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1、生物医学传感器李正义 生物医学工程学院生物医学工程学院 E-mail: 课程的地位与特点课程的地位与特点 生物医学工程学生物医学工程学是是2020世纪中期才发展起来的一门工、世纪中期才发展起来的一门工、医、理等学科高度交叉的新兴科学，在医学和生物学的医、理等学科高度交叉的新兴科学，在医学和生物学的现代化过程中具有重要的地位和作用，现代化过程中具有重要的地位和作用，也是今后几十年也是今后几十年内最容易出现理论突破和技术创新的学科领域之一。内最容易出现理论突破和技术创新的学科领域之一。 人类最大的需求是健康，所以生物医学工程产业被人类最大的需求是健康，所以生物医学工程产业被誉为永不衰落的朝阳产业。
2、生物医学工程的誉为永不衰落的朝阳产业。生物医学工程的核心内容医核心内容医疗仪器疗仪器在美国等发达国家已成为支柱产业，是在美国等发达国家已成为支柱产业，是通用电气通用电气、西门子西门子、飞利浦飞利浦等巨头的核心业务，也是我国目前的等巨头的核心业务，也是我国目前的战战略性新兴产业。略性新兴产业。 生物医学传感器生物医学传感器是构成各种医疗设备和检测仪器是构成各种医疗设备和检测仪器的的关键组成部分关键组成部分。生物医学传感技术是获取人体乃至。生物医学传感技术是获取人体乃至自然界生物信息的关键技术，它综合了生物医学、电自然界生物信息的关键技术，它综合了生物医学、电子信息、材料、物理等多学科的技术，是生
3、物医学领子信息、材料、物理等多学科的技术，是生物医学领域最重要的学科之一。域最重要的学科之一。4基础知识基础知识定义、分类定义、分类发展趋势发展趋势选用原则选用原则一般特性一般特性传感器原理传感器原理检测技术检测技术电阻传感器电阻传感器电容传感器电容传感器电感传感器电感传感器磁电传感器磁电传感器压电传感器压电传感器热电传感器热电传感器光电传感器光电传感器化学传感器化学传感器生物传感器生物传感器课程主要内容课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用参数、检测电路及其典型应用 课程的目标：课程的目标： 掌握医用传感器的基本概念、评价指标；掌握医用
4、传感器的基本概念、评价指标； 掌握常见医用传感器的原理、特性与典型应掌握常见医用传感器的原理、特性与典型应 用；用； 具备学习、分析与选用新型医用传感器的能具备学习、分析与选用新型医用传感器的能 力和实验动手能力。力和实验动手能力。 重点：重点： 各类生物医学传感器的工作原理、各类生物医学传感器的工作原理、典型应用。典型应用。学习资料学习资料教材：教材： 1.1.医用传感器医用传感器- - 普通高等教育，陈安宇主编，普通高等教育，陈安宇主编， “十一五十一五”国家级规国家级规划教材，划教材， 第二版，第二版， 20082008年年考核形式：考核形式：理论考试占理论考试占70%，实验成绩占，实验
5、成绩占20%。 平时成绩占平时成绩占10% 。 理论考试：期终考试。理论考试：期终考试。 实验成绩：实验报告和平时实验操作。实验成绩：实验报告和平时实验操作。 平时成绩：到课率。平时成绩：到课率。第第1 1章章 绪论绪论引言引言: :人机系统的机能对应关系人机系统的机能对应关系外外外外界界界界信信信信息息息息感感感感 官官官官人人人人 脑脑脑脑肢肢肢肢 体体体体人人人人 体体体体 系系系系 统统统统传感器传感器传感器传感器计算机计算机计算机计算机执行器执行器执行器执行器机机 器器 系系 统统“ “机电五官机电五官机电五官机电五官” ”l从传感器的作用来看，实质上就是代替人体的从传感器的作用来看
6、，实质上就是代替人体的5 5种感觉种感觉( (视、视、听、触、嗅、味听、触、嗅、味) )器官的装置。人们把外界信息通过五官接收器官的装置。人们把外界信息通过五官接收进来，传递给大脑，在大脑中处理信息，作出一个进来，传递给大脑，在大脑中处理信息，作出一个“结果结果”，发出指令。，发出指令。l在电子设备中，电子计算机相当于大脑，传感器作为电脑的在电子设备中，电子计算机相当于大脑，传感器作为电脑的五官，就象人的眼、耳、鼻、舌、皮肤那样可以收集各种信五官，就象人的眼、耳、鼻、舌、皮肤那样可以收集各种信息，这些信息送入电脑后，由电脑进行判断处理，并发出各息，这些信息送入电脑后，由电脑进行判断处理，并发出
