人体阻抗特性产生的物理机制
人体阻抗组成
人体阻抗组成
人体阻抗是指人体对交流电的阻抗，它由人体的组织、器官和液体等构成。
人体阻抗组成主要包括细胞膜的电阻、细胞间液的电导、细胞内液的电导以及细胞核的电导等几个方面。
细胞膜的电阻是人体阻抗的一个重要组成部分。
细胞膜的电阻是由细胞膜上的离子通道决定的，这些离子通道可以控制离子在细胞内外的传输。
细胞膜的电阻决定了细胞内外离子浓度的差异，进而影响细胞内外液体的电导率。
细胞间液的电导也是人体阻抗组成的重要部分。
细胞间液主要由细胞外液组成，其中包含了各种离子和分子。
这些离子和分子可以通过细胞间液传导电流，从而影响人体的阻抗。
细胞间液的电导率与其离子浓度有关，不同离子浓度的变化都会导致细胞间液的电导率发生变化。
细胞内液的电导也是人体阻抗组成的重要因素之一。
细胞内液主要由细胞内液体组成，其中包含了各种离子和分子。
细胞内液能够传导电流，从而影响人体的阻抗。
细胞内液的电导率与其离子浓度有关，不同离子浓度的变化都会导致细胞内液的电导率发生变化。
细胞核的电导也是人体阻抗组成的重要组成部分。
细胞核是细胞的重要组成部分，其中含有大量的核酸物质。
核酸物质能够传导电流，从而影响人体的阻抗。
细胞核的电导率与其中核酸物质的浓度有关，
不同核酸物质浓度的变化都会导致细胞核的电导率发生变化。
人体阻抗组成主要包括细胞膜的电阻、细胞间液的电导、细胞内液的电导以及细胞核的电导等几个方面。
这些组成部分相互作用，共同决定了人体的阻抗特性。
研究人体阻抗组成对于了解人体的生理状态、疾病诊断和治疗等方面具有重要意义。
人体 声阻抗
人体声阻抗一、生理结构人体是一个复杂的生物系统，其生理结构主要包括骨骼、肌肉、脂肪、呼吸道、消化道、五官等。
这些组成部分的物理特性，特别是声学特性，对于声音的传播和反射具有重要影响。
1.骨骼：人体骨骼的声阻抗较高，对于低频声音具有较好的传导性，因此，骨骼对于低频声音的影响较大。
2.肌肉：肌肉的声阻抗较低，对于高频声音具有较好的传导性，因此，肌肉对于高频声音的影响较大。
3.脂肪：脂肪的声阻抗介于骨骼和肌肉之间，对于中频声音具有较好的传导性，因此，脂肪对于中频声音的影响较大。
4.呼吸道：呼吸道是声音传播的主要通道，其内部空间的形状和大小会影响声音的传播和反射。
5.五官：五官是感受声音的主要器官，其结构和功能会影响声音的感知和理解。
二、生理过程人体生理过程中的呼吸、言语、吞咽等动作都会影响声阻抗。
1.呼吸：呼吸过程中，肺部和胸部的变化会导致声阻抗的变化，影响声音的传播和反射。
2.言语：言语过程中，声带的振动和口腔、鼻腔、咽喉等部位的形状和大小的变化会影响声音的传播和反射。
3.吞咽：吞咽过程中，食物在咽喉部位的流动会导致声阻抗的变化，影响声音的传播和反射。
三、病理状态人体在某些病理状态下，如炎症、肿瘤、损伤等，其生理结构和生理过程可能会发生变化，从而影响声阻抗。
1.炎症：炎症会导致人体组织肿胀、充血，使声阻抗发生变化。
例如，喉炎会导致声带肿胀，使声带振动频率降低，导致声音变低。
2.肿瘤：肿瘤的生长会改变人体组织的结构，影响声阻抗。
例如，喉部肿瘤可能会阻塞呼吸道，影响声音的传播。
3.损伤：损伤会导致人体组织的物理特性发生变化，影响声阻抗。
例如，骨折可能会改变骨骼的形状和大小，影响声音的传播。
四、声音信号处理人体声阻抗的变化对于声音信号处理具有重要的意义。
通过对人体声阻抗的研究和理解，可以更好地设计和优化声音信号处理算法，提高语音识别、言语治疗等方面的效果。
例如，在语音识别中，通过对人体声带振动的研究和理解，可以设计和优化语音特征提取算法，提高语音识别的准确性和稳定性；在言语治疗中，通过对患者声带状态的研究和理解，可以制定个性化的治疗方案，提高治疗效果。
人体电阻
人体阻抗不是纯电阻，主要由人体电阻决定。
人体电阻也不是一个固定的数值。
一般认为干燥的皮肤在低电压下具有相当高的电阻，约10万欧。
当电压在500~1000伏时，人体电阻便下降为1000欧。
表皮具有这样高的电阻是因为它没有毛细血管。
手指某部位的皮肤还有角质层，角质层的电阻值更高，而不经常摩擦部位的皮肤的电阻值是最小的。
