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1、1,生物医学传感器原理及应用,陈 骥 主讲,2,课程教材：彭承琳 等编，生物医学传感器 原理与应用（第二版），重庆大学出版社，2011年版参考教材：彭承琳 主编，生物医学传感器原理及应用，高等教育出版社，2000年杨玉星，生物医学传感器与检测技术，化学工业出版社，2005,3,第一章 绪 论,1.传感器（Transducer/Sensor）的定义 我国国家标准(GB7765-87中)传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。包含了以下几方面的意思：传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。它的输
2、出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电学物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精度程度。,4,传感器的组成,传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图如图所示：敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换,5,传感器的组成,一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部分与壳体1固接，上半部分通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个
3、电感线圈3中，后者接入转换电路5。膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力相通，内部感受被测压力。当变化时，引起膜盒上半部分移动，即输出相应的位移量。转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。,6,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶就是这样。如图所示，两种不同的金属材料A和B，一端连接在一起，放在被测温度T中，另一端为参考，温度为T0，则在回路中将产生一个与温度T、T0有关的电动势，从而进行温度测量。,7,8,传感器的组成,有些传感器由敏感元件和转换元
4、件组成。如图所示的压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片是转换元件。因转换元件的输出已是电量，故无需转换电路。敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的，由于空间的限制或者其他原因，转换电路常装入电箱中。尽管如此，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,MEMS技术,从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等,Mic
5、ro-Electro-Mechanical Systems（USA）Micro-Machine(JAPAN)Micro-Systems(EUROPE),加速度传感器,正文,电梳驱动原理,微观结构,正文,动作模拟演示,14,2.传感器的作用,人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种请况，就需要传感器。传感器是人类五官的延长，是代替人体五种感觉器官（视、听、触、嗅、味）的装置。在信息时代，首先要解决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器技术是现代医学仪器及
