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1、生物医学传感器原理及应用,内容提要,1、医用传感器基础2、生物电检测电极3、常用医用物理传感器4、化学传感器和生物传感器5、传感器技术的发展与展望,1 医用传感器基础,对传感器的定义：,“传感器”在新韦式大词典中定义为:“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器Transducer”来称谓“传感器Sensor”。,中华人民共和国国家标准(GB766587)对传感器下这样的定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。国
2、标中的定义强调了被测量信号按一定规律转换成可用输出信号，而且它给出了传感器的结构信息，即它通常由敏感元件和转换元件组成。,按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：,输出电信号,敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现。信号调节和转换电路是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。有人也称这一部分电路为信号调理电路。,医用传感器（Biomedical Sensors）,医用传感器，顾名思义，它是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息
3、是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现，因此，医用传感器可以定义为：把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）,医用学传感器的分类,传感器的分类方法多种多样，有按传感器的工作原理分的，有按输入信息的类型分的，也有按能量关系或输出信号类型分的。医学测量中往往按被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸波传感器等。医用传感器按工作原理分类，大致可分为：,生物传感器,生理参数,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
4、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,物理传感器,电阻式传感器,电容式传感器,电感式传感器,压阻（效应）传感器,压电（效应）传感器,光电（效应）传感器,霍尔（效应）传感器,生理信号检测的特点,医用传感器用于人体生理信息检测时，具有以下主要特点： 被测量生理参数均为低频或超低频信息，频率分布范围在直流300Hz。生理参数的信号微弱，测量范围分布在uVmV数量级。被测量的信噪比低，且噪声来源可能是多方面的。由于人体是一导电体，体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰生理信息的检测。人体是一有机整体，各器官功能密切相关，传感器所拾取信息往往是由多种参
5、数综合而形成的。,医用传感器的数学模型,传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感器的输入与输出的关系特性。描述传感器的输入一输出关系的数学表达式被称为传感器的数学模型，通常从传感器的静态输入一输出和动态输入一输出关系两分面建立数学模型。,静态模型,静态模型是指静态信号（输入信号不随时间变化或变化缓慢）情况下，描述传感器的输出与输入量间的函数关系。在实际工程应用中，忽略蠕动效应和迟滞持性、它可以用多项式来表示为：,动态模型,动态模型是指传感器在准动态或动态信号（即输入信号随时间变化）作用下，描述其输出一输入关系的数学表达式。要精确地建立传感器的动态数学模型较困难，工程上常利用近似方法，忽略次要因
6、素。来简化动态模型的建立。,医用传感器的基本特性,医用传感器的基本特性是指传感器的输出与输入的关系特性，它是传感器应用的外部特性，但是传感器不同的内部结构参数影响或决定着它具有不同的外部特性。医用传感器检测的生理信息，基本上有两种类型，即静态量和动态量。静态量是指不随时间变化或变化甚为缓慢的量(如体温)，动态量通常是周期性信号、瞬变或随机的信号(如心电、血压等)。,静态特性,静态特性表示传感器在被测生理量处于稳定状态时的输出与输入之间的关系特性，一般情况下，它呈现非线性关系。工程应用中，要求静态特性尽可能呈线性。衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、温度
7、漂移等。,线性度指传感器输出随输入变化的线性程度，它用输出量一输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值。迟滞特性是指传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出一输入曲线的不重合程度。迟滞是由传感器材料固有特性和机械上的不可避免的缺陷等原因产生的。重复性是指传感器在同一工作条件下输入量按同一方向作全量程连续多次变动所得到特性曲线的不一致程度。产生重复性误差的原因同样是传感器内机械缺陷引起的，如材料内的摩擦、间隙、积尘等。,分辨力是表述传感器可能检测出被测信号最小变化的能力。零点漂移指传感器无输入时，输出值随时间而偏移，偏移零值的偏移量。
8、温度漂移表示温度变化时，传感器输出值的漂离程度，通常以温度变化1时，输出最大偏差与满量程值之比表示。,动态特性,传感器的动态特性是指传感器对激励(输入)的响应(输出)特性。具有良好的动态特性的传感器，在动态(快速变换)的输入信号作用下，不仅能精确地测量信号的帕值大小，而且能迅速准确地响应信号幅度变化和无失真地再现被测量信号随时间变化的波形。,对医用传感器的基本要求,医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设计与应用必须考虑人体因素的影响，考虑生物信号的特殊性、复杂性，考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、安全性。,1.传感器本身具有良好的技术性能，如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信
