人体阻抗测量方法-大学物理实验

生物电现象是一切生物机体普遍存在的现象.人体的每一活动，如神经传导、肌肉兴奋、心脏跳动、大脑活动及腺体分泌等，都伴随着电现象.人体生理机能发生改变时，就会发生相应的电变化，如正常心电图和病理心电图就不一样.现代医学上已广泛利用心电图、脑电图、肌电图及皮肤电图等记录有关生物电变化的信息，作为判断各组织活动的生理和病理状态的重要指标.

生物电现象是生命活动的重要过程之一，该过程中必然涉及阻抗.了解和测量人体阻抗及阻抗频率特性有利于了解人体生理过程及疾病诊断.本实验主要介绍人体阻抗及阻抗频率特性的测量.

【实验目的】

（1）了解人体阻抗的概念及阻抗的等效电路.

（2）熟悉人体阻抗的测量方法.

（3）了解不同情绪下人体阻抗的变化.

（4）熟悉人体阻抗频率特性的测量.

【实验原理】

人体是由各种组织构成的非常复杂的导体，人体阻抗是皮肤阻抗和其他组织阻抗之和，皮肤阻抗远大于其他组织的阻抗.

1.阻抗

在直流电路中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，但是在交流电路中除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗.它们的计量单位与电阻一样是欧姆，而大小则和交流电的频率有关.在具体电路中，阻抗由电阻、容抗和感抗三者组成，由于容抗和感抗还有相位角度的问题，因此三者不是简单相加.实验证明，人体阻抗具有容性阻抗的特点，可以用模拟方法进行解释.

2.皮肤阻抗

皮肤的最外层是表皮，包括角质层，其中有汗腺孔，下面是真皮和皮下组织，其中有大量血管.真皮和皮下组织的导电性较好，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，类似于电容器的绝缘介质，真皮和电极片类似于电容器的两极板，如图4-3-1所示.

图4-3-1　皮肤的结构

图4-3-2　皮肤阻抗的模拟电路

由于汗腺孔有少量的离子通过，所以可把表皮模拟为漏了电的电容器，看成纯电容C和纯电阻R的并联.表皮阻抗为

式中，ω，f分别为交流电的角频率和频率.

因此，可以把皮肤阻抗模拟为电阻电容的组合，如图4-3-2所示.

由以上分析可知，影响皮肤阻抗的主要因素有：

（1）皮肤的干湿度对皮肤阻抗的影响：当皮肤潮湿时，汗腺孔里水分很多，R减少，皮肤阻抗下降；反之，皮肤干燥时，汗腺孔里水分很少，R增大，皮肤阻抗增加.

（2）交流电的频率对皮肤阻抗的影响：交流电的频率f越小，皮肤阻抗越大；反之，f越大，皮肤阻抗越小.所以，皮肤阻抗是随交流电频率的增加而减少的，具有容性阻抗的特点.

皮肤阻抗变化还受到交感神经调节，在情绪紧张或激动时，交感神经活动度发生变化，人体皮肤汗腺孔水分增多，皮肤阻抗发生变化.因此，皮肤阻抗的测定是反映人体心理的放松和紧张程度、情绪波动、性格特征的重要依据.人类手掌被认为是“精神性出汗区”，其汗腺功能与身体其他部位的体温调节出汗不同，主要对精神性活动或感觉刺激反应敏感.

3.其他组织阻抗

电流通过皮肤后，就进入组织，组织的阻抗远远小于皮肤阻抗，其导电性取决于含水量和相对密度.体内有各种生物膜（如细胞膜），把两种导电性很好的溶液分开，膜对离子有选择渗透性，可把生物膜看成漏电电容器，是膜电容C和膜电阻R的并联，膜阻抗也可由式（4-3-1）进行分析.细胞间质导电性强，可模拟为电阻R′，因此可把其他组织看成电阻和电容的组合，如图4-3-3所示.

