Badania impedancji ciała człowieka
Schemat zastępczy impedancji ciała człowieka wg Freibergera, gdzie: RS – rezystancja skóry, Ri – rezystancja wewnętrzna ciała, CS – pojemność skóry
Większość badań impedancji ciała człowieka przeprowadzonych w różnych okresach i przez różnych badaczy była wykonywana na pomiarowej drodze rażeniowej: ręka–ręka lub ręka–nogi. Uwzględniając zagrożenie dla życia i zdrowia badanych, zwłaszcza w trudnych warunkach środowiskowych, należało opracować takie warunki badań, aby pomiary nie stwarzały ryzyka zagrożenia.
Zobacz także
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Stosowanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach ładowania pojazdów elektrycznych
Liczba pojazdów elektrycznych na drogach wielu krajów, również Polski, znacznie wzrosła w ostatnich latach. Pojazdy zawierające silnik elektryczny wykorzystywany do napędu można podzielić na: BEV, PHEV,...
Liczba pojazdów elektrycznych na drogach wielu krajów, również Polski, znacznie wzrosła w ostatnich latach. Pojazdy zawierające silnik elektryczny wykorzystywany do napędu można podzielić na: BEV, PHEV, HEV i FCEV. Poniżej – objaśnienia, co oznaczają te skróty.
dr inż. Waldemar Jasiński, mgr inż. Piotr Jasiński, mgr inż. Paweł Jasiński Skutki negatywnego oddziaływania prądu elektrycznego na pracowników i urządzenia techniczne podziemnych zakładów górniczych w latach 2016–2022
Prowadzenie ruchu nowoczesnego podziemnego zakładu górniczego nie jest możliwe bez wykorzystania energii elektrycznej. Proces wydobywania kopalin powiązany jest nie tylko z zapewnieniem ciągłości dostaw...
Prowadzenie ruchu nowoczesnego podziemnego zakładu górniczego nie jest możliwe bez wykorzystania energii elektrycznej. Proces wydobywania kopalin powiązany jest nie tylko z zapewnieniem ciągłości dostaw energii, ale także z koniecznością zagwarantowania bezpiecznej eksploatacji maszyn i urządzeń górniczych, zgodnie z DTR i instrukcjami eksploatacji.
Opracował zespół ekspercki Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej – PIB Przeciwpożarowy wyłącznik prądu (część 3.)
Przeciwpożarowy wyłącznik prądu (PWP) w obiekcie budowlanym jest instalacją urządzenia przeciwpożarowego, którego podstawowym i głównym zadaniem jest zapewnienie bezpieczeństwa (ochrona przed porażeniem...
Przeciwpożarowy wyłącznik prądu (PWP) w obiekcie budowlanym jest instalacją urządzenia przeciwpożarowego, którego podstawowym i głównym zadaniem jest zapewnienie bezpieczeństwa (ochrona przed porażeniem elektrycznym) ekipom ratowniczym prowadzącym działania ratowniczo-gaśnicze w obszarze, strefie pożarowej objętej i chronionej instalacją PWP. Działanie instalacji PWP polega na odcięciu dopływu prądu elektrycznego do wszystkich obwodów z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których...
StreszczenieW artykule autor przedstawił historię badań impedancji ciała człowieka i jej zależności od czynników biofizycznych, antropogennych, konstytucjonalnych oraz stanów patologicznych. Omówiono metodę wyznaczania impedancji standardowej ciała człowieka.AbstractThe methods of testing a human body’s impedance In the article the author presented the history of testing a human body’s impedance and its dependence on biophysical, anthropogenic, and constitutional factors as well as pathological states. The method of evaluating the standard impedance of a human body was also discussed. |
Historia badań elektrycznych właściwości ciała człowieka
Pierwsze opisane eksperymenty oddziaływania elektryczności na organizmy żywe pochodzą z XVIII wieku. Badano wówczas wpływ rozładowania ładunków elektrostatycznych zgromadzonych w kondensatorach na reakcję ciała człowieka. Obserwacje reakcji ciała ludzkiego na działanie prądu elektrycznego, były często wykonywane w celu wywołania sensacji i wzbudzały ogólną ciekawość.
