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1、13,生 物 传 感 检 测 技 术-生物传感器,教师 熊兴良 E_mail 生物医学工程研究室,14,主要内容,传感器基础知识生物传感检测的生物学理论生物传感器关键技术电化学生物传感器压电晶体生物传感器基因芯片与蛋白质芯片,15,绪 论,主要内容传感器的定义传感器的发展方向生物医学传感器的用途开发新型传感器的途径开发生物医学传感器的要求,16,检测就是去认识 -西门子(W.Ven.Siemens),17,医学中常用的生化检测技术,比色法(colorimetry) 以生成有色化合物的显色反应为基础，通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法。 比色分析对显色反应的基本要求是：反
2、应应具有较高的灵敏度和选择性，反应生成的有色化合物的组成恒定且较稳定，它和显色剂的颜色差别较大。选择适当的显色反应和控制好适宜的反应条件，是比色分析的关键。 常用的比色法有两种：目视比色法和光电比色法，两种方法都是以朗伯-比尔定律(Abc)为基础。,18,医学中常用的生化检测技术,分光光度法(spectrophotometry) 物质对不同波长的入射光有不同程度的吸收，形成吸收光谱。不同物质各有其特征分子吸收光谱。在一定条件下记录某些物质在光源的各波长的透光率，以波长为横坐标，以透光率为纵坐标描绘的曲线。其形状反映了物质的特性。L-B定律。拓宽了比色法。 分光光度法的应用光区包括紫外光区，可见
3、光区，红外光区。,19,医学中常用的生化检测技术,荧光法(fluorescence method) 物质在受到高能量的光照射时，在吸收某些波长的光后，会发射各种颜色和不同强度的光，照射停止，发光消失，这就是荧光。荧光物质浓度越大，发射的荧光强度也越大。,20,医学中常用的生化检测技术,火焰光度法(flame photometry) 属于发射光谱分析，根据阳离子在火焰中燃烧时发射特征谱线进行测定。离子选择性电极(ion specific electrode; ISE) 属于电位测定法。(后面电化学传感器讲)自动生化分析仪(automatic biochemistry analyzer) 带光电传
4、感器的光度计电泳法(electrophoresis method) 不同物质由于所带电荷不同，在一定磁场中的泳速不同。,21,1 传感器的定义,定义：传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置 顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、信号调理电路,22,敏感元件 能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件 如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应。金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件。 铂电阻能感受温度的升
5、降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件。,23,转换元件 上面介绍的敏感元件，其中有许多可兼做转换元件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。 如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。 如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。,24,信号调理电路 一般有两个作用。 一是信号转换和放大； 二是信号处理，即滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处理等。,25,2 传感器的分类,传感器,物理传感器,化学
