人体阻抗模型

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。

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。

电与人体的关系——附谈电话标准( UL 1459 ) 的MIU如果我们想要了解安规的标准是如何制定的，首先就必须了解人体和电之间究竟存在着什么样的关系。

然而我们很难以人体实验的方式，去探究其对电的各种反应。

因此，原则上有关的学者是经由下列两种途径来做此研究的。

其一乃先以动物做为实验对象，在确定某个电流值不会对生命构成危险时，再以此电流值在人体重新测试；而对生命会造成威胁的值数范围，均只以等式换算的方式来表示之。

其二则为搜集、集理以往触电事故资料而加以评估。

本文试着将这种关系分为人体的阻抗模型、触电的程度及变数、以及电压的限制三部分来讨论。

一、人体的阻抗模型人体的阻抗基本上可分为两种，一是皮肤阻抗( SKIN Impedance )，一为体内阻抗( Internal Impedance )，人体阻抗的等效电路就如图一所示，其中Z P1及Z P2，代表人身上任何两处的皮肤阻抗，Z i则是体内阻抗，而Z T则为以上阻抗的总和。

将人体阻抗分为皮肤阻抗与体内阻抗的原因，乃是因为这两种阻抗无论是阻值或特性均有很大的差异：(1) 皮肤阻抗—人体的皮肤阻抗基本上非常近似于一个电阻和一个电容并联的等效阻抗，其中的电容大约在0.22到0.05MF/cm2之间。

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、甚至呼吸的状态都有关系。

就电压的影响而言，当电压在50V以下时，皮肤的阻抗明显的受到接触面积、室温及呼吸状态的景响；但当电压在50V以上时，皮肤阻抗则明显地下降到几乎可以忽视的地步。

就频率影响而言，当频率越高时，皮肤阻抗则越低，这也是为什么皮肤阻抗的等效电路会采用一个电容和一个电阻并联的原因。

至于时间，则是只要触电时间超过几个毫秒，阻抗就会明显的减少；而于湿度方面，若皮肤沾湿了水，阻抗亦将会趋近于零。

综合上列之特点，我们可以简单而清楚地了解人体在触及一个50V电压时的状况。

首先由于皮肤的电容的充电特性使其阻阻抗几乎不存在，然后在电容充饱阻抗形成时，依然会在不到几个毫秒的时间内，阻抗明显地减少。

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。

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。

人体右前臂生物电阻抗模型参数和阻抗多频曲线相对斜率的关系【摘要】笔者利用多频阻抗测量仪对人体右前臂进行全阻抗测量，记录下靶区组织的RC网络模型参数Ri、Re、Cm的值，并且利用Matlab语言作出阻抗随频率连续变化的阻抗多频曲线。

计算出所有样本的阻抗多频曲线的相对斜率K，并且将K与所有获得的模型参数Cm 进行比较。

实验结果表明：比较所有样本的Cm和K值，发现随着Cm 的增加，相对斜率K是增加的。

随着Cm的减小，K也减小。

本研究意义在于分析阻抗三元件模型和阻抗多频曲线的相对斜率K的方法可用于人体脂肪厚度的等级鉴定。

【关键词】多频生物电阻抗测量仪参数 RC网络模型参数Cm 相对斜率K 前臂皮脂厚度The Connection BetweenPparameters of Bio impedance Model in the Right Forearm and Relative Slope of Multi frequency Bio impedance CurvatureLI Dong yun， YANG Yu xing， LUO Jie， LIANG Lin qing1. School of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan，Hubei 430074,China.；2.Journal of Hubei Vocational Technical College，Xiaogan, Hubei 432100,China.Abstract: The author measure the whole impedance in theright forearm with multi frequency impedance meter, and note down results of the RC network model parameters including Ri, Re and Cm in target tissue. Then draw Curve, impedance varies continuously with frequency, with the math tool Matlab, calculate K in all samples, and compare them with the Cm available. The result shows while Cm increases, K increases; while Cm decreases, K decreases as well. Finally, we can conclude that the method of analyzing connection between three component model and K can be applied to judge the scale of fat.Key words:Multi frequency bio impedance meter; Parameters; Cm in RC network model; Relative slope K; Thickness of fat in the forearm生物电阻抗测量分析法是目前国内外广泛采用的一种人体成分分析法，尤其是用于对人体脂肪含量的测定。