皮肤电阻还同人体与带电体的接触面积及压力有关。
当表皮受损暴露出真皮时，人体内因布满了输送盐溶液的血管而具有很低的电阻。
人体电阻的大小是影响触电后人体受到伤害程度的重要物理因素。
人体电阻由（体内电阻）和（皮肤）组成，体内电阻基本稳定，约为500Ω。
接触电压为220V时，人体电阻的平均值为1900Ω；接触电压为380V时，人体电阻降为1200Ω。
经过对大量实验数据的分析研究确定，人体电阻的平均值一般为2000Ω左右，而在计算和分析时，通常取下限值1700Ω。
概述一般在干燥环境中，人体电阻大约在2千欧-20兆欧范围内；皮肤出汗时，约为lkΩ左右；皮肤有伤口时，约为800Ω左右。
人体触电时，皮肤与带电体的接触面积越大，人体电阻越小。
当人体接触带电体时，人体就被当作一电路元件接入回路。
人体阻抗通常包括外部阻抗（与触电当时所穿衣服、鞋袜以及身体的潮湿情况有关，从几千欧－几十兆欧不等）和内部阻抗（与触电者的皮肤阻抗和体内阻抗有关）。
一般认为，接触到真皮里,一只手臂或一条腿的电阻大约为500欧。
因此，由一只手臂到另一只手臂或由一条腿到另一条腿的通路相当于一只1000欧的电阻。
假定一个人用双手紧握带电体，双脚站在水坑里而形成导电回路，这时人体电阻基本上就是体内电阻约为500欧。
一般情况下，人体电阻可按1000－2000欧考虑。
人体允许的电流人体对0.5mA以下的工频电流一般是没有感觉的。
实验资料表明，对不同的人引起感觉的最小电流是不一样的，成年男性平均约为1.01mA，成年女性约为0.7mA，这一数值称为感知电流。
人体阻抗组成
人体阻抗组成人体阻抗是指人体对电流通过的阻力和阻抗的总和。
它是衡量身体组织对电流通过的能力的一种指标，可以用来评估身体的健康状况和身体成分的分布情况。
人体阻抗主要由两个部分组成：组织阻抗和电极阻抗。
组织阻抗是指电流通过身体组织时所遇到的阻力。
人体组织的阻抗大小与组织的密度、水分含量、脂肪含量等因素有关。
不同的组织对电流的阻力也不同，其中脂肪组织的阻抗较低，而肌肉组织的阻抗较高。
因此，通过测量电流通过身体时所遇到的阻力，可以推断出身体组织的成分和分布情况。
这也是一些身体成分分析仪器的工作原理，如体脂秤等。
电极阻抗是指电流通过电极与身体接触时所遇到的阻力。
电极是将电流输入到人体或从人体中输出的接触点，它的阻抗大小与电极的面积、材料、接触质量等因素有关。
电极阻抗的大小直接影响到测量结果的准确性和稳定性。
因此，在进行人体阻抗测量时，电极的选择和质量非常重要。
人体阻抗的测量通常通过双电极或四电极方法进行。
双电极法是将电流输入到人体的一部分，然后通过测量电压差来计算阻抗。
这种方法简单易行，但由于电流经过的路径较短，所以只能测量到局部的阻抗。
四电极法是将电流输入到人体的一部分，然后通过测量两个电极对之间的电压差来计算阻抗。
这种方法可以测量到整个身体的阻抗，结果更准确可靠。
除了用于评估身体成分和分布情况外，人体阻抗还可以用于其他方面的应用。
例如，在体育运动领域，人体阻抗可以用来评估运动员的身体素质和训练效果。
在医学领域，人体阻抗可以用于评估患者的营养状况和身体健康状况。
在科学研究领域，人体阻抗可以用于研究身体组织的电学性质和生物电传导机制。
人体阻抗是衡量人体对电流通过的阻力和阻抗的总和。
它由组织阻抗和电极阻抗两部分组成，可以用来评估身体的健康状况和身体成分的分布情况。
人体阻抗的测量方法有双电极法和四电极法。
除了用于评估身体成分和分布情况外，人体阻抗还具有其他应用价值。
电气安全5
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1.2. 伤害程度与电流持续时间的关系
人体总阻抗是包括皮肤阻抗及体内阻抗 的全部阻抗。
接触电压大致在 50V 以下时，由于皮肤 阻抗的变化，人体阻抗也在很大的范围 内变化；而在接触电压较高时，人体阻 抗与皮肤阻抗关系不大。
由于存在皮肤电容，人体的直流电阻高 于交流阻抗。
