血液的交流电导特性研究
作者：黄 华 袁支润 胡茂清 康振黄
单位：(黄华 袁支润 康振黄)四川大学 生物医学工程研究所，成都 610065；(胡茂清)四川省卫生管理干部学院 医学系，成都 610041
关键词：血液；交流电导；频谱特性
生物医学工程学杂志990214 摘要 对血液的交流电特性做了较全面的研究。针对血液这一特殊对象，在测试方法及测量系统设计中做了较深入的工作。在1 Hz～10 MHz频率范围内测定了正常成人全血的电频谱特性。实验发现，正常成人血液电导随测量信号频率增加在100 Hz～10 kHz范围内有显著的增加，但相位基本不变。考虑到血液的这一电特性，将对以前电导法测红血球压积、血液粘度等工作做一定的补充和修正，并帮助我们建立更合理的血液等效电模型。
The Alternation Current Conductive Property of Blood
, 百拇医药
Huang Hua Yuan Zhirun Hu Maoqing Kang Zhenhuang
Biomechanics Institute, Sichuan University, Chengdu 610065
Medical Department,Sichuan Education College of Medical Science, Chengdu 610041
Abstract The blood electro-frequency properties of normal human body were investigated in the range of 1Hz-10MHz. The method of testing and the equipment were examined to meet the need for the measurment of blood property. In the experiment, it was discovered that the electric conductivity of blood increased obviously with the increase of testing frequency in the rage of 100Hz-10KHz, but almost no change in phase was noted. This result suggests it is necessary to modify the previous work and build up a reasonable equivalent electric model of blood.
, 百拇医药
Key words Blood Alternation current conductance Frequency property
1 引 言
血液是生物机体的重要组成部分，包含重要的生理病理信息，现代血液成分分析，生化检测已广泛应用于临床医学的生理病理检测诊断中。作为血液物理特性的一个重要方面，血液的电学特性同力学特性等具有同样重要的研究价值。
血液的物质组成结构决定了它在交变电场作用下表现为阻容抗特性，迄今，许多学者的研究充分证实了这一点[1，2]。同时，借助于血液的电特性，不少学者研究了红细胞压积与血液粘度，以及流动状态下的红细胞聚集——沉降，红细胞取向、变形等[3，4]。但是，大多数学者在采用阻抗法研究血液电特性时，仅使用了单一较低频率的测量信号，因此，只注意了红细胞作为绝缘粒子对全血电场的影响，而急略了其本身的电特性。另一方面，在建立血液及血红细胞电模型时，已有学者用了三单元血液电模型[5，6]，能分别反应一定条件下血液及血红细胞的特征。该方法将血液宏观等效为红细胞内液总电阻R1和红细胞膜总电容C串联后再与血浆总电阻R0并联，即血液表现为一复阻抗：
, 百拇医药
Z=R1+jωC//R0=R0(1+jωCR1)/1+jωC(R0+R1)
通过选取低、中、高三个不同频率测试信号即可测定并计算出R0、R1和C。在血液特别是红细发生生理病理改变时，R0、R1和C值将发生变化。因此利用该方法为血液的研究，特别是血液、血红细胞状态功能的检测提供了一种新途径。当然，这种等效方法特别是测量信号的选取还存在较粗糙和盲目等问题，我们的研究将就此说明。
2 材料和方法
2.1 测量原理
由于血液具有电阻容抗特性，为全面反映血液在较宽频带的频率特性，同时也考虑到更好的保证测试的准确和较高精度，因此，采用图1测量原理及方法。
, 百拇医药
图1 血液电导测量原理
Fig 1 Measurement principle of blood conductance
图1中S为可调频率正弦信号源；RS为标准电阻；Rx和Cx反映血液的复阻容特性。因为：
i＝s+x
所以i、s和x的关系可用矢量图2表示。测量时，如能测出不同频率时i、s和x的模｜i｜、｜s｜和｜x｜，即可计算出血液的幅频值A(f)，相频值φ(f)。
, 百拇医药
从而在宽频率范围测量，计算并绘出血液的幅频曲线A(f)～f；相频曲线φ(f)～f。
