生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測(cè)原理 課件 第3、4章 醫(yī)用電極與生物電效應(yīng)測(cè)量、生物力學(xué)效應(yīng)的傳感與生理信號(hào)檢測(cè)

醫(yī)用電極與生物電效應(yīng)測(cè)量教育部生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)“十三五”規(guī)劃教材生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測(cè)原理第三章01生物電效應(yīng)概述我們的身體是由不同生物組織形成具有生理功能的器官和系統(tǒng)構(gòu)成的，生物組織、器官、系統(tǒng)的生物活性和生理過程是生命活動(dòng)的最重要表現(xiàn)。一方面，生理過程伴隨著由細(xì)胞膜離子通道及其膜電位變化所引起的生物電活動(dòng)；另一方面，生物組織作為一種特殊介質(zhì)，與其他物理介質(zhì)一樣具有導(dǎo)電性能，內(nèi)在生物電或外加電信號(hào)（電流、電壓）也將在組織中進(jìn)行傳播。因此，生物體具有電生理活動(dòng)、電信號(hào)耦合兩種主要的生物電效應(yīng)。生物電效應(yīng)概述生物電的形成細(xì)胞水平的生物電現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式，即細(xì)胞在安靜時(shí)具有的靜息電位和細(xì)胞受到刺激時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)作電位，體內(nèi)各種器官或組織所表現(xiàn)出各種形式的生物電現(xiàn)象，都可以根據(jù)這兩種細(xì)胞電現(xiàn)象來解釋。常見電生理信號(hào)心電圖（electrocardiogram，ECG）指的是心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記儀從體表引出多種形式的電位變化的圖形。生物電效應(yīng)概述生物電效應(yīng)概述動(dòng)作電位的產(chǎn)生（如圖3-1）。生物電效應(yīng)概述心電圖如圖3-2所示。生物電效應(yīng)概述腦電圖（electroencephalogram，EEG）是通過腦電圖描記儀將腦自身微弱的生物電放大記錄成為一種曲線圖，以幫助診斷疾病的一種現(xiàn)代輔助檢查方法，如圖3-3所示。腦電圖主要用于顱內(nèi)器質(zhì)性病變（如癲癇、腦炎、腦血管疾病及顱內(nèi)占位性病變等）的檢查。腦電圖極易受各種因素干擾，應(yīng)注意識(shí)別和排除。生物電效應(yīng)概述生物電效應(yīng)概述肌電圖是采用肌電檢測(cè)系統(tǒng)記錄肌肉靜止或收縮時(shí)的電活動(dòng)，并應(yīng)用電刺激檢查神經(jīng)、肌肉興奮及傳導(dǎo)功能的方法，可以確定周圍神經(jīng)、神經(jīng)元、神經(jīng)肌肉接頭及肌肉本身的功能狀態(tài)，如圖3-4所示。肌電圖通過測(cè)定運(yùn)動(dòng)單位電位的時(shí)限、波幅，安靜情況下有無自發(fā)的電活動(dòng)，以及肌肉大力收縮的波形及波幅，可區(qū)別神經(jīng)原性損害和肌原性損害，診斷脊髓前角急、慢性損害，神經(jīng)根及周圍神經(jīng)病變；對(duì)神經(jīng)嵌壓性病變、神經(jīng)炎、遺傳代謝障礙神經(jīng)病、各種肌肉病也有診斷價(jià)值。此外，肌電圖還用于在各種疾病的治療過程中追蹤疾病的恢復(fù)過程及療效。生物電效應(yīng)概述02生物電信號(hào)的醫(yī)用電極測(cè)量原理醫(yī)用檢測(cè)電極醫(yī)用檢測(cè)電極是應(yīng)用最廣泛的醫(yī)用電極，從測(cè)量方式上可分為體表電極、植入電極兩種不同類別。以下將介紹其工作的電化學(xué)原理，以及不同類型的醫(yī)用檢測(cè)電極及其主要特點(diǎn)。醫(yī)用檢測(cè)電極的電化學(xué)原理生物電位測(cè)量在生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，它通過電極把待測(cè)部位組織或細(xì)胞的電位引導(dǎo)到檢測(cè)系統(tǒng)加以測(cè)定，因此，電極是連接測(cè)量系統(tǒng)和生物體的關(guān)鍵元件。醫(yī)用檢測(cè)電極將生物電化學(xué)活動(dòng)形成的離子電流（電位）轉(zhuǎn)化為電子測(cè)量系統(tǒng)的電子電流（電位），通過測(cè)量電極將生物組織和測(cè)量?jī)x器形成閉合回路，在電極生物組織界面上實(shí)現(xiàn)離子電流到電子電流的轉(zhuǎn)換或電子電流到離子電流的轉(zhuǎn)換。醫(yī)用檢測(cè)電極醫(yī)用檢測(cè)電極圖3-5所示是生物電信號(hào)檢測(cè)的生物組織電極測(cè)量電路的電流回路示意圖。