生物醫(yī)學(xué)工程概論 生醫(yī)傳感器及信號(hào)檢測(cè) 舒位光

1、2.生物醫(yī)學(xué)傳感器及信號(hào)檢測(cè) （測(cè)量）2.1 傳感器的認(rèn)識(shí)2.2 傳感器的特性2.3 信號(hào)檢測(cè)2.4 信號(hào)放大2.5 生物醫(yī)學(xué)傳感器的特殊性2.6 人體信息的檢測(cè)與傳感器2.7 生物醫(yī)學(xué)傳感器的地位和用途2.8 生物醫(yī)學(xué)傳感器的干擾和噪聲2.9 醫(yī)用傳感器的安全性2.10 傳感器的標(biāo)定1 2.1傳感器認(rèn)識(shí) 傳感器(Sensor)曾稱為換能器或變送器(Transducer)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“傳感器通用術(shù)語”中的定義：“傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的器件或裝置”。又指出：“傳感器通常由敏感器件、轉(zhuǎn)換器件和電子線路組成”。生物醫(yī)學(xué)傳感器（Biomedical Sensors）是

2、獲取人體或生物體的生理和病理信息的工具，是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)中的重要領(lǐng)域和分支，對(duì)于化驗(yàn)、診斷、監(jiān)護(hù)、控制、治療和保健等都有重要作用。 傳感器的作用，就是替代人的五種感覺(視、聽、觸、嗅、味)器官的裝置，如圖2.1所示。傳感器像人的五官那樣收集所需要的各種信息 ,這些信息輸入電腦或運(yùn)算處理電路后,由電腦或運(yùn)算處理電路進(jìn)行判斷運(yùn)算,并輸出各種控制信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)或顯示單元。 2廣義傳感器的構(gòu)成 廣義的傳感器（基本的測(cè)量?jī)x器）一般如圖2.2所示。由信號(hào)檢出器(敏感器件和轉(zhuǎn)換器件)和信號(hào)處理(信息的運(yùn)算處理或稱為信號(hào)的調(diào)理)兩部分組成。信號(hào)檢出器件的任務(wù)是檢測(cè)出測(cè)量環(huán)境下的被測(cè)信號(hào)。例如在測(cè)量烘烤箱(

3、測(cè)量環(huán)境)的溫度(被測(cè)信號(hào))時(shí)，將熱敏電阻(信號(hào)檢出器件)插入烤箱中，熱敏電阻的阻值便隨著溫度的變化而變化。這種能感應(yīng)被測(cè)量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其它參數(shù)變化的器件，是狹義的傳感器(Sensor)。也就是說信號(hào)檢出器就是傳感器。3 廣義的傳感器（測(cè)量?jī)x器）所輸出的信號(hào)形式一般為直流電流、直流電壓和數(shù)字信號(hào)等標(biāo)準(zhǔn)形式；信號(hào)處理部分的作用就是將各種傳感器的不同輸出信號(hào)形式轉(zhuǎn)換成所希望的電信號(hào)形式。測(cè)量?jī)x器也稱為檢測(cè)儀器，其輸出可用顯示器顯示或送至控制器用以調(diào)節(jié)控制，或送至計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的信息處理。所以從廣義的角度來說，信號(hào)檢出器和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。 此處熱敏電阻傳感器的敏感器件和轉(zhuǎn)換器件是合二

4、為一的 ，這是一種特例。在大多數(shù)狹義的傳感器中，敏感器件和轉(zhuǎn)換器件通常是由兩個(gè)器件構(gòu)成的。 4 被測(cè)對(duì)象涉及的領(lǐng)域 最初的測(cè)量對(duì)象是長(zhǎng)度、體積、質(zhì)量和時(shí)間。18世紀(jì)以來科學(xué)技術(shù)取得飛速發(fā)展被測(cè)對(duì)象范圍迅速擴(kuò)大，力學(xué)領(lǐng)域有速度、加速度、力、功和能量等電磁學(xué)領(lǐng)域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場(chǎng)等，化學(xué)領(lǐng)域中有濃度、成分、pH值等工業(yè)領(lǐng)域中除上所述之外，還有流量、壓力、溫度等被測(cè)量。 在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，被測(cè)對(duì)象廣泛，有人體的心電、腦電波等體表電位的測(cè)量，有心音聲波的測(cè)量，有各種生理和病理信息的測(cè)量，還有生物體的斷面圖像的測(cè)量等等。5 2.2傳感器的特性 傳感器的輸入設(shè)為X（被測(cè)信號(hào)），傳感器的輸出

