小鼠背部皮膚的在體阻抗譜實(shí)驗(yàn)研究

李 穎 宋 冰 劉志朋 殷 濤#*

1(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)2(英國(guó)卡迪夫大學(xué)生物醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院口腔醫(yī)院，卡迪夫 CF144XY)

小鼠背部皮膚的在體阻抗譜實(shí)驗(yàn)研究

李 穎1宋 冰2劉志朋1殷 濤1#*

1(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)2(英國(guó)卡迪夫大學(xué)生物醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院口腔醫(yī)院，卡迪夫 CF144XY)

皮膚中角質(zhì)層與其他層面阻抗的巨大差異，使得將皮膚作為一個(gè)整體的阻抗特性研究較難開展。研究在體條件下無創(chuàng)或微創(chuàng)地檢測(cè)與分析包含角質(zhì)層的小鼠背部皮膚的阻抗特性。使用Agilent 4294A阻抗分析儀，測(cè)量麻醉狀態(tài)下的15只C57BL/6小鼠背部皮膚的電阻抗頻譜，使用表面電極和銀針電極，分別對(duì)應(yīng)皮膚和活性皮膚層阻抗數(shù)據(jù)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)頻率范圍(40～107Hz)內(nèi)，隨頻率升高，皮膚阻抗幅值呈現(xiàn)-20dB/dec下降；活性皮膚層在40～103Hz之間幅值呈現(xiàn)-10 dB/dec下降，而在103～107Hz之間呈現(xiàn)-3dB/dec下降。皮膚相位隨頻率上升呈現(xiàn)V型曲線，而活性皮膚層相位呈現(xiàn)Π型曲線。低頻時(shí)，皮膚阻抗完全由角質(zhì)層阻抗組成，活性皮膚層的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)；當(dāng)頻率為105Hz時(shí)，活性皮膚層阻抗占皮膚的10%多，而在107Hz以上時(shí)，活性皮膚層阻抗占整個(gè)皮膚的80%以上。皮膚阻抗與活性皮膚層阻抗在103Hz以下具有顯著性差異(P<0.05)，在104Hz以上無顯著性差異。結(jié)果表明，表面電極與銀針電極相結(jié)合的對(duì)比分析方法能夠在微創(chuàng)前提下有效分析角質(zhì)層在皮膚阻抗中的作用。

小鼠； 皮膚； 角質(zhì)層； 阻抗； 在體

引言

生物電阻抗是能夠反映整個(gè)生物組織電學(xué)性質(zhì)的物理量，這些生物組織包括活體或離體生物組織、器官、細(xì)胞或細(xì)胞器[1]。生物組織的電阻抗可分為阻性和容性成分，隨著生物體所加載的激勵(lì)信號(hào)頻率發(fā)生變化，其阻性與容性成分間比值也隨之發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為“生物組織的阻抗頻譜特性”。作為生物體的固有屬性，電阻抗反映生物體的生存狀態(tài)和組織變化，而內(nèi)生電流和外加電流的通路也會(huì)受到組織電阻抗特性的影響。生物電阻抗特性研究在疾病的分子和細(xì)胞水平的建模和機(jī)制研究[2-4]、腫瘤的早期診斷與篩查[5-6]、心血管系統(tǒng)疾病監(jiān)測(cè)[7-8]、呼吸功能評(píng)估[9-10]、體質(zhì)評(píng)測(cè)[11-12]等方面具有非常廣泛的應(yīng)用。

由于角質(zhì)層的存在，皮膚在組織電阻抗研究中一直是較為棘手的問題。Rosell等測(cè)量了導(dǎo)電膠處理過的人體皮膚幾種不同部位在1～106Hz等不同頻率點(diǎn)上的電阻抗[13]。Gabriel等對(duì)之前50年中血液、肌肉、皮膚等組織的電阻抗研究數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)[14]。Martinsen等的仿真研究表明，在低于103Hz頻段，皮膚的電阻抗主要體現(xiàn)在角質(zhì)層；而在高頻段，活性皮膚層的阻抗是皮膚阻抗的主要部分[15]。在皮膚阻抗的實(shí)驗(yàn)研究中，由于角質(zhì)層的特殊性，經(jīng)常被分為干燥和濕潤(rùn)兩種情況[14]；而對(duì)角質(zhì)層阻抗的研究使用破壞性的方法[16]，或在低頻條件下完成[15]。筆者通過表面電極和銀針電極，測(cè)量麻醉狀態(tài)下所研究小鼠的背部皮膚電阻抗，開展皮膚與活性皮膚層阻抗的幅值、相位以及不同頻率電阻抗標(biāo)準(zhǔn)差的對(duì)比研究，從而在微創(chuàng)前提下有效分析角質(zhì)層在皮膚阻抗中的作用，為皮膚的電阻抗研究提供了新的思路。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與工具