6、计算机应用的关键技术。,15,2.传感器的作用,在医学上，生物医学传感器的主要用途有:(1)提供生物医学检测的信息(2)提供连续监护的信息(3)提供人体疾病治疗和控制的信息,16,2.传感器的作用,(1)提供生物医学检测的信息:如心音、血压、脉搏、血流、呼吸、体温等信息、供临床诊断和医学研究用。除直接从人体收集信息外,临床上常从各种体液(血、尿、唾液等)样品获得诊断信息。这类信息是利用化学传感器和生物传感器来获取生化检验信息,是诊断各种疾病必不可少的依据。,17,2.传感器的作用,(2)提供连续监护的信息:长时间连续测定某些参量,监视这些参量是否处于规定的范围内,以便了解病人的恢复过程,出现异
7、常时及时报警。如心脏手术后的病人需监视其体温、脉搏、动脉压、静脉压、呼吸和心电等一系列参数的变化情况,18,2.传感器的作用,(3)提供人体疾病治疗和控制的信息：利用检测到的生理参数控制人体的生理过程。例如自动呼吸机用传感器检测病人的呼吸信号来控制呼吸机的动作，使之与人体呼吸同步；电子假肢用测得的肌电信号，控制人工肢体的运动;人工肝、人工肾（血液透析）体外循环中的血流、血压控制等。,19,生物医学测量上的各种参量,20,生物医学测量上的各种参量,21,3.生物医学传感器的分类,生物医学传感器的分类方法有很多种（1）按被测量分为三大类：1)物理传感器；2)化学传感器；3)生物传感器 1）物理传感
8、器：用于测量血压、体温、血流量、血粘度、生物组织对辐射的吸收、反射或散射以及生物磁场等。这些被测量都属于物理量，设计传感器时多利用这些非电量的物理效应。,22,3.生物医学传感器的分类,2）化学传感器：化学传感器是把人体内某些化学成分、浓度等转换成与之有确切关系的电学量的器件。用于测量人体体液中离子的成分或浓度（如Ca+、K+、Na+、）、pH值、氧分压（po2）及葡萄糖浓度等。这些被测量都属于化学量，不过这些被测物质的分子量一般都不太大，利用电化学原理或物理效应可以制成化学传感器。利用各种化学传感器测量人体中的某些化学成分,如用离子选择性电极测量纳、氯、钙等离子;利用气敏电极测定氧分压和二氧
9、化碳分压。,23,3.生物医学传感器的分类,生物电位（如心电、脑电、眼电、肌电等）本来属于物理量，但由于测量生物电位时不可避免地使用电极，电极和皮肤或软组织之间的界面是一个半电池。电极是电化学研究的对象，如把测量生物电位的电极也看作是一种传感器，则应将其列入化学传感器。,24,一次性心电电极,通用型一体五导联线,吸球心电电极,25,ECG-2203B 心电图机,多参数监护仪,26,27,3.生物医学传感器的分类,3)生物传感器：用于酶、抗原、抗体、激素、脱氧核糖核酸（DNA）等物质的传感。这类物质也属于化学物质，但它们的分子量较大，分子结构比较复杂，一般的化学传感器很难对它们进行识别。生物传感
10、器的敏感部分具有生物识别功能，有很强的特异性和高度的敏感性，能有选择地与被测物质起作用。生物传感器是具有生物识别能力的化学传感器。,28,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,29,3.生物医学传感器的分类,（2）按工作原理分类：电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、光电式传感器、光导纤维式传感器、红外传感器、热电式传感器、超声波式传感器、半导体式传感器、声表面波传感器、超导传感器等。,30,3.生物医学传感器的分类,（3）按被测对象分类：血压传
11、感器、血氧传感器、温度传感器、心音传感器、脉搏波传感器、呼吸传感器、葡萄糖传感器、基因传感器等。,31,血氧饱和度指夹仪.,血氧饱和度探头,红外脉搏传感器,压电式脉搏传感器,32,BP300T压力传感器,腕式电子血压计,上臂式电子血压计,新型上臂式电子血压计,33,温度传感器模块 DS18B20,SHT1115温湿度智能传感器,34,OTP-538红外测温传感器,SDT-718 热释电红外模块,红外测温仪,35,医用传感器应具有以下特性:1较高的灵敏度和信噪比,以保证能检测出微小的有用信息。2良好的线性和快速响应,以保证信号变换后不失真并能使输出信号及时跟随输入信号的变化。3良好的稳定性和互换