6、传感器,生物传感器,位移传感器,加速度传感器,速度,温度传感器,O2传感器,酶传感器,免疫传感器,微生物传感器,DNA传感器,1、按被测量分类,流量传感器,压力传感器,CO2传感器,Na传感器,26,2、按工作原理分类,传感器,应变式传感器,压电式传感器,电动式传感器,压阻式传感器,热电式传感器,电容式传感器,电感式传感器,电化学式传感器,3、结合被测量和工作原理分类,传感器,应变式压力传感器,压电式生物传感器,热电式温度传感器,电容式湿度传感器,压电式加速度传感器,.,.,4、按人的感觉功能分类,传感器,视觉传感器,听觉式传感器,味觉式传感器,触觉式传感器,嗅觉式传感器,27,生物传感器,生
7、理参数,利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质,利用材料的物理变化,物理传感器,非电学量参数,利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号,化学传感器,5、医学上传感器的分类-按检测的生理参数进行分类,28,生物电检测电极,生物电的变化能够反应生物体的复杂生命现象，比如人体心血管的疾患，通常可以从心脏各部分的电活动反映出来。例如：临床医生可以从病人身上记录的心电图的细节进行分析诊断；人的神经系统及脑部的疾患在脑电图上必有所表现。因此临床上研究人的各种脏器的功能状态、疾病的发生与发展，需要有效地把生物体内细胞、离子分布电位感应导出。通过与生物体的接触耦合，将生物体内的电位和生物电流有效地导出
8、的敏感元件称为检测电极。,29,生物电检测电极示意图,机体外,机体内,电极,30,电极的本质-半电池原理,当某种金属浸入含有这种金属离子的电解质溶液中时，金属中的原子将失去一些电子进入溶液，溶液中的离子也将在金属电极上沉积，当这两种过程相平衡时，在金属和电解质溶液的接触面上形成电荷分布，并建立起一个平衡的电位差。对给定的金属与电解质溶液来说，这种电位差是一个完全确定的量。这种金属与电解质的组合如同半个电解质电池，称半电池，其电位差称为半电池电位。,Zn,ZnSO4,31,生物电电极的本质是由金属电解质溶液构成的半电池。生物体的活组织是一种含多种金属离子成份的电解质溶液，当电极与组织表面相接触时
9、，电极与组织之间就构成了半电池。,电极的本质,32,电极的极化,电极与电解液处于静态平衡时，电极与电解液间没有电流流过。当接上仪器的电路时，就有电流流过这个界面。原有的平衡被打破，电极的半电池电位与没电流时不同。所谓极化就是当电流通过电极界面时电极电位偏离平衡电位的现象。在有和无电流通过两种情况下电极的半电池电位的差值称为极化电压。,33,生物电测量的等效电路,实验表明，生物电测量电极的伏安特性呈非线性。电极的参数与流过的电流强度和频率有关。,34,电极的电位,生物电电位差两个电极间的电位差电极的电位电极的半电池电位与极化电位的总和。,35,生物电电极的分类,36,宏电极和微电极,宏电极用于检
10、测和记录机体器官、组织整体放电水平的电极。按记录部位的不同，分为体表电极和体内电极。微电极用于测量细胞内外的电位改变的电极，其尖端直径一般直径小于细胞，且电极较坚硬，可刺入细胞膜并保持机械性能稳定。微电极直径大约在0.05到10m之间。按制作材料可分为金属微电极和充填电解液的玻璃微电极。,37,体表电极,体表电极是用于在身体表面记录生物电信号(如ECG、EEG、EMG)的电极。 皮肤的角质层虽然极薄(约40m)，但具有很高的电阻率。一般在电极表面涂上一层含有Cl-离子的导电膏，以保持良好接触，并且在此之前用砂纸摩擦去除部分皮肤角质层，可以显著减小表皮电阻体表电极，应满足如下要求：电极电位稳定；