實(shí)驗(yàn)小鼠品系為C57BL/6，共15只(7只雄性，8只雌性，SPF級(jí)，北京維通利華公司)，分別命名為小鼠A、小鼠B等，普通環(huán)境飼養(yǎng)(天津?qū)嶒?yàn)動(dòng)物中心)，周齡為7～8周，體重為(16.8±1.7)g。麻醉劑為水合氯醛溶液，劑量為每100 g體重注射330 μL的5%水合氯醛溶液。在數(shù)據(jù)采集前，對(duì)麻醉小鼠進(jìn)行處理，包括固定、背部去毛、清潔皮膚表面、標(biāo)記測(cè)量點(diǎn)。

圖1 皮膚結(jié)構(gòu)，表面、銀針電極與電流分布，以及表面電極和銀針電極的放置。(a)皮膚的解剖學(xué)分層；(b)皮膚的電學(xué)分層；(c)表面電極下的電流分布；(d)銀針電極下的電流分布；(e)電極在小鼠背部的放置位置Fig.1 Anatomical and electrical structure of the skin, and placement of the electrodes.(a)The anatomical structure of the skin;(b)The electrical structure of the skin;(c)Demonstration of the currents flowing through stratum corneum and viable skin using surface electrodes;(d)Demonstration of the currents flowing through stratum corneum and viable skin using acupuncture needles;(e)Positions of electrodes placing on mice

皮膚在結(jié)構(gòu)上可以分為3層：表皮(epidermis)、真皮(dermis)和皮下組織(subcutis)，如圖1(a)所示。其中，表皮是皮膚的最外層，其最外層的致密組織稱為角質(zhì)層(stratumcorneum)，角質(zhì)層與皮膚中其他組織相比，具有較大的電阻抗。因此，從電學(xué)特性角度，又可以把皮膚分為兩層：第一層是表皮最外層的角質(zhì)層；第二層是活性皮膚層(viable skin)，包括表皮除去角質(zhì)層的其他部分、真皮層以及皮下組織[15]，如圖1(b)所示。在本研究中，通過表面電極(圓形直徑52 mm，材質(zhì)為Ag/AgCl，含導(dǎo)電膠)和銀針電極(φ0.25×40 mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9不銹鋼)分別記錄電阻抗。表面電極的電流通過角質(zhì)層后分為了兩部分：一部分流經(jīng)角質(zhì)層，一部分流經(jīng)活性皮膚層，如圖1(c)所示。銀針電極的電流也可分為流經(jīng)角質(zhì)層和流經(jīng)活性皮膚層的兩部分，由于角質(zhì)層的阻抗非常大，實(shí)際流過其間的電流非常小，可認(rèn)為所有電流都是從活性皮膚層流過，如圖1(d)所示。因此，表面電極的測(cè)量結(jié)果是皮膚阻抗，而銀針電極的測(cè)量結(jié)果是活性皮膚層阻抗。小鼠麻醉后放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)量期間使用醫(yī)用膠帶固定其四肢，如圖1(e)所示，圓圈標(biāo)記為兩電極的放置位置，其電極中心間距約為10 mm。使用銀針電極記錄小鼠皮膚阻抗時(shí)，進(jìn)針長(zhǎng)度約為2 mm，并通過鐵架臺(tái)固定，以確保在測(cè)量過程中位置不變。用表面電極測(cè)量小鼠皮膚阻抗時(shí)，使用夾具以最小壓力把電極固定在小鼠皮膚上，記錄結(jié)果。

1.2 數(shù)據(jù)記錄與處理

本研究采用Agilent 4294A阻抗分析儀及42941A測(cè)量探頭，在40～107Hz范圍內(nèi)，以對(duì)數(shù)增量方式測(cè)量201個(gè)頻率點(diǎn)的小鼠背部皮膚阻抗。測(cè)量方式包括有電壓激勵(lì)和電流激勵(lì)兩種，其中電壓激勵(lì)為5、10、20、50、100、200、500、1 000 mV，電流激勵(lì)為200、500 μA和1、2、5、10、20 mA。記錄數(shù)據(jù)后，使用Matlab軟件進(jìn)行后續(xù)處理：

