生物傳感檢測技術(shù)

生物傳感檢測技術(shù)第1頁/共62頁

緒論

主要內(nèi)容傳感器的定義傳感器的發(fā)展方向生物醫(yī)學(xué)傳感器的用途開發(fā)新型傳感器的途徑開發(fā)生物醫(yī)學(xué)傳感器的要求第2頁/共62頁檢測就是去認識

---西門子(W.Ven.Siemens)第3頁/共62頁醫(yī)學(xué)中常用的生化檢測技術(shù)比色法(colorimetry)

以生成有色化合物的顯色反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過比較或測量有色物質(zhì)溶液顏色深度來確定待測組分含量的方法。比色分析對顯色反應(yīng)的基本要求是：反應(yīng)應(yīng)具有較高的靈敏度和選擇性，反應(yīng)生成的有色化合物的組成恒定且較穩(wěn)定，它和顯色劑的顏色差別較大。選擇適當?shù)娘@色反應(yīng)和控制好適宜的反應(yīng)條件，是比色分析的關(guān)鍵。常用的比色法有兩種：目視比色法和光電比色法，兩種方法都是以朗伯-比爾定律(A＝εbc)為基礎(chǔ)。

第4頁/共62頁醫(yī)學(xué)中常用的生化檢測技術(shù)分光光度法(spectrophotometry)

物質(zhì)對不同波長的入射光有不同程度的吸收，形成吸收光譜。不同物質(zhì)各有其特征分子吸收光譜。在一定條件下記錄某些物質(zhì)在光源的各波長的透光率，以波長為橫坐標，以透光率為縱坐標描繪的曲線。其形狀反映了物質(zhì)的特性。L-B定律。拓寬了比色法。分光光度法的應(yīng)用光區(qū)包括紫外光區(qū)，可見光區(qū)，紅外光區(qū)。第5頁/共62頁醫(yī)學(xué)中常用的生化檢測技術(shù)熒光法(fluorescencemethod)

物質(zhì)在受到高能量的光照射時，在吸收某些波長的光后，會發(fā)射各種顏色和不同強度的光，照射停止，發(fā)光消失，這就是熒光。熒光物質(zhì)濃度越大，發(fā)射的熒光強度也越大。第6頁/共62頁醫(yī)學(xué)中常用的生化檢測技術(shù)火焰光度法(flamephotometry)

屬于發(fā)射光譜分析，根據(jù)陽離子在火焰中燃燒時發(fā)射特征譜線進行測定。離子選擇性電極(ionspecificelectrode;ISE)

屬于電位測定法。(后面電化學(xué)傳感器講)自動生化分析儀(automaticbiochemistryanalyzer)

帶光電傳感器的光度計電泳法(electrophoresismethod)

不同物質(zhì)由于所帶電荷不同，在一定磁場中的泳速不同。第7頁/共62頁1傳感器的定義定義：傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。它是以一定的精度把被測量轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種量值的測量裝置

顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應(yīng)由三部分組成，即：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理電路第8頁/共62頁敏感元件能夠靈敏地感受被測量并作出響應(yīng)的元件如金屬或半導(dǎo)體應(yīng)變片，能感受壓力的大小而引起形變，形變程度就是對壓力大小的響應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體應(yīng)變片，就是一種壓力敏感元件。鉑電阻能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對溫度升降的響應(yīng)，所以鉑電阻就是一種溫度敏感元件。第9頁/共62頁轉(zhuǎn)換元件上面介紹的敏感元件，其中有許多可兼做轉(zhuǎn)換元件。轉(zhuǎn)換元件實際上就是將敏感元件感受的被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的元件。如果敏感元件本身就能直接將被測量變成電路參數(shù)，那么，該敏感元件就是具有了敏感和轉(zhuǎn)換兩個功能。如熱敏電阻，它不僅能直接感受溫度的變化，而且能將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，也就是將非電路參數(shù)（溫度）直接變成了電路參數(shù)（電阻）。第10頁/共62頁信號調(diào)理電路一般有兩個作用。一是信號轉(zhuǎn)換和放大；二是信號處理，即濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減運算、數(shù)字化處理等。第11頁/共62頁2傳感器的分類傳感器物理傳感器化學(xué)傳感器生物傳感器位移傳感器加速度傳感器速度溫度傳感器……O2傳感器酶傳感器免疫傳感器微生物傳感器DNA傳感器……1、按被測量分類流量傳感器壓力傳感器CO2傳感器Na傳感器……第12頁/共62頁2、按工作原理分類傳感器應(yīng)變式傳感器壓電式傳感器電動式傳感器壓阻式傳感器熱電式傳感器電容式傳感器電感式傳感器電化學(xué)式傳感器3、結(jié)合被測量和工作原理分類傳感器應(yīng)變式壓力傳感器壓電式生物傳感器熱電式溫度傳感器電容式濕度傳感器壓電式加速度傳感器……..……..4、按人的感覺功能分類傳感器視覺傳感器聽覺式傳感器味覺式傳感器觸覺式傳感器嗅覺式傳感器第13頁/共62頁生物傳感器生理參數(shù)利用生物活性物質(zhì)選擇性識別來測定生化物質(zhì)利用材料的物理變化物理傳感器非電學(xué)量參數(shù)機體的各種生物電（心電、腦電、肌電、神經(jīng)元放電等）生物電電極電學(xué)量參數(shù)利用化學(xué)反應(yīng)原理，把化學(xué)成分、濃度轉(zhuǎn)換成電信號化學(xué)傳感器5、醫(yī)學(xué)上傳感器的分類--按檢測的生理參數(shù)進行分類第14頁/共62頁生物電檢測電極生物電的變化能夠反應(yīng)生物體的復(fù)雜生命現(xiàn)象，比如人體心血管的疾患，通?？梢詮男呐K各部分的電活動反映出來。例如：臨床醫(yī)生可以從病人身上記錄的心電圖的細節(jié)進行分析診斷；人的神經(jīng)系統(tǒng)及腦部的疾患在腦電圖上必有所表現(xiàn)。因此臨床上研究人的各種臟器的功能狀態(tài)、疾病的發(fā)生與發(fā)展，需要有效地把生物體內(nèi)細胞、離子分布電位感應(yīng)導(dǎo)出。通過與生物體的接觸耦合，將生物體內(nèi)的電位和生物電流有效地導(dǎo)出的敏感元件稱為檢測電極。第15頁/共62頁＋＋＋＋＋＋＋-------生物電檢測電極示意圖機體外機體內(nèi)電極電極在生物體內(nèi)離子導(dǎo)電和金屬的電子導(dǎo)電體系之間形成一個電化學(xué)界面，能實現(xiàn)離子流與電子流的互相轉(zhuǎn)換，從而使生物體和測量儀器間構(gòu)成了電流回路。第16頁/共62頁電極的本質(zhì)--半電池原理當某種金屬浸入含有這種金屬離子的電解質(zhì)溶液中時，金屬中的原子將失去一些電子進入溶液，溶液中的離子也將在金屬電極上沉積，當這兩種過程相平衡時，在金屬和電解質(zhì)溶液的接觸面上形成電荷分布，并建立起一個平衡的電位差。對給定的金屬與電解質(zhì)溶液來說，這種電位差是一個完全確定的量。這種金屬與電解質(zhì)的組合如同半個電解質(zhì)電池，稱半電池，其電位差稱為半電池電位。ZnZnSO4第17頁/共62頁生物電電極的本質(zhì)是由金屬－電解質(zhì)溶液構(gòu)成的半電池。生物體的活組織是一種含多種金屬離子成份的電解質(zhì)溶液，當電極與組織表面相接觸時，電極與組織之間就構(gòu)成了半電池。電極的本質(zhì)第18頁/共62頁電極的極化電極與電解液處于靜態(tài)平衡時，電極與電解液間沒有電流流過。當接上儀器的電路時，就有電流流過這個界面。原有的平衡被打破，電極的半電池電位與沒電流時不同。所謂極化就是當電流通過電極界面時電極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象。在有和無電流通過兩種情況下電極的半電池電位的差值稱為極化電壓。第19頁/共62頁生物電測量的等效電路實驗表明，生物電測量電極的伏－安特性呈非線性。電極的參數(shù)與流過的電流強度和頻率有關(guān)。第20頁/共62頁電極的電位生物電電位差＝兩個電極間的電位差電極的電位＝電極的半電池電位與極化電位的總和。第21頁/共62頁生物電電極的分類生物電電極宏電極微電極體表電極體內(nèi)電極金屬微電極玻璃微電極第22頁/共62頁宏電極和微電極宏電極－用于檢測和記錄機體器官、組織整體放電水平的電極。按記錄部位的不同，分為體表電極和體內(nèi)電極。微電極－用于測量細胞內(nèi)外的電位改變的電極，其尖端直徑一般直徑小于細胞，且電極較堅硬，可刺入細胞膜并保持機械性能穩(wěn)定。微電極直徑大約在0.05到10μm之間。按制作材料可分為金屬微電極和充填電解液的玻璃微電極。第23頁/共62頁體表電極