11、阻抗小；安放容易且不易脱落；不易产生运动伪迹；可长期监测；无毒安全、对人体刺激要小。 当电极相对于电解液运动时，使界面处电荷分布打乱，会产生运动伪迹。,38,临床上常用的体表电极,临床上常用的体表电极种类繁多、形状多样，常见的有金属板电极、Ag/Agcl电极等。不锈钢、铂或镀金(银)的圆盘电极常用于肌电和脑电的记录。柔性电极可适应体表外形的变化，可减少运动伪迹，常用的是柔性银丝电极，它的制作方法很简单：在橡皮膏上敷一小块银丝网，焊上引线，涂上导电膏即可，它适用于手、足等部位的测量，尤其是早产新生儿的心电监测。体表生物电检测中最常用的电极是Ag/AgCl电极。它的结构是在金属银的表面覆盖一层难溶
12、解的银的盐类AgCl，再浸入含有氯离子的溶液中。 电极可以用下列符号表示：Ag|AgCl|C1-。实际应用的Ag/AgCl电极极化电压很低，一般在0.2mV左右。极化电压的随机变化小于10mV，对生物电的检测几乎不产生影响。在临床上得到广泛的应用。,39,Ag-Agcl圆盘电极,Ag-Agcl圆盘电极的导电膏充填在空腔内，结构稳定，并且对于生物组织具有非常小和稳定的半电池电位，而且是一种不可极化电极，所以常被用作体表生物电测量电极。,40,体内电极,体内电极，用作在生物体内检测生物电势。因电极被插入体内，电极材料的安全性很重要，象Ag-Agcl电极和人体蛋白质会发生化学反应，不应选用。下面介绍
13、两种体内电极：经皮注射式针电极和丝电极。,41,（a）经皮注射式针电极 （b）丝电极,丝电极一般采用外面涂有绝缘层，直径为25-125m的镍铬合金丝做成，用于肌电的长期测量。,针电极一般用不锈钢材料制成，常用于肌电的测量，效果较体表电极大5-7倍。,42,金属微电极,金属微电极是在不锈钢、钨、铂等金属上喷涂聚合物、玻璃等绝缘材料制成的，其尖端裸露。金属微电极的极化特性使其不宜精确测量细胞的静止电势，常用于活动电势的检测。金属微电极包括单点测量微电极和多重微电极，后者由多根相互独立的电极组合而成，能同时测量多点电位。如测量神经纤维束中多根神经纤维电位的多个单点电极。目前已经出现的有用半导体材料制
14、作的多重微电极和经磁化处理的、合金线制作的、每个电极可独立移动的多重电极。,43,玻璃微电极,玻璃微电极一般用于细胞膜电势(如静息电位)的测量。它是由毛细管热拉后，内部充入电导率溶液，再将电极丝放入制成，电极尖端直径一般小于1m。玻璃微电极较金属电极来讲，存在阻抗高、噪声大等缺点。玻璃微电极可以向检测部位注射微量药物。,44,常用医用物理传感器,物理传感器是指基于物理学原理、检测机体物理学指标的一类传感器。物理传感器是生物医学传感器中的一个大类，其作用是将各种物理信号转化为电信号。 下面介绍几种医学常用的物理传感器:,45,（1）温度的测量和温度传感器,温度是物理学中一个基本的物理量，自然界中
15、的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发、最古老，也是应用最广泛的一类传感器。在医学上通常将体温分为体表温度、深部温度(即机体内部温度)和器官温度(用流经器官的血液温度来代替)，测量时应根据不同需要来选用不同类型的温度传感器。,46,温度传感器的发展历史,首先把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝克发明的，这就是后来的热电偶传感器。50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计（RTD）。后来，由于半导体材料的发明，本世纪相继开发了半导体热敏电阻传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。根据波与物质的相互作用规律，人们又相继开发了声学温度传感器、红外温度传感器和微波