图2 血液等效矢量图
Fig 2 Equivalent vector diagram of blood
2.2 测量电路
在反复多次设计、制作、实验的基础上，最终完成了一整套宽频率范围血液电阻抗测试仪系统，框图如图3。
图3 血液交流电导测量系统框图
Fig 3 Alternation current conductance measurement system of blood
, http://www.100md.com
测试样品池为一容积0.1 ml的同芯内外镀金圆柱形电极间，测量血液用针管方式吸入并保证无不充盈区或气泡。
2.3 样品制备
实验中随机选取了正常成年男女各5人，手臂静脉抽饿血，肝素抗凝血用。在抽入测量样品池中进行测试前，摇匀并在5 min内完成全频段采样测试。抽血后在8 h内测完。实验均在26 ℃同一温度及相同环境条件下进行。
3 结果及讨论
实验结果如图4，图5。为正常人血液在1 Hz～10 MHz范围的典型幅频曲线和相频曲线。实验表明，正常人血在低频时电导率低，且主要表现为容性电导，但随测试频率不断增高时，电导增加，并逐渐转变成纯阻性电导。在50 Hz～20 KHz范围幅度变化最快，但相位基本不变。幅频和相频曲线表明，血液电导不能用简单的网络电路等效[7]。
, 百拇医药
图4 血液的电导幅值-频率曲线
Fig 4 Conductance-frequency curve of blood
图5 血液的相位-频率曲线
Fig 5 Phase-frequency cureve of blood
因血液电导与测试信号的频率紧密相关，所以，在利用血液电导方法研究红细胞压积、血液粘度以至红细胞特性时，测试信号的频率影响因素必须充分考虑，选择哪一段频率更好，值得深究。不同频率段的血液电特性能反映血液的不同特性，如考虑到红细胞变形可改变血液作为容积导体的离子通道，从而改变血液在纯阻频段的阻抗，因此，可用此频段更主要的研究血红细胞的变形行为。当用简化等效三单元模型描述血浆、红细胞内液及红细胞膜的性质时，也必须选择同一频点附近进行测量，在不同频率测量时，等效参数R0、R1和C取值将有较大变化。事实上生物有机组织的电学性质往往反映出有较大的非线性特性。
, 百拇医药
在血液电导测量时，测量信号本身将可能引起血液的电化学反应等[8]，破坏实验条件或带来测量误差，因此，必须减小测量信号强度和缩短测量时间，这将使实验更加困难，也是我们必须设计制作专用测量系统的原因。同时，环境因素如温度、血液离体时间、血液抗凝处理以及血细胞破坏程度等都是不可忽略的影响因素。
新近实验已进一步观察到血液不同成分，如血浆内不同生物大分子浓度、不同的血红细胞压积、血细胞的变形性、聚集等，都将影响血液的交流电特性，并因血液这些不同的组成和状态而在不同的频率有更特征的表现，进一步的工作正在深入。
参考文献
1 Visser KR.Resistivity of stationary and flowing human blood. 6th ICEBI, 1986;29
2 Robinson KR. The responses of cell to electerical fields:A review. J. Cell Biology, 1985;101∶2023
, http://www.100md.com
3 Wen ZY. Study of red cell deformability with electrical conductivity method. Clinical Hemorheology, 1988;8∶250
4 Hill DW. The effect of haematocrit on the resistivity of human blood at 37℃ and 100KHz. Med Biol Eng, 1975; 13∶182
5 Zhao TX. Electrical impedance and haematocrit of blood with various anticoagulants. Physiol Meas, 1993;14∶145
6 Wang HY. Multi-frequency impedance method to study electrical characteristics of blood. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 1997;16∶223
7 Kanai H. Physical properties of flowing blood. Biorheology, 1988;25∶391
8 Wang Q. Electrochemical reactions in tissue ulture Medium under the direct stimulation. J Biomed Eng, 1994;11∶143
收稿：1998-03-05 修回：1998-05-26, 百拇医药