12、性,以保证输出信号受环境影响小而保持稳定。同类型传感器的性能要基本相同,在互相调换时不影响测量数据。,36,除具有上述特性外，还必须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更应特别重视。传感器必须与生物体内的化学成分相容，既不被腐蚀也不给生物体带来毒性；传感器的形状、尺寸和结构应和被检测部位的结构相适应，使用时不应损伤组织，不给正常生理活动带来干扰；传感器有更严格安全要求和其它生物方面的要求。,37,4.开发新型传感器的途径,1）采用新原理 利用新的物理效应、化学效应可研制出新一代传感器。例如利用约瑟夫逊效应开发的磁场传感器可以检测极微弱的磁场，使超高灵敏度的测量成为现实，可用于
13、超低温中的磁导率测量、生物体磁场的测量等方面。光纤传感器、声表面波传感器、DNA传感器等已取得很大进展。,38,约瑟夫逊效应（超导隧道效应）：,1962年，剑桥大学研究生约瑟夫逊分析了由极薄绝缘层（厚度约为百万分之一毫米）隔开的两个超导体断面处发生的现象，超导绝缘超导(SIS)结，称为约瑟夫逊结。通过调节两块超导体间的绝缘层的厚薄，可以使其电压比某一特定值大时才有电流通过，小时则没有电流通过。,39,约瑟夫逊效应（超导隧道效应）：,约瑟夫逊预言，超导电流可以穿过绝缘层，在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层（隧道效应）；同时还产生一些特殊的现象：只要超导电流不超
14、过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生电压，即电流通过薄绝缘层无需加电压。这些预言被美国贝尔实验室用试验证实，而这一超导物理现象则被称为“约瑟夫逊效应”。约瑟夫逊效应是超导体的电子学应用的理论基础。,40,SQUID传感器(超传导量子干涉器件),脑磁图测量系统的核心部件是SQUID传感器地球的磁场为约0.310-4 T（特拉斯）脑生物磁场501000fT(1fT=1015 T）SQUID传感器可检测到地球磁场十亿分之一的变化量。,41,SQUID传感器(超传导量子干涉器件),最新式的脑磁图测量系统可提供多达275个传感器，其中的关键技术是SQUID；SQUID传感器是由超导材料铌金属，使用约
15、瑟夫逊隧道效应的技术制作而成。SQUID传感器均匀的分布在底部为头盔型的液氦杜瓦容器内，工作在零下269的超低温液态氦中，其工作温度接近于绝对零度，即零下273.16。,42,脑磁图传感器矩阵列,脑磁图传感器均匀紧密地分布在大致成六角形的头盔内表面。头盔和液氦杜瓦容器做成一体。传感器矩阵列从64个至275个可供选择。浸泡在液态氦中的测量线圈离液氦杜瓦容器头盔外表面的间距小于17毫米。,43,SQUID（超传导量子干涉器件）,SQUID是基于铌金属合金超导材料，使用约瑟夫隧道连接技术制作而成的。每块晶片上制作80个SQUID电路，且一次同时加工十块晶片，在技术上保证了制作成的SQUID具有高度的
16、均匀一致性，也就保证了所有信道的特性相同。图中显示了一个SQUID传感器的内部结构的电子显微镜放大图。,44,液氦杜瓦容器,头盔形的液氦杜瓦容器是优化低温系统的一部分，并留有放置脑电图电极的空间。为了抗无线电波的干扰，液氦杜瓦真空容器内还安装了抗电磁波干扰的屏蔽层。在杜瓦真空容器内还涂有一层低温吸着材料以维持其真空度。,45,磁场屏蔽室,一般由两层 m 金属板和一层铝板构成，可同时屏蔽低频和高频的噪声干扰，重约吨。m金属层是具有很高磁导率的合金，主要用来屏蔽来自室外的低频噪声(10Hz)。磁场屏蔽室之所以能有屏蔽效能，是因为电磁波穿过电磁屏蔽体时会产生吸收损耗和反射损耗。,46,MEG信号的发
17、生原理,脑磁图是研究脑磁场信号的脑功能图象技术。一组紧密排列的脑神经元细胞产生的生物电流可看作为一个信号源。由这一电流源产生的生物磁场可穿透脑组织以及颅骨到达头部之外，可用一组探测器阵列来测量分布在头皮表面上的这种磁场以确定脑内信号源的精确位置和强度。由脑磁图探测到的大脑活动部位可以是由外界激发产生的结果，比如视觉刺激，或者是自发性产生的结果，比如癫痫活动。把握这些活动部位的精确位置对于各种临床诊断，脑外科手术前的手术计划制定，以及脑的基础研究都具有十分重要的意义。,47,MEG/EEG信号的发生原理,脑磁图主要用于正切磁场的测量，而脑电图则用于径向磁场的测量。脑磁图是测量细胞内的电流，而脑电