不同類型的醫(yī)用檢測(cè)電極醫(yī)用檢測(cè)電極按尺寸大小可分為宏電極和微電極。其中，宏電極（macroelectrode）是指外形較大的電極，主要用于測(cè)量生物體較大組織范圍生物電位，常用于檢測(cè)記錄機(jī)體器官、組織整體的電活動(dòng)，又分為體表電極和體內(nèi)電極；微電極（microelectrode）用于測(cè)量局部組織的細(xì)胞外電位變化，其尖端細(xì)小，包括金屬微電極、玻璃微電極。醫(yī)用檢測(cè)電極浮式電極。常用體表電極干電極。金屬板電極。吸附電極。柔性電極。醫(yī)用檢測(cè)電極醫(yī)用檢測(cè)電極圖3-6、圖3-7給出了兩種常見體表電極的樣式。醫(yī)用檢測(cè)電極浮式電極，如圖3-8所示。醫(yī)用檢測(cè)電極一種心電檢測(cè)用的絕緣干電極如圖3-9所示。醫(yī)用檢測(cè)電極柔性電極如圖3-10所示。醫(yī)用檢測(cè)電極根據(jù)形態(tài)的不同，針電極可以分為不同的種類，如圖3-11所示。電極極化在工作狀態(tài)下，電極總是與生物組織之間建立了直接或間接聯(lián)系，與電極直接接觸的是人體汗液、組織液或?qū)щ姼嗟入娊赓|(zhì)溶液，因而形成了一個(gè)電極電解質(zhì)溶液界面，電極與電解質(zhì)溶液發(fā)生著電化學(xué)過程。電極極化對(duì)生物電位測(cè)量的影響在生物電位測(cè)量時(shí)，由于電極極化的影響，電極所拾取的電位信息與真實(shí)的生物電位之間可能存在差異。電極生物組織界面電極生物組織界面圖3-12可模擬電極與生物組織之間的導(dǎo)電介質(zhì)，這里以銀電極板代表檢測(cè)電極。極化電極和非極化電極不同材料制成的電極其極化特性可能不同，電極因此也可分為極化電極和非極化電極。1）極化電極在給電極施加電壓或通過電流時(shí)，電極電解質(zhì)溶液的界面上無自由電荷通過、但有位移電流通過的電極，稱為極化電極。2）非極化電極不需要能量，電流能自動(dòng)通過電極電解質(zhì)溶液界面的電極，被稱為非極化電極。電極生物組織界面醫(yī)用電極的測(cè)量電路電極阻抗特性在以電極和測(cè)量系統(tǒng)對(duì)生物電進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電極自身阻抗、生物組織阻抗、電極-電解質(zhì)溶液界面等處的阻抗特性都將影響回路響應(yīng)特性，進(jìn)而成為影響生物電測(cè)量的重要環(huán)節(jié)。醫(yī)用電極的測(cè)量電路電極前置放大電路在生物電測(cè)量回路中，生物組織、電極及二者之間的電解質(zhì)溶液（導(dǎo)電膏、組織液等）可看成整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)輸出端，為測(cè)量電路提供了“信號(hào)源”。醫(yī)用電極的測(cè)量電路有源電極及其調(diào)理電路一種靜電型絕緣干電極，因其借助絕緣層檢測(cè)皮膚表面的電位，不需要用導(dǎo)電膏，所以被稱為絕緣干電極或絕緣電極。微電極金屬微電極是一種除尖端外，其余部分用絕緣材料涂敷的高強(qiáng)度金屬細(xì)針（見圖3-18）。微電極玻璃微電極常用玻璃毛細(xì)管拉制而成，其結(jié)構(gòu)如圖3-19所示。MEMS微電極陣列微電極陣列是利用微加工技術(shù)構(gòu)建的將多個(gè)微電極集成在一起，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)或多點(diǎn)同時(shí)刺激的微型器械，它在神經(jīng)電生理、腦機(jī)接口、感覺/運(yùn)動(dòng)神經(jīng)功能恢復(fù)、藥物緩釋、人工電子耳蝸、生物芯片中有廣泛應(yīng)用。微電極電極-皮膚界面和運(yùn)動(dòng)偽跡在皮膚表面記錄生物電信號(hào)時(shí)，常用富含Cl的導(dǎo)電膏在電極和皮膚之間進(jìn)行物理耦合，這時(shí)有兩個(gè)界面需要考慮，一個(gè)是前面提到的電極電解質(zhì)溶液界面，另一個(gè)是導(dǎo)電膏與皮膚組織之間的界面。當(dāng)一個(gè)可極化電極與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，在界面上形成雙電層；如果電極相對(duì)于電解質(zhì)溶液運(yùn)動(dòng)，則會(huì)擾亂界面處的電荷分布，使得半電池電勢(shì)產(chǎn)生瞬間變化，直到重新建立新的狀態(tài)。生物電檢測(cè)的干擾生物電檢測(cè)的干擾市電工頻干擾生物電測(cè)量中的市電工頻干擾包括差模干擾和共模干擾兩種，其主要來源有三個(gè)方面：①市電與電極導(dǎo)線之間雜散電容引入的干擾；②由于身體一部分與儀器外殼接觸時(shí)形成的直接進(jìn)入人體的干擾；③分壓效應(yīng)所形成的干擾。