ch05生物熱效應(yīng)的熱電式生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測

生物熱效應(yīng)的熱電式生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測教育部生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會“十三五”規(guī)劃教材生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測原理第五章01生理熱效應(yīng)與體溫概述生理代謝的熱效應(yīng)機(jī)體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)代謝釋放出來的化學(xué)能，其中50%以上以熱能的形式用于維持體溫，其余不足50%的化學(xué)能則載荷于ATP，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)化與利用，最終也變成熱能，并與維持體溫的熱量一起，由循環(huán)血液傳導(dǎo)到機(jī)體表層并散發(fā)于體外。生理熱效應(yīng)與體溫概述因此，機(jī)體在體溫調(diào)節(jié)機(jī)制的調(diào)控下，使產(chǎn)熱過程和散熱過程處于平衡，即體熱平衡，維持正常的體溫。如果機(jī)體的產(chǎn)熱量大于散熱量，體溫就會升高；散熱量大于產(chǎn)熱量，體溫就會下降，直到產(chǎn)熱量與散熱量重新取得平衡時(shí)才會使體溫穩(wěn)定在新的水平。機(jī)體的總產(chǎn)熱量主要包括基礎(chǔ)代謝、食物特殊動力作用和肌肉活動所產(chǎn)生的熱量。基礎(chǔ)代謝是機(jī)體產(chǎn)熱的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)代謝高產(chǎn)熱量多，基礎(chǔ)代謝低產(chǎn)熱量少，正常成年男子的基礎(chǔ)代謝率約為170kJ/m2h，而成年女子約為155kJ/m2·h。食物特殊動力作用可使機(jī)體進(jìn)食后額外產(chǎn)生熱量。骨骼肌的產(chǎn)熱量變化很大，在安靜時(shí)產(chǎn)熱量很小，運(yùn)動時(shí)產(chǎn)熱量很大；輕度運(yùn)動（如步行）時(shí)，其產(chǎn)熱量可比安靜時(shí)增加3~5倍，劇烈運(yùn)動時(shí)，可增加10~20倍。生理熱效應(yīng)與體溫概述另外，人在寒冷環(huán)境中主要依靠寒戰(zhàn)來增加產(chǎn)熱量以維持體熱平衡，寒戰(zhàn)的特點(diǎn)是屈肌和伸肌同時(shí)收縮，所以基本上不做功，但產(chǎn)熱量很高，發(fā)生寒戰(zhàn)時(shí)，代謝率可增加4~5倍；內(nèi)分泌激素也可影響產(chǎn)熱，腎上腺素和去甲腎上腺素使產(chǎn)熱量迅速增加但維持時(shí)間短，甲狀腺激素則使產(chǎn)熱緩慢增加但維持時(shí)間長。生理熱效應(yīng)與體溫概述生理熱效應(yīng)與體溫概述如圖5-1所示，在寒冷環(huán)境下，機(jī)體增加產(chǎn)熱和減少散熱；在炎熱環(huán)境下，機(jī)體減少產(chǎn)熱和增加散熱，從而使體溫保持相對穩(wěn)定。在疾病狀態(tài)下，身體自身的保護(hù)性響應(yīng)將引起體溫改變。病理因素引起的溫度改變正常情況下，人體體溫是相對穩(wěn)定的；當(dāng)某種原因使體溫異常升高或降低時(shí)，若超過某一界限，將危及生命。人體體溫的變化范圍生理熱效應(yīng)與體溫概述體溫在一晝夜之間存在周期性的波動，表現(xiàn)為體溫在清晨2~6時(shí)最低，午后1~6時(shí)最高。體溫的生理性調(diào)節(jié)生理熱效應(yīng)與體溫概述體溫測量體溫作為人體四大生命體征之一，臨床上所指的體溫為平均核心體溫，而生活中所指體溫為體表溫度。