医用传感器原理[1].ppt

医用医用传感器原理感器原理1内容提要内容提要l1、医用传感器根底l2、生物电检测电极l3、常用医用物理传感器l4、化学传感器和生物传感器l5、传感器技术的开展与展望2021/1/1221 医用传感器根底医用传感器根底 对传感器的定义：对传感器的定义：“传感器在新韦式大词典中定义为传感器在新韦式大词典中定义为:“从一个系统承受功率，通常以另一种形从一个系统承受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件。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，所以不少学者也用转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器换能器Transducer来称谓来称谓“传感器传感器Sensor。2021/1/123l中华人民共和国国家标准中华人民共和国国家标准(GB766587)(GB766587)对传对传感器下这样的定义：感器下这样的定义：l传感器是能感受规定的被测量并按照一定的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。通常由敏感元件和转换元件组成。l国标中的定义强调了被测量按一定规律转换国标中的定义强调了被测量按一定规律转换成可用输出信号，而且它给出了传感器的构成可用输出信号，而且它给出了传感器的构造信息，即它通常由敏感元件和转换元件组造信息，即它通常由敏感元件和转换元件组成。成。2021/1/124信号调节信号调节转换电路转换电路敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电路辅助电路被测信息被测信息按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：输出输出电信号电信号2021/1/125敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。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。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涉及的有关电路。有人也称这一部分电路为信号调理电路。理电路。2021/1/126医用传感器医用传感器Biomedical Sensorsl医用传感器，顾名思义，它是应用于生物医学领域的医用传感器，顾名思义，它是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，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。数关系的电信息的变换装置。l人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来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心电等各类生物电)和体外的和体外的(如红外、生物磁等如红外、生物磁等2021/1/127医用学传感器的分类医用学传感器的分类l传感器的分类方法多种多样，有按传感器的工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、呼吸往往按被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸波传感器等。波传感器等。l医用传感器按工作原理分类，大致可分为：医用传感器按工作原理分类，大致可分为：2021/1/128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机体的各种生物电（心电、脑电、肌电、神经元放电等）生物电电极电学量参数利用化学反响原理，把化学成分、浓度转换成电信号化学传感器2021/1/129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2021/1/1210生理信号检测的特点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，各器官功能亲密相关，传感器所拾取信息往往是由多种参数综合而形成的。2021/1/1211医用传感器的数学模型医用传感器的数学模型l传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感器的输入与输出的关系特性。器的输入与输出的关系特性。l描绘传感器的输入一输出关系的数学表达式被描绘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输入一输出和动态输入一输出关系两分面建立数学模型。数学模型。2021/1/1212静态模型静态模型l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，描绘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：2021/1/1213动态模型动态模型l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，描绘其输出一输入关系的数学表达式。l要准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，忽略次要因素。来简化动态模型的建立。