低频电流下人体阻抗模型的研究
人体生物电阻抗的检测方法及其应用
人体生物电阻抗的检测方法及其应用
1、引言
在人体成分的研究中，测量人体生物电阻抗值可以得到水分、脂肪等与人体健康状况有关的信息，对人身体状况的监视、疾病的早期诊断有着重要的意义[1]。
人体组织的电阻抗特性比一般物体要复杂得多，最明显的特点是电阻抗的值会随着测量频率的变化而变化。
这是由于人体细胞内液体组织不是简单的表现为电阻的特性，细胞内水分与细胞膜的作用更多是以电容的特性存在。
图1 所示为人体皮肤电阻抗的等效电路模型[2]。
其中R1 为活性皮肤中的离子电阻；R2 是基于角质层中离子迁移率的电阻；CPE 是恒定相位角元件，RPOL、CPOL 为其两个参数，用来描述皮肤角质层中的介电弥散和损耗[3][4]。
图1 人体皮肤的等效电路模型该模型的总的导纳如（1）式所示：（1）其中：
显然，CPE 环节的存在，使得人体的生物电阻抗原则上无法用简单的R、C 元件所组成的集总参数电路模型来描述。
传统的人体生物电阻抗检测采用单频法，即只在一个固定频率下，利用正弦波信号进行测量，一般只测量电阻抗的模，所以实现简单，很适合在便携仪器上推广。
但是，单频法无法将CPE 的影响表现出来，测量结果容易出现较大的误差。
为了能够更准确地得到人体生物电阻抗的信息，需要有一种可同时检测多个频率点电阻抗的方法。
人体阻抗模型分析
人体阻抗模型分析作者：卢岳俊叶青钱雪伟来源：《科技风》2017年第07期摘要：从人体的构成，结合泄漏电流测试，分析常见的四种人体阻抗模型。
关键词：人体阻抗模型；泄漏电流；频率因数Abstract：From the composition of the human body， combined with leakage current test，analysis four kinds of common human body impedance model.Key words：Human body impedance model；Leakage current；Frequency factor1 人体人体是由上皮组织、结缔组织、肌肉组织、神经组织组成的，不同的组织导电性不同。
人体含有碳、氮、氢、氧、钙、钠等50多种元素，这些元素构成人体的五个主要成分，即水、糖、脂肪、蛋白质、无机盐。
由此可见，人体的体液实质上是一种比较复杂的特殊电解质。
人体内部大部分是导电能力较强的体液，表面则是一层导电能力较差的皮肤。
[ 1 ]2 人体阻抗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。
[ 2 ]角质层在人皮肤最外层的表皮，导电性能较差。
大量的血管分布在表皮下面的真皮和皮下组织里，导电性能较好。
在触电电极和导电性能较好的真皮之间夹了一层导电性较差的表皮，这结构相当于电容，而表皮有汗腺孔，会有少量离子通过，因此皮肤阻抗相当于漏电的电容。
皮肤下由无数细胞组成，含有各种不同的物质。
细胞内有细胞液，导电性较好，细胞膜由脂类物质组成，导电性差，细胞间有组织液，导电性较好，这样三个部分也组成了电容。
同时细胞膜具有选择透过性，可以通过一些特定离子，因此细胞的阻抗相当于漏电的电容。
人体中有无数个细胞，则存在无数类似的电容。
3 人体阻抗模型人体阻抗模型是利用电阻和电容元器件，模拟真实人体阻抗的模型。
人体阻抗模型相当于一个由电阻和电容器构成的复杂的串并联电路。
人体生物电阻抗的检测方法及其应用
人体生物电阻抗的检测方法及其应用1、引言在人体成分的研究中，测量人体生物电阻抗值可以得到水分、脂肪等与人体健康状况有关的信息，对人身体状况的监视、疾病的早期诊断有着重要的意义[1]。
人体组织的电阻抗特性比一般物体要复杂得多，最明显的特点是电阻抗的值会随着测量频率的变化而变化。
这是由于人体细胞内液体组织不是简单的表现为电阻的特性，细胞内水分与细胞膜的作用更多是以电容的特性存在。