核心體溫（corebodytemperature）又稱基礎(chǔ)體溫，被認(rèn)為是身體深層結(jié)構(gòu)的工作溫度。核心體溫的定義有兩種：一種是人體內(nèi)部胸腔、腹腔和中樞神經(jīng)的溫度；另一種是胸部、主要內(nèi)部器官及離開心臟血液（肺動脈）的溫度。生理熱效應(yīng)與體溫概述常見的非侵入式測量方法有紅外測溫法、微波輻射測溫法、超聲波測溫法、磁共振測溫法、熱流法等?；A(chǔ)溫度是人體健康的晴雨表，保持其相對穩(wěn)定是保證新陳代謝和生命活動正常進(jìn)行的必要條件。長期以來，基礎(chǔ)溫度作為臨床判斷與患者管理的關(guān)鍵參數(shù)而被廣泛關(guān)注，特別是對于外傷性腦損傷或神經(jīng)損傷患者。對基礎(chǔ)溫度進(jìn)行連續(xù)的檢測，可以對熱應(yīng)激進(jìn)行檢測，對女性的月經(jīng)周期進(jìn)行管理。另外，因?yàn)榛A(chǔ)溫度是公認(rèn)描述晝夜節(jié)律的方法，因此在睡眠障礙治療中可以被用于估計(jì)生物節(jié)律。02溫度傳感器原理金屬熱電阻傳感器純金屬是熱電阻的主要材料，雖然大多數(shù)金屬都有一定的溫度系數(shù)，但作為測溫元件的材料必須具有良好的線性、穩(wěn)定性和較高的電阻率。常用的金屬熱電阻材料有鉑、鎳、銅、鐵，其中鉑是最理想的金屬熱敏電阻材料。半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器采用半導(dǎo)體材料制作溫度傳感器，由于其體積小、靈敏度高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而在生物醫(yī)學(xué)的溫度測量中被廣泛使用。熱電阻式溫度測量原理半導(dǎo)體熱敏電阻分為三類：負(fù)溫度系數(shù)（NTC）型（由錳、鈷、鎳、鐵等兩種或兩種以上金屬氧化物的混合物高溫?zé)Y(jié)而成），正溫度系數(shù)（PTC）型（由鈦酸鋇和鈦酸鍶的混合物高溫?zé)Y(jié)而成），以及臨界溫度系數(shù)（CTR）型。熱電阻式溫度測量原理熱電偶溫度測量原理熱電效應(yīng)兩種不同導(dǎo)體A和B組成閉合回路，如圖5-7所示。如果熱電偶兩電極材料相同，則雖有溫差，但輸出電勢為零。如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路中的總電勢必等于零。熱電勢只與兩結(jié)點(diǎn)溫度點(diǎn)溫度相關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀及沿金屬的溫度分布無關(guān)。中間導(dǎo)體定律。標(biāo)準(zhǔn)電極定律。熱電偶溫度測量原理熱電偶溫度測量原理熱電偶種類和特點(diǎn)構(gòu)成熱電偶的兩導(dǎo)體A和B稱為熱電極，對熱電極材料的要求如下：①熱電勢大，測溫范圍寬，線性好。②性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕。③電阻溫度系數(shù)小，電阻率小。④易加工，材料復(fù)制性好。熱電偶溫度測量原理幾種常用熱電偶的性能如表5-2所示。熱電偶溫度測量原理熱電偶溫度傳感器在生物醫(yī)學(xué)測量中得到廣泛應(yīng)用，圖5-9是常見的兩種醫(yī)用熱電偶傳感器。熱電偶溫度測量原理為了提高熱電偶的靈敏度，可采用圖5-10所示的熱電堆。由半導(dǎo)體的物理原理知道，PN結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)，利用PN結(jié)的這一特點(diǎn)，可以制成各種溫度傳感器，典型的PN結(jié)型溫度傳感器有二極管溫度傳感器、晶體管溫度傳感器和集成電路溫度傳感器。