生物電檢測(cè)的干擾經(jīng)電極導(dǎo)線引入的工頻干擾如圖3-25所示。03醫(yī)用電極的電生理信號(hào)檢測(cè)心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮都會(huì)伴隨著生物電的變化。心電信號(hào)的產(chǎn)生是由于心臟周圍組織和液體都能導(dǎo)電，無數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化的總和可以傳導(dǎo)并反映到體表，進(jìn)而在體表許多點(diǎn)之間形成電位差或等電位。心電信號(hào)（臨床上常稱為心電圖）就是將這些電位差隨著時(shí)間的變化記錄下來。心電信號(hào)檢測(cè)心電信號(hào)檢測(cè)肢體導(dǎo)聯(lián)I、II、III導(dǎo)聯(lián)又稱標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)，拾取的是體表心電在兩肢體之間的電位差，肢體電極有左臂（LA）、右臂（RA）及左腿（LL）。但是標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)不能記錄到單個(gè)電極處的電位變化。電極放置在遠(yuǎn)離心臟的肢體上，作為參考電極。心電信號(hào)檢測(cè)胸導(dǎo)聯(lián)探測(cè)心臟某一局部區(qū)域電位變化的過程，必須用單極導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，即一個(gè)電極安放在靠近心臟的胸壁處，稱為探查電極，探查電極所在部位的電位變化即為心臟局部電位的變化，此時(shí)可以獲得較大幅度的心電波形，有利于臨床觀察。胸前電極數(shù)目越多，就能獲得越多的心電信息。頭皮腦電EEG腦電（EEG）是指按照時(shí)間順序，在頭皮表層記錄下的由大腦神經(jīng)元自發(fā)性、節(jié)律性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電位。腦神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)腦神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)國(guó)際腦電圖學(xué)會(huì)制定了統(tǒng)一的10-20國(guó)際腦電記錄系統(tǒng)（見圖3-29）。腦神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)圖3-30給出了不同尺度的腦神經(jīng)信號(hào)的空間分辨示意圖。人體中的每個(gè)肌細(xì)胞（又稱肌纖維）都受到來自運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突分支的支配，只有當(dāng)支配肌肉的神經(jīng)纖維興奮時(shí)，動(dòng)作電位通過神經(jīng)傳遞給肌肉，才能引起肌肉的興奮。一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)能夠支配多個(gè)肌纖維，一個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和它所控制的肌纖維組成的興奮收縮耦聯(lián)單位稱為一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元。雖然每個(gè)纖維產(chǎn)生并傳導(dǎo)的電沖動(dòng)十分微弱，但眾多纖維同時(shí)傳導(dǎo)，將在皮膚上產(chǎn)生足夠大并可以被檢測(cè)到的電位差，我們稱之為肌電信號(hào)。肌電信號(hào)檢測(cè)肌肉收縮時(shí)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)指令以神經(jīng)沖動(dòng)的形式傳遞給運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，使其控制肌肉收縮。雙極性表面肌電記錄肌內(nèi)肌電是將針電極插入皮下骨骼肌肌腹內(nèi)記錄到的運(yùn)動(dòng)單元電位，通常是插入肌腹電極的針尖與較遠(yuǎn)處另一表面電極G2之間的電勢(shì)差。植入式肌內(nèi)肌電記錄不論是雙極性表面肌電還是植入式肌內(nèi)肌電，傳統(tǒng)的表面肌電記錄方法只能獲取電極所在位置肌電活動(dòng)信息。陣列肌電記錄肌電信號(hào)檢測(cè)皮膚電測(cè)量常用皮膚電的測(cè)量位置包括：（1）在左手的食指和中指的中間部位擦拭導(dǎo)電膏，纏繞正負(fù)貼片傳感器；（2）在左手的食指和中指的末梢部位擦拭導(dǎo)電膏，纏繞相反電極傳感器：（3）在左手的魚際和小魚際部位擦拭導(dǎo)電膏，貼上相反電極貼片傳感器。