图1 所示为人体皮肤电阻抗的等效电路模型[2]。
其中R1 为活性皮肤中的离子电阻；R2 是基于角质层中离子迁移率的电阻；CPE 是恒定相位角元件，RPOL、CPOL 为其两个参数，用来描述皮肤角质层中的介电弥散和损耗[3][4]。
图1 人体皮肤的等效电路模型该模型的总的导纳如（1）式所示：（1）其中：显然，CPE 环节的存在，使得人体的生物电阻抗原则上无法用简单的R、C 元件所组成的集总参数电路模型来描述。
传统的人体生物电阻抗检测采用单频法，即只在一个固定频率下，利用正弦波信号进行测量，一般只测量电阻抗的模，所以实现简单，很适合在便携仪器上推广。
但是，单频法无法将CPE 的影响表现出来，测量结果容易出现较大的误差。
为了能够更准确地得到人体生物电阻抗的信息，需要有一种可同时检测多个频率点电阻抗的方法。
脉冲式检测法是近几年发展起来的一种无损检测方法。
利用脉冲信号中所含有的多谐波频率成分，能够比正弦波信号激励提供更多的信息，并拥有更快的响应速度。
本文研制了一种以现场可编程门阵列（FPGA）为核心的脉冲式检测系统，利用该系统，对电阻抗的脉冲式检测方法的可行性进行了分析研究，在此基础上，对人体皮肤水分的脉冲式检测方法进行了实验分析。
2、电阻抗的脉冲式测量原理方波脉冲信号作为电阻抗测量的激励源，波形稳定，易于同数字电路结合实现，且具有较宽的频谱，在防止被测单元极化的同时，能够得到多频率点的信息。
图2 理想方波和实际方波的时域波形图3 理想方波和实际方波的频谱图图2、3 中的细实线为理想方波的时域波形及频谱，图2 中的粗实线、图3 中的虚线分别表示实际方波信号的时域波形及频谱。
安规测试面面观-浅谈人体阻抗模型(MD) & 接触电流测试方法
安规测试面面观–浅谈人体阻抗模型(MD) & 接触电流测试方法前言：在华仪电子前几期的电子报中曾经为各位介绍有关电源泄漏电流测试(Line Leakage Current Test, LLT)或是现在根据IEC60990所描述专为人体的泄漏电流测试称为”接触电流测试(Touch Current Test ,TC Test)”的应用和测试方法。
但在这一期的的电子报中我们将为各位介绍有关接触电流测试不可少的部份就是人体阻抗模型(Measuring Device, MD)，我们要知道因为是模拟人体的阻抗，所以会有男生和女生的差异，还有也会因为生病，人体的阻抗结构也会有所改变，当然外在因素如:触电的电压/频率、触电时间、接触面积、湿度环境都会有着绝对密切的关系。
人体阻抗模型Measuring Device(MD)人体的阻抗基本上可分为两种，一是皮肤阻抗(Skin Impedance)，一为人体内部阻抗(Internal Impedance)，所以总的人体阻抗(ZT)的定义为皮肤阻抗(Zp)与人体内部阻抗(Zi)的向量和。
人体阻抗的等效电路就如(图一)所示，其中Zp1及Zp2代表人身上任何两处，Zi代表人体内部的阻抗，人体阻抗分为皮肤阻抗和人体内阻抗的原因，乃是因为这两种阻抗无论是阻抗值或特性均有很大的差异：(图一)人体阻抗的等效电路(1) 皮肤阻抗Zp (Skin Impedance)人体的皮肤阻抗基本上是非常近似一个电阻和一个电容并联的等效阻抗，影响皮肤阻抗的因素很多如: 电压、频率、触电时间、接触面积、接触力度、皮肤湿度，甚至呼吸的状况都有关系。
底下将说明电压高低、频率大小、时间长短和湿度对人体皮肤阻抗的影响。
电压的影响：当电压在50V 以下时，皮肤的阻抗明显受到接触面积、室温及呼吸状况的影响；但当电压在50V以上时，皮肤阻抗则明显下降到几乎可以忽视的地步。
频率的影响：'当频率越高时，皮肤阻抗则越低，这也是为什么皮肤的阻抗等效电路会采用一个电容和一个电阻并联的原因。
低频电磁场作用下人体生物效应研究
低频电磁场作用下人体生物效应研究随着现代社会的不断发展和进步，人类的生活方式和工作条件也在不断改善与变化。
然而，伴随着科技进步和社会发展，人类也面临着一些新的问题，其中最为重要的一个就是低频电磁场对人体健康的影响问题。