Pierwsze badania rezystancji ciała człowieka przeprowadził J. Runge w roku 1870, który wykazał, że rezystancja naskórka jest większa od tkanki podskórnej.
W 1882 roku w Niemczech Friedrich Kohlrausch (1840–1910) mierząc rezystancję ciała między lewą a prawą ręką określił jej wartość w zakresie od 1,6 kΩ do 3Ω. W tym samym czasie F. Jolly stwierdził, że wartość rezystancji ciała kobiety jest o 30% większa niż mężczyzny i wpływają na nią zmiany patologiczne w organizmie. William Henry Stone w 1884 roku oszacował zmianę wartości rezystancji ciała pomiędzy ręką a nogą od 900Ω do 100 kΩ. W badaniach stosował elektrody z taśm ołowiowych lub naczynia z rtęcią. Ciało badanego człowieka zwilżał roztworem soli, a pomiary wykonywał napięciem 1,8 V, wytwarzanym z ogniwa galwanicznego.
Na podstawie badań Stone stwierdził, że rezystancja ciała chorego człowieka maleje. W 1891 roku Silva i Pescarolo podali, że rezystancja człowieka zależy od powierzchni dotyku, siły docisku oraz temperatury otoczenia. Natomiast zależność zmian rezystancji ciała od napięcia rażeniowego w zakresie do 100 V określił w 1897 roku L. Weber z Politechniki w Zurychu. W swoich badaniach stosował elektrody wykonane z drutu o średnicy 6 mm.
W 1888 roku Amerykanin Harold Brown (1869–1932) udowodnił, iż bardziej niebezpieczny jest prąd przemienny od prądu stałego, organizując publiczne pokazy zabijania psów tym prądem. W 1919 roku Martin Gildemeister (1876–1943) wykazał, że wartość rezystancji ciała jest zależna od napięcia rażeniowego i częstotliwości. W roku 1923 Willem Einthoven (1860–1927) stwierdził, że ciało człowieka cechuje charakter pojemnościowy. Zmiany wartości impedancji ciała od częstotliwości i napięcia rażeniowego określił w 1928 roku O. Müller.
Pierwsze dokładniejsze badania właściwości elektrycznych ciała człowieka wykonał z początkiem dwudziestego wieku w Austrii lekarz Stefan Jelinek (1871–1968). Dokumentował elektryczne urazy ciała człowieka dla Instytutu Medycyny Sądowej w Wiedniu. Zgromadzone przez Jelinka eksponaty można obecnie oglądać w Muzeum Elektropatologii w Wiedniu (ul. Gomperzgesse 1), natomiast stosowane przyrządy – w wiedeńskim muzeum medycyny Josephinum (ul. Wahringer str. 25). W 1925 roku S. Jelinek wydał pierwszy podręcznik dla inżynierów i lekarzy o porażeniach człowieka prądem elektrycznym.
W 1934 roku Henryk Freiberger opublikował w Niemczech swoje badania z elektropatologii w książce „Der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers gegen technischen Gleich und Wechselstrom”, która przez wiele lat była podstawową literaturą z zakresu działania prądu elektrycznego na człowieka. Freiberger przeprowadził pomiary rezystancji ciała ludzi żywych napięciem do 30 V, a także zwłok ludzkich napięciem do 5 kV. Opracował dokładną zależność zmian impedancji ciała człowieka od napięcia rażeniowego w zakresie do 500 V. Stwierdził, że wewnętrzne organy ciała człowieka posiadają charakter rezystancyjny, natomiast skóra człowieka posiada charakter impedancyjny. Określił również wartość pojemności skóry 20 nF/cm2. Opracował aktualny do dziś schemat zastępczy impedancji ciała człowieka (fot. 1.).
W 1952 roku C. Söderbaum, wykonując pomiary pomiędzy palcami wskazującymi lewej i prawej ręki, określił pojemność elektryczną ciała człowieka od 6 nF/cm2 do 10 nF/cm2. W 1959 roku Charles Dalziel (1904–1986) z uniwersytetu w Kalifornii zaproponował modelową wartość impedancji ciała 1000Ω, dla celów ochrony przeciwporażeniowej.