5、設(shè)為Y ，傳感器的靈敏度（比例系數(shù)）記為K；則它的特性用函數(shù)Y=f（X）的表達(dá)為 YKX (21) 這是理想的線性關(guān)系，只能近似成立。因?yàn)橛斜苊獠涣说姆蔷€性(Y與X的關(guān)系為單調(diào)的遞增或遞減函數(shù))和零位輸出(當(dāng)X=0時(shí)：Y0)； 傳感器在響應(yīng)被測(cè)信號(hào)的同時(shí)，還受到各環(huán)境因素的影響。設(shè)各種環(huán)境因素以綜合變量N（干擾信號(hào)）表示，環(huán)境變量有時(shí)間、溫度、濕度、振動(dòng)、加速度、空氣情況等。則傳感器的輸出可改寫為 Y f（X ，N） (22)由于環(huán)境是變動(dòng)的，因此這種變化將影響傳感器的輸出。 變量N引起零位輸出的變化，稱為漂移（drift）。由于漂移與傳感器本身的輸出無法區(qū)分，因此應(yīng)盡量抑制。 傳感器的靈敏度

6、，也隨環(huán)境而發(fā)生變化。 環(huán)境變量中的時(shí)間是重要參數(shù)，它影響傳感器的穩(wěn)定性(靈敏度的變化或漂移)。評(píng)估傳感器輸出隨時(shí)間變化的特性，可用小時(shí)穩(wěn)定性或年穩(wěn)定性表示；評(píng)估傳感器接近理想傳感器的特性，可用線性度表示。此外，還有響應(yīng)速度、重復(fù)、滯后、動(dòng)態(tài)范圍和準(zhǔn)確度等的評(píng)估指標(biāo)。 應(yīng)用或設(shè)計(jì)傳感器時(shí)要盡量減小環(huán)境變量的影響。62.3信號(hào)檢測(cè)傳感器的輸出有各種形式:如熱電偶、pH電極等輸出為直流電壓，光電二極管輸出為直流電流，熱敏電阻或應(yīng)變計(jì)(電阻型)、半導(dǎo)體氣體傳感器輸出為電阻值，電感式位移傳感器輸出為電感量,電容式位移傳感器輸出為電容量。 另一方面，廣義傳感器的輸出信號(hào)須轉(zhuǎn)化成電壓、電流或數(shù)字量。信號(hào)處

7、理(signal conditioning)就是通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大等調(diào)理方法，得到輸出是可識(shí)別的電信號(hào)。這是在測(cè)量中使用的共同技術(shù),稱為信號(hào)檢測(cè)。7 用電阻式傳感器為例來說明差動(dòng)法的實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)的原理。電阻式傳感器的輸出假設(shè)為下列線性關(guān)系 RX=kX+R0 (24)式中，X為輸入信號(hào)，k為比例系數(shù)（靈敏度）， RX為傳感輸出電阻；R0是當(dāng)X為0時(shí)，Rx的初始電阻；X可以是心音信號(hào), 也可以是其它信號(hào)，如：力、壓力、加速度、溫度等各種不同的被測(cè)信號(hào)。需要注意的是對(duì)于各種各樣的被測(cè)信號(hào)，采用電阻式傳感器時(shí)，必須根據(jù)被測(cè)信號(hào)的不同種類，選用或設(shè)計(jì)制造與被測(cè)信號(hào)相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的電阻式傳感器。8電阻（