體表電極是用于在身體表面記錄生物電信號(如ECG、EEG、EMG)的電極。

皮膚的角質(zhì)層雖然極薄(約40μm)，但具有很高的電阻率。一般在電極表面涂上一層含有Cl-離子的導(dǎo)電膏，以保持良好接觸，并且在此之前用砂紙摩擦去除部分皮膚角質(zhì)層，可以顯著減小表皮電阻體表電極，應(yīng)滿足如下要求：電極電位穩(wěn)定；阻抗??；安放容易且不易脫落；不易產(chǎn)生運動偽跡；可長期監(jiān)測；無毒安全、對人體刺激要小。

當電極相對于電解液運動時，使界面處電荷分布打亂，會產(chǎn)生運動偽跡。第24頁/共62頁臨床上常用的體表電極臨床上常用的體表電極種類繁多、形狀多樣，常見的有金屬板電極、Ag/Agcl電極等。不銹鋼、鉑或鍍金(銀)的圓盤電極常用于肌電和腦電的記錄。柔性電極可適應(yīng)體表外形的變化，可減少運動偽跡，常用的是柔性銀絲電極，它的制作方法很簡單：在橡皮膏上敷一小塊銀絲網(wǎng)，焊上引線，涂上導(dǎo)電膏即可，它適用于手、足等部位的測量，尤其是早產(chǎn)新生兒的心電監(jiān)測。體表生物電檢測中最常用的電極是Ag/AgCl電極。它的結(jié)構(gòu)是在金屬銀的表面覆蓋一層難溶解的銀的鹽類AgCl，再浸入含有氯離子的溶液中。電極可以用下列符號表示：Ag|AgCl|C1-。實際應(yīng)用的Ag/AgCl電極極化電壓很低，一般在0.2mV左右。極化電壓的隨機變化小于10mV，對生物電的檢測幾乎不產(chǎn)生影響。在臨床上得到廣泛的應(yīng)用。第25頁/共62頁Ag-Agcl圓盤電極

Ag-Agcl圓盤電極的導(dǎo)電膏充填在空腔內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且對于生物組織具有非常小和穩(wěn)定的半電池電位，而且是一種不可極化電極，所以常被用作體表生物電測量電極。第26頁/共62頁體內(nèi)電極