16、温度传感器等。,47,温度传感器的种类,目前，温度传感器的种类很多，在医学上常用的有：热电偶温度传感器热敏电阻温度传感器PN结温度传感器和集成温度传感器红外热辐射式温度传感器。,48,热电偶温度传感器,当两种不同材质的导体，在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度以及这两种导体的材质有关。这种现象被称为热电效应，也称Seeback(赛贝克)效应。,49,医学测量中热电偶温度传感器种类较多，常用的有杆状热电偶和片状热电偶。杆状热电偶是将金属丝放入注射针头中，经皮插入到待测部位，可用于测量口腔和直肠温度。片状热电偶是用薄膜代
17、替金属丝，最薄可达3-6m，将其固定在适当材料的基片上，尺寸很小，直径达m数量级，响应速度很快，有的可用于测量细胞内的暂态温度。,（a）杆状热电偶（b）片状热电偶,50,热敏电阻温度传感器,热电阻式温度传感器可分为两大类：纯金属电阻（RTD）和半导体材料热敏电阻，因后者临床用的较多，这里重点介绍热敏电阻式温度传感器。在生物医学测量中通常将热敏电阻的探头做成珠状和薄片状，体积非常小(可达几十纳米)，其热惯性小、响应速度快。其中薄片热敏电阻多是用单晶半导体材料(如SiC)制造的，在它的外表涂覆一层高强度绝缘漆类材料作绝缘防护，多用于测量表面温度和皮肤温度。还有一种注射针型的测稳探头是用微型珠状热敏
18、电阻封装于注射针头的顶端制成的，可用来做动物实验及测量肌肉温度和浅表血管内的温度。,51,PN结温度传感器和集成温度传感器,PN结温度传感器是利用半导体PN结上正向电压降的温度效应设计而成的，其线性度好、灵敏度高、测量范围宽，还可与放大器做在一起，体积小且性能稳定，可应用在低温测量和植入动物体内长期检测使用。临床上常用的PN结测温探头有杆式测温探头、小型测温探头、针状测温探头和表面测温探头，它们的不同在于半导体热敏器件安装的方法和装配材料的不同，当然其时间常数也不同，其中以小型测温探头最小，达0.2S。,52,红外热辐射式温度传感器,上述温度传感器都属于接触式温度传感器，红外辐射式温度传感器则
19、属于不需与被测对象接触的传感器，因而不会影响人体的生理状态。根据Planck辐射定律，当物体的温度高于热力学温度零度(-273.16)时，都要以电磁波的形式向周围辐射能量，其辐射频率和能量随物体的温度而定。人体辐射红外线的波长约在3-16m之间，当体温改变时，所辐射的红外线能量就会改变，红外辐射测温装置就是根据检测人体表面的辐射能量而确定体温的 。,53,临床上具有实用价值的红外测温传感器有红外热探测器和红外光电探测器。红外热探测器是全波长的红外探测器，其首先利用黑化元件吸收入射红外线辐射能量，使感温元件温度升高，再通过适当的温度敏感元件将温度信息转变为电信号，采用的温度敏感元件有热电偶、热敏
20、电阻等。红外光电探测器的敏感元件是光电器件碲镉汞(HgCdTe)，它能将接收到的红外线转化为电信号。此种传感器只能对一定波长范围的红外线有响应，并且需在低温(液氮冷却)下工作。目前出现了低成本的非制冷红外光电探测器(Si器件)。一般将许多个红外光电探测器组合在一起构成红外图像传感器，它是红外热像仪的关键部分。红外热像仪在乳腺癌的诊断中具有重要的意义。,54,（2）血流的测量和血流量传感器,血流量是生理研究和临床医学中最常测量的对象。血流量的检测方法有热稀释法、电磁流量计法和Doppler频移法。不同的检测方法采用不同的传感器。,55,Doppler频移血流计,Doppler频移血流计，基于血液
21、中的血细胞等运动微粒会使超声波产生反射发生频率改变的特性，人们开创了测量流量的Doppler技术。通过公式可以根据频率改变得到的差频即可求出血流速度。目前此超声血流计已成为临床上广为使用的常规无创检测法。,56,（3）光电式传感器,光电式传感器是把光信号转换成电信号的传感器，它可以直接检测来自人体的辐射信息，也可以把人体的其他信息转换成光信号。光电式传感器结构简单、非接触、可靠性高、精度高、反应迅速，在生物医学领域应用广泛。光电脉搏传感器、核医学检测器(如伽马照相机)、红外热成像和光导纤维血压传感器等是它的应用实例。,57,光电传感器的物理原理,它的物理基础是光电效应。光电效应是指光照射到物质