其他電生理信號(hào)的表面電極檢測(cè)胃電信號(hào)測(cè)量胃是人體的主要消化器官，其功能的強(qiáng)弱直接影響著人體的健康。1921年美國(guó)Texas大學(xué)研究人員用線電流計(jì)在腹壁首次記錄到胃電信號(hào)?？稍隗w表檢測(cè)到胃電圖（electrogastrogram，EGG）。其他電生理信號(hào)的表面電極檢測(cè)心阻抗測(cè)量心阻抗圖（ImpedanceCardiogram，ICG）又稱心阻抗血流圖，是利用電生物阻抗技術(shù)測(cè)定心輸出量，評(píng)判心臟功能的無創(chuàng)性檢測(cè)方法。與心電圖、心音圖同步記錄，還能測(cè)定心臟收縮和舒張時(shí)間間期、血管總外周阻力等。與有創(chuàng)性檢測(cè)方法相比較，ICG具有無創(chuàng)、安全、簡(jiǎn)便、可連續(xù)動(dòng)態(tài)觀察等優(yōu)點(diǎn)。其他電生理信號(hào)的表面電極檢測(cè)生物力學(xué)效應(yīng)的傳感與生理信號(hào)檢測(cè)教育部生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)“十三五”規(guī)劃教材生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測(cè)原理第四章01生理活動(dòng)的生物力學(xué)效應(yīng)生命在于運(yùn)動(dòng)，生物力學(xué)效應(yīng)是生命活動(dòng)中普遍存在的一種與生理過程緊密相關(guān)的現(xiàn)象，它表現(xiàn)為細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)等不同尺度的形變、運(yùn)動(dòng)。對(duì)人體而言，血液循環(huán)、呼吸、消化、肌肉收縮與肢體運(yùn)動(dòng)等幾乎所有生理過程中都伴隨著生物力學(xué)效應(yīng)，生理活動(dòng)的功能狀態(tài)也體現(xiàn)在相應(yīng)的生物力學(xué)參數(shù)的變化上。檢測(cè)分析生理過程的生物力學(xué)參數(shù)，一方面可定量地認(rèn)識(shí)生理過程及其生命活動(dòng)規(guī)律，同時(shí)也能有效地評(píng)估生理狀態(tài)，為疾病診斷和健康狀態(tài)評(píng)估提供重要依據(jù)。因此，基于生物力學(xué)效應(yīng)的傳感檢測(cè)技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)工程的重要組成部分。生理活動(dòng)的生物力學(xué)效應(yīng)肢體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)效應(yīng)運(yùn)動(dòng)功能是人體最基本的生理功能之一，人體運(yùn)動(dòng)是在神經(jīng)、肌肉、骨骼、關(guān)節(jié)以及外在環(huán)境協(xié)同作用下的生理活動(dòng)，由內(nèi)控肌力作用到關(guān)節(jié)、骨骼并與環(huán)境對(duì)象進(jìn)行力學(xué)交互。人體運(yùn)動(dòng)既表現(xiàn)為肢體、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，也體現(xiàn)在肌肉作用于骨骼、身體作用于環(huán)境對(duì)象的動(dòng)力學(xué)過程中，檢測(cè)分析肢體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)參數(shù)是認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)生理功能、掌握運(yùn)動(dòng)功能狀態(tài)、診斷運(yùn)動(dòng)功能障礙的重要醫(yī)學(xué)工程途徑。生理活動(dòng)的生物力學(xué)效應(yīng)廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)功能障礙檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)損傷及康復(fù)評(píng)估、體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練優(yōu)化等。肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)可用于評(píng)估睡眠過程、預(yù)測(cè)長(zhǎng)期臥床可能形成的組織損傷（褥瘡等）。肢體關(guān)節(jié)與環(huán)境對(duì)象的作用力可用于評(píng)價(jià)肌肉收縮狀態(tài)，帕金森病會(huì)引起病理性震顫等。