2021/1/1214医用传感器的根本特性医用传感器的根本特性l医用传感器的根本特性是指传感器的输出与输医用传感器的根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，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构造参数影响或决定着但是传感器不同的内部构造参数影响或决定着它具有不同的外部特性。它具有不同的外部特性。l医用传感器检测的生理信息，根本上有两种类医用传感器检测的生理信息，根本上有两种类型，即静态量和动态量。静态量是指不随时间型，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变化或变化甚为缓慢的量(如体温如体温)，动态量通，动态量通常是周期性信号、瞬变或随机的信号常是周期性信号、瞬变或随机的信号(如心电、如心电、血压等血压等)。2021/1/1215静态特性静态特性l静态特性静态特性表示传感器在被测生理量处于稳定状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。态特性尽可能呈线性。l衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵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、温敏度、迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、温度漂移等。度漂移等。2021/1/1216l线性度指传感器输出随输入变化的线性程度，它用输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。出量一输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。l灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值。值。l迟滞特性是指传感器在正迟滞特性是指传感器在正(输入量增大输入量增大)反反(输入量减小输入量减小)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防止的缺陷等原因感器材料固有特性和机械上的不可防止的缺陷等原因产生的。产生的。l重复性是指传感器在同一工作条件下输入量按同一方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屡次变动所得到特性曲线的不一致程向作全量程连续屡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。引起的，如材料内的摩擦、间隙、积尘等。2021/1/1217l分辨力是表述传感器可能检测出被测信号最小变化的分辨力是表述传感器可能检测出被测信号最小变化的才能。才能。l零点漂移指传感器无输入时，输出值随时间而偏移，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。偏移零值的偏移量。l温度漂移表示温度变化时，传感器输出值的漂离程度，温度漂移表示温度变化时，传感器输出值的漂离程度，通常以温度变化通常以温度变化1时，输出最大偏向与满量程值之比时，输出最大偏向与满量程值之比表示。表示。2021/1/1218动态特性动态特性l传感器的动态特性是指传感器对鼓励传感器的动态特性是指传感器对鼓励(输入输入)的的响应响应(输出输出)特性。具有良好的动态特性的传感特性。具有良好的动态特性的传感器，在动态器，在动态(快速变换快速变换)的输入信号作用下，不的输入信号作用下，不仅能准确地测量信号的帕值大小，而且能迅速仅能准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。量信号随时间变化的波形。2021/1/1219对医用传感器的根本要求对医用传感器的根本要求 l医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设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、平安性。的生物相容性、可靠性、平安性。2021/1/1220l1.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、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。l2.传感器的形状和构造应与被检测部位的解剖构造相适应，使用时，对被测组织的损害要小。l3.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。l4.传感器要有足够的结实性，引进到待测部位时，不致脱落、损坏。2021/1/1221l5.传感器与人体要有足够的电绝缘，以保证人体平安。；l6.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。l7.传感器进入血液中或长期埋于体内，不应引起血凝。l8.传感器应操作简单、维护方便，构造上便于消毒。2021/1/1222医用传感器在医学上的用处医用传感器在医学上的用处 l检检测测检检测测正正常常或或异异常常生生理理参参数数。比比方方：先先心心病病病病人人手手术术前前须须用用血血压压传传感感器器测测量量心心内内压压力力，估计缺陷程度。估计缺陷程度。l监监护护连连续续测测定定某某些些生生理理参参数数是是否否处处于于正正常常范范围围，以以便便及及时时预预报报。在在ICU病病房房，对对危危重重病病人人的的体体温温、脉脉搏搏、血血压压、呼呼吸吸、心心电电等等进进展展连连续续监护的监护仪。监护的监护仪。l控控制制即即利利用用检检测测到到的的生生理理参参数数控控制制人人体体的的生生理理过过程程。比比方方，用用同同步步呼呼吸吸器器抢抢救救病病人人时时，要要检检测测病病人人的的呼呼吸吸信信号号，以以此此来来控控制制呼呼吸吸器器的的动动作与人体呼吸同步。