1)對(duì)所有小鼠使用不同電極(表面電極和銀針電極)、500 mV激勵(lì)下背部皮膚阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制該條件下的幅值頻譜和相位頻譜，并計(jì)算100～107Hz十倍頻程的電阻抗幅值均值和統(tǒng)計(jì)分布。

2)對(duì)不同電流/電壓激勵(lì)條件下表面/銀針電極的小鼠背部皮膚阻抗進(jìn)行分析，繪制表面/銀針電極小鼠背部皮膚阻抗頻譜圖。

3)對(duì)皮膚阻抗和活性皮膚層阻抗在100～107Hz十倍頻程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果

圖2顯示500 mV電壓激勵(lì)下的不同小鼠背部皮膚阻抗的幅值、相位頻譜和阻抗均值及數(shù)據(jù)離散度，(a)、(b)分別為皮膚幅值頻譜和相位頻譜(使用表面電極測(cè)得)，(c)、(d)分別為活性皮膚層幅值頻譜和相位頻譜(使用銀針電極測(cè)得)。其中，米字形點(diǎn)線表示幅值和相位數(shù)據(jù)的均值。如圖 2(a)和(c)以及表1所示，在低頻(100 Hz附近)時(shí)，皮膚阻抗幅值均值(兆歐級(jí))比活性皮膚層(千歐級(jí))大3個(gè)數(shù)量級(jí)；在高頻時(shí)，皮膚阻抗幅值雖然大幅下降(千歐級(jí))，但仍比活性皮膚層大。總體上，皮膚幅值在100～107Hz的頻率區(qū)間內(nèi)以-20 dB/dec的斜率由數(shù)十兆歐下降到數(shù)百歐，即頻率每上升10倍，其幅值下降為原值的1/10，見圖2(a)。而活性皮膚層的幅值隨著頻率增大按兩種斜率下降：40～103Hz之間的下降斜率約為-10 dB/dec，而103～107Hz之間的下降斜率約為-3 dB/dec，如圖2(c)所示。皮膚和活性皮膚層相位差別很大。皮膚相位隨頻率增大呈現(xiàn)V型曲線，如圖2(b)所示：在100～104Hz的頻率間，其數(shù)值以-15°/dec的斜率由-45°下降到-80°；隨后在104～106Hz間，以10°/dec的斜率由-80°上升到-60°；最終106Hz以后稍有下降。而活性皮膚層相位隨頻率增大呈現(xiàn)Π型曲線，如圖2(d)所示：在104Hz之前，其數(shù)值以22.5°/dec的斜率快速上升，隨后104～106Hz間，其穩(wěn)定在-10°～20°之間，最終在106～107Hz間有明顯的下降。圖2(e)、(f)分別表示不同小鼠間的皮膚和活性皮膚層的幅值在100～107Hz十倍頻程間的Box-Whisker圖。由該圖可知，皮膚和活性皮膚層的幅值標(biāo)準(zhǔn)差都與其均值的量級(jí)相當(dāng)，即幅值越大的數(shù)據(jù)偏離均值的程度越高；隨著頻率的升高，無論皮膚還是活性皮膚層，其標(biāo)準(zhǔn)差顯著下降。此外，相同頻率下皮膚的標(biāo)準(zhǔn)差大于活性皮膚層的標(biāo)準(zhǔn)差。例如，100 Hz時(shí)，皮膚和活性皮膚層的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.06×106Ω和2.5×103Ω，兩者差與其均值差相當(dāng)(都是約1000倍以上)；但當(dāng)頻率上升到107Hz以上時(shí)，皮膚和活性皮膚層的標(biāo)準(zhǔn)差間的差距減小，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為159和102 Ω，如表2所示。

表1 皮膚與活性皮膚層幅值在不同頻率點(diǎn)的均值對(duì)比和活性皮膚層對(duì)皮膚的占比比值

Tab.1 Mean impedance of the whole skin and viable skin and their ratio

頻率/Hz皮膚阻抗/Ω活性皮膚層阻抗/Ω占比/%1004.93×1069.50×1030.191036.03×1052.58×1030.431047.55×1041.53×1032.031059.49×10396610.181061.67×10356133.5310745439586.84