振動(dòng)效應(yīng)生理活動(dòng)的生物力學(xué)效應(yīng)生理活動(dòng)的生物力學(xué)效應(yīng)血液循環(huán)的生物力學(xué)效應(yīng)血液循環(huán)是通過心臟、血管的收縮、舒張作用控制血液在全身流動(dòng)，其生物力學(xué)效應(yīng)一方面表現(xiàn)為心臟、血管及血液組織自身的應(yīng)變、粘彈性等力學(xué)特性；另一方面也表現(xiàn)為心臟收縮、血液流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性，二者相互影響，相互制約。測(cè)量血液循環(huán)的生物力學(xué)參數(shù)是診斷心腦血管疾病的重要臨床手段。是指血液在血管內(nèi)流動(dòng)時(shí)作用于血管壁的側(cè)壓力，它是推動(dòng)血液在血管內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)力。血壓是指由心肌收縮、心臟瓣膜關(guān)閉和血液撞擊心室壁、大動(dòng)脈壁等引起的振動(dòng)所產(chǎn)生的聲音。心音是心臟周期性搏動(dòng)（振動(dòng)）沿動(dòng)脈血管和血液向外周傳播而形成的。脈搏波生理活動(dòng)的生物力學(xué)效應(yīng)消化、呼吸等生理過程的生物力學(xué)效應(yīng)人體的消化、呼吸功能都依賴復(fù)雜的腔道系統(tǒng)，其中消化系統(tǒng)的主要力學(xué)效應(yīng)是胃/腸蠕動(dòng)、消化道內(nèi)容物在其中的傳送；呼吸系統(tǒng)的力學(xué)效應(yīng)是氣體在呼吸道的流動(dòng)和容積動(dòng)態(tài)變化等。生理活動(dòng)的生物力學(xué)效應(yīng)腸鳴音當(dāng)腸管蠕動(dòng)時(shí)，腸腔內(nèi)氣體和液體隨之流動(dòng)，產(chǎn)生一種斷續(xù)的氣過水聲（或咕嚕聲），稱為腸鳴音。肺部噦音聽診呼吸音時(shí)，當(dāng)空氣通過含有分泌物的氣管或因痙攣、腫脹而狹窄的支氣管時(shí)，在呼吸音的基礎(chǔ)上，又聽到一種附加的呼吸雜音，即噦音。生理活動(dòng)的生物力學(xué)效應(yīng)02電阻式傳感器及其生物力學(xué)效應(yīng)的生理參數(shù)測(cè)量電阻式傳感器是把非電量（如位移、力、振動(dòng)和加速度等）轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。電阻式傳感器在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中應(yīng)用非常廣泛，可用于測(cè)量血壓、脈搏等生理參數(shù)。按其工作原理可將電阻式傳感器分為電位器式、電阻應(yīng)變式和固態(tài)壓阻式傳感器。電阻式傳感器原理電位器式傳感器是將位移或其他能夠形成位移變化的物理量轉(zhuǎn)換為電阻分壓比和電阻變化的傳感器。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和線性較好，受環(huán)境影響小，輸出信號(hào)大，可作任意函數(shù)特性輸出，適用于較大位移量的測(cè)量。電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種用途很廣的傳感器，它由彈性元件、電阻應(yīng)變片和其他附件組成，當(dāng)彈性元件受力變形時(shí)，粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片也隨之變形，并產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。電阻式傳感器原理固態(tài)壓阻式傳感器1）壓阻效應(yīng)與壓阻式傳感器；2）擴(kuò)散型壓阻式傳感器。電阻式傳感器的測(cè)量電路測(cè)量電路的作用是將電阻式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，以便顯示和記錄。有時(shí)電阻式傳感器的電阻變化很小，因此測(cè)量電路中必須有放大器，才能觀察到微弱的電阻變化。將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化的常用電路有兩種：一種是電位計(jì)式電路，另一種是電橋電路。電阻式傳感器的測(cè)量電路電位計(jì)式電路如圖4-19所示。電阻式傳感器的測(cè)量電路（1）恒壓源電橋是用得最普遍的一種電路，如圖4-20所示。電阻式傳感器的測(cè)量電路（2）恒流源供電的電橋如圖4-22所示。上下肢對(duì)外作用力的測(cè)量利用電阻式傳感器測(cè)量人體對(duì)外作用力時(shí)，人體對(duì)外作用力通過一定介質(zhì)耦合到傳感器的敏感元件上，相應(yīng)的作用力將引起傳感器的電阻變化，進(jìn)而得到與作用力參數(shù)（大小、方向）所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。