半導(dǎo)體溫度傳感器半導(dǎo)體溫度傳感器二極管溫度傳感器根據(jù)從由一個PN結(jié)構(gòu)成的二極管的伏安特性曲線可知，當(dāng)流過二極管的電流恒定時(shí)，隨著溫度的升高，二極管兩端的電壓近似線性地降低。溫度每升高1℃，電壓降低約2mV。半導(dǎo)體溫度傳感器在二極管測溫中，用得最多的是恒流源激勵電路，圖5-13是一個典型的二極管測溫及數(shù)碼顯示溫度值的電路。半導(dǎo)體溫度傳感器晶體管溫度傳感器在一定的溫度范圍內(nèi)，在小注入條件下，只要qVsg/kT≥1，則不管集電結(jié)是零偏還是反偏。半導(dǎo)體溫度傳感器常用的溫敏晶體管測溫電路如圖5-14（a）所示。電容C的作用是防止寄生振蕩，圖5-14（b）給出了和T的關(guān)系。PN結(jié)測溫探頭隨著集成電路工藝的不斷完善，PN結(jié)測溫探頭不僅用于常規(guī)溫度測量，還用于生物醫(yī)學(xué)低溫測量、植入式長期溫度監(jiān)測等。常見PN結(jié)測溫探頭有以下幾種：（1）桿式測溫探頭；（2）小型測溫探頭；（3）針狀測溫探頭和表面測溫探頭。半導(dǎo)體溫度傳感器集成溫度傳感器集成電路溫度傳感器是將作為感溫器件的溫敏晶體管（一般為差分對管）及其外圍電路集成在同一芯片上的集成化PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器線性好、精度高、互換性好，并且體積小，使用方便，其工作溫度范圍一般為-50~+150℃。半導(dǎo)體溫度傳感器半導(dǎo)體溫度傳感器圖5-18是典型的感溫部分電路。半導(dǎo)體溫度傳感器圖5-26所示的AD7415是一種能達(dá)到±0.5℃測量精度的10位數(shù)字輸出集成溫度傳感器，工作溫度范圍為-40~+70℃，I2C總線輸出。液晶也稱液態(tài)晶體（liquidcrystal），是一些有機(jī)化合物。在一定溫度范圍內(nèi)，它既具有液體的特點(diǎn)，又具有晶體的某些特性，如有序性、光學(xué)各向異性等。在分子排列上，液晶的相可分為近晶相、向列相和膽甾相3種，溫度測量中特別重要的是呈現(xiàn)膽甾相的液晶。液晶測溫液晶測溫由圖5-28可見，膽甾相液晶的分子結(jié)構(gòu)呈螺旋形排列。體表液晶測溫膜利用膽甾相液晶材料制成的液晶測溫膜，可以形象地反映出體表溫度分布，安全可靠，分辨率可達(dá)0.1℃，已經(jīng)在臨床、體檢中得到應(yīng)用。它可以反映出皮膚表面的溫度分布，可用于診斷體表淺層腫瘤、觀察手術(shù)后是否有局部炎癥、測定藥理反映等。另外，臨床上還用來測定淺表脈管位置、動脈血栓等。液晶測溫液晶體溫計(jì)某些液晶混合物的特征色隨溫度變化具有時(shí)間滯后的特點(diǎn)，可用來制作液晶體溫計(jì)。在托板上排布一定數(shù)量的條孔，分別注入不同成分的液晶膽甾醇混合物，分別對應(yīng)于不同的相變臨界溫度。使用這種體溫計(jì)時(shí)，凡是達(dá)到或超過臨界溫度的測溫元件都變成無色透明，而另一些未達(dá)到臨界溫度的測溫元件仍保持特征色。從體內(nèi)取出后，因特征色有一定的滯后時(shí)間，用戶有充足的時(shí)間（通常幾分鐘）去讀取和記錄體溫。液晶測溫03紅外溫度測量一切物體只要它的溫度高于絕對零度，就會不斷地發(fā)射紅外輻射。當(dāng)物體與周圍溫度失去平衡時(shí)，物體的這種輻射現(xiàn)象表現(xiàn)為發(fā)射或吸收紅外線。物體紅外輻射的強(qiáng)度和波長分布取決于物體的溫度和輻射率，而人體的紅外輻射波長范圍為3~16μm。通過特定的紅外探測器可以感受人體紅外輻射能量，并獲得與體表溫度分布相關(guān)的熱象圖。雖然紅外輻射的各種效應(yīng)都可以用來制造紅外探測器，但真正能夠有實(shí)用價(jià)值的主要有紅外光電探測器（也稱量子探測器）和紅外熱探測器。表征紅外探測器的重要指標(biāo)有歸一化探測率、敏感波長范圍和響應(yīng)時(shí)間。