醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用課件

生物醫(yī)學傳感器原理及應(yīng)用

生物醫(yī)學傳感器原理及應(yīng)用1內(nèi)容提要1、醫(yī)用傳感器基礎(chǔ)2、生物電檢測電極3、常用醫(yī)用物理傳感器4、化學傳感器和生物傳感器5、傳感器技術(shù)的發(fā)展與展望內(nèi)容提要1、醫(yī)用傳感器基礎(chǔ)2§1醫(yī)用傳感器基礎(chǔ)

對傳感器的定義：“傳感器”在新韋式大詞典中定義為:“從一個系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件”。根據(jù)這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，所以不少學者也用“換能器－Transducer”來稱謂“傳感器－Sensor”。§1醫(yī)用傳感器基礎(chǔ)對傳感器的定義：“傳感器”在新韋式大3中華人民共和國國家標準(GB7665—87)對傳感器下這樣的定義：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。國標中的定義強調(diào)了被測量信號按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，而且它給出了傳感器的結(jié)構(gòu)信息，即它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。中華人民共和國國家標準(GB7665—87)對傳感器下這樣的4信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電路被測信息按照國家標準對傳感器的定義，傳感器包括：輸出電信號信號調(diào)節(jié)敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電路被測信息按照國家標準對傳感器5敏感元件是指能直接感測或響應(yīng)被測量的部件。轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感測或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號的部件，通常這種輸出信號以電量的形式出現(xiàn)。信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路是把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換成便于處理、控制、記錄和顯示的有用電信號所涉及的有關(guān)電路。有人也稱這一部分電路為信號調(diào)理電路。敏感元件是指能直接感測或響應(yīng)被測量的部件。6醫(yī)用傳感器（BiomedicalSensors）醫(yī)用傳感器，顧名思義，它是應(yīng)用于生物醫(yī)學領(lǐng)域的那一部分傳感器，它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現(xiàn)，因此，醫(yī)用傳感器可以定義為：把人體的生理信息轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息的變換裝置。人體生理信息有電信息和非電信息兩大類，從分布來說有體內(nèi)的（如血壓等各類壓力），也有體表的（如心電等各類生物電)和體外的(如紅外、生物磁等）醫(yī)用傳感器（BiomedicalSensors）醫(yī)用傳感器7醫(yī)用學傳感器的分類傳感器的分類方法多種多樣，有按傳感器的工作原理分的，有按輸入信息的類型分的，也有按能量關(guān)系或輸出信號類型分的。醫(yī)學測量中往往按被測信號來分類，如脈搏傳感器、呼吸波傳感器等。醫(yī)用傳感器按工作原理分類，大致可分為：醫(yī)用學傳感器的分類傳感器的分類方法多種多樣，有按傳感器的工作8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）生物電電極電學量參數(shù)利用化學反應(yīng)原理，把化學成分、濃度轉(zhuǎn)換成電信號化學傳感器生物傳感器生理利用生物活性物質(zhì)選擇性識別來測定生化物質(zhì)利用材9物理傳感器電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器壓阻（效應(yīng)）傳感器壓電（效應(yīng)）傳感器光電（效應(yīng)）傳感器霍爾（效應(yīng)）傳感器物理傳感器電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器壓阻（效應(yīng)）傳10生理信號檢測的特點

醫(yī)用傳感器用于人體生理信息檢測時，具有以下主要特點：被測量生理參數(shù)均為低頻或超低頻信息，頻率分布范圍在直流～300Hz。生理參數(shù)的信號微弱，測量范圍分布在uV～mV數(shù)量級。被測量的信噪比低，且噪聲來源可能是多方面的。由于人體是一導電體，體外的電場、磁場感應(yīng)都會在人體內(nèi)形成測量噪聲，干擾生理信息的檢測。人體是一有機整體，各器官功能密切相關(guān)，傳感器所拾取信息往往是由多種參數(shù)綜合而形成的。生理信號檢測的特點醫(yī)用傳感器用于人體生理信息檢測時，具有以11醫(yī)用傳感器的數(shù)學模型傳感器的設(shè)計、制造和應(yīng)用，均需要研究傳感器的輸入與輸出的關(guān)系特性。描述傳感器的輸入一輸出關(guān)系的數(shù)學表達式被稱為傳感器的數(shù)學模型，通常從傳感器的靜態(tài)輸入一輸出和動態(tài)輸入一輸出關(guān)系兩分面建立數(shù)學模型。醫(yī)用傳感器的數(shù)學模型傳感器的設(shè)計、制造和應(yīng)用，均需要研究傳感12靜態(tài)模型

