生物阻抗特性及测量的国内外现状

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1、生物阻抗特性及测量的国内外现状生物阻抗：人类很早就了解到生物的电阻特性，也给出了生物体产生电阻的原因：它是当细胞内外液中电解质离子在电场中移动时，黏滞介质和狭小管道对离子运动的阻碍作用所致。进一步的研究表明，当低频电流通过时，生物结构具有更为复杂的电阻性质，可分解为不随时间变化的分量和随时间变化的分量。前者就是普通的直流电阻成分，在一定限度内阻值保持不变，电流与电压呈线性关系，起变阻器作用；后者随外加电压时间的延长，电流和电压的变化呈非线性变化，即具有交流电阻抗特性（或成分），起滤波器的作用。目前，这两种作用是解释神经和肌肉等组织兴奋和冲动的基础。在

2、描述物质的电阻特性时，有两个重要的概念：一是电阻率；二是电导率。它们之间互为倒数，都是表示物质导电性能的物理量。表5.1中列出了一些生物组织的电阻率和电导率。可以看出，人体内各种组织的电阻率极不相同，血清电阻率最低，肌肉次之，肝、脑等组织的电阻率稍高，脂肪和骨骸的电阻率最高，肿瘤组织与正常组织亦有差别，在身体内这些组织交叉组合形成了非均质导体。表1各种组织的电阻率和电导率组织电阻率（CD■cm）电导率1(104Q-cm)组织电阻率((0■cm)电导率1(109・cm)0.9%氯化钠溶液50140脾630血清70—78105乳常正房430全血160—2

3、3056—85乳癌170肌胳肌470—71158~90肾髓质400—心肌（无血）50~107皮质610（灌满血）207~224脂肪1808~22050.4肝506—6726〜90脑灰质480—肺（呼气）4015~55白质750（充气）744~766————生物膜具有电容特性，有关研究表明，生物膜不但具有静态电容性质,而且还具有极化电容性质，即当外加交流电时，生物膜的电容率不仅变化,膜的电容值也要发生变化。有关细胞的许多电特性研究表明，一般活细胞表面带有负电荷，细胞内部电场为零，内部为等势区，只是在细胞膜上存在电场，因此细胞膜可以看作是一个电容器。19

4、25-1927年，H•弗里克用阻抗法测出狗的红电球细胞单位面积的电容值为0.81

5、iF・ciTf2,根据实验结果，弗里克提出了他的假设，认为多数类型细胞膜为一球形膜，膜是由双分子层脂类分子组成，其相对电容率为&二3。根据球形电容器公式可知，膜单位面积的电容公式为通过上式可得细胞膜的厚度为^3nmo而现代测量手段（如X射线和电镜等）测出的各种细胞膜厚度为7~10.5nm,结果不相吻合，这说明弗里克假设的细胞膜结构存在缺陷。更新的研究表明，细胞膜的结构除双分子层脂膜外，在其两侧各覆盖一层蛋白质层，形成蛋白质-脂类物-蛋白质的三重结构，如图5.2所示，它的

6、相对电容率为如果将此值代入式（5.4）,得到的细胞膜厚度为長10nm,与现代技术所测结果吻合得极好，说明了膜电容存在的真实性。MWill对于细胞膜和细胞质而言，细胞膜既存在电容，又存在电阻；而细胞质只存在电阻。表5.2列出了一些细胞的电学参量。图5.2细胞膜的片层结构

7、~1在现代生物学中，对于生物器官、组织及细胞电阻抗的研究有着非常重要的理论价值。例如，由细胞膜电容值的测定，人们认识了膜的双分子层结构；从肌肉细胞膜的高电容（1.5

8、1F■cm-2）特性导出了肌肉细胞膜的折叠性质；通过测定神经细胞受刺激后阻抗下降、电导率增加规律，为人类对神经兴奋、传导

9、和自发过程的认识提供了理论基础。另外，通过生物电阻抗的测定，在医学上可以诊断机体的健康状况。表2某些细胞的电学性质对象cmBmrmCD说明酵母0.687°—4602000海卵细胞Arbacia1.190°1002102.5X104单个细胞悬液人类红细胞0.890°———肌肉Ranapipieens1.570°4025015与纤维轴垂直神经：乌贼（静止时）1.175°10330与纤维轴平行乌贼（兴奋时）1.175°2590530与纤维轴垂直蛙坐骨神经0.5540°5602300与纤维轴垂直猎坐骨神经0.6540°—7201000与纤维轴垂直注：①创为单

10、位面积膜电容（gF-cm-2）；弘为单位面积膜的相角（度）；②©为单位面积膜电阻（0）-cm2）,匚为单位面积细胞质电阻（0）-cm2）；③血为特征频率(KHz),它是阻抗最大时的频率。在生物电阻抗的研究中，多数人认为生物组织仅是电阻和电容组成，没有电感性质。但某些实验表明，神经细胞在改变细胞外液的离子成分时，尤其是改变钙离子浓度的情况下，发现有正性电抗成分，显示有电感元件的可能。但在一般情况下，我们通常不考虑电感元件的作用。技术基础：生物电阻抗(ElectricalBioimpedance)技术，亦称生物阻抗(Bioimpedance)或简称为阻抗

11、(Impedance)技术，是利用生物组织与器官的电特性及其变化提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的