医用传感器原理及应用

医用传感器原理及应用

内容提要 • 1、医用传感器基础 • 2、生物电检测电极 • 3、常用医用物理传感器 • 4、化学传感器和生物传感器 • 5、传感器技术的发展与展望

§1 医用传感器基础 对传感器的定义： “传感器”在新韦式大词典中定义为: －“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器－Transducer”来称谓“传感器－Sensor”。

中华人民共和国国家标准(GB7665—87)对传感器下这样的定义：中华人民共和国国家标准(GB7665—87)对传感器下这样的定义： • 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。 • 国标中的定义强调了被测量按一定规律转换成可用输出信号，而且它给出了传感器的结构信息，即它通常由敏感元件和转换元件组成。

被测信息 信号调节转换电路敏感元件转换元件辅助电路按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：输出电信号

敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。 • 转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现。 • 信号调节和转换电路是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。有人也称这一部分电路为信号调理电路。

医用传感器（Biomedical Sensors） • 医用传感器，顾名思义，它是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现，因此，医用传感器可以定义为：把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。 • 人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）

医用学传感器的分类 • 传感器的分类方法多种多样，有按传感器的工作原理分的，有按输入信息的类型分的，也有按能量关系或输出信号类型分的。医学测量中往往按被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸波传感器等。 • 医用传感器按工作原理分类，大致可分为：

电学量参数 机体的各种生物电（心电、脑电、肌电、神经元放电等）生物电电极生物传感器生理参数物理传感器利用材料的物理变化利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号化学传感器非电学量参数利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质

电阻式传感器 电容式传感器电感式传感器物理传感器压阻（效应）传感器压电（效应）传感器光电（效应）传感器霍尔（效应）传感器

生理信号检测的特点 医用传感器用于人体生理信息检测时，具有以下主要特点： • 被测量生理参数均为低频或超低频信息，频率分布范围在直流～300Hz。 • 生理参数的信号微弱，测量范围分布在uV～mV数量级。 • 被测量的信噪比低，且噪声来源可能是多方面的。由于人体是一导电体，体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰生理信息的检测。 • 人体是一有机整体，各器官功能密切相关，传感器所拾取信息往往是由多种参数综合而形成的。

医用传感器的数学模型 • 传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感器的输入与输出的关系特性。 • 描述传感器的输入一输出关系的数学表达式被称为传感器的数学模型，通常从传感器的静态输入一输出和动态输入一输出关系两分面建立数学模型。

静态模型 • 静态模型是指静态信号（输入信号不随时间变化或变化缓慢）情况下，描述传感器的输出与输入量间的函数关系。在实际工程应用中，忽略蠕动效应和迟滞持性、它可以用多项式来表示为：

动态模型 • 动态模型是指传感器在准动态或动态信号（即输入信号随时间变化）作用下，描述其输出一输入关系的数学表达式。 • 要精确地建立传感器的动态数学模型较困难，工程上常利用近似方法，忽略次要因素。来简化动态模型的建立。

医用传感器的基本特性 • 医用传感器的基本特性是指传感器的输出与输入的关系特性，它是传感器应用的外部特性，但是传感器不同的内部结构参数影响或决定着它具有不同的外部特性。 • 医用传感器检测的生理信息，基本上有两种类型，即静态量和动态量。静态量是指不随时间变化或变化甚为缓慢的量(如体温)，动态量通常是周期性信号、瞬变或随机的信号(如心电、血压等)。

静态特性 • 静态特性表示传感器在被测生理量处于稳定状态时的输出与输入之间的关系特性，一般情况下，它呈现非线性关系。工程应用中，要求静态特性尽可能呈线性。 • 衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、温度漂移等。

线性度指传感器输出随输入变化的线性程度，它用输出量一输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。线性度指传感器输出随输入变化的线性程度，它用输出量一输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。 • 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值。 • 迟滞特性是指传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出一输入曲线的不重合程度。迟滞是由传感器材料固有特性和机械上的不可避免的缺陷等原因产生的。 • 重复性是指传感器在同一工作条件下输入量按同一方向作全量程连续多次变动所得到特性曲线的不一致程度。产生重复性误差的原因同样是传感器内机械缺陷引起的，如材料内的摩擦、间隙、积尘等。