22、上引起其电特性(电子发射、电导率、电位电流等)发生变化的现象。光电效应分为外光电效应和内光电效应：外光电效应就是光电发射效应；内光电效应有光导效应、光生伏特效应等几种。,58,外光电效应,金属表面受光照射，其表面和内部的电子吸收光能后逸出金属表面的现象，称为外光电效应，亦称光电发射效应。,光导效应和光敏电阻,光照射到绝大多数高电阻率半导体材料时，会引起该材料的电阻率下降而易于导电的现象，称光导效应。用具有光导效应的材料制成的光敏器件，称之为光敏电阻或光导管。,59,光电脉搏测定原理,这是由光敏电阻和一个光源组成的光电脉搏传感器的原理图。光敏电阻与适当的普通电阻串联后由电源供电，光源在加电时发光
23、，光经人的手指传播到光敏电阻的受光面，当人手指的微血管的血流随微血管的脉压变化时，对光的反射系数也发生变化，使光敏电阻接收到的光强也随之改变。把光敏电阻被微血管反射的光信号转换成指脉电信号，就可做成脉搏传感器。,60,光电脉搏测定原理（2）,透射型指套式光电传感器，由发光二极管和光敏三极管组成。其工作原理是：发光二极管发出的光透射过手指，被手指组织的血液吸收和衰减，然后由光敏三极管接收。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的，于是光敏三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。发光二极管采用红色单色光，稳定性好。传感器做成遮光指套式，减少了
24、外界光的干扰。将传感器套在手指上，就可以测量手指末端处的动脉脉搏波，使用方便，灵敏度高，性能稳定。,61,脉搏血氧测量原理,氧是维护生命的基础，动脉血氧饱和度是反映动脉血含氧程度的重要参数。 人体内的血液通过心脏的收缩和舒张脉动地流过肺部，一定量的还原血红蛋白(Hb)与从肺泡中摄取的氧气结合变成了氧合血红蛋白(HbO2)，而约2的氧溶解在血浆里。这些血通过动脉系统一直输送到毛细血管，然后将氧释放，以维持组织细胞的新陈代谢。,62,脉搏血氧测量原理,血氧浓度的测量通常分电化学和光学两类。以往大部分采用电化学法，如临床和实验室常用的血气分析仪，它要取血样来检测，尽管可以得到精确结果，但从危重病人身
25、上经常取血却是不可能的，且其操作复杂、分析周期长、不能连续监测。在病人处于危症状况时，就不易使其得到及时的治疗。,63,脉搏血氧测量原理,脉搏血氧测定法是一种克服这些缺点的新型光学测量方法。在符合临床要求的前提下，实现无创伤、长时间连续监测血氧饱和度，为临床提供了快速、简便、安全可靠的测定方法，可用于手术室、ICU病房、急救病房和睡眠研究中。,64,脉搏血氧测定法的测量原理是对普通血氧计光学测量方法的发展。 根据吸光定律，当入射光射入厚度为D的均质组织时，入射光I0与透射光I之间的关系为： I=I0e-ECD 式中： C为吸光物质的浓度； E为吸光物质的吸光系数。 定义物质的吸光度A为：A1n
26、(I0/I)=ECD,65,脉搏血氧测定法是基于血液中氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)的吸收光谱的特性，运用Lambert-Beer法则，在体浅表动脉处用光电器件获取两个不同波长的吸光值。选择适当的两波长就可以测量出HbO2和Hb的百分含量。因为在红光区(660nm)，Hb和HbO2的分子吸光系数差别很大，主要反映Hb的吸收；而在红外光区(925nm)，Hb和HbO2的分子吸光系数差别很小，反映Hb和HbO2吸收的综合效果。 设：=A1/A2 为两个波长的光吸收变化率 则：SaO2a+b a和b是实验获取的两个系数。,66,脉搏血氧测量传感器,67,3 传感器的发展方向,新型传感
