生物医学传感器

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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 理 参 数
非 电 学 量 参 数
利用材料的物理变化
物理传感器 化学传感器 生物传感器
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利用化学反应原理, 把化学成分、浓度转 换成电信号 利用生物活性物质选择 性识别来测定生化物质
3.生物医学传感器的分类
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3.生物医学传感器的分类
生物电位(如心电、脑电、眼电、肌电等)
本来属于物理量,但由于测量生物电位时不可避 免地使用电极,电极和皮肤或软组织之间的界面是 一个半电池。电极是电化学研究的对象,如把测量 生物电位的电极也看作是一种传感器,则应将其列 入化学传感器。
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一次性心电电极
吸球心电电极
通用型一体五导联线
• 例如自动呼吸机用传感器检测病人的呼吸信号 来控制呼吸机的动作,使之与人体呼吸同步;
• 电子假肢用测得的肌电信号,控制人工肢体的 运动; • 人工肝、人工肾(血液透析)体外循环中的血 流、血压控制等。
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生物医学测量上的各种参量
位移 血管内、外径,主动脉、腔静脉尺寸,左心室 尺寸,肢体容积变化,胸廓变化,心脏收缩变 化,骨胳肌收缩变化,胃收缩,肠蠕动 血流速度,排尿速度,分泌速度,发汗速度, 流泪速度,呼吸气流速
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2. 传感器的作用
(2) 提供连续监护的信息: 长时间连续测定某些参量,监视这些参量是否处 于规定的范围内,以便了解病人的恢复过程,出现 异常时及时报警。 如心脏手术后的病人需监视其体温、脉搏、动 脉压、静脉压、呼吸和心电等一系列参数的变 化情况
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2. 传感器的作用
(3) 提供人体疾病治疗和控制的信息: • 利用检测到的生理参数控制人体的生理过程。
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实际上,有些传感器很简单,有些则较复杂, 大多数是开环系统,也有些是反馈的闭环系统。 最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件) 组成,它感受被测量时直接输出电量,如热电 偶就是这样。
如图所示,两种不同的金属材料 A 和 B ,一端 连接在一起,放在被测温度 T 中,另一端为参 考,温度为T0 ,则在回路中将产生一个与温度 T、T0有关的电动势,从而进行温度测量。
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SQUID传感器(超传导量子干涉器件)
脑磁图测量系统的核心部件是SQUID传感器 地球的磁场为约0.3×10-4 T(特拉斯) 脑生物磁场50~1000fT (1fT=10-15 T ) SQUID传感器可检测到地球磁场十亿分之一 的变化量。
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SQUID传感器(超传导量子干涉器件)
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3.生物医学传感器的分类
2)化学传感器: 化学传感器是把人体内某些化学成分、浓度等 转换成与之有确切关系的电学量的器件。 用于测量人体体液中离子的成分或浓度(如 Ca+ 、 K+ 、 Na+ 、 … )、 pH 值、氧分压( po2 )及 葡萄糖浓度等。这些被测量都属于化学量,不过 这些被测物质的分子量一般都不太大,利用电化 学原理或物理效应可以制成化学传感器。 利用各种化学传感器测量人体中的某些化学 成分 , 如用离子选择性电极测量纳、氯、钙等离 子;利用气敏电极测定氧分压和二氧化碳分压。
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传感器的组成
一种气体压力传感器的示意图。 膜盒2的下半部分与壳体 1固接, 上半部分通过连杆与磁芯 4 相 连,磁芯4置于两个电感线圈3 中,后者接入转换电路5。 膜盒就是敏感元件,其外部 与大气压力相通,内部感受被 测压力。当变化时,引起膜盒 上半部分移动,即输出相应的 位移量。 转换元件是可变电感线圈 3 , 它把输入的位移量转换成电感 的变化。
• 最新式的脑磁图测量系统可提供多达275个传感器, 其中的关键技术是SQUID; • SQUID传感器是由超导材料铌金属,使用约瑟夫逊 隧道效应的技术制作而成。 • SQUID传感器均匀的分布在底部为头盔型的液氦杜 瓦容器内,工作在零下-269℃的超低温液态氦中, 其工作温度接近于绝对零度,即零下273.16℃。
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脑磁图传感器矩阵列
脑磁图传感器均匀紧密 地分布在大致成六角形 的头盔内表面。 头盔和液氦杜瓦容器做 成一体。 传感器矩阵列从64个至 275个可供选择。 浸泡在液态氦中的测量 线圈离液氦杜瓦容器头 盔外表面的间距小于17 毫米。
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2. 传感器的作用
(1) 提供生物医学检测的信息: 如心音、血压、脉搏、血流、呼吸、体温等 信息、供临床诊断和医学研究用。 除直接从人体收集信息外,临床上常从各种体 液(血、尿、唾液等)样品获得诊断信息。这类信 息是利用化学传感器和生物传感器来获取生化检 验信息,是诊断各种疾病必不可少的依据。
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传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部 分组成,组成框图如图所示:

• •
敏感元件:是直接感受被测量,并输出与被测量成确 定关系的某一物理量的元件。 转换元件:敏感元件的输出就是它的输入,它把输入 转换成电路参量。 基本转换电路:上述电路参数接入基本转换电路,便 可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的 基本转换
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血氧饱和度探头
血氧饱和度指夹仪.