分辨力是表述传感器可能检测出被测信号最小变化的能力。分辨力是表述传感器可能检测出被测信号最小变化的能力。 • 零点漂移指传感器无输入时，输出值随时间而偏移，偏移零值的偏移量。 • 温度漂移表示温度变化时，传感器输出值的漂离程度，通常以温度变化1℃时，输出最大偏差与满量程值之比表示。

动态特性 • 传感器的动态特性是指传感器对激励(输入)的响应(输出)特性。具有良好的动态特性的传感器，在动态(快速变换)的输入信号作用下，不仅能精确地测量信号的帕值大小，而且能迅速准确地响应信号幅度变化和无失真地再现被测量信号随时间变化的波形。

对医用传感器的基本要求 • 医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设计与应用必须考虑人体因素的影响，考虑生物信号的特殊性、复杂性，考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、安全性。

1.传感器本身具有良好的技术性能，如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。1.传感器本身具有良好的技术性能，如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。 • 2.传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应，使用时，对被测组织的损害要小。 • 3.传感器对被测对象的影响要小，不会对生理活动带来负担，不干扰正常生理功能。 • 4.传感器要有足够的牢固性，引进到待测部位时，不致脱落、损坏。

5.传感器与人体要有足够的电绝缘，以保证人体安全。；5.传感器与人体要有足够的电绝缘，以保证人体安全。； • 6.传感器进入人体能适应生物体内的化学作用，与生物体内的化学成分相容，不易被腐蚀、对人体无不良刺激，并且无毒。 • 7.传感器进入血液中或长期埋于体内，不应引起血凝。 • 8.传感器应操作简单、维护方便，结构上便于消毒。

医用传感器在医学上的用途 • 检测－检测正常或异常生理参数。比如：先心病病人手术前须用血压传感器测量心内压力，估计缺陷程度。 • 监护－连续测定某些生理参数是否处于正常范围，以便及时预报。在ICU病房，对危重病人的体温、脉搏、血压、呼吸、心电等进行连续监护的监护仪。 • 控制－即利用检测到的生理参数控制人体的生理过程。比如，用同步呼吸器抢救病人时，要检测病人的呼吸信号，以此来控制呼吸器的动作与人体呼吸同步。

§2 生物电检测电极 电极有两类 • 生物电检测电极 • 刺激电极

生物电检测电极 • 生物电的变化能够反应生物体的复杂生命现象，比如人体心血管的疾患，通常可以从心脏各部分的电活动反映出来。例如：临床医生可以从病人身上记录的心电图的细节进行分析诊断；人的神经系统及脑部的疾患在脑电图上必有所表现。因此临床上研究人的各种脏器的功能状态、疾病的发生与发展，需要有效地把生物体内细胞、离子分布电位感应导出。通过与生物体的接触耦合，将生物体内的电位和生物电流有效地导出的敏感元件称为检测电极。

刺激电极 • 另一方面，临床医学根据生物体的电生理活动原理，对生物体导入各种不同的电信号，以调节和治疗疾病，使肌体获得康复。比如：对处于纤维性颤动而杂乱兴奋的心肌细胞给予瞬间高能量电刺激，强使心肌兴奋相位变为一致的除颤作用；对各种因风湿炎症而引起的慢性疼痛，施以适量的电刺激以使疼痛减轻；控制心脏起搏器监测心脏节率并在搏动失常时给予适当的电刺激来维持心肌的搏动等等，都需要利用另一类电极向生物体导入电信号，这一类电极称为刺激电极。