表2 皮膚與活性皮膚層在500 mV和所有不同激勵(lì)下阻抗的標(biāo)準(zhǔn)差在不同頻率點(diǎn)的對(duì)比

Tab.2 Amplitude of the whole skin and viable skin under 500 mV versus under all conditions

頻率/Hz皮膚阻抗標(biāo)準(zhǔn)差/Ω活性皮膚層阻抗標(biāo)準(zhǔn)差/Ω500mV全部激勵(lì)條件下500mV全部激勵(lì)條件下1001.06×1071.99×1062.50×1032.05×1031031.08×1068.41×1047802641041.14×1053.85×10342472.61051.24×10443422535.81061.69×10366.715014.81071595.371028.16

圖3 所有激勵(lì)下的小鼠背部皮膚阻抗幅值和相位頻譜以及測(cè)量數(shù)據(jù)離散程度。(a)皮膚幅值頻譜；(b)皮膚相位頻譜；(c)活性皮膚層幅值頻譜；(d)活性皮膚層相位頻譜；(e)皮膚在100～107 Hz十倍頻程間的Box-Whisker圖；(f)活性皮膚層在100～107 Hz十倍頻程間的Box-Whisker圖Fig.3 Amplitude and phase spectrums under all stimulations and their discreteness.(a) Amplitude spectrum of the whole skin;(b) Phase spectrum of the whole skin;(c) Amplitude spectrum of the viable skin;(d) Phase spectrum of the viable skin; (e) Box-whisker plot of amplitude of the whole skin on decade frequencies from 100 Hz to 107 Hz;(f) Box-whisker plot of amplitude of the viable skin on decade frequencies from 100 Hz to 107 Hz

圖3顯示了不同激勵(lì)下的小鼠背部皮膚阻抗的幅值、相位頻譜和阻抗均值及數(shù)據(jù)離散度，(a)、(b)分別為皮膚的幅值和相位頻譜，(c)、(d)分別為活性皮膚層的幅值和相位頻譜，其中不同線形分別表示不同刺激條件下的數(shù)據(jù)，六角形點(diǎn)線表示幅度和相位的均值。如圖3(a)、(b)所示，不同激勵(lì)條件下的皮膚和活性皮膚層的幅值和相位頻譜與上述500 mV下的對(duì)應(yīng)頻譜形狀相似，可以看出電壓激勵(lì)和電流激勵(lì)的數(shù)據(jù)之間沒有明顯差異。低頻(100 Hz)時(shí)皮膚幅值為活性皮膚層的1 000倍，而在高頻(107Hz)時(shí)兩者的差距幾乎為零，如表1所示。頻率低于105Hz時(shí)，活性皮膚層對(duì)皮膚幅值的貢獻(xiàn)可以忽略，即皮膚的幅值為活性皮膚層的10倍以上，說明角質(zhì)層在低頻時(shí)是皮膚幅值的主要組成部分。在106Hz時(shí)，活性皮膚層幅值約為皮膚幅值的1/3。在107Hz時(shí)，活性皮膚層的幅值在皮膚中占比達(dá)到80%以上。需要注意的是，在活性皮膚層的測(cè)量中，當(dāng)激勵(lì)到達(dá)1 V時(shí)，104Hz以下的阻抗幅值明顯小于平均值，相位高于平均值。在相位頻譜中，如圖3(b)、(d)所示，104Hz時(shí)，皮膚的相位達(dá)到最小，與此同時(shí)，活性皮膚層的相位達(dá)到最大。皮膚在104Hz之前呈現(xiàn)-20°/dec的下降趨勢(shì)，相反地，活性皮膚層在相同頻段呈現(xiàn)+20°/dec的上升趨勢(shì)。在104～106Hz的頻段，皮膚呈現(xiàn)+10°/dec的上升趨勢(shì)，而活性皮膚層則基本維持在-15°。在106～107Hz頻段，皮膚維持在-60°，而活性皮膚層由-15°下降到-25°。微小信號(hào)激勵(lì)條件下(200、500 μA和10、20 mV)，皮膚阻抗相位出現(xiàn)測(cè)量誤差，因此未繪制；而大信號(hào)激勵(lì)條件下(1 V)與小信號(hào)激勵(lì)下(500 mV或20 mA及以下)活性皮膚層阻抗的幅值和相位差別很大。圖3(e)、(f)分別表示不同電刺激參數(shù)下皮膚和活性皮膚層的幅值在100～107Hz十倍頻程間的Box-Whisker圖。對(duì)比圖2(e)、(f)，不同激勵(lì)條件下，皮膚(見圖3(e))和活性皮膚層(見圖3(f))幅值間的差異要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不同小鼠間的差異，如表2所示。皮膚和活性皮膚層的幅值離散程度與其幅值數(shù)量級(jí)相當(dāng)，且隨著頻率增加，其離散程度迅速下降。在相同頻率下，活性皮膚層與皮膚相比更為收斂。105Hz以上時(shí)，不同激勵(lì)條件下活性皮膚層幅值間的差異可以忽略不計(jì)。