红外脉搏传感器
压电式脉搏传感器
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BP300T压力传感器
腕式电子血压计
上臂式电子血压计
新型上臂式电子血压计
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温度传感器模块 DS18B20
SHT11/15温湿度智能传感器
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SDT-718 热释电红外模块 OTP-538红外测温传感器
红外测温仪
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• 医用传感器应具有以下特性: 1.较高的灵敏度和信噪比,以保证能检测出微 小的有用信息。 2.良好的线性和快速响应,以保证信号变换后 不失真并能使输出信号及时跟随输入信号的变 化。 3.良好的稳定性和互换性,以保证输出信号受 环境影响小而保持稳定。同类型传感器的性能 要基本相同,在互相调换时不影响测量数据。
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• 除具有上述特性外,还必须考虑到生物体的解 剖结构和生理功能,尤其是安全性和可靠性更 应特别重视。 • 传感器必须与生物体内的化学成分相容,既不 被腐蚀也不给生物体带来毒性; • 传感器的形状、尺寸和结构应和被检测部位的 结构相适应,使用时不应损伤组织,不给正常 生理活动带来干扰; • 传感器有更严格安全要求和其它生物方面的要 求。
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MEMS技术
• Micro-Electro-Mechanical Systems (USA)
• Micro-Machine (JAPAN)
• Micro-Systems (EUROPE)
• 从广义上讲,MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信 号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体 的微型机电系统 • MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域,它几乎涉 及到自然及工程科学的所有领域,如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
在信息时代,首先要解决的就是获取准确可靠的信息, 而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手 段。 传感器技术是现代医学仪器及计算机应用的关键技术。
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2. 传感器的作用
• 在医学上,生物医学传感器的主要用途有:
(1) 提供生物医学检测的信息
(2) 提供连续监护的信息
(3) 提供人体疾病治疗和控制的信息
速度
振动 心音,呼吸音,血管音,脉搏,心尖搏动, (加速度) 心瓣膜振动,手颤,颈动脉搏动,脉象,语音
压力 血压,眼压,心内压,颅内压,胃内压,食道压, 膀胱压,子宫内压

心肌力,肌肉力,咬合力,骨胳负载力, 血液粘滞力,手握力
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生物医学测量上的各种参量
流量 温度 生物电 化学 成分 生物 物质 血流量,呼吸流量,尿流量,心输出量 口腔温,直肠温,皮肤温,体核温,心内温, 肿物温,中耳膜内温,脏器温,血液温 心电,脑电,肌电,眼电,胃电,神经电,脑 干电,皮肤电 K, Na ,Cl ,Ca ,O2 ,CO2 ,H ,Li
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约瑟夫逊效应(超导隧道效应):
约瑟夫逊预言,超导电流可以穿过绝缘层,在 薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过, 即“电子对”能穿过薄绝缘层(隧道效应); 同时还产生一些特殊的现象:只要超导电流不 超过某一临界值,则电流穿过绝缘层时将不产 生电压,即电流通过薄绝缘层无需加电压。 这些预言被美国贝尔实验室用试验证实,而这 一超导物理现象则被称为“约瑟夫逊效应”。 约瑟夫逊效应是超导体的电子学应用的理论基 础。
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传感器的组成
有些传感器由敏感元件和转换元件组成。如图所示的 压电式加速度传感器,其中质量块m是敏感元件,压电 片是转换元件。 因转换元件的输出已是电量,故无需转换电路。
敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的,由于 空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。 尽管如此,因为不少传感器要在通过转换电路后才能 输出电信号,从而决定了转换电路是传感器的组成环 节之一。