靜態(tài)模型是指靜態(tài)信號（輸入信號不隨時間變化或變化緩慢）情況下，描述傳感器的輸出與輸入量間的函數(shù)關(guān)系。在實際工程應(yīng)用中，忽略蠕動效應(yīng)和遲滯持性、它可以用多項式來表示為：靜態(tài)模型靜態(tài)模型是指靜態(tài)信號（輸入信號不隨時間變化或變化緩13動態(tài)模型

動態(tài)模型是指傳感器在準動態(tài)或動態(tài)信號（即輸入信號隨時間變化）作用下，描述其輸出一輸入關(guān)系的數(shù)學表達式。要精確地建立傳感器的動態(tài)數(shù)學模型較困難，工程上常利用近似方法，忽略次要因素。來簡化動態(tài)模型的建立。動態(tài)模型動態(tài)模型是指傳感器在準動態(tài)或動態(tài)信號（即輸入信號隨14醫(yī)用傳感器的基本特性醫(yī)用傳感器的基本特性是指傳感器的輸出與輸入的關(guān)系特性，它是傳感器應(yīng)用的外部特性，但是傳感器不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)影響或決定著它具有不同的外部特性。醫(yī)用傳感器檢測的生理信息，基本上有兩種類型，即靜態(tài)量和動態(tài)量。靜態(tài)量是指不隨時間變化或變化甚為緩慢的量(如體溫)，動態(tài)量通常是周期性信號、瞬變或隨機的信號(如心電、血壓等)。醫(yī)用傳感器的基本特性醫(yī)用傳感器的基本特性是指傳感器的輸出與輸15靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測生理量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入之間的關(guān)系特性，一般情況下，它呈現(xiàn)非線性關(guān)系。工程應(yīng)用中，要求靜態(tài)特性盡可能呈線性。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標是線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、零點漂移、溫度漂移等。靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測生理量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與16線性度指傳感器輸出隨輸入變化的線性程度，它用輸出量一輸入量的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度來表示。靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值。遲滯特性是指傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程期間輸出一輸入曲線的不重合程度。遲滯是由傳感器材料固有特性和機械上的不可避免的缺陷等原因產(chǎn)生的。重復(fù)性是指傳感器在同一工作條件下輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動所得到特性曲線的不一致程度。產(chǎn)生重復(fù)性誤差的原因同樣是傳感器內(nèi)機械缺陷引起的，如材料內(nèi)的摩擦、間隙、積塵等。線性度指傳感器輸出隨輸入變化的線性程度，它用輸出量一輸入量的17分辨力是表述傳感器可能檢測出被測信號最小變化的能力。零點漂移指傳感器無輸入時，輸出值隨時間而偏移，偏移零值的偏移量。溫度漂移表示溫度變化時，傳感器輸出值的漂離程度，通常以溫度變化1℃時，輸出最大偏差與滿量程值之比表示。分辨力是表述傳感器可能檢測出被測信號最小變化的能力。18動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對激勵(輸入)的響應(yīng)(輸出)特性。具有良好的動態(tài)特性的傳感器，在動態(tài)(快速變換)的輸入信號作用下，不僅能精確地測量信號的帕值大小，而且能迅速準確地響應(yīng)信號幅度變化和無失真地再現(xiàn)被測量信號隨時間變化的波形。動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對激勵(輸入)的響應(yīng)(輸出19對醫(yī)用傳感器的基本要求