通過方差分析，由圖4可知，在低頻條件下，皮膚層與活性皮膚層的阻抗有顯著性差異：在100 Hz時(shí)，兩者在0.0001水平下有顯著性差異；在103Hz時(shí)，兩者具有顯著性差異(P<0.05)。而在高頻時(shí)(103Hz以上)，皮膚阻抗與活性皮膚層阻抗沒有顯著性差異。

圖4 皮膚層與活性皮膚層電阻抗特性在100～107 Hz十倍頻程的差異性Fig.4 Data variance of the impedance of skin and viable skin layeron decade frequencies from 100 Hz to 107 Hz.

總體上看：

1)皮膚阻抗幅值在100～107Hz間，呈現(xiàn)-20 dB/dec下降，即頻率上升10倍時(shí)，其幅值下降為原值的1/10。而活性皮膚層在40～103Hz，幅值呈現(xiàn)-10 dB/dec下降，103Hz之后，幅值呈現(xiàn)-3 dB/dec下降；即在第一頻段中，頻率每上升10倍，活性皮膚層下降為原值的31.6%，在第二頻段中，下降為原值的70.8%。

2)皮膚相位隨頻率上升呈現(xiàn)V型曲線，先下降再上升，隨后略微下降；而活性皮膚層相位呈現(xiàn)Π型曲線，先上升再保持，隨后下降。兩相位頻譜都可以分為3段，兩個(gè)拐點(diǎn)頻率分別為104和106Hz，與α散射和β散射相對(duì)應(yīng)。在104Hz時(shí)，皮膚相位達(dá)到最小值，而活性皮膚層相位達(dá)到最大值。

3)低頻時(shí)，皮膚阻抗完全由角質(zhì)層阻抗組成，活性皮膚層的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)；當(dāng)頻率為105Hz時(shí)，活性皮膚層阻抗占皮膚阻抗的10%多；而在107Hz以上時(shí)，活性皮膚層阻抗占皮膚阻抗的80%，如表1所示。

4)在小信號(hào)激勵(lì)條件下(500 mV/cm及以下)，皮膚阻抗的測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性，并且與電壓或電流的激勵(lì)模式無關(guān)。