图4-3-3　生物膜的模拟电路

图4-3-4　机体的模拟电路

4.人体阻抗

上述分析可知，人体阻抗是皮肤阻抗和其他组织阻抗之和，是大小不同的电阻和电容的复杂组合，机体等效电路如图4-3-4所示.影响人体阻抗的主要因素是皮肤的干湿度、人体组织特性和交流电的频率.人体阻抗还包括接触电阻，即电极与皮肤接触的松紧、接触面积的大小、接触面的清洁程度、电极与皮肤之间有无导电膏等因素会影响人体阻抗.此外，性别、年龄、皮肤的血液循环状态、病理过程、神经系统的活动等也对人体阻抗产生影响.

【实验器材】(www.xing528.com)

直流稳压电源、信号发生器、万用电表、电阻器、电极、导线、NaCl溶液、棉球、医用消毒酒精、医用橡胶手套等.

【实验内容与步骤】

图4-3-5　人体阻抗测量的实验装置示意图

1.人体直流阻抗的测量

图4-3-5是实验装置示意图，电源用直流稳压电源，实验中，电源输出电压为5.0V，电阻R1=1.0×104Ω.由欧姆定律可知，即人体直流阻抗为：

按图4-3-5连接电路，2人一组，分别测量对方直流阻抗.先用75%医用消毒酒精清洗左手拇指掌面中部（探点1）与左手小指掌面中部（探点2）的皮肤表面，酒精蒸发后，再涂一层导电液（NaCl溶液），用医用橡胶手套将两电极分别与上述两探点位置紧密接触且固定.

被测者坐好平静休息，情绪放松，左手掌张开，手指伸直，左前臂平放于实验台上，姿势以被测者自我感觉舒适为宜.待电路稳定3分钟后，用万用电表分别测量U和U1，测量3次，将数据记录在表4-3-1中.

被测者快速阅读2分钟后，用万用电表分别测量U和U1，测量3次；被测者快速握紧、放松右手拳头2分钟后，用万用电表分别测量U和U1，测量3次；被测者大幅度活动右臂2分钟后，用万用电表分别测量U和U1，测量3次；分别将数据记录在表4-3-1中.

注意：要按操作规程做，不要随意改变电源输出电压，更不能把市电直接接入人体，确保安全！

2.人体交流阻抗的测量

实验装置同样如图4-3-5所示，把直流电源换成信号发生器.电阻R1=5.1×103Ω.先把信号发生器输出细调逆时针调到底，使电压输出最小，然后打开电源开关，接通电路，逐渐增大输出使之为某一较小值（小于5V），改变信号发生器频率，并保持输出电压不变，分别测量U和U1，测量8次，将数据记录在表4-3-2中.同样，交流阻抗为：

同样应注意，不要随意改变电源输出电压，更不能把市电直接接入人体，确保安全！

【数据记录与处理】

1.人体直流阻抗的测量

表4-3-1　人体直流阻抗的测量数据（被测者姓名：_____________）

（1）情绪放松时，左手掌直流阻抗为=_________________；

（2）快速阅读2分钟后，左手掌直流阻抗为=________________；

（3）快速握紧、放松右手拳头2分钟后，左手掌直流阻抗为=_____________；

（4）大幅度活动右臂2分钟后，左手掌直流阻抗为=________________；

（5）回答问题：上述不同情况下，人体阻抗有何变化？为什么？

2.人体交流阻抗的测量

根据表4-3-2，作Z-f曲线.作图时，请参照1.5节中的知识，将各点连成光滑曲线，不要连成折线.根据Z-f曲线特点，说明Z随f的变化规律.

表4-3-2　人体交流阻抗的测量数据（被测者姓名：______________）

自学提纲

1.一般电路中，阻抗由哪三部分组成？

2.皮肤阻抗是如何构成的？画出其模拟电路.

3.影响皮肤阻抗的主要因素有哪些？

4.分析其他组织阻抗的构成，并画出其模拟电路.

5.情绪波动时，人体直流阻抗为什么会发生变化？