9、噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。2.传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应，使用时，对被测组织的损害要小。3.传感器对被测对象的影响要小，不会对生理活动带来负担，不干扰正常生理功能。4.传感器要有足够的牢固性，引进到待测部位时，不致脱落、损坏。,5.传感器与人体要有足够的电绝缘，以保证人体安全。；6.传感器进入人体能适应生物体内的化学作用，与生物体内的化学成分相容，不易被腐蚀、对人体无不良刺激，并且无毒。7.传感器进入血液中或长期埋于体内，不应引起血凝。8.传感器应操作简单、维护方便，结构上便于消毒。,医用传感器在医学上的用途,检测检测正常或异常生理参数。比如：先心病病人手术
10、前须用血压传感器测量心内压力，估计缺陷程度。监护连续测定某些生理参数是否处于正常范围，以便及时预报。在ICU病房，对危重病人的体温、脉搏、血压、呼吸、心电等进行连续监护的监护仪。控制即利用检测到的生理参数控制人体的生理过程。比如，用同步呼吸器抢救病人时，要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。,第二节 细胞的生物电现象,概述 恩格斯在100多年前就指出：“地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的变化”。人体及生物体活细胞在安静和活动时都存在电活动，这种电活动称为生物电现象（bioelectricity）。细胞生物电现象是普遍存在的，临床上广泛应用的心电图、脑电图、肌电图
11、及视网膜电图等就是这些不同器官和组织活动时生物电变化的表现。,第二节 细胞生物电现象生物电现象：生命活动中表现的电现象。心脏 心电图脑 生物电总和 脑电图骨骼肌 肌电图胃肠平滑肌 胃肠电图,细胞膜的跨膜物质转运功能,（一）单纯扩散（二）膜蛋白介导的跨膜转运.经载体易化扩散.经通道易化扩散.原发性主动转运.继发性主动转运（三）出胞与入胞,膜蛋白介导的跨膜转运,被动转运：载体介导的易化扩散通道介导的易化扩散不消耗能量，顺浓度差、电位差跨膜转运主动转运：原发性主动转运继发性主动转运消耗能量、逆浓度差、电位差的跨膜转运,原发性主动转运,细胞直接利用代谢产生的能量，以泵蛋白为介导，将物质逆 浓度梯度或电
12、位梯度跨膜转运的过程。如：钠-钾泵（钠泵，钠-钾依赖式ATP酶）钙泵、H+K+泵等。,水解ATPADP，利用高能磷酸键贮存的能量完成离子的跨膜转运,钠-钾泵：钠泵，钠-钾依赖式ATP酶,逆浓度差把细胞内Na+移出膜外，K+入膜内。使细胞内K+为细胞外液中的30倍，而细胞外液中Na+为胞浆中的12倍，保持Na+、K+在细胞膜内外不均衡分布。,将3个Na排出细胞外2个K泵入细胞内,Sodium-potassium pump,钠-钾泵活动生理意义 胞内高K+，是胞浆内许多代谢反应所必需的。造成膜内外 Na+ 、K浓度差，是细胞生物电活动的前提件。维持胞浆渗透压和细胞容积相对稳定4. 膜内外 Na+
13、、K浓度差是维持Na-H交换的动力对维持细胞内的pH稳定具有重要作用膜内外 Na+ 、K浓度差是维持Na-Ca2交换的动力膜内外 Na+ 、K浓度差是继发性主动转运的动力,2 生物电检测电极,电极有两类生物电检测电极刺激电极,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
14、电流有效地导出的敏感元件称为检测电极。,刺激电极,另一方面，临床医学根据生物体的电生理活动原理，对生物体导入各种不同的电信号，以调节和治疗疾病，使肌体获得康复。比如：对处于纤维性颤动而杂乱兴奋的心肌细胞给予瞬间高能量电刺激，强使心肌兴奋相位变为一致的除颤作用；对各种因风湿炎症而引起的慢性疼痛，施以适量的电刺激以使疼痛减轻；控制心脏起搏器监测心脏节率并在搏动失常时给予适当的电刺激来维持心肌的搏动等等，都需要利用另一类电极向生物体导入电信号，这一类电极称为刺激电极。,生物电检测电极示意图,机体外,机体内,电极,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
15、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,CuSO4,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，电极与组织之间就构成了半电池。,电极的本质,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
16、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。,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。,生物电电极的分类,宏电极和微电极,宏电极用于检测和记录机体器官、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。,体表电极,体表电极是用
17、于在身体表面记录生物电信号（如ECG、EEG、EMG）的电极。体表电极，应满足如下要求：电极电位稳定；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。,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AgAgcl电极和人体蛋白质会发生化学反应，不应选用。下面介绍两种体内电极：经皮注射式针电极和丝电极。,经皮注射式针电极（a）和丝电极（b）,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
18、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。,3 常用医用物理传感器物理传感器,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。,物理传感器的分类,物理传感器根据检测对象的不同，有温度传感器、压力传感器、血流量传感器、心音传感器、脉搏传感器、呼吸传感器等 。物理传感器根据工作原理分为电阻式传感器、电容式传感器、电