单位：(黄华 袁支润 康振黄)四川大学 生物医学工程研究所，成都 610065；(胡茂清)四川省卫生管理干部学院 医学系，成都 610041
关键词：血液；交流电导；频谱特性
生物医学工程学杂志990214 摘要 对血液的交流电特性做了较全面的研究。针对血液这一特殊对象，在测试方法及测量系统设计中做了较深入的工作。在1 Hz～10 MHz频率范围内测定了正常成人全血的电频谱特性。实验发现，正常成人血液电导随测量信号频率增加在100 Hz～10 kHz范围内有显著的增加，但相位基本不变。考虑到血液的这一电特性，将对以前电导法测红血球压积、血液粘度等工作做一定的补充和修正，并帮助我们建立更合理的血液等效电模型。
The Alternation Current Conductive Property of Blood
, 百拇医药
Huang Hua Yuan Zhirun Hu Maoqing Kang Zhenhuang
Biomechanics Institute, Sichuan University, Chengdu 610065
Medical Department,Sichuan Education College of Medical Science, Chengdu 610041
Abstract The blood electro-frequency properties of normal human body were investigated in the range of 1Hz-10MHz. The method of testing and the equipment were examined to meet the need for the measurment of blood property. In the experiment, it was discovered that the electric conductivity of blood increased obviously with the increase of testing frequency in the rage of 100Hz-10KHz, but almost no change in phase was noted. This result suggests it is necessary to modify the previous work and build up a reasonable equivalent electric model of blood.
, 百拇医药
Key words Blood Alternation current conductance Frequency property
1 引 言
血液是生物机体的重要组成部分，包含重要的生理病理信息，现代血液成分分析，生化检测已广泛应用于临床医学的生理病理检测诊断中。作为血液物理特性的一个重要方面，血液的电学特性同力学特性等具有同样重要的研究价值。
血液的物质组成结构决定了它在交变电场作用下表现为阻容抗特性，迄今，许多学者的研究充分证实了这一点[1，2]。同时，借助于血液的电特性，不少学者研究了红细胞压积与血液粘度，以及流动状态下的红细胞聚集——沉降，红细胞取向、变形等[3，4]。但是，大多数学者在采用阻抗法研究血液电特性时，仅使用了单一较低频率的测量信号，因此，只注意了红细胞作为绝缘粒子对全血电场的影响，而急略了其本身的电特性。另一方面，在建立血液及血红细胞电模型时，已有学者用了三单元血液电模型[5，6]，能分别反应一定条件下血液及血红细胞的特征。该方法将血液宏观等效为红细胞内液总电阻R1和红细胞膜总电容C串联后再与血浆总电阻R0并联，即血液表现为一复阻抗：
, 百拇医药
Z=R1+jωC//R0=R0(1+jωCR1)/1+jωC(R0+R1)
通过选取低、中、高三个不同频率测试信号即可测定并计算出R0、R1和C。在血液特别是红细发生生理病理改变时，R0、R1和C值将发生变化。因此利用该方法为血液的研究，特别是血液、血红细胞状态功能的检测提供了一种新途径。当然，这种等效方法特别是测量信号的选取还存在较粗糙和盲目等问题，我们的研究将就此说明。
2 材料和方法
2.1 测量原理
由于血液具有电阻容抗特性，为全面反映血液在较宽频带的频率特性，同时也考虑到更好的保证测试的准确和较高精度，因此，采用图1测量原理及方法。
, 百拇医药
图1 血液电导测量原理
Fig 1 Measurement principle of blood conductance
图1中S为可调频率正弦信号源；RS为标准电阻；Rx和Cx反映血液的复阻容特性。因为：
i＝s+x所以
i、s和x的关系可用矢量图2表示。测量时，如能测出不同频率时i、s和x的模｜i｜、｜s｜和｜x｜，即可计算出血液的幅频值A(f)，相频值φ(f)。, 百拇医药
从而在宽频率范围测量，计算并绘出血液的幅频曲线A(f)～f；相频曲线φ(f)～f。