8、 RX=kX+R0）轉(zhuǎn)換為電壓的簡(jiǎn)單電路如圖2.3(a)所示，輸出電壓由式(25)表示。 UO=ERX/(R1+RX) （2.5）圖2.3(a)所示的檢測(cè)方法：在輸入信號(hào)X=0時(shí)， 由于RX=R0，因此，輸出就存在零位電壓： ER0(R1+R0) ；9若增加抵消零位電壓的電路，如圖23(b)所示，輸出電壓由式(26)表示。 在輸入X=0時(shí)：由于RX=R0（ RX=kX+R0），要使零位電壓UO=0；只需取:R0R1R2R3, 就可使下式成立，在X=0時(shí)零位電壓被抵消。10 當(dāng)KXR0時(shí)，結(jié)合RX=kX+R0式，就可容易地證明(26)式可用下式替代。 上式描述了傳感器電路的輸出信號(hào)電壓U0與被測(cè)

9、輸入信號(hào)X之間為線性關(guān)系。 由于K，E，R0為已知量，故令：SKE/4R0，則(28)式變?yōu)?U0SX (29)式中，常數(shù)S稱為測(cè)量系統(tǒng)（廣義傳感器）的電壓靈敏度（比例系數(shù)）。1124信號(hào)放大 傳感器的輸出電壓通常很小(毫伏級(jí))，需要放大到伏級(jí)。傳感器的輸出電壓U0可以等效為信號(hào)源(電壓源)Us,作為放大器的輸入電壓信號(hào)。 首先看看放大器輸入電壓信號(hào)，作為信號(hào)源(電壓源)Us的二種情況。 圖2.4(a)為信號(hào)源與電阻相串聯(lián)的情況，前面的電阻式傳感器的輸出的等效電路屬于此種類型；放大器輸入電壓信號(hào)，通常還使用如圖2.4(b)所示的等效電路。這種等效電路有兩個(gè)電壓源，電壓信號(hào)US的“中間1/2處”

10、對(duì)地有一電位UC。因?yàn)閁C同時(shí)加在兩個(gè)輸出端故稱為共模(common mode)電壓；對(duì)應(yīng)的US稱為差?；虺Ｄ?normal mode)電壓，且Rs1= Rs2。在人體的心電或腦電波的測(cè)量中，電極(傳感器)間的電壓信號(hào)就是這種情況。傳感器的輸出所產(chǎn)生的共模電壓UC，通常是環(huán)境干擾和器件本身造成的。12 放大器的輸入電壓記為Us，輸出電壓記為U0，它的輸出和輸入為一元線性函數(shù)關(guān)系U0f（Us），其表達(dá)式如下 U0G Us （或：GU0/ Us）； G為比例常數(shù)，稱為電壓放大倍數(shù)；G取正數(shù)或負(fù)數(shù)，由具體放大器所決定,下面用G1的放大器討論。 圖2.5所示，三角形符號(hào)表示集成運(yùn)算放大器器件，具有“+

11、，-”兩個(gè)輸入端，放大后的輸出電壓為U0，U0以地線“”為參考點(diǎn)輸出。 圖2.5（a）放大器，在R20時(shí)：GU0/ Us1+R1/R2； 圖2.5（b）差動(dòng)放大器，在R1R2，R20時(shí)： GUo/ UsR1/R2 ；13 圖2.5(a)是簡(jiǎn)單的電壓放大器,它適用于輸入沒有共模電壓的電壓信號(hào)源的情況。 圖2.5(b)是差動(dòng)放大器的基本電路，當(dāng)輸入信號(hào)存在共模電壓時(shí)，差動(dòng)放大器僅對(duì)差模電壓進(jìn)行放大，由于U1=Uc+Us/2, U2=Uc-Us/2,電路的結(jié)構(gòu)有U1- U2 = Us，可見共模電壓被消掉了，僅有差模電壓Us得到放大，因此它廣泛用于輸入電壓信號(hào)源存在共模電壓時(shí)，對(duì)差模電壓信號(hào)的放大。1