Z końcem lat pięćdziesiątych E. Wagner z Erlangen badał wpływ gęstości prądu rażeniowego na zmiany patologiczne w skórze porażonych. Stwierdził, że gęstość prądu do 10 mA/mm2 nie powoduje jeszcze żadnych zmian w skórze, lecz powyżej 32 mA/mm2 następuje przebicie naskórka i powstają znamiona prądowe.
W 1969 roku Gottfried Biegelmeier (1924–2007) z Wiednia wykonał bardzo dokładne pomiary impedancji ciała człowieka. Określił wartość rezystancji wewnętrznej ciała R=781±114Ω, a wartość całkowitej impedancji ciała Z=3500±1400Ω. W swoich badaniach używał elektrod cylindrycznych o średnicy 80 mm i długości 100 mm. Prowadził badania na drodze pomiarowej ręka lewa – ręka prawa, nawilżając skórę 3% roztworem wodnym soli kuchennej. Zbadał zależność wartości impedancji ciała od powierzchni dotyku do elektrody. Stwierdził, że przy napięciu wyższym od 250 V powierzchnia dotyku nie odgrywa większej roli. Badania wykonywał na zwłokach ludzkich, a zmierzone wartości korygował dla ciała żywego.
Wyniki badań analizował metodami statystycznymi, wykorzystując rozkład normalny oraz logarytmonormalny. Wartość elektrycznej pojemności ciała określił w zakresie od 0,006 do 0,05 mF/cm2. Wyniki i osiągnięcia Biegelmeiera stanowiły podstawę dla Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej IEC, która w 1974 roku opracowała raport nr 479-1 „Działanie prądu elektrycznego na ludzi”, podając w nim zależności impedancji ciała człowieka na drodze ręka–ręka. W opracowaniu podano wartości impedancji ciała w formie kwantyli prawdopodobieństwa 5%, 50% i 95%. W 1976 roku wykonano w Austrii pomiary impedancji ciała żywych ludzi na grupie 100 osób, przy napięciu rażeniowym 25 V prądu przemiennego 50 Hz, a w odniesieniu do jednej osoby G. Biegelmeiera napięciem wyższym, do 200 V. Badania przeprowadzono przy zastosowaniu elektrod o powierzchniach styczności od 1 mm2 do 10 000 mm2. Wyniki tych badań doprowadziły w 1984 roku do wydania drugiego raportu IEC [10]. Dalsze badania Biegelmeiera przyczyniły się do kolejnej nowelizacji raportu IEC wydanego w 2002 roku przez ESF Vienna – Electrical Safety w Austrii [11]. Nowelizacja ta jest nadal najaktualniejsza.
Wpływ klimatu oraz czynników ergonomicznych w środowisku pracy na wartość impedancji ciała człowieka określił w latach dziewięćdziesiątych XX wieku Stefan Gierlotka. Badania zmian wartości impedancji ciała zależnej od ergonomicznego czynnika narażającego i napięcia rażeniowego przeprowadził w kopalnianych wyrobiskach, stosując do pomiarów opracowaną metodę impedancji standardowej ciała człowieka.
Impedancja ciała człowieka
Ciało człowieka, jako element obwodu elektrycznego, nie stanowi przewodnika jednorodnego, lecz ma charakter przewodnika anizotropowego. Impedancja ciała człowieka zależy od czynników biofizycznych i warunkuje ją rezystancja przejścia, impedancja skóry oraz rezystancja organów wewnętrznych organizmu. Rezystancja przejścia prądu elektrycznego przez skórę zależy od napięcia rażeniowego, powierzchni styczności i siły docisku do elektrody oraz od zawilgocenia i stanu naskórka. Impedancja skóry zmienia się pod wpływem czynników zewnętrznych, a o jej wartości decyduje zrogowaciały naskórek. Bogate w elektrolity środowisko wewnątrz organizmu posiada bardzo małą rezystancję w porównaniu z impedancją skóry.