图2 血液等效矢量图
Fig 2 Equivalent vector diagram of blood
2.2 测量电路
在反复多次设计、制作、实验的基础上，最终完成了一整套宽频率范围血液电阻抗测试仪系统，框图如图3。
图3 血液交流电导测量系统框图
Fig 3 Alternation current conductance measurement system of blood
, http://www.100md.com
测试样品池为一容积0.1 ml的同芯内外镀金圆柱形电极间，测量血液用针管方式吸入并保证无不充盈区或气泡。
2.3 样品制备
实验中随机选取了正常成年男女各5人，手臂静脉抽饿血，肝素抗凝血用。在抽入测量样品池中进行测试前，摇匀并在5 min内完成全频段采样测试。抽血后在8 h内测完。实验均在26 ℃同一温度及相同环境条件下进行。
3 结果及讨论
实验结果如图4，图5。为正常人血液在1 Hz～10 MHz范围的典型幅频曲线和相频曲线。实验表明，正常人血在低频时电导率低，且主要表现为容性电导，但随测试频率不断增高时，电导增加，并逐渐转变成纯阻性电导。在50 Hz～20 KHz范围幅度变化最快，但相位基本不变。幅频和相频曲线表明，血液电导不能用简单的网络电路等效[7]。
, 百拇医药
图4 血液的电导幅值-频率曲线
Fig 4 Conductance-frequency curve of blood
图5 血液的相位-频率曲线
Fig 5 Phase-frequency cureve of blood
因血液电导与测试信号的频率紧密相关，所以，在利用血液电导方法研究红细胞压积、血液粘度以至红细胞特性时，测试信号的频率影响因素必须充分考虑，选择哪一段频率更好，值得深究。不同频率段的血液电特性能反映血液的不同特性，如考虑到红细胞变形可改变血液作为容积导体的离子通道，从而改变血液在纯阻频段的阻抗，因此，可用此频段更主要的研究血红细胞的变形行为。当用简化等效三单元模型描述血浆、红细胞内液及红细胞膜的性质时，也必须选择同一频点附近进行测量，在不同频率测量时，等效参数R0、R1和C取值将有较大变化。事实上生物有机组织的电学性质往往反映出有较大的非线性特性。
, 百拇医药
在血液电导测量时，测量信号本身将可能引起血液的电化学反应等[8]，破坏实验条件或带来测量误差，因此，必须减小测量信号强度和缩短测量时间，这将使实验更加困难，也是我们必须设计制作专用测量系统的原因。同时，环境因素如温度、血液离体时间、血液抗凝处理以及血细胞破坏程度等都是不可忽略的影响因素。
新近实验已进一步观察到血液不同成分，如血浆内不同生物大分子浓度、不同的血红细胞压积、血细胞的变形性、聚集等，都将影响血液的交流电特性，并因血液这些不同的组成和状态而在不同的频率有更特征的表现，进一步的工作正在深入。
参考文献
1 Visser KR.Resistivity of stationary and flowing human blood. 6th ICEBI, 1986;29
2 Robinson KR. The responses of cell to electerical fields:A review. J. Cell Biology, 1985;101∶2023
, http://www.100md.com
3 Wen ZY. Study of red cell deformability with electrical conductivity method. Clinical Hemorheology, 1988;8∶250
4 Hill DW. The effect of haematocrit on the resistivity of human blood at 37℃ and 100KHz. Med Biol Eng, 1975; 13∶182
5 Zhao TX. Electrical impedance and haematocrit of blood with various anticoagulants. Physiol Meas, 1993;14∶145
6 Wang HY. Multi-frequency impedance method to study electrical characteristics of blood. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 1997;16∶223
7 Kanai H. Physical properties of flowing blood. Biorheology, 1988;25∶391
8 Wang Q. Electrochemical reactions in tissue ulture Medium under the direct stimulation. J Biomed Eng, 1994;11∶143
收稿：1998-03-05 修回：1998-05-26, 百拇医药