紅外溫度測量熱探測器利用涂黑的元件，吸收所有的入射輻射，電極、元件的溫度升高。所以這種熱電轉(zhuǎn)換包括兩個主要過程：一是熱探測器吸收紅外輻射能量后溫度升高，且隨著輻射功率的變化其元件溫度也發(fā)生相應(yīng)變化；第二個過程是利用元件的某種溫度敏感特性，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電信號。醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的熱探測器主要有熱釋電探測器和熱敏電阻探測器，前面介紹的集成化熱電堆也是一種紅外輻射溫度計(jì)。這類探測器是依靠熱傳輸和熱平衡來工作的，因而響應(yīng)比光電探測器要慢得多。紅外溫度測量熱釋電探測器熱釋電晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化（即熱釋電效應(yīng)），這種晶體同時(shí)又是壓電晶體（但壓電晶體并不都具有熱釋電效應(yīng)）。晶體的自發(fā)極化在與自發(fā)極化強(qiáng)度垂直的晶體的兩個表面上產(chǎn)生符號不同的面束縛電荷，其電荷密度等于自發(fā)極化強(qiáng)度P，但平時(shí)這些電荷常被晶體內(nèi)外的自由電荷中和，對外顯中性，故不能在靜態(tài)條件下測量自發(fā)極化。只有當(dāng)晶體經(jīng)受一定頻率溫度變化時(shí)，其體內(nèi)和外部的電荷來不及中和變化著的面束縛電荷，才能測出自發(fā)極化。紅外溫度測量紅外溫度測量圖5-30示出了熱釋電紅外探測器的等效電路。紅外溫度測量圖5-31是一種采用熱釋電元件作為溫敏元件的紅外探測器。紅外溫度測量熱敏電阻探測器熱敏電阻探測器探測率和響應(yīng)時(shí)間均不如熱釋電探測器。在這里，有必要將光電探測器與熱探測器進(jìn)行比較。熱探測器對各種波長都有響應(yīng)，光電探測器只對它的波長限以下一段波長區(qū)間有響應(yīng)；熱探測器可工作在室溫下，光電探測器多數(shù)需致冷；熱探測器探測率一般低于光電探測器，響應(yīng)時(shí)間一般比光電探測器長。另外，使用紅外探測器時(shí)必須注意中間介質(zhì)中含有的水蒸汽、CO，、臭氧對紅外輻射的吸收影響，選擇探測器工作波長時(shí)應(yīng)避開上述幾種氣體的吸收光譜范圍。紅外溫度測量熱敏電阻探測器早期的紅外線圖像傳感器是單元件檢測器，用于實(shí)時(shí)熱成像較困難。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一維陣列紅外探測器和二維陣列紅外CCD熱像傳感器，使得紅外熱像傳感器更加小型化并提高了性能。04熱電式溫度傳感器的生物醫(yī)學(xué)測量接觸式體溫測量，是指將熱敏電阻、熱電偶等傳感器與被測部位直接接觸，利用熱傳導(dǎo)作用在被測部位和熱敏傳感器之間建立熱平衡，進(jìn)而將被測溫度轉(zhuǎn)換為可量化的電信號或數(shù)據(jù)。接觸式體溫測量接觸式體溫測量表5-3是常用體溫測量部位及其適用場景。熱敏電阻R是電橋的一個測量臂，安放在呼吸氣流通路上。呼吸氣流流過熱敏電阻時(shí)改變傳熱條件并使R的阻值隨呼吸周期發(fā)生周期性變化。熱敏電阻式呼吸頻率測量上述熱敏電阻傳感器只能記錄呼吸頻率，但呼吸流量也是臨床上常用的生理參數(shù)。差動熱敏電阻式呼吸流量測量基于溫度變化的血流、呼吸氣流生理參數(shù)測量熱源在血液中的熱傳導(dǎo)與血液的流速有一定關(guān)系，據(jù)此可測定血流量的大小。熱式血流測量人體表面溫度分布情況有著重要的臨床價(jià)值，可以用于早期發(fā)現(xiàn)近表皮惡性腫瘤及轉(zhuǎn)移情況（如皮膚癌、乳癌、甲狀腺癌等），協(xié)助診斷各種炎癥（如膽囊炎、關(guān)節(jié)炎等）及末梢血管疾?。ㄈ缪苎?、血管閉塞），測定燒傷度和燒傷面積，觀察某些藥物療效等。紅外非接觸式溫度測量一切溫度高于絕對零度的有生命和無