Na wartość impedancji ciała człowieka duży wpływ mają czynniki antropogenne, konstytucjonalne oraz stany patologiczne. Kobiety posiadają impedancję ciała większą niż mężczyźni. Spowodowane jest to bardziej rozwiniętą podskórną tkanką tłuszczową oraz mniejszą gęstością gruczołów potowych niż u mężczyzn. Mężczyźni pocą się silniej pod wpływem bodźców cieplnych, natomiast kobiety silniej pod wpływem bodźców emocjonalnych [4]. Istnieją u ludzi stany patologiczne, które zmieniają wartość impedancji ich ciała [6]. Niedobór witaminy A w organizmie powoduje wysychanie naskórka i tworzenie się grubej zrogowaciałej warstwy skóry o dużej wartości impedancji ciała. Nadczynność tarczycy powoduje zmniejszenie impedancji skóry. Natomiast niedoczynność tarczycy powoduje wzrost impedancji ciała, gdyż skóra jest sucha i chłodna.
Szczególną właściwością tkanek żywych jest nieliniowe zmniejszanie się ich impedancji ze wzrostem napięcia. Na podstawie badań Biegelmeiera i innych Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna IEC w raporcie nr 479 ustaliła zależność zmian impedancji ciała człowieka od napięcia rażeniowego [11]. Podana w tym raporcie zależność dotyczy suchego naskórka i drogi rażenia ręka–ręka przy styczności z elektrodami o powierzchni 50 do 100 cm2 (rys. 2.). Impedancję ciała człowieka cechuje charakter rezystancyjno-pojemnościowy. Organy wewnętrzne organizmu posiadają charakter rezystancyjny w odróżnieniu od rezystancyjno-pojemnościowego charakteru naskórka. Argument impedancji ciała człowieka (kąt przesunięcia fazowego) jest zmienny i zawiera się od 15° do 55° [8].
Skórę człowieka stanowi naskórek oraz skóra właściwa łącząca się z tkanką podskórną. Tkanka podskórna zawiera części wydzielnicze gruczołów potowych oraz naczynia krwionośne i włókna nerwowe. Gruczoły potowe skóry składają się z części wydzielniczej i krętego przewodu wyprowadzającego, który lejkowato uchodzi na powierzchnię skóry. Pot o odczynie pH od 4 do 8 zawiera wodę oraz chlorek. Rezystywność potu wynosi około 140 cm. Spocone miejsca skóry posiadają napełnione potem kanaliki potowe i stają się dobrym przewodnikiem prądu przez skórę do naczyń krwionośnych. Oznacza to, że wartość impedancji ciała człowieka zależy od stopnia napełnienia potem kanalików potowych. Warunki klimatyczne oraz procesy fizjologiczne związane z wysiłkiem pracy wywołują u człowieka zwiększone wydzielanie potu, co powoduje zwilżenie naskórka oraz obniżenie wartości impedancji ciała.
Metoda impedancji standardowej ciała człowieka
Wykonywanie elektrycznych badań ciała człowieka in vivo należy przeprowadzać w taki sposób, aby nie stanowiły one zagrożenia dla życia i zdrowia badanych osób. Większość badań właściwości elektrycznych ciała człowieka przeprowadzanych w różnych okresach i przez różnych badaczy, było wykonywanych przez pomiar na drodze rażenia: ręka–ręka lub ręka–nogi. Wykonywanie pomiarów impedancji ciała człowieka na drodze rażenia: ręka–ręka lub ręka–noga, zwłaszcza in situ w trudnych warunkach klimatycznych i specyficznym środowisku, jest zbyt ryzykowne dla osób badanych.
Opracowana metoda badań właściwości elektrycznych człowieka pozwala w sposób możliwie najbezpieczniejszy wykonać pomiary impedancji in vivo. W metodzie tej nazwanej metodą impedancji standardowej, za drogę empirycznego rażenia przyjmuje się odcinek od opuszka palca środkowego do opuszka kciuka tej samej ręki. Metoda ta została zweryfikowana zgodnie z zasadami statystyki matematycznej i zaakceptowana do badań elektrofizjologicznych [5].