體內(nèi)電極，用作在生物體內(nèi)檢測生物電勢。因電極被插入體內(nèi)，電極材料的安全性很重要，象Ag-Agcl電極和人體蛋白質(zhì)會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不應(yīng)選用。下面介紹兩種體內(nèi)電極：經(jīng)皮注射式針電極和絲電極。第27頁/共62頁（a）經(jīng)皮注射式針電極（b）絲電極絲電極一般采用外面涂有絕緣層，直徑為25-125μm的鎳鉻合金絲做成，用于肌電的長期測量。針電極一般用不銹鋼材料制成，常用于肌電的測量，效果較體表電極大5-7倍。第28頁/共62頁金屬微電極金屬微電極是在不銹鋼、鎢、鉑等金屬上噴涂聚合物、玻璃等絕緣材料制成的，其尖端裸露。金屬微電極的極化特性使其不宜精確測量細胞的靜止電勢，常用于活動電勢的檢測。金屬微電極包括單點測量微電極和多重微電極，后者由多根相互獨立的電極組合而成，能同時測量多點電位。如測量神經(jīng)纖維束中多根神經(jīng)纖維電位的多個單點電極。目前已經(jīng)出現(xiàn)的有用半導(dǎo)體材料制作的多重微電極和經(jīng)磁化處理的、合金線制作的、每個電極可獨立移動的多重電極。第29頁/共62頁玻璃微電極玻璃微電極一般用于細胞膜電勢(如靜息電位)的測量。它是由毛細管熱拉后，內(nèi)部充入電導(dǎo)率溶液，再將電極絲放入制成，電極尖端直徑一般小于1μm。玻璃微電極較金屬電極來講，存在阻抗高、噪聲大等缺點。玻璃微電極可以向檢測部位注射微量藥物。第30頁/共62頁常用醫(yī)用物理傳感器物理傳感器是指基于物理學(xué)原理、檢測機體物理學(xué)指標的一類傳感器。物理傳感器是生物醫(yī)學(xué)傳感器中的一個大類，其作用是將各種物理信號轉(zhuǎn)化為電信號。下面介紹幾種醫(yī)學(xué)常用的物理傳感器:第31頁/共62頁（1）溫度的測量和溫度傳感器溫度是物理學(xué)中一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)、最古老，也是應(yīng)用最廣泛的一類傳感器。在醫(yī)學(xué)上通常將體溫分為體表溫度、深部溫度(即機體內(nèi)部溫度)和器官溫度(用流經(jīng)器官的血液溫度來代替)，測量時應(yīng)根據(jù)不同需要來選用不同類型的溫度傳感器。第32頁/共62頁溫度傳感器的發(fā)展歷史首先把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝克發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計（RTD）。后來，由于半導(dǎo)體材料的發(fā)明，本世紀相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，人們又相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外溫度傳感器和微波溫度傳感器等。第33頁/共62頁溫度傳感器的種類目前，溫度傳感器的種類很多，在醫(yī)學(xué)上常用的有：熱電偶溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器紅外熱輻射式溫度傳感器。

第34頁/共62頁熱電偶溫度傳感器當兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差。這個電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點的溫度以及這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)，也稱Seeback(賽貝克)效應(yīng)。

第35頁/共62頁醫(yī)學(xué)測量中熱電偶溫度傳感器種類較多，常用的有桿狀熱電偶和片狀熱電偶。桿狀熱電偶是將金屬絲放入注射針頭中，經(jīng)皮插入到待測部位，可用于測量口腔和直腸溫度。片狀熱電偶是用薄膜代替金屬絲，最薄可達3-6μm，將其固定在適當材料的基片上，尺寸很小，直徑達μm數(shù)量級，響應(yīng)速度很快，有的可用于測量細胞內(nèi)的暫態(tài)溫度。