作与人体呼吸同步。2021/1/12232 2 生物电检测电极生物电检测电极 电极有两类电极有两类l生物电检测电极l刺激电极2021/1/1224生物电检测电极生物电检测电极l生物电的变化可以反响生物体的复杂生命现象，比方人体心血管的疾患，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展分析诊断；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、疾病的发生与开展，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的敏感元件称为检测电极。2021/1/1225刺激电极刺激电极l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。比方：对处于纤维性颤抖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。2021/1/1226-生物电检测电极示意图生物电检测电极示意图生物电检测电极示意图生物电检测电极示意图机体外机体内电极电极电极在生物体内离子导电极在生物体内离子导电和金属的电子导电体电和金属的电子导电体系之间形成一个电化学系之间形成一个电化学界面，能实现离子流与界面，能实现离子流与电子流的互相转换，从电子流的互相转换，从而使生物体和测量仪器而使生物体和测量仪器间构成了电流回路。间构成了电流回路。2021/1/1227电极的本质电极的本质半电池原理半电池原理l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，称半电池半电池，其电位差称为半电池电位半电池电位。ZnZnSO42021/1/1228l生物电电极的本质是由金属电解质溶液构成的半电池。l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，当电极与组织外表相接触时，电极与组织之间就构成了半电池。电极的本质电极的本质2021/1/1229电极的极化电极的极化l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。l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。2021/1/1230生物电测量的等效电路2021/1/1231电极的电位电极的电位l生物电电位差两个电极间的电位差l电极的电位电极的半电池电位与极化电位的总和。2021/1/1232电极的等效电路电极的等效电路l实验说明，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。2021/1/1233生物电电极的分类生物电电极的分类生生物物电电电电极极宏电极宏电极微电极微电极体表电极体表电极体内电极体内电极金属微电极金属微电极玻璃微电极玻璃微电极2021/1/1234宏电极和微电极宏电极和微电极l宏电极用于检测和记录机体器官、组织整体宏电极用于检测和记录机体器官、组织整体放电程度的电极。按记录部位的不同，分为体放电程度的电极。按记录部位的不同，分为体表电极和体内电极。表电极和体内电极。l微电极用于测量细胞内外的电位改变的电极，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，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。微电极直可刺入细胞膜并保持机械性能稳定。微电极直径大约在到径大约在到10m之间。按制作材料可分为金之间。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。属微电极和充填电解液的玻璃微电极。2021/1/1235体表电极体表电极 l体表电极是用于在身体外表记录生物电信号如ECG、EEG、EMG的电极。l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；无毒平安、对人体刺激要小。皮肤的角质层虽然极薄（约皮肤的角质层虽然极薄（约40m），但具有很高的电阻），但具有很高的电阻率。一般在电极表面涂上一层率。一般在电极表面涂上一层含有含有Cl-离子的导电膏，以保离子的导电膏，以保持良好接触，并且在此之前用持良好接触，并且在此之前用砂纸摩擦去除部分皮肤角质层，砂纸摩擦去除部分皮肤角质层，可以显著减小表皮电阻。可以显著减小表皮电阻。当电极相对于电当电极相对于电解液运动时，使解液运动时，使界面处电荷分布界面处电荷分布打乱，会产生运打乱，会产生运动伪迹。动伪迹。2021/1/1236临床上常用的体表电极临床上常用的体表电极l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。l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。2021/1/1237l体表生物电检测中最常用的电极是AgAgCl电极。它的构造是在金属银的外表覆盖一层难溶解的银的盐类AgCl，再浸入含有氯离子的溶液中。电极可以用以下符号表示：Ag|AgCl|C1-。l实际应用的AgAgCl电极极化电压很低，一般在左右。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。2021/1/1238AgAgAgclAgcl圆盘电极圆盘电极圆盘电极圆盘电极lAgAgcl圆盘电极的导电膏充填在空腔内，构造稳定，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。