状态， 所以细胞膜两侧及膜内脂类物质综合起来可看成漏电的电容器 C 1 ( 因细胞膜具有离子的通透性) ，而膜蛋白产生了膜电阻R1 ， 所以细胞膜产生的阻抗等效于R1、 C I 并联电路， 膜内外组织阻抗等效于纯电阻 R2 ， 故膜阻抗模拟为：

因为皮下深部组织是由大量的细胞和细胞间质组成， 所以皮下深部组织的阻抗等效电路如图 3 所示。皮下组织的阻抗同样具有容性阻抗的特性 ， 其定量公式为：

3 人体阻抗的等效电路

综上所述， 人体阻抗是皮肤阻抗和皮下其它组织阻抗之和， 它是大小不同的电阻和电容的复杂组合， 其阻抗等效电路如图 4 所示。电路中明显看出， 电流( 4 uA ～1 0uA) 从电极片

流进， 经过皮肤阻抗， 再经过深部组织阻抗， 最后又通过皮肤阻抗， 从电极片流出。该电路是一个具有容性阻抗的有并联、有串联的复杂电路。这使得人体阻抗的特性实质上呈现电容阻抗的特性， 其产生的结果是人体阻抗的大小随电流频率 f 增 大而减小。

生物阻抗技术概述

医学电阻抗( Me d i c a l E l e c t r i c a l I m p e d a n c e ) 技术，亦称生物阻抗( B i o i m p e d a nc e )或简称为阻抗( I m p e d a n c e ) 技术。对于医学电阻抗的研究最早始于l 9世纪末2 0世纪初，医学电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性( 阻抗、导纳、介电常数等) 及其变化提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的无损伤检测技术。它通常是借助置于体表的电极系统向检测对象送入一微小的交流测量电流或电压，检测相应的电阻抗及其变化情况，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。这种技术或方法，具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简单和信息丰富等特点，医生和病人易于接受，具有广泛的应用前景。

1三元件模型

人体细胞浸浴于导电的细胞外液之中，而细胞则由能选择性通过某些离子的细胞膜包裹着导电的细胞内液组成。细胞外液、细胞内液的电学性质接近于电阻，而细胞膜则可等效于电容。因此，人体的等效电路应当是若干电阻、电容构成的串并联网络。

为此，人们提出了多种等效电路。应用最广泛的三元件等效电路模型如图2所示。图中R i 、Re 。和c分别为细胞内液电阻、血浆电阻和细胞膜电容。血液的总阻抗z可表示为：Z=Re /／( Zc + R i ) 式中Zc为细胞容抗。

多频节段生物电阻抗分析法测量人体电学特征的信度研究

同时由于体表结构的电阻抗明显高于深部组织，可以认为电流穿过表层组织后将通过深部组织传导，而不会通过表层组织传导。因此将测量电极与电流电极分离，所测得的电阻值能更好的反映深部组织阻抗，而避免了表层电阻与接触电阻对测量的影响。提高了测量的稳定性。

低频电流下人体阻抗特性的研究

从图1 电路中可以看出，测量时电流从一电极片流进，依次经过手臂一侧皮肤、皮肤下其他组织、手臂另一侧皮肤，最后从另一电极片流出。因此手臂人体阻抗是皮肤阻抗和皮肤下其他组织阻抗之和。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。表皮下是真皮及皮下组织，其中含有大量的血管，因此导电性能较好，可以模拟为纯电阻R。这样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，因此这个电容器是一个漏了电的电容器。因此皮肤的阻抗可以模拟为图2 的形式。按照

电路理论，皮肤的阻抗。从公式中可以看出皮肤阻抗具有容抗的性质。皮肤下其他组织是电阻率不相同的各种物质，它们由各种细胞构成。细胞膜由脂类物质构成，导电性能极差，而细胞内液和细胞间质导电性能好，细胞膜和内、外溶液也会构成电容器结构。细胞膜具有选择通透性，因此这个电容器也是漏了电的电容器。人体中到处都存在着这种不可忽视的电容，这样人体阻抗便具有了容抗的特点，阻抗值随着频率的增加而减小。

人体经络电阻抗检测技术及初步试验研究

经络电阻抗特性研究存在的问题：

1）经络的电特性测量的影响因素和技术问题较多；

2）经络电阻抗不能反映经络深层组织的变化；

3）经络阻抗频谱特性和动态特性研究较少。

从电的角度看，处于皮肤最上层的角质层，其电阻最大，干燥的角质化组织阻碍了大部分的电荷移动。在小于10KHz频率的信号激励下，皮肤阻抗主要取决于角质层，在10KHz的时候，角质层对测量阻抗贡献50％，高于10KHz的时候则可能只有10％。因为角质层起着如此犬的影响，那么影响皮肤表层特性的因素将会显著地影响皮肤电阻抗的测量。

根据数学模型，交流电路的阻抗是复数电压与复数电流的比值，可用z表示，Z=R+jX，

对于生物组织，式中Z为复数阻抗，R为电阻，X为容抗。根据公式(其中f为电流频率，c为电容)，当频率不高时，电阻抗主要表现为阻容性，而当频率较高时，则主要表现为电阻性，低频时候电容对于总的电阻抗贡献比在高频的时候要大。