（a）桿狀熱電偶

（b）片狀熱電偶

第36頁/共62頁熱敏電阻溫度傳感器熱電阻式溫度傳感器可分為兩大類：純金屬電阻（RTD）和半導(dǎo)體材料熱敏電阻，因后者臨床用的較多，這里重點介紹熱敏電阻式溫度傳感器。在生物醫(yī)學(xué)測量中通常將熱敏電阻的探頭做成珠狀和薄片狀，體積非常小(可達幾十納米)，其熱慣性小、響應(yīng)速度快。其中薄片熱敏電阻多是用單晶半導(dǎo)體材料(如SiC)制造的，在它的外表涂覆一層高強度絕緣漆類材料作絕緣防護，多用于測量表面溫度和皮膚溫度。還有一種注射針型的測穩(wěn)探頭是用微型珠狀熱敏電阻封裝于注射針頭的頂端制成的，可用來做動物實驗及測量肌肉溫度和淺表血管內(nèi)的溫度。第37頁/共62頁PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器PN結(jié)溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)上正向電壓降的溫度效應(yīng)設(shè)計而成的，其線性度好、靈敏度高、測量范圍寬，還可與放大器做在一起，體積小且性能穩(wěn)定，可應(yīng)用在低溫測量和植入動物體內(nèi)長期檢測使用。臨床上常用的PN結(jié)測溫探頭有桿式測溫探頭、小型測溫探頭、針狀測溫探頭和表面測溫探頭，它們的不同在于半導(dǎo)體熱敏器件安裝的方法和裝配材料的不同，當然其時間常數(shù)也不同，其中以小型測溫探頭最小，達0.2S。

第38頁/共62頁紅外熱輻射式溫度傳感器上述溫度傳感器都屬于接觸式溫度傳感器，紅外輻射式溫度傳感器則屬于不需與被測對象接觸的傳感器，因而不會影響人體的生理狀態(tài)。根據(jù)Planck輻射定律，當物體的溫度高于熱力學(xué)溫度零度(-273.16℃)時，都要以電磁波的形式向周圍輻射能量，其輻射頻率和能量隨物體的溫度而定。人體輻射紅外線的波長約在3-16μm之間，當體溫改變時，所輻射的紅外線能量就會改變，紅外輻射測溫裝置就是根據(jù)檢測人體表面的輻射能量而確定體溫的。第39頁/共62頁臨床上具有實用價值的紅外測溫傳感器有紅外熱探測器和紅外光電探測器。紅外熱探測器是全波長的紅外探測器，其首先利用黑化元件吸收入射紅外線輻射能量，使感溫元件溫度升高，再通過適當?shù)臏囟让舾性囟刃畔⑥D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺捎玫臏囟让舾性袩犭娕?、熱敏電阻等。紅外光電探測器的敏感元件是光電器件碲鎘汞(HgCdTe)，它能將接收到的紅外線轉(zhuǎn)化為電信號。此種傳感器只能對一定波長范圍的紅外線有響應(yīng)，并且需在低溫(液氮冷卻)下工作。目前出現(xiàn)了低成本的非制冷紅外光電探測器(Si器件)。一般將許多個紅外光電探測器組合在一起構(gòu)成紅外圖像傳感器，它是紅外熱像儀的關(guān)鍵部分。紅外熱像儀在乳腺癌的診斷中具有重要的意義。第40頁/共62頁（2）血流的測量和血流量傳感器血流量是生理研究和臨床醫(yī)學(xué)中最常測量的對象。血流量的檢測方法有熱稀釋法、電磁流量計法和Doppler頻移法。不同的檢測方法采用不同的傳感器。第41頁/共62頁Doppler頻移血流計Doppler頻移血流計，基于血液中的血細胞等運動微粒會使超聲波產(chǎn)生反射發(fā)生頻率改變的特性，人們開創(chuàng)了測量流量的Doppler技術(shù)。通過公式可以根據(jù)頻率改變得到的差頻即可求出血流速度。目前此超聲血流計已成為臨床上廣為使用的常規(guī)無創(chuàng)檢測法。第42頁/共62頁（3）光電式傳感器光電式傳感器是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，它可以直接檢測來自人體的輻射信息，也可以把人體的其他信息轉(zhuǎn)換成光信號。光電式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、可靠性高、精度高、反應(yīng)迅速，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。光電脈搏傳感器、核醫(yī)學(xué)檢測器(如伽馬照相機)、紅外熱成像和光導(dǎo)纖維血壓傳感器等是它的應(yīng)用實例。第43頁/共62頁光電傳感器的物理原理它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指光照射到物質(zhì)上引起其電特性(電子發(fā)射、電導(dǎo)率、電位電流等)發(fā)生變化的現(xiàn)象。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)就是光電發(fā)射效應(yīng)；內(nèi)光電效應(yīng)有光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)等幾種。第44頁/共62頁外光電效應(yīng)金屬表面受光照射，其表面和內(nèi)部的電子吸收光能后逸出金屬表面的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電發(fā)射效應(yīng)。