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4.开发新型传感器的途径
1)采用新原理 利用新的物理效应、化学效应可研制出新一代传 感器。 例如利用约瑟夫逊效应开发的磁场传感器可以 检测极微弱的磁场,使超高灵敏度的测量成为现 实,可用于超低温中的磁导率测量、生物体磁场 的测量等方面。 光纤传感器、声表面波传感器、DNA传感器等已 取得很大进展。
生物医学传感器 原理及应用
陈 骥 主讲
1
• 课程教材: 彭承琳 等编,《生物医学传感器 — 原理与应用》 (第二版),重庆大学出版社,2011年版 • 参考教材: • 彭承琳 主编,《生物医学传感器原理及应用》, 高等教育出版社,2000年 • 杨玉星,《生物医学传感器与检测技术》,化学 工业出版社,2005
乳酸,血糖,蛋白质,胆固醇,酶,抗原, 抗体,受体,激素,神经递质,DNA,RNA
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3.生物医学传感器的分类
生物医学传感器的分类方法有很多种 (1)按被测量分为三大类: 1)物理传感器;2)化学传感器;3)生物传感器
1)物理传感器: 用于测量血压、体温、血流量、血粘度、 生物组织对辐射的吸收、反射或散射以及生物 磁场等。这些被测量都属于物理量,设计传感 器时多利用这些非电量的物理效应。
加速度传感器
正文
电梳驱动原理
微观结构
正文
动作模拟演示
2. 传感器的作用
人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。 而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以 及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种请 况,就需要传感器。传感器是人类五官的延长,是代替 人体五种感觉器官(视、听、触、嗅、味)的装置。
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约瑟夫逊效应(超导隧道效应):
1962年,剑桥大学研究生约瑟夫逊分析了由极 薄绝缘层(厚度约为百万分之一毫米)隔开的 两个超导体断面处发生的现象,超导—绝缘— 超导 (SIS)结,称为约瑟夫逊结。 通过调节两块超导体间的绝缘层的厚薄,可以 使其电压比某一特定值大时才有电流通过,小 时则没有电流通过。
(2)按工作原理分类: 电阻式传感器、 电感式传感器、 电容式传感器、 压电式传感器、 光电式传感器、光导纤维式传感器、红外传感器、 热电式传感器、 超声波式传感器、 半导体式传感器、 声表面波传感器、 超导传感器等。
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3.生物医学传感器的分类
(3)按被测对象分类: 血压传感器、血氧传感器、 温度传感器、心音传感器、 脉搏波传感器、呼吸传感器、 葡萄糖传感器、基因传感器等。
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ECG-2203B 心电图机
多参数监护仪
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Biblioteka Baidu
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3.生物医学传感器的分类
3)生物传感器: 用于酶、抗原、抗体、激素、脱氧核糖核酸 (DNA)等物质的传感。 这类物质也属于化学物质,但它们的分子量较大, 分子结构比较复杂,一般的化学传感器很难对它 们进行识别。 生物传感器的敏感部分具有生物识别功能,有很 强的特异性和高度的敏感性,能有选择地与被测 物质起作用。 生物传感器是具有生物识别能力的化学传感器。
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第一章 绪 论
1.传感器(Transducer/Sensor)的定义 我国国家标准(GB7765-87中)传感器的定义是:“能 够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出 信号的器件或装置”。 包含了以下几方面的意思: ①传感器是测量装置,能完成检测任务; ②它的输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能是 化学量、生物量等。 ③它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、 处理、显示等等,这种量可以是气、光、电物理量, 但主要是电学物理量; ④输出输入有对应关系,且应有一定的精度程度。
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