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通电瞬间的人体电阻叫做人体初始电阻 。在这一瞬间，人体各部分电容尚未充 电，相当于短路状态。因此，人体初始 电阻近似等于体内阻抗 。
摆脱电流的最小值称为摆脱阈值。 成年男性平均摆脱电流约为 16mA； 成年女性
平均摆脱电流约为 10.5mA；成年男性最小摆 脱电流约为9mA；成年女性最小摆脱电流约为 6mA；儿童的摆脱电流较成人要小。 对于正常人体；摆脱阈值平均为 10mA，与时 间无关。
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1.室颤电流和室颤阈值
室颤电流是指引起心室颤动的最小电流，其最 小电流即室颤阈值。室颤电流即致命电流。
通过人体电流的持续时间愈长，愈容易引起心 室颤动，危险性就愈大： 能量积累。电流持续时间愈长，能量积累愈多 ，心室颤动电流减小，使危险性增加。 与易损期重合的可能性增大。在心脏周期中， 相应于心电图上约 0.2S 的 T 波这一特定时间 对电流最为敏感，被称为易损期 。 人体电阻下降
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1.3. 伤害程度与电流途径的关系
热老化。一般在低压电气设备中，促使绝缘材 料老化的主要因素是热。
电老化。它主要是由局部放电引起的。在高压 电气设备中，促使绝缘材料老化的主要原因击穿
人体阻抗(参照分析)
人体阻抗人体阻抗是包括人体皮肤、血液、肌肉、细胞组织及其结合部在内的含有电阻和电容的全阻抗。
人体阻抗是确定和限制人体电流的参数之一。
人体阻抗的等值电路见图1。
图中，R s1和R s2是皮肤电阻，C s1和C s2是皮肤电容，Ri 及与其并联的虚线支路是体内阻抗。
皮肤表面0．05～0．2mm厚的角质层的电阻值很高。
在干燥和干净的状态下，其电阻率可达1×105～1×106Ω·m。
但因其不是一张完整的薄膜，又很容易受到破坏，故计算人体阻抗时一般不予考虑。
人体电容很小，工频条件下可忽略不计。
皮肤阻抗在人体阻抗中占有较大的比例。
体内阻抗是除去表皮之后的人体阻抗。
人体阻抗是皮肤阻抗与体内阻抗之和。
图1 人体阻抗等值电路人体阻抗受皮肤状态、接触电压、电流、接触面积、接触压力等多种因素的影响，在很大的范围内变化。
在皮肤干燥、电流途径从左手到右手、接触面积为50～100cm2的条件下，人体阻抗见下表。
电流途径左手到右手，或单手到单脚时的人体阻抗曲线见图2。
图2 人体阻抗角质层的击穿强度只有500～2 000V／m，数十伏的电压即可击穿角质层，使人体阻抗大大降低。
接触电压在50～100V以下时，随着接触电压升高，人体阻抗明显降低。
在角质层击穿后，人体阻抗变化不大。
皮肤击穿后，人体阻抗近似等于体内阻抗。
随着电流增加，皮肤局部发热增加，使汗液增多，人体阻抗下降。
电流持续时间越长，人体阻抗下降越多。
皮肤沾水、有汗、损伤、表面沾有导电性粉尘等都会使人体阻抗降低。
接触压力增加、接触面积增大也会使人体阻抗降低。
例如，干燥条件下的人体阻抗约为1 000～3 000Ω，而用导电性溶液浸湿皮肤后，人体阻抗锐减为干燥条件下的1／2。
此外，女子的人体阻抗比男子的小、儿童的比成人的小、青年人的比中年人的小。
遭受突然的生理刺激时，人体阻抗可能明显降低。
——摘自《安全科学技术百科全书》（中国劳动社会保障出版社，2003年6月出版）。
生物电阻抗特性研究
学生实验报告
实验课程名称医学物理实验
开课实验室
学院年级专业班
学生姓名学号
开课时工程学院制
《医学物理实验》实验报告
开课实验室： 年 4月9 日
学院
生物工程学院
年级、专业、班
姓名
成绩
课程
名称
医学物理实验
实验项目
名称
生物电阻抗特性研究
指导教师
教师评语
教师签名：
年月日
抗模拟等效电路如图2。
2．皮下其它组织阻抗的特性
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 ≈1018 Ω⋅m)，它相当于电容
器的中间介质，而膜蛋白的电阻率ρ值相对低得多，再加上蛋白的功能特性，在宏
观上膜两侧造成特定的导电状态，膜蛋白产生了膜电阻R1，细胞膜产生的阻抗等