光導(dǎo)效應(yīng)和光敏電阻

光照射到絕大多數(shù)高電阻率半導(dǎo)體材料時，會引起該材料的電阻率下降而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象，稱光導(dǎo)效應(yīng)。用具有光導(dǎo)效應(yīng)的材料制成的光敏器件，稱之為光敏電阻或光導(dǎo)管。第45頁/共62頁光電脈搏測定原理這是由光敏電阻和一個光源組成的光電脈搏傳感器的原理圖。光敏電阻與適當?shù)钠胀娮璐?lián)后由電源供電，光源在加電時發(fā)光，光經(jīng)人的手指傳播到光敏電阻的受光面，當人手指的微血管的血流隨微血管的脈壓變化時，對光的反射系數(shù)也發(fā)生變化，使光敏電阻接收到的光強也隨之改變。把光敏電阻被微血管反射的光信號轉(zhuǎn)換成指脈電信號，就可做成脈搏傳感器。第46頁/共62頁光電脈搏測定原理（2）透射型指套式光電傳感器，由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。其工作原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指，被手指組織的血液吸收和衰減，然后由光敏三極管接收。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的，于是光敏三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。發(fā)光二極管采用紅色單色光，穩(wěn)定性好。傳感器做成遮光指套式，減少了外界光的干擾。將傳感器套在手指上，就可以測量手指末端處的動脈脈搏波，使用方便，靈敏度高，性能穩(wěn)定。第47頁/共62頁脈搏血氧測量原理

氧是維護生命的基礎(chǔ)，動脈血氧飽和度是反映動脈血含氧程度的重要參數(shù)。人體內(nèi)的血液通過心臟的收縮和舒張脈動地流過肺部，一定量的還原血紅蛋白(Hb)與從肺泡中攝取的氧氣結(jié)合變成了氧合血紅蛋白(HbO2)，而約2％的氧溶解在血漿里。這些血通過動脈系統(tǒng)一直輸送到毛細血管，然后將氧釋放，以維持組織細胞的新陳代謝。

第48頁/共62頁脈搏血氧測量原理血氧濃度的測量通常分電化學(xué)和光學(xué)兩類。以往大部分采用電化學(xué)法，如臨床和實驗室常用的血氣分析儀，它要取血樣來檢測，盡管可以得到精確結(jié)果，但從危重病人身上經(jīng)常取血卻是不可能的，且其操作復(fù)雜、分析周期長、不能連續(xù)監(jiān)測。在病人處于危癥狀況時，就不易使其得到及時的治療。第49頁/共62頁脈搏血氧測量原理脈搏血氧測定法是一種克服這些缺點的新型光學(xué)測量方法。在符合臨床要求的前提下，實現(xiàn)無創(chuàng)傷、長時間連續(xù)監(jiān)測血氧飽和度，為臨床提供了快速、簡便、安全可靠的測定方法，可用于手術(shù)室、ICU病房、急救病房和睡眠研究中。第50頁/共62頁

脈搏血氧測定法的測量原理是對普通血氧計光學(xué)測量方法的發(fā)展。根據(jù)吸光定律，當入射光射入厚度為D的均質(zhì)組織時，入射光I0與透射光I之間的關(guān)系為：