低频电磁场是大自然中广泛存在的一种电磁波，它是由直流电或低频交流电引起的。
随着电子产品的普及和使用范围的扩大，人们经常面临着与低频电磁场的接触。
这些电磁场对人体的生物效应已经成为学界和社会普遍关注的问题之一。
一、低频电磁场的来源与分类低频电磁场是指频率在1Hz以下的电磁波。
该类电磁波最为普遍的来源是人类日常生活中所使用的各种电子产品。
例如手机、电视、电脑、微波炉、蓝牙耳机等等，这些电子产品都会产生低频电磁辐射。
除此之外，一些大型电力设备，如变压器、输电线路、电车等，也会产生较为丰富的低频电磁场。
根据频率的不同，低频电磁场可以分为极低频电磁场（ELF）和中频电磁场（MF）两种。
其中，ELF电磁场的频率小于100Hz，MF电磁场的频率范围为100Hz到10kHz。
二、低频电磁场的生物效应低频电磁场对人体健康的影响已经引起了广泛的关注。
大量的实验研究表明，低频电磁场对人体的生物效应是复杂而且不可逆的。
低频电磁场是一种非离子辐射，其特点是能量低、频率低，不足以产生化学反应。
但是，低频电磁场会在人体内部产生电荷和电流效应，这些效应会对生理系统产生影响。
1. 对中枢神经系统的影响低频电磁场能够干扰中枢神经系统的正常功能，导致一系列的生理和行为异常。
研究表明，长期暴露在低频电磁场下的人群，其神经系统功能异常，易患神经衰弱、失眠、抑郁等疾病。
2. 对生殖系统的影响低频电磁场对生殖系统的影响主要是由于其对生殖细胞的影响。
实验证明，长期接触低频电磁场的人群，男性的精子数量和活力会明显降低，女性的生殖能力下降。
3. 对心血管系统的影响长期接触低频电磁场对心血管系统的影响也是值得关注的问题。
研究表明，长期接触低频电磁场的人群，其心脏的心率变异性和心电图表现存在异常。
皮肤电阻抗模型的建立和实验研究
皮肤电阻抗模型的建立和实验研究皮肤电阻抗是指人体皮肤在电流作用下对电阻力的反应。
它是医学、生物学、体育科学、物理学和心理学等多个领域研究中的重要参数。
皮肤电阻抗的测量可以帮助人们了解不同电生理变量在不同疾病和生理状态下的变化，也可以作为一种身体状态检测的手段。
然而，为了更好地理解皮肤电阻抗的原理和应用，需要建立一个准确的皮肤电阻抗模型。
本文将就皮肤电阻抗模型的建立和实验研究进行讨论。
皮肤电阻抗模型的构成皮肤电阻抗模型是指将人体皮肤抽象成一个具有电学特性的模型。
皮肤电阻抗模型一般由四个电学元件组成，包括电阻、电容、感抗和电势源。
电阻是皮肤电流能量的衰减因素，也是影响皮肤电阻抗的主要因素之一。
电阻会受到皮肤的性质、温度、湿度和压力等因素的影响。
电容是指电磁场在物体中的存储能力。
皮肤电容的主要作用是存储交流电流和作为滤波器，减少不同频率电流的影响。
感抗是交流电流通过电感时产生的能量储存元件。
在皮肤电阻抗模型中，感抗对于低频电流的衰减和对高频电流的储存都有作用。
电势源是指在电路中提供电势差的元件。
皮肤电势源可以是人体内部发生的生理过程或外部刺激产生的外部电场。
实验研究为了验证皮肤电阻抗模型的准确性，需要进行一些相关实验研究。
以下是一些常见的实验方法。
1. 皮肤电阻抗测量皮肤电阻抗测量是一种常见的实验方法。
这种方法使用电极将电流注入皮肤并测量注入电流和产生的电压之间的关系。
根据欧姆定律，通过测量电流大小和电阻大小，就可以计算出皮肤的电阻值。
2. 皮肤电阻抗成像皮肤电阻抗成像可以对皮肤的电学特性进行三维成像。
这种方法使用一组电极在皮肤表面测量电压，将数据转换成电阻值，并使用其他技术进行成像。
3. 皮肤电阻抗测量与其他生理变量的关系皮肤电阻抗与其他生理变量，如心率、注意力和情感等之间存在一定的关系。
通过对这些关系进行研究，可以帮助人们更好地了解对应变量的产生机制和影响因素。
结论皮肤电阻抗模型是研究皮肤电阻抗的基础。
人体阻抗模型分析
２ 人 体 阻 抗 人 体阻抗是皮肤 阻抗和皮下其 它组织阻抗之 和， 它是 大小