电极在生物体内离子导电和金属的电子导电体系之间形成一个电化学界面，能实现离子流与电子流的互相转换，从而使生物体和测量仪器间构成了电流回路。电极在生物体内离子导电和金属的电子导电体系之间形成一个电化学界面，能实现离子流与电子流的互相转换，从而使生物体和测量仪器间构成了电流回路。＋＋＋＋＋＋＋ - - - - - - - 生物电检测电极示意图电极机体外机体内

电极的本质——半电池原理 • 当某种金属浸入含有这种金属离子的电解质溶液中时，金属中的原子将失去一些电子进入溶液，溶液中的离子也将在金属电极上沉积，当这两种过程相平衡时，在金属和电解质溶液的接触面上形成电荷分布，并建立起一个平衡的电位差。对给定的金属与电解质溶液来说，这种电位差是一个完全确定的量。这种金属与电解质的组合如同半个电解质电池，称半电池，其电位差称为半电池电位。 Zn ZnSO4

电极的本质 • 生物电电极的本质是由金属－电解质溶液构成的半电池。 • 生物体的活组织是一种含多种金属离子成份的电解质溶液，当电极与组织表面相接触时，电极与组织之间就构成了半电池。

电极的极化 • 电极与电解液处于静态平衡时，电极与电解液间没有电流流过。当接上仪器的电路时，就有电流流过这个界面。原有的平衡被打破，电极的半电池电位与没电流时不同。 • 所谓极化就是当电流通过电极界面时电极电位偏离平衡电位的现象。在有和无电流通过两种情况下电极的半电池电位的差值称为极化电压。

生物电测量的等效电路

电极的电位 • 生物电电位差＝两个电极间的电位差 • 电极的电位＝电极的半电池电位与极化电位的总和。

电极的等效电路 • 实验表明，生物电测量电极的伏－安特性呈非线性。电极的参数与流过的电流强度和频率有关。

体表电极 体内电极宏电极生物电电极微电极金属微电极玻璃微电极生物电电极的分类

宏电极和微电极 • 宏电极－用于检测和记录机体器官、组织整体放电水平的电极。按记录部位的不同，分为体表电极和体内电极。 • 微电极－用于测量细胞内外的电位改变的电极，其尖端直径一般直径小于细胞，且电极较坚硬，可刺入细胞膜并保持机械性能稳定。微电极直径大约在0.05到10μm之间。按制作材料可分为金属微电极和充填电解液的玻璃微电极。

皮肤的角质层虽然极薄（约40μm），但具有很高的电阻率。一般在电极表面涂上一层含有Cl-离子的导电膏，以保持良好接触，并且在此之前用砂纸摩擦去除部分皮肤角质层，可以显著减小表皮电阻。皮肤的角质层虽然极薄（约40μm），但具有很高的电阻率。一般在电极表面涂上一层含有Cl-离子的导电膏，以保持良好接触，并且在此之前用砂纸摩擦去除部分皮肤角质层，可以显著减小表皮电阻。当电极相对于电解液运动时，使界面处电荷分布打乱，会产生运动伪迹。体表电极 • 体表电极是用于在身体表面记录生物电信号（如ECG、EEG、EMG）的电极。 • 体表电极，应满足如下要求：电极电位稳定；阻抗小；安放容易且不易脱落；不易产生运动伪迹；可长期监测；无毒安全、对人体刺激要小。

临床上常用的体表电极 • 临床上常用的体表电极种类繁多、形状多样，常见的有金属板电极、Ag/Agcl电极等。不锈钢、铂或镀金（银）的圆盘电极常用于肌电和脑电的记录。 • 柔性电极可适应体表外形的变化，可减少运动伪迹，常用的是柔性银丝电极，它的制作方法很简单：在橡皮膏上敷一小块银丝网，焊上引线，涂上导电膏即可，它适用于手、足等部位的测量，尤其是早产新生儿的心电监测。

体表生物电检测中最常用的电极是Ag／AgCl电极。它的结构是在金属银的表面覆盖一层难溶解的银的盐类AgCl，再浸入含有氯离子的溶液中。电极可以用下列符号表示：Ag|AgCl| C1-。 • 实际应用的Ag／ Ag Cl电极极化电压很低，一般在0.2mV左右。极化电压的随机变化小于10mV，对生物电的检测几乎不产生影响。在临床上得到广泛的应用。