7、各种控制信号去控制执行机构，满足各种社会需要。种控制信号去控制执行机构，满足各种社会需要。传感器信号调理多路模拟开关取样保持检测系统功率放大激励装置低通滤波A/D显示RAMCPUROM键盘计算机总线D/A计算机检测系统基本组成框图计算机检测系统基本组成框图被测对象传感器的定义：传感器的定义：把特定的把特定的 被测量信息按一定的规律转被测量信息按一定的规律转换成某种可用输出信号的器件或装置。换成某种可用输出信号的器件或装置。传感器的定义和组成传感器的定义和组成医用传感器医用传感器（medical sensor ）：能够感知多数为非电能够感知多数为非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。量
8、的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。传感器也称换能器或变送器（传感器也称换能器或变送器（Transducer） 把特定的被测量信息按一定规律转换成某种把特定的被测量信息按一定规律转换成某种把特定的被测量信息按一定规律转换成某种把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。可用信号输出的器件或装置。可用信号输出的器件或装置。可用信号输出的器件或装置。四层含义：四层含义：四层含义：四层含义：（1 1）传感器是一种测量器件或装置）传感器是一种测量器件或装置）传感器是一种测量器件或装置）传感器是一种测量器件或装置测速发电机、发电机测速传感器测速发电机、发电机测速传感器测速发电机
9、、发电机测速传感器测速发电机、发电机测速传感器（2 2）“ “特定的被测量信息特定的被测量信息特定的被测量信息特定的被测量信息” ”： 非电量非电量非电量非电量发电机是不是传感器？发电机是不是传感器？发电机是不是传感器？发电机是不是传感器？物理量物理量物理量物理量化学量化学量化学量化学量生物量生物量生物量生物量电量电量电量电量（3 3）“ “某种可用信号输出某种可用信号输出某种可用信号输出某种可用信号输出” ” 把外界非电量信息转换成与之有确定对应关系把外界非电量信息转换成与之有确定对应关系把外界非电量信息转换成与之有确定对应关系把外界非电量信息转换成与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。
10、的电量输出的器件或装置。的电量输出的器件或装置。的电量输出的器件或装置。 非电量电测技术非电量电测技术非电量电测技术非电量电测技术把外界信息按一定规律转换成光信号输出的器件。把外界信息按一定规律转换成光信号输出的器件。把外界信息按一定规律转换成光信号输出的器件。把外界信息按一定规律转换成光信号输出的器件。（4 4）“ “转换转换转换转换” ”：传感器、变换器、变送器、换能器、：传感器、变换器、变送器、换能器、：传感器、变换器、变送器、换能器、：传感器、变换器、变送器、换能器、 转换器、探测器转换器、探测器转换器、探测器转换器、探测器 把特定的被测量信息按一定规律转换成把特定的被测量信息按一定规
11、律转换成把特定的被测量信息按一定规律转换成把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。某种可用信号输出的器件或装置。某种可用信号输出的器件或装置。某种可用信号输出的器件或装置。 传感器是检测系统的第一个环节传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的。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某种量值的测量装置。 根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成， 即：即：敏感元件敏感元件、转换元件转换元件、电子线路。电子线路。传感器的物理定义传感器的物理定义
12、: 传感器是指能将各种传感器是指能将各种非电量非电量转换成转换成电信号电信号的部件，的部件，这是因为电信号是最适合于处理、传输、转换和定量这是因为电信号是最适合于处理、传输、转换和定量运算。运算。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电电学学量量传感器通常由直接响应于被测量的传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件敏感元件和产和产生可用信号输出的生可用信号输出的转换元件转换元件组成。组成。1.敏感元件敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；量的部分；辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件电子线路