2021/1/1239体内电极体内电极 l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，电极材料的平安性很重要，象AgAgcl电极和人体蛋白质会发生化学反响，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。2021/1/1240经皮注射式针电极经皮注射式针电极a a和丝电极和丝电极b b 针电极一般用不针电极一般用不锈钢材料制成，锈钢材料制成，常用于肌电的测常用于肌电的测量，效果较体表量，效果较体表电极大电极大57倍。倍。丝电极一般采用外丝电极一般采用外面涂有绝缘层，直面涂有绝缘层，直径为径为25125m的镍的镍铬合金丝做成，用铬合金丝做成，用于肌电的长期测量。于肌电的长期测量。2021/1/1241金属微电极金属微电极l金金属属微微电电极极是是在在不不锈锈钢钢、钨钨、铂铂等等金金属属上上喷喷涂涂聚聚合合物物、玻玻璃璃等等绝绝缘缘材材料料制制成成的的，其其尖尖端端裸裸露露。金金属属微微电电极极的的极极化化特特性性使使其其不不宜宜准准确确测测量量细细胞胞的的静静止电势，常用于活动电势的检测。止电势，常用于活动电势的检测。l金金属属微微电电极极包包括括单单点点测测量量微微电电极极和和多多重重微微电电极极，后后者者由由多多根根互互相相独独立立的的电电极极组组合合而而成成，能能同同时时测测量量多多点点电电位位。如如测测量量神神经经纤纤维维束束中中多多根根神神经经纤纤维维电位的多个单点电极。电位的多个单点电极。l目目前前已已经经出出现现的的有有用用半半导导体体材材料料制制作作的的多多重重微微电电极极和和经经磁磁化化处处理理的的、合合金金线线制制作作的的、每每个个电电极极可可独立挪动的多重电极。独立挪动的多重电极。2021/1/1242玻璃微电极玻璃微电极l玻璃微电极一般用于细胞膜电势如静息电位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，电极尖端直导率溶液，再将电极丝放入制成，电极尖端直径一般小于径一般小于1m1m。l玻璃微电极较金属电极来讲，存在阻抗高、噪玻璃微电极较金属电极来讲，存在阻抗高、噪声大等缺点。声大等缺点。l玻璃微电极可以向检测部位注射微量药物。玻璃微电极可以向检测部位注射微量药物。2021/1/12433 常用医用物理传感器常用医用物理传感器物理传感器物理传感器l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。2021/1/1244物理传感器的分类物理传感器的分类l物理传感器根据检测对象的不同，有温温度传感器度传感器、压力传感器压力传感器、血流量传感器血流量传感器、心音传感器心音传感器、脉搏传感器脉搏传感器、呼吸传感器呼吸传感器等。l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。2021/1/12453.1 温度的测量和温度传感器温度的测量和温度传感器l温度是物理学中一个根本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度亲密相关。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。l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。2021/1/1246温度传感器的开展历史温度传感器的开展历史l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创造的，这就是后来的热电偶传感器。l50年以后，另一位德国人西门子创造了铂电阻温度计RTD。l后来，由于半导体材料的创造，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。l根据波与物质的互相作用规律，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。2021/1/1247温度传感器的种类温度传感器的种类l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电偶温度传感器热敏电阻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。红外热辐射式温度传感器。2021/1/1248热电偶温度传感器热电偶温度传感器l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。2021/1/1249l热电偶效应可以在很宽的温度范围内出现，假如准确测量这个电位差，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。l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一样。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540微伏之间。2021/1/1250l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。l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。l片状热电偶是用薄膜代替金属丝，最薄可达36m，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。2021/1/1251a a杆状热电偶杆状热电偶b b片状热电偶片状热电偶 2021/1/1252热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器l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。