Wartość tak określonej impedancji standardowej ciała Z0 mierzy się metodą techniczną, dociskając opuszki palców do miedzianej elektrody płaskiej. Powierzchnia dotyku palca do elektrody przy sile docisku 6 N wynosi 330 mm2. Pomiar metodą techniczną (mierząc napięcie i prąd rażeniowy) uzasadnia zależność zmian wartości impedancji ciała od pomiarowego napięcia rażeniowego. W celu określenia wartości impedancji ciała dla innej typowej drogi rażeniowej spotykanej w wypadkach elektrycznych, wprowadzono współczynnik transformacji ξ. Współczynnik ten umożliwia przeliczenie zmierzonej wartości impedancji standardowej Z0 na drodze od opuszki palca środkowego do opuszki kciuka, na impedancję ciała Z dla innej typowej drogi rażenia spotykanej w wypadkach elektrycznych. Współczynnik transformacji ξ określa wzór:
gdzie:
Z – wartość rzeczywista impedancji ciała człowieka, w [kΩ],
Zo – wartość impedancji standardowej ciała człowieka zmierzona na odcinku rażenia od opuszka palca środkowego do opuszka kciuka, w [kΩ],
ξ – współczynnik transformacji zależny od drogi rażeniowej.
Wartości współczynników ξ transformacji drogi rażeniowej dla typowych przypadków rażeń spotykanych w wypadkach elektrycznych, wyznaczone zostały metodą empiryczną i po ich statystycznej weryfikacji przedstawione w tabeli 1.
Podsumowanie
Metoda wyznaczania wartości impedancji standardowej ciała człowieka jest bezpieczna i nie stwarza zagrożenia życia i zdrowia u osób badanych. Pomiar wartości impedancji standardowej wykonuje się na drodze rażeniowej od opuszka palca środkowego do opuszka kciuka tej samej ręki. Opracowane wartości współczynnika transformacji drogi rażeniowej ξ umożliwiają przeliczenie wartości impedancji standardowej na wartość impedancji dla innej typowej drogi rażeniowej, spotykanej w wypadkach elektrycznych. Stosowanie tej metody jest uzasadnione przy wykonywaniu pomiarów impedancji człowieka w trudnych warunkach klimatycznych oraz obciążonego wysiłkiem pracy.
Metoda impedancji standardowej winna rozwinąć się również w badaniach medycznych, celem diagnostyki elektrofizjologicznych stanów pacjenta.
Literatura
- G. Biegielmeier, H. Bachl, A. Mörx, G. Rabitsch, Neue Messungen des Körperwiderstands lebender Menschen mit Wechselstrom 50 Hz sowie mit höheren Frequenzen und mit Gleichstrom, Elektrotechnik und Informationstechnik 1991 nr 3.
- G. Biegielmeier, J. Graiss, A. Mörx, D. Kieback, Neues Wissen über die Wirkungen des elektrischen Stroms auf Menschen und Nutztiere, VEO Journal 1995 nr 11.
- H. Freiberger, Der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers gegen technischen Gleich – und Wechselstrom, Berlin: Verlag Juliusz Springer 1934.
- W. Ganong, Fizjologia, PZWL, Warszawa 1994.
- S. Gierlotka, Pomiary impedancji i rezystancji ciała ludzkiego dla określenia zagrożenia porażeniowego w środowisku górniczym, Zeszyty Naukowe Politechniki Śl. 1994, Seria „Górnictwo”, z. 218.
- S. Gierlotka, Electrophysiology of human's skin in climatic difficult conditions. Polish Journal of Medical. Physics and Engineering, Official Publication of Polish Society of Medical Physics. 2000 nr 4. s. 251–267.
- S. Gierlotka, Wpływ uciążliwości ergonomicznych występujących w kopalniach węgla kamiennego na impedancję elektryczną ciała człowieka, Zeszyty Naukowe Politechniki Śl., s. Górnictwo z. 252, Gliwice 2002.
- S. Gierlotka, Elektropatologia porażeń prądem elektrycznym, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 2006.
- S. Gierlotka, Human body impedance in climatically bad conditions, Przegląd Elektrotechniczny 2008, nr 11.
- Effects of current passing thraugh the human body. Raport 1984 r. Publication 479–1. IEC – Raport 479 – Part 1 – Draft February 2002: Effects of current on human beings and live stock. ESV – Vienna 2002.