13、电子线路被测量被测量电量电量2.转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。转换成适于传输或测量的电信号部分。 如：如：金属或半导体应变片金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形变，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，所以金属或半导体应变片，形变程度就是对压力大小的响应，所以金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件；就是一种压力敏感元件； 铂电阻铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是能感受温度的升降而改变其阻值，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
14、感元件。对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件。3.电子线路电子线路，由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信，由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算、调制等。号调理与转换电路，进行放大、运算、调制等。 许多敏感元件亦可兼做转换元件。如敏感元件本身就能许多敏感元件亦可兼做转换元件。如敏感元件本身就能直接将被测量变成电学参数。直接将被测量变成电学参数。如热敏电阻如热敏电阻，它不仅能直接感，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，也就是将非电学参数（温度）直接变成了电学参数（电阻）
15、。是将非电学参数（温度）直接变成了电学参数（电阻）。例：应变式力传感器例：应变式力传感器弹性膜片弹性膜片敏感元件敏感元件，将力转换为弹性膜片的变形，将力转换为弹性膜片的变形应变片应变片 转换元件转换元件，将弹性膜片的变形转换成电，将弹性膜片的变形转换成电 阻值的变化阻值的变化 传感器的作用传感器的作用传感器决定着检测的传感器决定着检测的可能性可能性和检测仪器的和检测仪器的精确性精确性、可靠性可靠性及其及其应用范围应用范围。1信息的收集信息的收集2信息数据的转换信息数据的转换 3控制信息的采集控制信息的采集 检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统
16、的状态，或者跟踪系统变化的目标值。系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。传感器在医学中的作用传感器在医学中的作用 医学研究和进行疾病诊断都要求获得人体各方面的医学研究和进行疾病诊断都要求获得人体各方面的信息。如心脏疾病的诊断，它要求来自从系统到器官、信息。如心脏疾病的诊断，它要求来自从系统到器官、组织、细胞、分子等各层次的信息，即心音、血压、心组织、细胞、分子等各层次的信息，即心音、血压、心电、心肌组织信息等。实现这些生物信息的检测手段就电、心肌组织信息等。实现这些生物信息的检测手段就是依靠各种各样的是依靠各种各样的医用传感器（医用传感器（medical sensor ） 。 医用传感器就是感
17、知生物体内各种生理的、生化的医用传感器就是感知生物体内各种生理的、生化的和病理的信息，把它们传递出来并转化为易处理的电信和病理的信息，把它们传递出来并转化为易处理的电信号装置。由于传感器通常是将非电学量转换成电学量，号装置。由于传感器通常是将非电学量转换成电学量，所以又把传感器叫做换能器。所以又把传感器叫做换能器。 随着科学技术的发展，医学科学已进入崭新的阶段，随着科学技术的发展，医学科学已进入崭新的阶段，从定性医学走向定量医学，从宏观的人体组织到微观的细从定性医学走向定量医学，从宏观的人体组织到微观的细胞和分子，生物医学传感器起了重要作用，它延伸了医生胞和分子，生物医学传感器起了重要作用，它