醫(yī)用傳感器作為傳感器的一個重要分支，其設(shè)計與應(yīng)用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號的特殊性、復(fù)雜性，考慮生物醫(yī)學傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。對醫(yī)用傳感器的基本要求醫(yī)用傳感器作為傳感器的一個重要分支，201.傳感器本身具有良好的技術(shù)性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復(fù)性、頻率響應(yīng)范圍、信噪比、溫度漂移、零點漂移、靈敏度漂移等。2.傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)與被檢測部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，使用時，對被測組織的損害要小。3.傳感器對被測對象的影響要小，不會對生理活動帶來負擔，不干擾正常生理功能。4.傳感器要有足夠的牢固性，引進到待測部位時，不致脫落、損壞。1.傳感器本身具有良好的技術(shù)性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復(fù)215.傳感器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。；6.傳感器進入人體能適應(yīng)生物體內(nèi)的化學作用，與生物體內(nèi)的化學成分相容，不易被腐蝕、對人體無不良刺激，并且無毒。7.傳感器進入血液中或長期埋于體內(nèi)，不應(yīng)引起血凝。8.傳感器應(yīng)操作簡單、維護方便，結(jié)構(gòu)上便于消毒。5.傳感器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。；22醫(yī)用傳感器在醫(yī)學上的用途

檢測－檢測正?；虍惓Ｉ韰?shù)。比如：先心病病人手術(shù)前須用血壓傳感器測量心內(nèi)壓力，估計缺陷程度。監(jiān)護－連續(xù)測定某些生理參數(shù)是否處于正常范圍，以便及時預(yù)報。在ICU病房，對危重病人的體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等進行連續(xù)監(jiān)護的監(jiān)護儀。控制－即利用檢測到的生理參數(shù)控制人體的生理過程。比如，用同步呼吸器搶救病人時，要檢測病人的呼吸信號，以此來控制呼吸器的動作與人體呼吸同步。醫(yī)用傳感器在醫(yī)學上的用途檢測－檢測正?；虍惓Ｉ韰?shù)。比如23第二節(jié)細胞的生物電現(xiàn)象

概述恩格斯在100多年前就指出：“地球上幾乎沒有一種變化發(fā)生而不同時顯示出電的變化”。人體及生物體活細胞在安靜和活動時都存在電活動，這種電活動稱為生物電現(xiàn)象（bioelectricity）。細胞生物電現(xiàn)象是普遍存在的，臨床上廣泛應(yīng)用的心電圖、腦電圖、肌電圖及視網(wǎng)膜電圖等就是這些不同器官和組織活動時生物電變化的表現(xiàn)。第二節(jié)細胞的生物電現(xiàn)象概述恩格斯在100多年前就指出24第二節(jié)細胞生物電現(xiàn)象生物電現(xiàn)象：生命活動中表現(xiàn)的電現(xiàn)象。心臟心電圖腦生物電總和腦電圖骨骼肌肌電圖胃腸平滑肌胃腸電圖第二節(jié)細胞生物電現(xiàn)象25細胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能（一）單純擴散（二）膜蛋白介導的跨膜轉(zhuǎn)運１.經(jīng)載體易化擴散２.經(jīng)通道易化擴散３.原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運４.繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運（三）出胞與入胞細胞膜的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能（一）單純擴散26膜蛋白介導的跨膜轉(zhuǎn)運被動轉(zhuǎn)運：載體介導的易化擴散

通道介導的易化擴散

不消耗能量，順濃度差、電位差跨膜轉(zhuǎn)運主動轉(zhuǎn)運：原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運

消耗能量、逆濃度差、電位差的跨膜轉(zhuǎn)運膜蛋白介導的跨膜轉(zhuǎn)運被動轉(zhuǎn)運：載體介導的易化擴散27原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運

細胞直接利用代謝產(chǎn)生的能量，以泵蛋白為介導，將物質(zhì)逆濃度梯度或電位梯度跨膜轉(zhuǎn)運的過程。如：鈉-鉀泵（鈉泵，鈉-鉀依賴式ATP酶）鈣泵、H+－K+泵等。水解ATP→ADP，利用高能磷酸鍵貯存的能量完成離子的跨膜轉(zhuǎn)運

原發(fā)性主動轉(zhuǎn)運

細胞直接利用代謝產(chǎn)生的能量，以泵蛋白為介導，28鈉-鉀泵：鈉泵，鈉-鉀依賴式ATP酶逆濃度差把細胞內(nèi)Na+移出膜外，K+入膜內(nèi)。使細胞內(nèi)[K+]為細胞外液中的30倍，而細胞外液中[Na+]為胞漿中的12倍，保持Na+、K+在細胞膜內(nèi)外不均衡分布。將3個Na＋排出細胞外2個K＋泵入細胞內(nèi)Sodium-potassiumpump鈉-鉀泵：鈉泵，鈉-鉀依賴式ATP酶逆濃度差把細胞內(nèi)Na+移29鈉-鉀泵活動生理意義