４ ． ２ 感 知 与反 应 电 流人 体 阻抗 模 型
人体阻抗模 型是利用 电阻和电容元器件 ，模拟真实人体阻 抗 的模 型。人体 阻抗模 型相 当于一个 由电阻和电容器构成的复 杂的串并联电路。 ” 】 多种人体阻抗模型适用不同的情况 。 人体的 阻抗有性别 、 身体健康的差异 ， 同时与触 电的 电压 、 频率 、 接触面 积、 接触时间 、 环境湿 度都有着密切关系 。 在正常或故障情况下 ， 器具的带电部件 与绝缘表 面形成 的电流称为泄漏 电流 。泄漏 电 流包括人体 触及器具 时 ，由器具经人体到大地的电流或 由器具 经人体又 回到器具的电流。 在泄漏 电流 的试验 中， 使用人体阻抗 模 型来 测量流过人体 电流 的情况 ，根据实际情况选择合适 的人 体阻抗模型是测量泄漏电流的关键之一 。同时 因为 电气设备 的 不同 ， 不 同标准 中推荐使用的人体阻抗模 型也不尽相 同。 ４常见的 四种人体阻抗模型
４ ． １ 电 灼伤 电流 人 体 阻抗 模 型
人体对 电流 的感知和反应是流过人体 内部器 官的电流引起 的。 为了准确测量这些 电流 ， 此模 型是电灼伤人体 阻抗模型 的基 础 上考 虑补偿频率对人体效应阈值 的影响 ，增加 了 Ｒ 、 ｃ 。 低通 滤 波网络。其 中， Ｒ 、 Ｃ 两者并 联为皮肤 的接 触阻抗 ， 为人体 内部阻抗 ， Ｒ 、 ｃ 组成 的电阻电容分压网络实现加权 。 频率越 高 ， 则 流过人体 的电流效应阈值越大。 该 网模 型的频率 因数 ：
≯ 一
图 １ 是 Ｉ Ｅ Ｃ ６ ０ ９ ９ ０等标准 中采用 的人体阻抗模 型 ， 该模型为 电灼伤电流人体阻抗模 型。电灼伤是 当电流通过人体表皮和人 体构成 的阻抗时 ， 因为消耗功率所造 成。 该模 型只考虑 了人体模
低频电流下人体阻抗模型的研究
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 。 【 关键 词】 频 电流 ； 低 人体 阻抗 ； 型 模
［ 中图分 类号 】 １２ Ｒ １
［ 标识 码】Ａ 文献
【 编 号】１ ７ — ２ ０ ２ １ ）５ ａ 一 ３ — ２ 文章 ６ ３ ７ １ （０ ０ ０ （ ）０ ３ ０
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｄ ｌｏ ｕ ａ ｏ ｙ ｉ ｐ ｄ ｎ ｅ ｕ ｄ ｒ ｔ ｅ ｌ ｗ－ ｒ ｑ ｅ ｃ ｕ ｒ ｎ ｔ ｄ ｎ ｍｏ ｅ ｆｈ ｍ ｎ ｂ ｄ ｍ ｅ ａ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｃ ｒ ｅ ｔ
ｃ ｐ ｃ ｔ ｒ ， ｉ ｈ ｈ ｓ ａ ｎ ｔ ｒ ｆｔ ｅ ｃ ｐ ｃ ｔ ｎ ｅ ａ ａ ｉ ｓ ｗｈ ｃ ａ ａ ｕ ｅ ｏ ｈ ａ ａ ｉ ｃ ． ｏ ａ
【 ｙｗｏ ｄ 】 ｏ ｅ ｕ ｎ ｙｃ ｒ ｎ； ｍ ｎｂ ｄ ｅ ａ ｃ ； ｄ ｌ Ｋｅ ｒ ｓ Ｌ ｗ￣ ｑ ｅ ｃ ｕｒ ｔＨｕ ａ ｏ ｙｉ ｄ ｎ ｅ Ｍｏ ｅ ｅ ｍｐ
２１ ０ ０年 ５月第 ７卷第 １ 期 ３
・
实验 研 究 ・
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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]
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[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.
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[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.。