18、延伸了医生的感觉器官，可帮助医生进行客观正确的定量分析。的感觉器官，可帮助医生进行客观正确的定量分析。 如用如用压电传感器压电传感器测手的微振动，测心室内部压力，测心测手的微振动，测心室内部压力，测心内瓣膜振动等；内瓣膜振动等； 用用固态压阻传感器固态压阻传感器测指尖、桡骨和手腕等部位的脉压；测指尖、桡骨和手腕等部位的脉压； 用用电阻应变片电阻应变片测呼吸气流、脉象和肌肉力等。测呼吸气流、脉象和肌肉力等。医用传感器的用途有：医用传感器的用途有：（1）提供诊断用信息：）提供诊断用信息：检测正常或异常生理参数。检测正常或异常生理参数。 如心音、血压、脉搏、如心音、血压、脉搏、 血流、呼吸、体温等血
19、流、呼吸、体温等 信息，供临床诊断和医学研究用。信息，供临床诊断和医学研究用。 如：先心病病人手术前须用血压传感器测如：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。量心内压力，估计缺陷程度。（2）监护：）监护：长时间连续测定某些参量，监视这些参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，出现异常时及时报警。复过程，出现异常时及时报警。在在ICU病房，病房， 对危重病人的体温、脉搏、血压、呼吸、心电对危重病人的体温、脉搏、血压、呼吸、心电 等进行连续监护的监护仪。等进行连续监护的监护仪。（3）疾病治
20、疗和控制：）疾病治疗和控制：利用检测到的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。人体的生理过程。 例如：例如：自动呼吸器自动呼吸器就是用传感器检测病人就是用传感器检测病人 的呼吸信号来控制呼吸器的动作，使之与人体的呼吸信号来控制呼吸器的动作，使之与人体 呼吸同步。呼吸同步。 电子假肢电子假肢就是用测得的肌电信号控制人工就是用测得的肌电信号控制人工 肢体的运动。肢体的运动。 体外循环中的血流、血压控制等。体外循环中的血流、血压控制等。（4）临床检验：）临床检验：除直接从人体收集信息外，临床上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）样品获得诊常从各种体液（血、尿
21、、唾液等）样品获得诊 断信息，即生化检验信息。它是利用断信息，即生化检验信息。它是利用化学传感化学传感 器器和和生物传感器生物传感器来获取，是诊断各种疾病必不来获取，是诊断各种疾病必不 可少的依据。可少的依据。MB3型型脉搏波传感器脉搏波传感器MB4型型脉搏波传感器脉搏波传感器MB5A型型脉搏波传感器脉搏波传感器RM2型口鼻型口鼻气流传感器气流传感器QD1型口鼻型口鼻气流传感器气流传感器YXF2型胸腹部呼型胸腹部呼吸运动波形传感器吸运动波形传感器医用传感器在生物信号分析中起着医用传感器在生物信号分析中起着关键作用关键作用，其原因：，其原因：生物信号很多生物信号很多是非电量信号是非电量信号，必须
22、经过传感器感知才能，必须经过传感器感知才能转换成电信号转换成电信号生物信号十分生物信号十分微弱微弱生物信号生物信号信噪比很低信噪比很低生物信号多数生物信号多数变化频率很低变化频率很低，容易受到，容易受到50Hz50Hz电源和其他电源和其他生理活动的干扰生理活动的干扰无创伤无创伤的检测，患者才乐于接受的检测，患者才乐于接受三、传感器的分类三、传感器的分类 传传感感器器种种类类繁繁多多, , 功功能能各各异异。由由于于同同一一被被测测量量可可用用不不同同转转换换原原理理实实现现探探测测, , 利利用用同同一一种种物物理理法法则则、化化学学反反应应或或生生物物效效应应可可设设计计制制作作出出检检测测
23、不不同同被被测测量量的的传传感感器器, , 而而功功能能大大同同小小异异的的同同一一类类传传感感器器可可用用于于不不同同的的技术领域技术领域, , 故传感器有不同的分类法。故传感器有不同的分类法。医用传感器的用途和分类医用传感器的用途和分类按工作原理分类按工作原理分类传感器传感器物理传感器物理传感器: 利用物理性质和物理效应利用物理性质和物理效应 制成的传感器。制成的传感器。化学传感器化学传感器: 把人体内某些化学成分、把人体内某些化学成分、 浓度等转换成与之有确切浓度等转换成与之有确切 关系的电学量的器件。关系的电学量的器件。生物传感器生物传感器：利用生物活性物质具有的：利用生物活性物质具有