Ag－Agcl圆盘电极的导电膏充填在空腔内，结构稳定，并且对于生物组织具有非常小和稳定的半电池电位，而且是一种不可极化电极，所以常被用作体表生物电测量电极。Ag－Agcl圆盘电极的导电膏充填在空腔内，结构稳定，并且对于生物组织具有非常小和稳定的半电池电位，而且是一种不可极化电极，所以常被用作体表生物电测量电极。 Ag－Agcl圆盘电极

体内电极 • 体内电极，用作在生物体内检测生物电势。因电极被插入体内，电极材料的安全性很重要，象Ag－Agcl电极和人体蛋白质会发生化学反应，不应选用。下面介绍两种体内电极：经皮注射式针电极和丝电极。

针电极一般用不锈钢材料制成，常用于肌电的测量，效果较体表电极大5~7倍。针电极一般用不锈钢材料制成，常用于肌电的测量，效果较体表电极大5~7倍。丝电极一般采用外面涂有绝缘层，直径为25~125μm的镍铬合金丝做成，用于肌电的长期测量。经皮注射式针电极（a）和丝电极（b）

金属微电极 • 金属微电极是在不锈钢、钨、铂等金属上喷涂聚合物、玻璃等绝缘材料制成的，其尖端裸露。金属微电极的极化特性使其不宜精确测量细胞的静止电势，常用于活动电势的检测。 • 金属微电极包括单点测量微电极和多重微电极，后者由多根相互独立的电极组合而成，能同时测量多点电位。如测量神经纤维束中多根神经纤维电位的多个单点电极。 • 目前已经出现的有用半导体材料制作的多重微电极和经磁化处理的、合金线制作的、每个电极可独立移动的多重电极。

玻璃微电极 • 玻璃微电极一般用于细胞膜电势（如静息电位）的测量。它是由毛细管热拉后，内部充入电导率溶液，再将电极丝放入制成，电极尖端直径一般小于1μm。 • 玻璃微电极较金属电极来讲，存在阻抗高、噪声大等缺点。 • 玻璃微电极可以向检测部位注射微量药物。

§3 常用医用物理传感器物理传感器 • 物理传感器是指基于物理学原理、检测机体物理学指标的一类传感器。物理传感器是生物医学传感器中的一个大类，其作用是将各种物理信号转化为电信号。

物理传感器的分类 • 物理传感器根据检测对象的不同，有温度传感器、压力传感器、血流量传感器、心音传感器、脉搏传感器、呼吸传感器等。 • 物理传感器根据工作原理分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器和光电式传感器等。

3.1 温度的测量和温度传感器 • 温度是物理学中一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发、最古老，也是应用最广泛的一类传感器。 • 在医学上通常将体温分为体表温度、深部温度（即机体内部温度）和器官温度（用流经器官的血液温度来代替），测量时应根据不同需要来选用不同类型的温度传感器。

温度传感器的发展历史 • 首先把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。 • 50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计（RTD）。 • 后来，由于半导体材料的发明，本世纪相继开发了半导体热敏电阻传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。 • 根据波与物质的相互作用规律，人们又相继开发了声学温度传感器、红外温度传感器和微波温度传感器等。

温度传感器的种类 • 目前，温度传感器的种类很多，在医学上常用的有： • 热电偶温度传感器 • 热敏电阻温度传感器 • PN结温度传感器和集成温度传感器 • 红外热辐射式温度传感器。

热电偶温度传感器 • 当两种不同材质的导体，在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有以及这两种导体的材质有关。这种现象被称为热电效应，也称Seeback（赛贝克）效应。

热电偶效应可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度，这就是热电偶测温的原理。热电偶效应可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度，这就是热电偶测温的原理。 • 不同材质做出的热电偶应用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。

医用传感器原理 及应用