5)皮膚阻抗與活性皮膚層阻抗在100 Hz頻率下在0.000 1水平下具有顯著性差異，在103Hz下具有顯著性差異，在103Hz以上沒有顯著性差異。

3 討論

皮膚是生物體最大和最特別的器官，其阻抗由電阻和電容組成。由于電容的存在，其阻抗隨頻率變化較大：低頻呈現(xiàn)高阻性，高頻呈現(xiàn)較低阻性。在以往的皮膚研究中，由于角質(zhì)層的存在，常常使用有創(chuàng)的方式。例如，Yamamoto等使用透明膠帶不斷地去除角質(zhì)層，在每3次去除后測(cè)量一次數(shù)據(jù)[16]。這種方法創(chuàng)傷非常大，并且很難恢復(fù)，不適用于在體測(cè)量。本研究首次使用表面電極和銀針電極，分別測(cè)量皮膚和活性皮膚層頻譜，通過對(duì)比研究包含角質(zhì)層的皮膚阻抗頻譜，降低了操作難度，提高了可重復(fù)性。另外，在本研究的表面電極數(shù)據(jù)測(cè)量中，電極施加了最小壓力，待連續(xù)3次測(cè)量數(shù)據(jù)不變時(shí)記錄該數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。Kalia等使用膠帶法去除角質(zhì)層，發(fā)現(xiàn)在低頻區(qū)(103Hz以下)對(duì)角質(zhì)層進(jìn)行處理將會(huì)極大影響皮膚阻抗，并且去除角質(zhì)層越多，其皮膚電阻抗越低[17]。本研究的著眼點(diǎn)在于對(duì)比完整皮膚與活性皮膚層間電阻抗的差別，因此對(duì)皮膚處理的方法僅限于去毛，并未對(duì)小鼠皮膚采取打磨和浸潤(rùn)等破壞角質(zhì)層或影響角質(zhì)層電阻抗特性的方法。采用銀針的優(yōu)勢(shì)有三方面：首先，可以保證測(cè)量結(jié)果中不包含角質(zhì)層電阻抗，更重要的是，與膠帶法相比損傷非常小，幾乎可以認(rèn)為是無創(chuàng)。其次，膠帶法不能明確界定角質(zhì)層是否被完全去除，而使用銀針則可以認(rèn)為角質(zhì)層的阻抗都被旁路了(由于后者具有巨大的阻抗)。再次，在膠帶法去除角質(zhì)層的過程中，由于對(duì)皮膚進(jìn)行了破壞，會(huì)引起皮下組織分泌液體，從而影響測(cè)量結(jié)果；而使用銀針不會(huì)出現(xiàn)這種情況，銀針插入皮膚既不會(huì)引起液體分泌，也不會(huì)造成出血，從而保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。Rosell等的工作只給出了幾個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)[13]，而本研究得到了整個(gè)頻率區(qū)間的頻譜數(shù)據(jù)，并且計(jì)算了阻抗均值和標(biāo)準(zhǔn)差，用以說明其數(shù)據(jù)規(guī)律性和個(gè)體差異性。Martinsen等通過有限元仿真研究，認(rèn)為角質(zhì)層的阻抗只有在低頻條件下才能測(cè)量得到[15]；而本研究證明，采用表面電極和銀針電極相結(jié)合的方法，能在高、中、低3個(gè)頻段分析角質(zhì)層的特性。Martinsen等還認(rèn)為，頻率為103Hz以下時(shí)，角質(zhì)層的阻抗占皮膚阻抗的主要部分；而本研究表明，頻率在105Hz以下，角質(zhì)層的阻抗占據(jù)皮膚阻抗的90%以上，只有頻率達(dá)到106Hz以上，活性皮膚層阻抗占比才超過30%。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著頻率的變化，皮膚和活性皮膚層相位都發(fā)生了較大變化，并且兩者變化趨勢(shì)不同。相位的不同，說明其阻抗中電阻和電容分量的比例不同，其生物物理學(xué)基礎(chǔ)是不同頻率下組織的阻抗不同，從而導(dǎo)致電流經(jīng)過組織層面不同。本研究的觀測(cè)結(jié)果與之前的研究相一致[14,18-19]，其中104Hz和106Hz附近的變化稱為α散射和β散射，其生物物理學(xué)基礎(chǔ)分別為細(xì)胞膜的平衡離子極化和細(xì)胞膜的界面極化。

皮膚幅值和相位頻譜在頻率較低時(shí)，呈現(xiàn)出不連續(xù)性誤差，特別是在激勵(lì)較小時(shí)，如200、500 μA和10、20 mV時(shí)，由于這4種條件下低頻相位出現(xiàn)大于零的數(shù)據(jù)(皮膚阻抗只有電阻和電容分量，因此其相位必須只能小于零)，因此在相位頻譜的繪制中，把這4組數(shù)據(jù)去除了，而在符合相位條件的數(shù)據(jù)中，小信號(hào)激勵(lì)下的皮膚幅值和相位在103Hz以下仍然有不小的誤差。Rosell等對(duì)人體皮膚表面不同位置在1～106Hz不同頻率點(diǎn)的阻抗測(cè)量[13]表明，1～105Hz區(qū)域其離散性較強(qiáng)，原因是皮膚角質(zhì)層的電容在10～40 nF間變化,而角質(zhì)層電容特性的離散性主因是皮膚含水量，外部環(huán)境和對(duì)皮膚的處理方式會(huì)影響皮膚含水量，小鼠身體含水狀態(tài)和體質(zhì)特異性也影響皮膚含水量。盡管對(duì)小鼠的飼養(yǎng)環(huán)境進(jìn)行了嚴(yán)格控制，但小鼠個(gè)體間的差異仍然是不可避免的。此外，在1 000 mV時(shí)，活性皮膚層的幅值和相位與其他刺激條件下的數(shù)據(jù)有巨大的偏離，呈現(xiàn)出較低的幅值和較大的相位。如圖3(c)、(d)所示，在1 V的激勵(lì)下，104Hz以下的活性皮膚層阻抗幅值和相位明顯與平均值不同，幅值較小而相位較大。Schwan在研究組織和細(xì)胞溶液的文章中指出，生物阻抗在Hz到GHz頻段的線性特性只存在于施加電壓小于1 V/cm的情況下[19]。在本研究的測(cè)量中，最大施加電壓為1 V，電極間距為1 cm，因此本研究結(jié)果驗(yàn)證了Schwan的觀點(diǎn)，施加電壓應(yīng)該小于1 V/cm。本結(jié)果提示，500 mV/cm的激勵(lì)較為理想，如果激勵(lì)過大，測(cè)量結(jié)果會(huì)較??；激勵(lì)過小時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)不穩(wěn)定，這種情況在皮膚測(cè)量時(shí)更明顯。在激勵(lì)達(dá)到1 V/cm時(shí)，測(cè)量的電阻抗幅值數(shù)據(jù)比均值小很多，而相位比均值大很多，此時(shí)激勵(lì)的大小會(huì)顯著影響測(cè)量結(jié)果。