12、4 2.5生物醫(yī)學(xué)傳感器的特殊性 生物醫(yī)學(xué)傳感器是在工程學(xué)與生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。生物醫(yī)學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用必須考慮人體因素的影響及生物信號(hào)的特殊性；必須考慮生物醫(yī)學(xué)傳感器的生物相容性(植入人體內(nèi)材料與生物體相互作用問題)、可靠性、安全性；必須考慮使用對(duì)象的特殊性及復(fù)雜性等，這是生物醫(yī)學(xué)傳感器與工業(yè)傳感器的顯著區(qū)別。 生物醫(yī)學(xué)傳感器的使用對(duì)象極為廣泛，有醫(yī)生、護(hù)士、患者，從男到女，從少到老。使用環(huán)境亦是多種多樣，體內(nèi)、體外、醫(yī)院、家庭、野外，甚至太空等等。這就要求生物醫(yī)學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)能分別適應(yīng)各種對(duì)象和環(huán)境。例如，對(duì)少兒用傳感器，應(yīng)更多地考慮如何使測(cè)量變得安全、簡(jiǎn)單而易于接受，如

13、何避免意外情況發(fā)生，如兒童誤食或摔打傳感器等；對(duì)家庭用傳感器則應(yīng)考慮使用成本及質(zhì)量等。 總的說來，和一般工業(yè)用傳感器相比生物醫(yī)學(xué)傳感器應(yīng)更注重使用方便、舒適、穩(wěn)定、可靠、安全、耐用、快捷。15 2.6 人體信息的檢測(cè)與傳感器 最身邊的測(cè)量對(duì)象就是我們?nèi)祟?，傳感器可取得人的多種狀況和數(shù)據(jù)，人就能以更自然的方式使用計(jì)算機(jī)。這種系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程會(huì)議。16 2.7生物醫(yī)學(xué)傳感器的地位和用途 生物醫(yī)學(xué)傳感器的作用是將被測(cè)的生理參數(shù)轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的電學(xué)量輸出，以提供生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)和臨床診斷的研究與分析所需的數(shù)據(jù)。隨著科學(xué)的發(fā)展和其他學(xué)科的滲透以及生物醫(yī)學(xué)學(xué)科的進(jìn)步，使醫(yī)學(xué)科學(xué)進(jìn)入到一個(gè)定量

14、醫(yī)學(xué)新階段。從定性醫(yī)學(xué)到定量醫(yī)學(xué)的發(fā)展過程中，傳感器起了重要的作用。它延伸了醫(yī)生的感覺器官，擴(kuò)大了醫(yī)生的觀察范圍，并把定性的感覺擴(kuò)展為定量的測(cè)量。172.8生物醫(yī)學(xué)傳感器的干擾和噪聲 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)大都是很微弱的低頻信號(hào)，如 果傳感器沒有任何干擾和噪聲存在，則不管信號(hào)多么微弱，總可以用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱透弑稊?shù)的放大器將信號(hào)檢測(cè)出來。 實(shí)際上傳感器總是存在著一定噪聲的，外界干擾也是普遍存在的，對(duì)于微弱的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的測(cè)量，各種干擾和噪聲尤其容易串入，且其幅度常常超過了被測(cè)信號(hào)。因此，干擾和噪聲的抑制和消除是傳感器設(shè)計(jì)時(shí)要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵問題。這方面的創(chuàng)新有可能導(dǎo)致新的測(cè)量方法與技術(shù)的誕生。 18 在研制和使用醫(yī)學(xué)電子儀器時(shí)，既要考慮到電子儀器在診斷或治療中的有效性，又要考慮到對(duì)人體的安全性。由于醫(yī)療儀器使用的對(duì)象是人體，并且主要是病人，而病人往往處于脆弱狀態(tài)，甚至處于失去知覺狀態(tài)，因而儀器的安全性就具有重要的意義，因?yàn)樯婕暗缴踩?生物醫(yī)學(xué)傳感器是用于生物體的，除了一般測(cè)量對(duì)傳感器的電氣安全（絕緣性能）要求高外，還必須考慮到生物體的解剖結(jié)構(gòu)和生理功能，尤其是材料的安全性問題更應(yīng)特別重視。29醫(yī)用傳感器的安全性19