18、图则是测量细胞外的电流。脑磁图为脑功能图像化提供了最为精确的测量系统。,48,脑电图信号的失真,1）由于头部各组织的导电率各不相同的效应，使得脑电图信号在到达头皮表面时会产生失真，从而使得信号源的精确定位很困难或根本不可能。2）而脑磁场信号和各种脑组织的导电率无关，因此脑磁图信号在穿透头皮后不会产生任何失真。脑磁图可用于脑内信号源的精确定位，而且事先没有必要知道头皮，颅骨和脑组织的精确的导电率值。,49,MEG信号检测,对正常人听觉刺激的数据分析：上图显示了均匀分布在整个头部的143个脑磁图传感器所测到的脑磁场变化曲线。所示曲线为100次数据采样的平均值，所示时间范围约600毫秒。下图显示了在
19、同一时间坐标轴上所有信道的脑磁场变化曲线的重迭。从此例可以清楚地看出，磁场强度的最大值（100毫微特斯拉）发生在听到刺激声音之后的97毫秒，用红线表示。,50,4.开发新型传感器的途径,2）采用新材料 由于材料科学的巨大进步，新的功能材料的开发将导致新型传感器的出现。半导体材料研究的进步，促进了半导体传感器的迅速发展；压电半导体材料为压电传感器集成化提供了方便；高分子压电薄膜的研制成功，将使机器人的触觉系统更接近人的触觉系统皮肤。,51,4.开发新型传感器的途径,精细陶瓷、形状记忆合金等是很有希望的传感器材料，尤其是记忆合金，当它复原时会产生相当大的力，可作力敏感元件和执行元件的结合体。在功能
20、材料方面，把酶或活体组织的一部分作为敏感元件，它对特定的化学物质具有高度的选择性。不仅可测量各种分于量和结构的化学物质，而且有可能测量食品的新鲜度。随着材料科学技术的发展，适用于敏感元件的材料会大量增加，新型传感器将不断地出现。,52,4.开发新型传感器的途径,3）采用新的加工技术与工艺 采用新的加工技术可以制造出新型传感器，如采用光刻、扩散等方法，可以制造出微型化和集成化传感器，现在已经制造出能装在注射针上的压力传感器和成分传感器。MEMS技术，采用半导体集成电路制造技术在同一个芯片上同时制造几个传感器或传感器阵列，而且这些传感器输出信号的放大、运算等处理电路也集成在这个芯片上，从而可构成多
21、功能传感器、分布式传感器。,MEMS制造工艺,1.体微加工技术（蚀刻：干法蚀刻和湿法蚀刻）2.表面微加工技术（光刻）3.键合(bonding)技术（硅熔融键合和静电键合）4.L IGA技术（Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)Abformung(塑铸)）,体加工技术,表面加工技术,体加工&表面加工,体加工&表面加工,58,4.开发新型传感器的途径,纳米技术：用单个原子、分子制造物质的科学技术，即在单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构形态等进行精确的观测、识别与控制技术的研究与应用。它将对21世纪的信息技术、生命科学、分子生物学、新材料等具有重大意义。
22、,59,4.开发新型传感器的途径,纳米技术在医学、生物工程中的应用：尺寸小于10纳米的超细微粒可以在血管中自由移动，可以建造多种功能的微型机器人注入人体血管内，进行全身健康检查和治疗，包括疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可以吞噬病毒，杀死癌细胞。,60,4.开发新型传感器的途径,美国已造出了少量的纳米管，纳米管的强度比钢高100倍，重量只有其1/6，纳米管很细很细，5万个纳米管排列起来才只有一根头发丝那么粗。预计它是理想的导体，它的导电性很可能远远超过铜，纳米管最终可以用于纳米级的电子线路。日本丰田公司用微型部件组装了一辆一粒米那么大的能开动的微型汽车。东京大学自动化工程师创造了硅微型昆虫，能飞行几厘米。,61,4.开发新型传感器的途径,德国美因兹微技术研究所制造了一架只有黄蜂那么大的直升飞机，重量不到0.5克，能升空130毫米，它的目的是要证实制造高性能的一伏微型发动机是可能的。这种发动机只有削尖了的铅笔尖那么大，但转速可达每分钟10万次，最终可用作电子显示器和激光扫描器的驱动器，也许最早的应用将是在微型外科器械方面。,62,63,64,65,66,67,68,69,