4 結(jié)論

通過使用表面電極和銀針電極，分別測(cè)量不同電壓和電流激勵(lì)條件下的小鼠背部皮膚和活性皮膚層阻抗，對(duì)兩者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，確定了其皮膚與活性皮膚層電阻抗幅值和相位的變化范圍及變化趨勢(shì)，為基于小鼠背部皮膚的電學(xué)應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表面電極與銀針電極相結(jié)合是一種有效分析角質(zhì)層在皮膚阻抗中作用的方法。由于實(shí)驗(yàn)條件所限和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展要求，本次實(shí)驗(yàn)中仍有許多亟待改進(jìn)的地方。例如，皮膚表面不同的處理方法下其結(jié)果的差異，不同表面電極形狀對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，不同表面電極壓力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，這些問題有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

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Experimental Study oninvivoImpedance Spectrums of Mice′s Back Skin

Li Ying1Song Bing2Liu Zhipeng1Yin Tao1#*

1(InstituteofBiomedicalEngineering,ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalCollege,Tianjin300192,China)2(SchoolofDentistry,CollegeofBiomedicalandLifeSciences,CardiffUniversity,CardiffCF144XY,UK)

Different from other tissues, it is difficult to study the impedance ofstratumcorneumregarding skin as a whole subject, due to its huge impedance. The aim of this work is to non-invasively examine the characteristics of the impedance of mice’s back skin includingstratumcorneuminvivo. Using Agilent 4294A impedance analyzer, impedance spectrums of the back skin of 15 C57BL/6 mice under anesthesia were measured, and surface electrodes and acupuncture needles were used to record data as the whole skin and viable skin respectively. Along with the increase of frequency, the amplitude of impedance of the whole skin declined at the rate of -20 dB/dec within all the frequency span from 40 Hz to 107Hz; whereas that of the viable skin decreased at -10 dB/dec in the range of 40 Hz to 103Hz, and at -3 dB/dec in the range of 103Hz to 107Hz. The phase of the whole skin decreased and then increased in a V-shape curve, and that of viable skin varied as a Π-shape curve. At low frequencies, such as 100 Hz, the whole skin impedance can be regarded as only consisting of the impedance ofstratumcorneum, and the viable skin part can be omitted. At medium frequencies, such as 105Hz, the viable skin contributes over 10% to the whole skin impedance. However, at high frequencies, such as 107Hz, the viable skin contributed over 80% to the whole skin impedance. The impedance of the whole skin and viable skin showed significant difference below 103Hz (P<0.05) and no significant difference over 104Hz. The results showed that this novel method that comparing the impedance recorded by surface electrodes and acupuncture needles was effective in the analysis of the impedance ofstratumcorneumwithin the whole skin impedance.

mice; skin;stratumcorneum; impedance;invivo

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 02.007

2016-07-19， 錄用日期:2016-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng)(81127003)；國(guó)家自然科學(xué)基金(81171424)

R318

A

0258-8021(2017) 02-0172-08

# 中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員(Senior member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: bme500@163.com