19、感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器和光电式传感器等。,3.1 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。,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
20、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温度传感器等。,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。,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有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。,热电偶效应可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量
21、这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度，这就是热电偶测温的原理。不同材质做出的热电偶应用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5-40微伏之间。,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
22、偶（b）片状热电偶,红外热辐射式温度传感器,红外辐射式温度传感器则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。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 。,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
23、，采用的温度敏感元件有热电偶、热敏电阻等。,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。,3.2 压力的测量和压力传感器,医学常用的压力参数有：血压、颅内压、眼内压、肠内压、肺泡压等，其中最常规的测量内容是血压(Blood Pressure ,BP)。医学上测量的血压有动脉压、静脉压和心内压（包括心
24、室压、心房压）等，每种压力信号又包括：收缩压、舒张压、平均压。,压力传感器是检测人体内各种生理压力参数的传感器，在基础医学、临床诊断中应用十分广泛。对血压的测量方法有直接测量和间接测量。 直接测量血压的传感器包括液体耦合式传感器、导管端部传感器等。间接测量血压的方法是科氏音法。,光电传感器的物理原理,光电传感器包括：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二极管三极管等。它的物理基础是光电效应。光电效应是指光照射到物质上引起其电特性(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。,外光电
25、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。,光电倍增管,光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子流并使电子流获得放大的电真空器件。它是最灵敏的光检测器，在冷却状态，无热生电子时，甚至能检测单个光电子。,图中K表示光电阴极，D1、D2、Dn是由二次发射体制成的倍增极。A是收集电子的阳极或收集极。工作时这些电极的电位从阴极逐级升高，相邻电极电位相差100V左右。微弱光线射人的光子打到光电阴极上，引起光电发射，释放出一些电子。这些电子经电子光学输人系统的静电聚焦和加速，飞向比阴极电位高100V左右的第一倍增极，在倍增极上引起了二次电子发射，
26、倍增效应发生，释放出更多的电子。倍增后的电子再次加速飞向更高电位的下一个倍增极。电子倍增过程就这样延续下去。最后，电子到达阳极被收集，在负载电阻RL上形成电流。,在放射性同位素测量和成像技术中，常用光电倍增管作为检测器中的光电转换器。例如，在伽马照相机和单光子发射断层成像装置(SPECT)中，就是采用光电倍增管来检测由伽马射线激起的闪烁晶体发出的光信号，从而实现成像的。,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。,光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管的结构与一般二极管
27、相似，装在透明玻璃外壳中，它的PN结装在管顶，便于接受光的照射。光敏二极管在电路中工作时，一般接上反向电压。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，反向电流也称暗电流。当光照射在PN结上时，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过PN结的反向电流也随着增加。,光敏二极管和光敏三极管,光敏三极管由两个PN结组成，它的发射极与光敏二极管一样，具有光敏特性。它的集电极则与普通晶体管一样，可以获得电流增益。光照射发射极产生的光电流，相当于基极电流，因此集电极电流是光电流的倍，所以光敏三极管有放大作用，它比光敏二极管有更高的灵敏度。,光电脉搏测定原理,这是由光敏电阻
28、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，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。,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
29、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。,光电脉搏测定原理（2）,脉搏测定的其它方法,利用灵敏度高的半导体压阻材料，也可以制成基于惠斯顿电桥的脉搏传感器。,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。,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。,