24、的 选择识别待测生物化学物选择识别待测生物化学物 质的能力而制成传感器。质的能力而制成传感器。医用传感器的特性和要求医用传感器的特性和要求医用传感器的设计与应用须考虑医用传感器的设计与应用须考虑 人体的复杂性及生理信号的特殊性；人体的复杂性及生理信号的特殊性； 生物医学传感器与人体的生物相容性、可靠性、生物医学传感器与人体的生物相容性、可靠性、安全性等等。安全性等等。医用传感器的特性和要求医用传感器的特性和要求医用传感器的特性：一般要求医用传感器的特性：一般要求 (1)(1)足够高的足够高的灵敏度灵敏度，能够检测出微弱的生物信号。，能够检测出微弱的生物信号。(2)(2)尽可能高的尽可能高的信噪
25、比信噪比，以便在干扰和噪声背景中提取有用的，以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。信息。(3)(3)良好的良好的精确性精确性，以保证检测出的信息准确、可靠。，以保证检测出的信息准确、可靠。(4)(4)足够快的足够快的响应速度响应速度，能够跟随生物体信息量的变化，能够跟随生物体信息量的变化(5)(5)良好的良好的稳定性稳定性，保持长时间检测漂移很小，输出稳定。，保持长时间检测漂移很小，输出稳定。(6)(6)较好的较好的互换性互换性，调试、维修方便。，调试、维修方便。医用传感器的特殊要求医用传感器的特殊要求(1)(1)与人体接触、特别是植入体内的传感器材料必须是与人体接触、特别是植入体内的传感器材
26、料必须是无毒无毒的，的，并且与生物体组织具有并且与生物体组织具有良好的相容性良好的相容性，长期接触不会引起排，长期接触不会引起排异、炎症等不良反应。异、炎症等不良反应。(2)(2)传感器在进行检测时，传感器在进行检测时，不能影响不能影响或者尽可能少影响或者尽可能少影响正常的正常的生理活动生理活动，否则检测的信息将是不准确的。，否则检测的信息将是不准确的。(3)(3)传感器应具有传感器应具有良好的电气安全性良好的电气安全性，特别是与体内接触的传，特别是与体内接触的传感器应按照防止微电击的电气安全标准具有良好的绝缘性能。感器应按照防止微电击的电气安全标准具有良好的绝缘性能。(4)(4)传感器在结构
27、上和性能上要传感器在结构上和性能上要便于清洁和消毒便于清洁和消毒，防止有害物，防止有害物质交叉感染。质交叉感染。 医用传感器的发展医用传感器的发展 传感器产业是国内外公认的具有发展前途的传感器产业是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。 智能化智能化 微型化微型化 多参数多参数 遥控遥控 无创检测无创检测 目前的智能化传感器由多片模块组成, 其中包括微传感器、微处理器、微执行器和接口电路, 它们构成一个闭环工作微系统, 有数字接口与上位计算机控
28、制相连。一般说来, 智能化传感器应具有以下功能:l可以根据输入信号值进行判断和制定决策l可以根据软件控制做出多种决定l可以与外部进行信息交换, 有输入输出接口l具有自检测、自修正和自保护功能微传感器的特征之一就是体积小,其敏感元件的尺寸一般为微米级, 是由微机械加工技术制作而成的, 包括光刻、腐蚀、淀积、键合和封装等工艺。如药片大小的可测量胃液成分的“电子药丸”微传感器,可像药片一样口服, 内装有无线发射器, 可将胃液信息直接通过无线电发送到体外, 使医生及时了解胃液情况。10mm50mm 由若干种敏感元件组成的多参数传感器则是一种体积小而多种功能兼备的探测系统,可借助于敏感元件中不同的物理结
29、构或化学物质,及其不同的表征方式, 用单独一个传感器系统来同时测量多种参数, 实现多种传感器的功能。l多参数传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成, 可同时测量多种参数。 如人造皮肤触觉传感器人造皮肤触觉传感器, 这种传感器系统由PVDF材料, 无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成, 对产生触觉的多个参数都敏感。遥控技术近些年来与传感器技术的结合形成了另一种新型的可遥控传感器。在临床医学领域, 很多情况下需要在患者体内植入或让患者吞服一些检测体内各种参数的传感器或定期释放药物的装置,在这种情况下, 遥控技术便使得在体外控制这些传感器成为可能。 如消化道药物释放电子胶囊消化道药物释放电子胶囊无创检测成为近年来传感器发展的另一个热门方向, 通过改变敏感元件或检测原理来实现无创检测也成为现代临床诊断研究的重点领域。由康普生公司生产的指夹式无创血流参数检测仪采用指夹式光电容积血流脉搏波传感器固定在人体指端进行检测, 可定量检测出人体心搏出量、外周阻力、血管弹性、血液粘性和微循环状况等方面的十几项血流指标参数, 显示每项参数的实际测量值、变化趋势, 供与正常值范围比较。