2021/1/1253l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，多用于测量外表温度和皮肤温度。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。2021/1/1254 PN结温度传感器和集成温度传感器结温度传感器和集成温度传感器lPN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、针状测温探头和外表测温探头，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。2021/1/1255红外热辐射式温度传感器红外热辐射式温度传感器l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属于不需与被测对象接触的传感器，因此不会影响人体的生理状态。l根据Planck辐射定律，当物体的温度高于热力学温度零度时，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。l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外表的辐射能量而确定体温的。2021/1/1256l临床上具有实用价值的红外测温传感器有红红外外热探测器热探测器和红外光电探测器红外光电探测器。l红红外外热热探探测测器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、热敏电阻等。2021/1/1257l红红外外光光电电探探测测器器的的敏敏感感元元件件是是光光电电器器件件碲碲镉镉汞汞HgCdTe，它它能能将将接接收收到到的的红红外外线线转转化化为为电电信信号号。此此种种传传感感器器只只能能对对一一定定波波长长范范围围的的红红外外线线有有响响应应，并并且且需需在在低低温温液液氮氮冷冷却却下下工工作作。目目前前出出现现了了低低本本钱钱的的非非制制冷冷红红外外光光电电探探测测器器(Si器器件件)。一一般般将将许许多多个个红红外外光光电电探探测测器器组组合合在在一一起起构构成成红红外外图图像像传传感感器器，它它是是红红外外热热像像仪仪的的关关键键部部分分。红红外热像仪在乳腺癌的诊断中具有重要的意义。外热像仪在乳腺癌的诊断中具有重要的意义。2021/1/12583.2 压力的测量和压力的测量和压力传感器压力传感器l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(BloodPressure,BP)。l医学上测量的血压有动脉压、静脉压和心内压包括心室压、心房压等，每种压力信号又包括：收缩压、舒张压、平均压。2021/1/1259l压力传感器是检测人体内各种生理压力参数的传感器，在根底医学、临床诊断中应用非常广泛。l对血压的测量方法有直接测量和间接测量。l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。l间接测量血压的方法是科氏音法。2021/1/1260压力测量的根底电阻应变式传感器压力测量的根底电阻应变式传感器l导体或半导体在外力作用下产活力械变形，其电阻将发生变化，这种效应称应变效应。利用应变效应制成传感器被称为应变片。应变片的种类繁多，有丝状、片状、薄膜状等。l半导体同金属相比，具有更高的应变系数。但半导体电阻温度系数较高，使用时必须采取温度补偿措施。2021/1/1261应变片的主要参数应变片的主要参数：l应变片电阻值l绝缘电阻l灵敏系数l应变极限l机械滞后l零点漂移2021/1/1262液体耦合系统及传感器液体耦合系统及传感器l这是直接测量血压的最简单的方法，是将充满液体的导管插入到被测体内待测部位，通过导管内流体的耦合，将体内导管端部位置的压力信息传递到导管另一端的压力传感器内，这是临床和科研中广泛应用的一种成熟而可靠的常规手段。2021/1/1263液体耦合系统及传感器液体耦合系统及传感器l通常使用一根不能透过X光线的聚乙烯导管，经皮插入臂静脉或锁骨下的大静脉中。近些年来较常用的是末端带有可充气气球的双腔导管或四腔导管，即所谓漂浮导管，它特别合适于测量肺动脉压。当插入到静脉中适当位置时，将气球充气，由于静脉血的回流造成气球的漂移，带动导管进入右心房、右心室或肺动脉等指定位置。通常这种测量都要求在X光机的监视下进展，以确保导管进入到指定的位置。2021/1/1264液体耦合系统及传感器液体耦合系统及传感器2021/1/1265临床常见的心导管临床常见的心导管a端部开口型b侧孔型c双腔型d带充气气球型2021/1/1266l液体耦合式传感器的根本构造包括一个弹性膜片，通过将压力信号转变成膜片的变形，再根据膜片的应变或位移，通过敏感部件转换成相应的电信号输出。2021/1/1267图(a)中所示是一种张丝式传感器，把4根一样阻值的应变电阻丝接成一个平衡电桥，使其在膜片不受力的时候输出为零。当有压力输出时，造成膜片位移，电阻值变化，电桥失去平衡，输出相应的信号。图(b)中所示为粘贴型应变片与膜片组合的示意图，在圆形的弹性膜片上，按力学分析找出受力时产生正负应变最大的位置贴上应变片，并把应变电阻接人到测量电桥中。图(c)则是用真空沉积方法直接将金属应变薄膜制造到金属弹性膜片的外表。2021/1/1268l目前使用很广泛的硅杯型压力传感器与图(c)所示的构造相似，它是在硅杯的圆形底部膜片上，应用半导体集成技术，在适当的位置制造4个阻值一样的半导体电阻组成测量电桥。当受到压力时，硅杯底部产生形变，集成的半导体应变电桥便输出相应的信号。这种硅杯型传感器具有许多优点，例如压阻系数高、机械性能稳定、膜片的谐振频率高等，因此得到越来越多的应用。