人体阻抗特性产生的物理机制

        作者：李亚芳 刘美玉 王保珩 王爱敏 

【摘要】  　　 论述实验“人体阻抗特性的研究”与医学中测量生理指标的紧密联系，并用物与医学结合的方法详述了人体的皮肤阻抗及皮下深部组织阻抗的电学特性——容性阻抗特性的物理机制，突出了人体阻抗的大小与电流频率之间的定量关系，最后以实验结果进一步论证了人体阻抗的大小随电流频率增大而减小，即是容性阻抗的特性。

【关键词】  人体阻抗； 容性阻抗特性； 物理机制； 生理指标

　　1  引言
   
　　在《医学物理实验教程》中有一实验“人体阻抗特性的研究”，该实验是物理学中的电学与医学紧密结合的医学物理实验，既要求学生掌握人体皮肤及皮下组织阻抗形成的特性，又要求学生理解人体阻抗的大小与医学中测量生物指标时，如何选择电极片之间的关系，对后一问题，实验教材中不可能写得太详细，因此笔者对该问题进行了探讨与研究。

　　2  对医学生为什么要开“人体阻抗特性的研究”实验
   
　　我们认为，培养医学生基本技能的医学物理实验课必须紧密地与医学相结合。在临床医学上，各种电疗、诊断（心电、脑电、肌电图）需了解人体阻抗的频率特性，以达到好的及诊断效果。在医学研究中，需测量某些组织的生物指标（如血流、呼吸、心输出量等），在测量这些指标时，电极与生物体间存在的电位差和阻抗是生物体指标测量中产生误差的重要原因，测量中力求误差最小，必须人体阻抗最小。对如何选择电极片提出了要求，这也必须了解人体的阻抗频率特性。该实验的目的就是在理论上了解人体阻抗产生的原因及其产生的物理机制，同时在实验中测量人体阻抗的频率特性。

　　3  人体阻抗特性产生的物理机制
   
　　在医学研究中，测量某些组织的生物指标，直接关系到人体的皮肤及皮下其它组织的阻抗的大小及其特性，下面阐述两个问题：

　　3.1  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：
   
　　Z=R'1+(ωR'C')2 (1)

　　得之，其中ω=2πf。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。

　　图1  皮肤的结构（略）

　　图2  皮肤阻抗的模拟电路（略）

　　3.2  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ρ=1013Ω·m），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C1（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、C1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：
   
　　Z膜=R11+(ωR1C1)2 (2)

   
　　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：
   
　　Z=R11+(ωR1C1)2+R2 (3)
   
　　(ω=2πf)
   
　　图3  皮下深部组织模拟电路（略）

　　3.3  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（4μA～10μA）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。

　　图4  肌体阻抗的模拟电路（略）

　　4  实验验证人体阻抗具有容性阻抗的特性
   
　　在实验中，我们测得30名大一女学生的手臂阻抗及其手臂阻抗随通电电流频率f的变化情况，并统计数据见表1。
   
　　从表中数据可得出下面的Zλ?lg f关系曲线。

　　表1  实验数据（略）

　　注：人体手臂阻抗的实验机公式：Zλ=UλUR·R   (其中R=5.1×103 Ω)。
       
　　图5  人体阻抗随电频率f而变化的曲线
   
　　以上的Zλ?lg f变化关系曲线，表示了人体手臂的阻抗大小随电流频率f的增大而减小，与前面公式(1)、(2)完全是吻合的，通过实验也充分说明了人体阻抗具有容性阻抗的特性。

【】
  　　1 周希贤，等主编.生物医学学及实验.兰州：兰州大学出版社，1998.

　　2 刘美玉，等主编.医用物理实验教程.昆明：云南大学出版社，2005.