１．胞內(nèi)高K+，是胞漿內(nèi)許多代謝反應(yīng)所必需的。２．造成膜內(nèi)外Na+、K＋濃度差，是細胞生物電活動的前提件。３．維持胞漿滲透壓和細胞容積相對穩(wěn)定4.膜內(nèi)外Na+、K＋濃度差是維持Na＋-H＋交換的動力→對維持細胞內(nèi)的pH穩(wěn)定具有重要作用５．膜內(nèi)外Na+、K＋濃度差是維持Na＋-Ca2＋交換的動力６．膜內(nèi)外Na+、K＋濃度差是繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運的動力鈉-鉀泵活動生理意義

30§2生物電檢測電極

電極有兩類生物電檢測電極刺激電極§2生物電檢測電極電極有兩類31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出的敏感元件稱為檢測電極。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32刺激電極另一方面，臨床醫(yī)學根據(jù)生物體的電生理活動原理，對生物體導入各種不同的電信號，以調(diào)節(jié)和治療疾病，使肌體獲得康復(fù)。比如：對處于纖維性顫動而雜亂興奮的心肌細胞給予瞬間高能量電刺激，強使心肌興奮相位變?yōu)橐恢碌某澴饔?；對各種因風濕炎癥而引起的慢性疼痛，施以適量的電刺激以使疼痛減輕；控制心臟起搏器監(jiān)測心臟節(jié)率并在搏動失常時給予適當?shù)碾姶碳砭S持心肌的搏動等等，都需要利用另一類電極向生物體導入電信號，這一類電極稱為刺激電極。刺激電極另一方面，臨床醫(yī)學根據(jù)生物體的電生理活動原理，對生物33＋＋＋＋＋＋＋-------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)離子導電和金屬的電子導電體系之間形成一個電化學界面，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。＋＋＋＋＋＋＋-------生物電檢測電極示意圖機體外機體內(nèi)34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。ZnCuSO4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35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)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。電極的本質(zhì)36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。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37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。電極的電位生物電電位差＝兩個電極間的電位差38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39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。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40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。體表電極，應(yīng)滿足如下要求：電極電位穩(wěn)定；阻抗?。话卜湃菀浊也灰酌撀?；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。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。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。體表電極體表電極是用于在身體表面記錄生物電信號（如ECG41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。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42經(jīng)皮注射式針電極（a）和絲電極（b）

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。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。經(jīng)皮注射式針電極（a）和絲電極（b）針電極一般用不銹鋼材料43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。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44§3常用醫(yī)用物理傳感器

物理傳感器物理傳感器是指基于物理學原理、檢測機體物理學指標的一類傳感器。物理傳感器是生物醫(yī)學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。§3常用醫(yī)用物理傳感器

物理傳感器物理傳感器是指基于物45物理傳感器的分類物理傳感器根據(jù)檢測對象的不同，有溫度傳感器、壓力傳感器、血流量傳感器、心音傳感器、脈搏傳感器、呼吸傳感器等。物理傳感器根據(jù)工作原理分為電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電式傳感器和光電式傳感器等。物理傳感器的分類物理傳感器根據(jù)檢測對象的不同，有溫度傳感器、463.1溫度的測量和溫度傳感器溫度是物理學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。3.1溫度的測量和溫度傳感器溫度是物理學中一個基本的物理量47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年由德國物理學家賽貝發(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，由于半導體材料的發(fā)明，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱敏電阻傳感器、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)了聲學溫度傳感器、紅外溫度傳感器和微波溫度傳感器等。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48溫度傳感器的種類目前，溫度傳感器的種類很多，在醫(yī)學上常用的有：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。