27、器的开发 这是发展高性能、高功能、低成本和小型化传感器的重要途径。制作此类传感器是利用各种物理、化学效应和定律。新型传感器层出不穷，如利用量子力学诸效应研制的高灵敏阀传感器，响应速度极快的红外传感器，光纤传感器等。高灵敏阀传感器可用来检测极微弱的信号，红外传感器是利用光子滞后效应制作的，有响应速度极快的优点。传感器的集成化 传感器的集成化是利用集成电路制作技术和微机械加工技术将多个功能相同、功能相近或功能不同的传感器件集成为一维线型传感器或二维面型(阵列)传感器；或利用微电子电路制作技术和微型计算机接口技术将传感器与信号调理、补偿等电路集成在同一芯片上。,68,传感器的智能化、网络化 智能传感
28、器系统采用微机械加工技术和大规模集成电路技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号处理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上，故又称集成智能传感器(Integrated Smart/ Intelligent Sensor)。 智能传感器系统具有自检测、自补偿、自校正、自诊断、远程设定、状态组令、信息储存和记忆等功能。,69,4 生物医学传感器的地位和用途,生物医学传感器的作用：将被测的生理参数转换为与之相应的电学量输出，为基础医学研究和临床诊断的研究与分析提供所需要的数据和图像。定量地诊断临床上的疑难病症，正确地断定生理现象，使医学科学进入一个新的阶段定量医学。 从定性医学到定量医学中，
29、传感器起了重要作用，传感器延伸了医生的感官，扩大了医生的认识范围，并把医生定性的感觉扩展为定量的测量。 目前，传感器已成为生物医学测量、数据处理、信息转换、诊断、治疗中不可缺少的关键器件。可以说传感器就是医生的五官。要提取和捕捉生物体内各种生物信息，就需要依靠各种各样的传感器，它是医学测量系统的第一个环节。如果没有传感器对原始参数的精确、可靠的测量，后续各环节再先进，也不会得到正确的结果。,典型医学传感测量系统框图,70,4.1 传感器在医学中的主要用途检测生物体信息 医学诊断和基础研究都需要检测生物体的各种信息。 如：心脏手术前检测心内压力；心血管疾病的基础研究中需要检测血液的粘度以及血脂含
30、量。临床监护 连续测定某些生理参数，监视这些参数是否处于规定范围内，以便了解病人复原过程，或在异常时及时报警。 如：病人在进行手术前后需要连续检测体温、脉搏、血压、呼吸、心电等生理参数。控制 利用检测到的生理参数，控制人体的生理过程。 如：电子假肢就是利用检测到的肌电信号来控制人工肢体的运动。 在用同步呼吸器抢救病人时，需要用传感器检测病人的呼吸信号，以此来控制呼吸器的动作与人体呼吸同步。,71,4.2 医学上需要检测的量,72,上表中的被测量的医学量可归纳为两类： 1、电学信号 测量电学信号（包括部分化学信号）的传感器是电极，它把生物体 内介质中离子电流转换成电子电路中的电子流。 如：各种生
31、物电极。 2、非电学信号（非电物理信号、化学信号、生物信号） 用于非电物理量和生物和化学量的传感器大多数可以把被测量量直接转换成电学量。主要是利用了特殊的功能材料。 如：热电传感器（热电偶、热电阻） 压电传感器（石英晶体、压电陶瓷、压电聚合物） 光电传感器（光纤、光敏二极管）,73,5 开发生物医学传感器的要求,生物医学传感器是用于生物体的，除了一般测量对传感器的要求外，必须要考虑到生物体的解剖结构和生理功能，尤其是安全性和可靠性问题更应特别重视。生物相容性 传感器必须与生物体内的化学物质相容。要求不会被腐蚀，也不会给生物体带来毒性。对于植入体内长期使用的传感器，不应引起赘生物。尺寸合理 适应被测部位的解剖结构，使用时不会损伤组织。同时传感器在结构上应易于进行消毒处理。安全性 与身体要有足够的电绝缘，即使在传感器损坏的情况下，人体受到的电压必须低于安全值。传感器不能给生理活动带来负担、不能干扰正常生理活动。牢固性 在引入被测部位时，传感器不能损坏。,74,本章思考题,传感器的定义了解传感器在医学中的主要用途开发新型传感器的主要途径,