常見的人體對(duì)外作用力測(cè)量包括以下兩種。（1）足底壓力測(cè)量；（2）手指抓握力測(cè)量。電阻式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量電阻式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量2.（1）直接測(cè)量血壓時(shí)，采用導(dǎo)管經(jīng)皮插入體內(nèi)待測(cè)的血管或心臟部位，通過導(dǎo)管內(nèi)的液體將血管或心臟壓力耦合到體外的測(cè)量系統(tǒng)（見圖4-25、圖4-26）。電阻式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量（2）間接測(cè)量間接測(cè)量血壓是指在體外對(duì)動(dòng)脈血管施加壓力，通過傳感器測(cè)量出血管內(nèi)血流與外部壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而得到血壓數(shù)值。電阻式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量臨床上長(zhǎng)期使用的水銀血壓計(jì)就是利用這種血壓測(cè)量原理制成的，如圖4-28所示。（3）自動(dòng)血壓間接測(cè)量雖然水銀血壓計(jì)能得到準(zhǔn)確的血壓值，但其更適合有專業(yè)知識(shí)的醫(yī)護(hù)人員使用。于是出現(xiàn)了使用便捷、適用范圍廣泛、自動(dòng)化程度高的電子血壓計(jì)，包括上臂式電子血壓計(jì)和腕式電子血壓計(jì)，其充氣和放氣過程由傳感器、控制電路及充氣腕共同配合自動(dòng)完成。電阻式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量其中氣體壓力傳感器能將血管在袖帶壓力變化過程中的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。呼吸頻率通常用于監(jiān)測(cè)、評(píng)估大運(yùn)動(dòng)量后運(yùn)動(dòng)員的呼吸系統(tǒng)的適應(yīng)能力、呼吸功能障礙患者在正常和患病狀態(tài)下呼吸頻率的變化。呼吸頻率測(cè)量當(dāng)呼吸氣流從縫隙流過時(shí)，彈簧片因受力而發(fā)生形變，引起應(yīng)變電阻絲的阻值變化。呼吸流量測(cè)量電阻式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量電阻式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量圖4-32是臨床上用到的一種應(yīng)變式呼吸流量傳感器結(jié)構(gòu)圖，其敏感元件是固定在圓形邊框上的8個(gè)金屬彈簧片，每個(gè)彈簧片上貼有應(yīng)變電阻絲（4個(gè)貼在正面，4個(gè)貼在反面）。03電容式傳感器及其生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量電容式傳感器原理極距變化型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)可用圖4-33簡(jiǎn)單描述。電容式傳感器原理改變極板間相對(duì)有效面積的電容式傳感器，其原理結(jié)構(gòu)如圖4-34所示。電容式傳感器原理介質(zhì)變化型電容式傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖4-35所示。電容式傳感器測(cè)量電路交流電橋測(cè)量電路這種測(cè)量電路實(shí)際上是一種調(diào)幅電路，在電路的輸出端取出幅度被調(diào)制了的正弦信號(hào)，其幅度的變化量正比于被測(cè)非電量，再使調(diào)幅信號(hào)通過檢波器，就可得到相應(yīng)的電壓信號(hào)。電容式傳感器測(cè)量電路圖4-36是交流電橋測(cè)量電路的一種形式。電容式傳感器測(cè)量電路諧振法測(cè)量電路諧振法是一種簡(jiǎn)單的測(cè)量方法，利用LC諧振電路在諧振點(diǎn)附近的電壓電容特性來檢測(cè)出電容增量。電容式傳感器測(cè)量電路其基本原理如圖4-37（a）所示（一般采用松耦合）。圖4-37（b）為次級(jí)端的等效電路。電容式傳感器測(cè)量電路調(diào)頻鑒頻法測(cè)量電路是目前性能較好、較常用的測(cè)量電路，它的工作原理如圖4-39所示。電容式傳感器測(cè)量電路脈沖調(diào)制測(cè)量電路的一種常用形式是差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路，其原理如圖4-43所示。電容式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量1.