[信息与通信]医用传感器原理

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1、生物医学传感器之医用传感器原理1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）2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3生理信号检测的特点医用传感器用

2、于人体生理信息检测时，具有以下主要点： 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数综合而形成的。 4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

3、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) 。5传感器的静态特性 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。在实际应用中，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、温度漂 移等。6 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)

4、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。 7l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。l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。l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。8传感器的动态特性 传感器的动态特性是指输入信号随时间变化

5、时， 传感器的输出响应特性。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幅值大小，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。9 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

6、。 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。10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

7、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。11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。123.1 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

8、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。13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。 14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。 15 热电偶效应可以在很宽的温度范围内出现，如 果精确测量这个电位差，

9、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540微伏之间。16 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 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

10、。 17（a）杆状热电偶（b）片状热电偶 18热敏电阻温度传感器 几乎所有物质的电阻率都会随温度的变化而变化 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。19 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。20PN结温度传感器 PN结温度传感器

11、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。 21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

12、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 。22 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、热敏电阻等。23 红外光电探测器的敏感元件是光电器件， 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

13、。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。243.2 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（包括心室压、心房压）等，每 种压力信号又包括：收缩压、舒张压、 平均压。25 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

14、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。26压力测量的基础电阻应变式传感器 导体或半导体在外力作用下产生机械变形，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。 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。27应变片的主要参数： 应变片电阻值 绝缘电阻 灵敏系数 应变极限 机械滞后 零点漂移应变片的结构示意图 1 敏感栅 2 引线 3 粘结剂 4 盖层 5 基底28液体耦合系统及传感器 这是直接测量血压

15、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。29液体耦合系统及传感器 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，它特别适合于测量肺动 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光机的监视下进行，以确保 导管进入到指定的位置

16、。30 液体耦合式传感器的基本结构包括一 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。31液体耦合系统及传感器 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。32导管端部传感器 为克服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避免了液体 耦合系统中信号的失真，可分为以下几 种。 (1)电阻式传感器 (2)光纤式传感器 33导管端部传感器（1） 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