但是半导体电阻通常对温度很敏感，使用时必须采用某种温度补偿的网络，以修正由于温度变化对应变灵敏度和零点偏移造成的影响。2021/1/1269液体耦合式血压传感器2021/1/1270液体耦合系统及传感器液体耦合系统及传感器l由于有液体的惯性、液体流动时内部的摩擦阻力以及导管和膜片的弹性等因素，信号可能会失真。2021/1/1271导管端部传感器导管端部传感器l为抑制液体耦合式传感器的缺点，人们将压力传感器放置在导管端部，将待测部位的压力信号转变为相应的信息传递出去。此方法在一定程度上防止了液体耦合系统中信号的失真，可分为以下几种。2021/1/1272导管端部传感器导管端部传感器l(1)电阻式传感器 l(2)电感式传感器 l(3)光纤式传感器 2021/1/1273导管端部传感器导管端部传感器1l最早的电阻式导管端部压力传感器是1898年报道的，它是在导管端部装有一充满电解液的小圆筒。一端是弹性膜片，上面安置了一个电极，在附近的位置设置了一固定的电极。当压力改变时，会使得这两电极间的相对位置改变，即改变了极间的电阻值。2021/1/1274导管端部传感器导管端部传感器12021/1/1275l导管端部的侧面开有一膜片窗口，它将外界压力变化传递到硅片上。在两硅片中间，用绝缘的胶合剂固定了一根金属隔片，当受到压力造成弯曲时，以中间金属片为中心面，两硅片产生相反的应变变形，两硅片阻值的变化方向相反。以两硅片阻值作为测量电桥相应的桥臂，则可测出外界的压力变化。2021/1/1276导管端部传感器导管端部传感器2l当压力改变时，膜片的位移使得铁心在螺管中的位置左右变化，改变了螺管的电感量。左侧是高导磁材料制成的铁心，右侧为有机玻璃制成的虚拟铁心，以到达温度补偿的目的。2021/1/1277导管端部传感器导管端部传感器2l通常把螺管接成调频振荡器的一部分，当压力增大造成高导磁铁心进入螺管，使螺管的电感增加时，则振荡器输出的频率变化就反映了位移的变化，只要铁心挪动间隔 较小，频率的变化与两薄膜间的压力差就近似呈正比关系。l由于这种传感器的质量很小，所以其频响到100Hz以上还很平坦，这就可以同时测出心腔内血压和心音两种信号。由于心音信号频率较高，故可以用低通和高通滤波器将这两种信号分开。2021/1/1278导管端部传感器导管端部传感器3l用于人体直接压力测量的光纤压力传感器的前端用液晶作为压力敏感元件，液晶受压使得入射光的反射强度发生变化，如下图。2021/1/1279导管端部传感器导管端部传感器3l导管端部的弹性膜片当受到压力作用时，产生位移，接收反射光的光检测器的输出发生变化。这种传感器内有直径为50um的多模光导纤维约80根，发射和接收的光纤以最适宜的配置进展分布，膜片与光纤末端面间的间隔约为30um，它的测量范围为。2021/1/1280间接测量血压科式音法间接测量血压科式音法l采用导管术直接测量血压虽然具有很多优点，但它要求刺破皮肤，将导管插人体内，所以这种方法受到较大的限制。长期以来，人们一直致力于开展各种间接测量法。虽然间接法的测量误差大，而且只限于测量动脉压的特征值收缩压、舒张压等，一般说来也不能连续监测，但因其方法简单平安，所以在临床上亦得到广泛应用。2021/1/1281l利用袖带在体外对动脉血管加以变化的压力，通过体表检测出脉管内血流与外部压力之间相对应的关系，进而测出脉管内的血压值。l通常使用袖带充气，阻断动脉血流，然后缓慢放气，在阻断动脉点的下游监听是否出现血流，当开场监听到科氏音时，即开场有血流通过时，袖带内的压力为动脉内的收缩压，当血流完全恢复正常时，袖带内的压力为动脉内的舒张压。科氏音法原理科氏音法原理2021/1/1282科氏音法间接测量血压原理图科氏音法间接测量血压原理图2021/1/1283基于科式音识别的电子血压计原理2021/1/12843.3 血流的测量和血流的测量和血流量传感器血流量传感器l血流量是生理研究和临床医学中最常测量的对象。l血流量的检测方法有热热稀稀释释法法、电电磁磁流流量量计计法法和Doppler频频移移法法。不同的检测方法采用不同的传感器。2021/1/1285热稀释法测血流量热稀释法测血流量l利用指示剂冷盐水注入心脏中的血流里，通过检测心脏搏出血液中指示剂的温度变化来测量心脏搏出量或输出量的方法。检测时一般用四腔漂浮心导管：第一腔是将导管插入臂静脉后将可充气气球充气，使导管随气球经右心房至肺静脉；第二腔用于注入稀释剂；第三腔可测量压力；第四腔用于引出测温电路导线。2021/1/1286电磁血流传感器电磁血流传感器l电磁式血流传感器是用手术剥离电磁式血流传感器是用手术剥离待测血管后，将血管嵌入其磁气待测血管后，将血管嵌入其磁气隙中测量血流量的传感器。在垂隙中测量血流量的传感器。在垂直于血管轴方向上加一磁场直于血管轴方向上加一磁场B B，在与在与B B垂直的两侧安装电极。因垂直的两侧安装电极。因血液是碱性导电体并以均速运动，血液是碱性导电体并以均速运动，在恒定的磁场中切割磁力线感应在恒定的磁场中切割磁力线感应出电动势，然后根据传感器输出出电动势，然后根据传感器输出的电压值和血管横截面积而得出的电压值和血管横截面积而得出血流量。该传感器可测的最小血血流量。该传感器可测的最小血管直径可达管直径可达1mm1mm以下，并且结果以下，并且结果较为准确，并且可以连续检测血较为准确，并且可以连续检测血流，因此可作为检测血流量的标流，因此可作为检测血流量的标准方法。准方法。2021/1/1287Doppler频移血流计频移血流计lDoppler频移血流计，基于血频移血流计，基于血液中的血细胞等运动微粒会液中的血细胞等运动微粒会使超声波产生反射发生频率使超声波产生反射发生频率改变的特性，人们创始了测改变的特性，人们创始了测量流量的量流量的Doppler技术。通过技术。通过公式可以根据频率改变得到公式可以根据频率改变得到的差频即可求出血流速度。的差频即可求出血流速度。目前此超声血流计已成为临目前此超声血流计已成为临床上广为使用的常