電容式微音器的結(jié)構(gòu)原理如圖4-45所示。電容式電子聽診器聽診器作為醫(yī)生常用的醫(yī)療工具，是診斷心血管系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病的重要手段之一。傳統(tǒng)聲學(xué)聽診器已有200多年的歷史，其聲學(xué)性能不斷提高，使之成為不可或缺的醫(yī)療器械。傳統(tǒng)聽診器需要醫(yī)護(hù)人員依靠臨床經(jīng)驗(yàn)捕捉特定的心肺音聲音特征，難以定量評(píng)估；近年來出現(xiàn)了電子聽診器，其基本原理是利用傳感器將心肺音的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)調(diào)理、放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而提取心肺音信號(hào)特征。電容式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量電容式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量2.圖4-48所示是在體外循環(huán)血泵中，根據(jù)電容量變換原理測(cè)定心輸出量的裝置。電容式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量圖4-49所示為一種可用于血壓測(cè)量的電容式傳感器結(jié)構(gòu)。04壓電式傳感器及其生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量壓電材料及其壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用而產(chǎn)生變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。壓電式傳感器原理相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，使其產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。機(jī)械性能：壓電材料作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。電性能：具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。環(huán)境適用性強(qiáng)：溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。時(shí)間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時(shí)間變化。壓電式傳感器原理壓電式傳感器原理從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，使它的晶面分別平行于x軸、Y軸、Z軸，如圖4-50所示。壓電式傳感器原理鈦酸鋇壓電陶瓷的電疇結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-52所示。壓電式傳感器設(shè)計(jì)1）壓電式壓力傳感器利用壓電元件做成力-電轉(zhuǎn)換元件的關(guān)鍵是選取合適的壓電材料、變形方式、機(jī)械串聯(lián)或并聯(lián)的晶片數(shù)、晶片的幾何形狀和合理的傳力機(jī)構(gòu)。壓電式傳感器原理2）壓電式加速度傳感器如前所述，壓電式傳感器的高頻響應(yīng)性好；若配備合適的電荷放大器，低頻段可低至0.3Hz，所以常用來測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)，如振動(dòng)、加速度等。壓電式傳感器原理圖4-53是測(cè)量均布?jí)毫Φ膫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)圖。3）壓電阻抗頭上文分別介紹了壓電式壓力和加速度傳感器。在機(jī)械阻抗的測(cè)量中，力和運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)是用壓電阻抗頭測(cè)得的，它是把壓電式力和加速度傳感器組合為一體的傳感器。電容式傳感器的生物力學(xué)效應(yīng)生理參數(shù)測(cè)量3.聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電式傳感器前面介紹的石英和壓電陶瓷等壓電材料具有轉(zhuǎn)換效率高、剛性好的特點(diǎn)，但這些材料脆，不能構(gòu)成大面積陣列器件。作為一種新型高分子傳感材料，聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電薄膜能克服這一缺點(diǎn)。1969年Kawai發(fā)現(xiàn)其具有