同频率时手臂的交流阻抗，作出Z手～1gf曲线，并根据变化规律说明猪肉的频
率特性。
4. 研究影响猪肉电阻抗的因素
人体阻抗不仅与人的性别、年龄有关，还与人的心理状态有明显的关系。心情紧张时，难以测出手臂两端的电压，也就无法按实验电路得到阻抗。 皮肤阻抗是人体总阻抗的主要部分。它是经常变化很大的非线性电阻。引起这种阻抗变化的原因，不仅是随电流增加而下降，而且还与电压高低、通电时间的长短、皮肤的湿度和温度、皮肤表面形状和接触状态、男女老幼以及健康状况
效于R1、C并联电路。膜内外组织液的阻抗等效于纯电阻R2和R3，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。
总之，人体阻抗是皮肤阻抗和皮下其它组织阻抗之和，是大小不同的电阻和
电容的复杂组合。人体阻抗的特性实质上是电容阻抗的特性。
人体阻抗
人体阻抗————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：人体阻抗人体阻抗包括皮肤阻抗和体内阻抗，其等效电路如下图所示。
图1人体阻抗等效电路1、皮肤阻抗皮肤阻抗是指表皮阻抗，即皮肤上电极与真皮之间的电阻抗，以皮肤电阻和皮肤电容并联来表示。
皮肤电容是指皮肤上电极与真皮之间的电容。
皮肤阻抗在人体阻抗中占有较大的比例。
当皮肤被击穿后，其阻抗可忽略不计。
2、体内阻抗体内阻抗是除去表皮之后的人体阻抗，虽存在少量电容，但可以忽略不计。
因此，体内阻抗基本上可以视为纯电阻。
不同电流途径的体内阻抗值：3、人体总阻抗人体总阻抗是人体皮肤阻抗和体内阻抗之和。
人体的阻抗不是固定不变的，而与下面若干因素有关。
（1）皮肤状况皮肤潮湿和出汗时，以及带有导电的化学物质和导电的金属尘埃，特别是皮肤破坏后，人体阻抗急剧下降。
因此，人们不应当用潮湿的，或有汗、有沾污的手去操作电气装置。
（2）接触电压接触电压增加，人体阻抗明显下降。
（3）电源的频率人体阻抗与电源频率的关系如图1-15所示。
图中，A为接触面积。
（4）接触面积人体阻抗与人体接触带电体的接触面积有关，从图1-15中也可以看出这种关系，可以认为人体阻抗与接触面积成反比。
人体与带电体接触的松紧也影响人体的阻抗。
（5）其他因素体内阻抗与电流途径有关；女子的人体阻抗比男子的小，儿童的比成人的小，青年的比中年人的小；遭受突然的生理刺激时，人体阻抗可能明显降低；环境温度高或空气中的氧不足等，都可使人体阻抗下降。
图2人体阻抗与电源频率的关系。
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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，并用物理学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，以达到好的治疗及诊断效果。
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：
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)
计算得之，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）
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）
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Zλlg f关系曲线。
表1 实验数据（略）
注：人体手臂阻抗的实验计算机公式：Zλ=UλUR·R (其中R=×103 Ω)。
图5 人体阻抗随电频率f而变化的曲线
以上的Zλlg 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。
【参考文献】
1 周希贤，等主编.生物医学电子学及实验.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.。