溫度傳感器的種類目前，溫度傳感器的種類很多，在醫(yī)學上常用的有49熱電偶溫度傳感器當兩種不同材質(zhì)的導體，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有以及這兩種導體的材質(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)。熱電偶溫度傳感器當兩種不同材質(zhì)的導體，在某點互相連接在一起，50熱電偶效應(yīng)可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度，這就是熱電偶測溫的原理。不同材質(zhì)做出的熱電偶應(yīng)用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數(shù)值大約在5-40微伏／℃之間。熱電偶效應(yīng)可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個電位差51醫(yī)學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。

醫(yī)學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52（a）桿狀熱電偶（b）片狀熱電偶

（a）桿狀熱電偶（b）片狀熱電偶53紅外熱輻射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)。當物體的溫度高于熱力學溫度零度（-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。紅外熱輻射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54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。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55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。紅外光電探測器的敏感元件是光電器件碲鎘汞（HgCdTe），它563.2壓力的測量和壓力傳感器

醫(yī)學常用的壓力參數(shù)有：血壓、顱內(nèi)壓、眼內(nèi)壓、腸內(nèi)壓、肺泡壓等，其中最常規(guī)的測量內(nèi)容是血壓(BloodPressure,BP)。醫(yī)學上測量的血壓有動脈壓、靜脈壓和心內(nèi)壓（包括心室壓、心房壓）等，每種壓力信號又包括：收縮壓、舒張壓、平均壓。3.2壓力的測量和壓力傳感器醫(yī)學常用的壓力參數(shù)有：血壓、57壓力傳感器是檢測人體內(nèi)各種生理壓力參數(shù)的傳感器，在基礎(chǔ)醫(yī)學、臨床診斷中應(yīng)用十分廣泛。對血壓的測量方法有直接測量和間接測量。直接測量血壓的傳感器包括液體耦合式傳感器、導管端部傳感器等。間接測量血壓的方法是科氏音法。醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用ppt課件58光電傳感器的物理原理光電傳感器包括：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電池、光電二極管三極管等。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)有光導效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)等幾種。光電傳感器的物理原理光電傳感器包括：光電管、光電倍增管、光敏59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)。

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60光電倍增管光電倍增管是把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成電子流并使電子流獲得放大的電真空器件。它是最靈敏的光檢測器，在冷卻狀態(tài)，無熱生電子時，甚至能檢測單個光電子。光電倍增管光電倍增管是把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成電子流并使電子流獲61圖中K表示光電陰極，D1、D2、…、Dn是由二次發(fā)射體制成的倍增極。A是收集電子的陽極或收集極。工作時這些電極的電位從陰極逐級升高，相鄰電極電位相差100V左右。微弱光線射人的光子打到光電陰極上，引起光電發(fā)射，釋放出一些電子。這些電子經(jīng)電子光學輸人系統(tǒng)的靜電聚焦和加速，飛向比陰極電位高100V左右的第一倍增極，在倍增極上引起了二次電子發(fā)射，倍增效應(yīng)發(fā)生，釋放出更多的電子。倍增后的電子再次加速飛向更高電位的下一個倍增極。電子倍增過程就這樣延續(xù)下去。最后，電子到達陽極被收集，在負載電阻RL上形成電流。圖中K表示光電陰極，D1、D2、…、Dn是由二次發(fā)射體制成的62在放射性同位素測量和成像技術(shù)中，常用光電倍增管作為檢測器中的光電轉(zhuǎn)換器。例如，在伽馬照相機和單光子發(fā)射斷層成像裝置(SPECT)中，就是采用光電倍增管來檢測由伽馬射線激起的閃爍晶體發(fā)出的光信號，從而實現(xiàn)成像的。在放射性同位素測量和成像技術(shù)中，常用光電倍增管作為檢測器中的63光導效應(yīng)和光敏電阻

光照射到絕大多數(shù)高電阻率半導體材料時，會引起該材料的電阻率下降而易于導電的現(xiàn)象，稱光導效應(yīng)。用具有光導效應(yīng)的材料制成的光敏器件，稱之為光敏電阻或光導管。光導效應(yīng)和光敏電阻光照射到絕大多數(shù)高電阻率半導體材料時，會64光敏二極管和光敏三極管

光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，它的PN結(jié)裝在管頂，便于接受光的照射。光敏二極管在電路中工作時，一般接上反向電壓。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，反向電流也稱暗電流。當光照射在PN結(jié)上時，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子