I=I0e-ECD

式中：

C為吸光物質(zhì)的濃度；

E為吸光物質(zhì)的吸光系數(shù)。定義物質(zhì)的吸光度A為：A＝1n(I0/I)=ECD

第51頁/共62頁脈搏血氧測定法是基于血液中氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)的吸收光譜的特性，運用Lambert-Beer法則，在體淺表動脈處用光電器件獲取兩個不同波長的吸光值。選擇適當?shù)膬刹ㄩL就可以測量出HbO2和Hb的百分含量。因為在紅光區(qū)(660nm)，Hb和HbO2的分子吸光系數(shù)差別很大，主要反映Hb的吸收；而在紅外光區(qū)(925nm)，Hb和HbO2的分子吸光系數(shù)差別很小，反映Hb和HbO2吸收的綜合效果。設(shè)：ρ=ΔA1/ΔA2

為兩個波長的光吸收變化率則：SaO2＝a+b×ρa和b是實驗獲取的兩個系數(shù)。第52頁/共62頁脈搏血氧測量傳感器第53頁/共62頁

3傳感器的發(fā)展方向新型傳感器的開發(fā)這是發(fā)展高性能、高功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。制作此類傳感器是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)和定律。新型傳感器層出不窮，如利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的高靈敏閥傳感器，響應(yīng)速度極快的紅外傳感器，光纖傳感器等。高靈敏閥傳感器可用來檢測極微弱的信號，紅外傳感器是利用光子滯后效應(yīng)制作的，有響應(yīng)速度極快的優(yōu)點。傳感器的集成化傳感器的集成化是利用集成電路制作技術(shù)和微機械加工技術(shù)將多個功能相同、功能相近或功能不同的傳感器件集成為一維線型傳感器或二維面型(陣列)傳感器；或利用微電子電路制作技術(shù)和微型計算機接口技術(shù)將傳感器與信號調(diào)理、補償?shù)入娐芳稍谕恍酒稀５?4頁/共62頁傳感器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化

智能傳感器系統(tǒng)采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)，利用硅作為基本材料制作敏感元件、信號處理電路、微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上，故又稱集成智能傳感器(IntegratedSmart/IntelligentSensor)。

智能傳感器系統(tǒng)具有自檢測、自補償、自校正、自診斷、遠程設(shè)定、狀態(tài)組令、信息儲存和記憶等功能。第55頁/共62頁

4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：將被測的生理參數(shù)轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的電學(xué)量輸出，為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷的研究與分析提供所需要的數(shù)據(jù)和圖像。定量地診斷臨床上的疑難病癥，正確地斷定生理現(xiàn)象，使醫(yī)學(xué)科學(xué)進入一個新的階段—定量醫(yī)學(xué)。從定性醫(yī)學(xué)到定量醫(yī)學(xué)中，傳感器起了重要作用，傳感器延伸了醫(yī)生的感官，擴大了醫(yī)生的認識范圍，并把醫(yī)生定性的感覺擴展為定量的測量。目前，傳感器已成為生物醫(yī)學(xué)測量、數(shù)據(jù)處理、信息轉(zhuǎn)換、診斷、治療中不可缺少的關(guān)鍵器件。可以說傳感器就是醫(yī)生的五官。要提取和捕捉生物體內(nèi)各種生物信息，就需要依靠各種各樣的傳感器，它是醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)的精確、可靠的測量，后續(xù)各環(huán)節(jié)再先進，也不會得到正確的結(jié)果。生理信息傳感器信號處理輸出顯示電信號電信號典型醫(yī)學(xué)傳感測量系統(tǒng)框圖第56頁/共62頁4.1傳感器在醫(yī)學(xué)中的主要用途檢測生物體信息

醫(yī)學(xué)診斷和基礎(chǔ)研究都需要檢測生物體的各種信息。

如：心臟手術(shù)前檢測心內(nèi)壓力；心血管疾病的基礎(chǔ)研究中需要檢測血液的粘度以及血脂含量。臨床監(jiān)護連續(xù)測定某些生理參數(shù)，監(jiān)視這些參數(shù)是否處于規(guī)定范圍內(nèi)，以便了解病人復(fù)原過程，或在異常時及時報警。