人体的电性质

一、人体的电性质

人体内流过电流时，如果电流密度约在1mA/cm²以下，可以认为它是线性电气材料。切出一小块组织或者在组织内插入电极，然后使用电桥等方法测量其阻抗，可求出该电气材料的常量值。

线性电气材料的性质以电导率κ和相对介电常数ε_s来表示，材料中电场e和电流密度i之间的关系如式（2-1）所示：

ｉ＝（κ＋ｊωε_０ε_ｓ）ｅ　　　　　（２-１）

其中，ε₀为真空中介电常数（8．85×10^-12F/m）。

图2-1　细胞的模型

为了了解线性范围内人体的电气性质，考虑如图2-1所示的细胞模型。

细胞大小多数直径在数十μm范围内。细胞膜几乎是完全绝缘膜，电容量约为1μF/cm²，而肌肉细胞为几十μF/cm₂。

细胞里面和外面都充满着电解液，其组成是不一样的，细胞内液和外液的电导率两者都约为10mS/cm，而相对介电常数和水相同，约为80。表2-1表明不同组织的常量值的差异程度以及和外加电场频率的关系。不同组织的电导率和介电常数差别并不大，血液比别的组织电导率大，皮肤电导率小。可见外加电场频率发生变化，常量值也改变，这是发生离散的结果。

表2-1　人体电特性

人体内通过的电流增大后，宏观地看电流密度约在1mA/cm₂以上时，神经、肌肉、感觉器等的细胞出现兴奋现象。以神经细胞为例来说明时，这恰好和电子线路中单稳态多谐振荡器相当。单稳态多谐振荡器电路如图2-2（a）所示，图中元件N的电流电压特性如图2-2（b）的曲线A所示。B是负载直线U＝U₀-R_i，A与B的交点为P，它表示电路的静态工作点，此点的电压为U₁，电流较小。

图2-2　单稳态多谐振荡器电路及电流的变化

现在由于某种原因，电容器C上电荷突然减小，设电压为U₂，电感L足够大时，电流i_L来不及突变，图中可明显地看到元件N的电流比i_L要大，电容上的电荷越来越减小，这个趋势是以加速度进行的，电路的工作状态一下子变动到Q点，暂时静止于此。

不久，流过电感L的电流增加。观测加于L上的电压，则可看到其电压随电流增加而增加。反之若电容上电荷增加，则按上述相同的说明，可以理解工作状态将经过R-S而返回P点。

用神经细胞的动作与单稳态多谐振荡器作比较。细胞膜内外的电势差相当于电路的电池。在人体的细胞膜中基于物质代谢使能量得到补充；可以把Na_＋离子排出细胞膜外，把K_＋离子吸到细胞膜内，它起到泵的作用（可叫做Na-K交换泵，主动转运等），从而产生细胞内外液体的组成的差异。由于这种浓度差，就产生了相当于一个70～100mV的电池，细胞内部比细胞外部电势低。

以某种方法例如通入电流等使膜电位发生变化，当变化不大时，膜只具有电容的性质，变化大时膜的性质则改变。膜对Na_＋离子的通透性是电压的函数，因此将急剧产生膜电位的变化→Na_＋离子进入细胞内→膜电位的变化这种循环作用，在某点开始膜电位自动发生大的变化。这个作用相当于图2-2线路上非线性负电阻元件N的作用，这种现象叫做细胞兴奋。

发生兴奋后不久，膜对Na_＋的通透性再次减小，同时对K_＋的通透性增大，于是膜电位回到与兴奋前相近的数值。这一点和图2-2的电路受电感作用而回到原处是不一样的。细胞兴奋时膜电位波形如图2-3所示。

图2-3　细胞兴奋时膜电位波形

图2-4　神经细胞模式图

神经细胞形状如图2-4所示，接受其他细胞来的信号或外部的刺激使细胞膜一部分兴奋时，由于脉冲波的膜电位变化，产生局部电流。此电流使邻近部分膜电位发生变化，并使该部分兴奋，如此下去，于是兴奋状态在细胞膜上以脉冲波形式传递下去。神经细胞有像臂状的细长部分伸展出去，通过神经细胞的轴索把兴奋传到突触，从突触放出兴奋性或抑制性的物质，使下一个细胞膜的电位向兴奋方向或抑制方向变化，当此电位变化达到某个值时，使这个细胞兴奋，如此下去，逐步把信号传出。

感觉器细胞或肌肉细胞的兴奋，本质上和神经细胞情况没有什么差别。当给感觉器细胞以适当刺激时，其膜电位发生改变，变化达到某一值后，细胞兴奋向下一个神经细胞发出信号。肌肉细胞的传递则是：信号先到达有关运动的神经细胞的前端，然后从神经细胞发出信号，肌肉细胞从它和神经细胞的结合处开始兴奋，接着兴奋传到肌肉细胞的全体，引起肌肉细胞收缩。当体内有电流流过时，感觉器或神经细胞兴奋可以把刺激感觉传到大脑，如直接刺激有关运动的神经或肌肉细胞时，则可能出现与意识无关的肌肉收缩。

当考虑电的安全性时，心脏具有重要的意义。心脏是由心肌细胞构成的，心脏在一定时间间隔内反复地进行收缩与舒张，起到泵的作用，使血液在全身循环。心肌兴奋一般是从窦房结开始，使相邻细胞依次兴奋，把兴奋传递下去，并由此和谐地保持着两个心房和两个心室的收缩的时间关系。如有电流流过心肌时，就会失去这种同步的收缩作用，心肌细胞则随意地开始收缩，血液就射不出去，这种状态叫做颤动。