生物医学测量及传感器(1)
传感器在医学上的应用
1传感器在医学上的应用生物医学传感器的作用是将被测的生理参数转换为与之相应的电学量输出，以满足生物医学基础和临床诊断的研究与分析所需的数据和图象。
随着学科的发展和其它学科的渗透以及生物医学学科的进步，人们对人体的生理现象才能够通过直接或间接的有效方法，定量地诊断临床上的疑难病症，正确地断定生理现象，使医学科学进入了一个新阶段——定量医学。
从定性医学到定量医学的发展过程中，传感器起了重要作用，侍感器延伸了医生的感觉器官，扩大了医生的认识范围，并把定性的感觉扩展为定量的测量。
目前，传感器已成为生物医学测量、数据处理、信息转换、诊断、治疗中不可缺少的关键器件。
可以说传感器的作用和地位就相当于医生的五官。
要提取和捕捉生物体内各种生物信息，就需依靠各种各样的传感器，所以它是医学测量系统的第一个环节，如图1—1所示。
如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么后续各环节再先进，还是得不到正确的结果。
现在人们已经认识到，在医学测量系统的发展中，发展生物医学传感器的重要性。
因此，近年来新型的生物医学传感器不断出现。
图1—1医学测量系统框图在医学上，传感器的主要用途有：（1）检测生物体信息。
医学诊断以及基础研究都需检测生物体信息。
例如，先天性心脏病人在手术前必须用血压传感器铡量心内压力，以估计缺陷程度。
普查乳房癌，可用红外探测器扫描乳房温度分布(热像图)。
要深入研究心血管功能，需要用传感器直接在动物心脏内进行测量。
（2）监护。
连续测定某些生理参数，监视这些参数是否处于规定的范围内，以便了解病人复原过程，或在异常时及时报警，例如一个动过心内手术的病人，在他手术后头几天内，往往身体上要安置体温，脉搏、动脉压、静脉压、呼吸、心电等一系列传感器，用监护仪连续观察这些参数的变化。
（3）控制。
所谓控制，就是利用检测到的生理参数，控制人体的生理过程。
例如电子假肢，就是用肌电信号来控制人工肢体的运动。
在用同步呼吸器抢救病人时，需要换能器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。
生物医学传感器实验报告.
综合实验报告学院医学工程学院实验名称生物医学测量与传感器综合实验专业班级学生姓名学号指导教师成绩实验一应变片单臂特性实验一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε；式中ΔR/R为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/4。
（E为供桥电压）。
三、实验步骤：1位数显万用表2kΩ电阻档测量所有1、在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用42应变片阻值；在应变梁受力状态（用手压、提振动台）的情况下，测应变片阻值，观察一下应变片阻值变化情况(标有上下箭头的4片应变片纵向受力阻值有变化；标有左右箭头的2片应变片横向不受力阻值无变化，是温度补偿片)。
如下图1—6所示。
2、差动放大器调零点：按图1—7示意接线。
将F／V表的量程切换开关切换到2V档，合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈，调节调零电位器，使电压表显示电压为零。
差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。
图1—7 差放调零接线图3、应变片单臂电桥特性实验：⑴将主板上传感器输出单元中的箔式应变片(标有上下箭头的4片应变片中任意一片为工作片)与电桥单元中R1、R2、R3组成电桥电路，电桥的一对角接±4V直流电源，另一对角作为电桥的输出接差动放大器的二输入端，将W1电位器、r电阻直流调节平衡网络接入电桥中(W1电位器二固定端接电桥的±4V电源端、W1的活动端r电阻接电桥的输出端)，如图1—8示意接线(粗细曲线为连接线)。
第2章 生物医学传感器基础课件
• E 0 是金属浸在含有该金属离子有效浓度 为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位, 称为这种金属的标准电极电位（表3.2 ）
• 可看出 E 0 值远远大于所有生物电位信号 的大小。
• E 0 与金属以离子形态转入溶液的能力K 以及温度T有关系。
第2章 生物医学传感器基础
第2章 生物医学传感器基础
• 图 电极－溶液界面的平衡电位
锌电极放入含Zn2＋的溶液 中，锌电极中Zn2＋进入溶 液中，在金属上留下电子
带负电，溶液带正电。
进入水中的正离子和带负 电的金属彼此吸引,使大多 数离子分布在靠近金属片 的液层中,形成的电场,阻 碍Zn2＋进一步迁移最终达 到平衡。
此时金属与溶液之间形成电荷 分第2布章 产生物生医学一传感定器的基础电位差。
第2章 生物医学传感器基础
一、电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物 电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌 激也要用电极
• 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离 子电位转换成测量系统的电位
• 电极起换能器作用，是一种传感器
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导
线中是靠电子传导的,在电极和溶液界面上则
＋
-
-
-
＋
-
生物电检测电极示意图 第2章 生物医学传感器基础
生物电测量的等效电路
第2章 生物医学传感器基础
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和 刺激电极两大类：
• 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。 需用电极把这个部位的电位引导到电位测量 仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。
• 剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的 电极。剌激电极是个执行元件。
生物医学传感传感器基本知识
7:21 AM
22
3) 迟滞
迟滞是描述传感器的正向和反向特性不一致的程度.
传感器在全量程范围内最大的迟滞差值ΔHmax与满量 程输出值YFS之比称为迟滞误差，用δH表示，即
数量关系的线性程度。
y
YFS 实 际 特性 曲 线
理 想 特性 曲 线
o
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x
15
2）线性度(非线性误差)
定义：在规定条件下,传感器校准曲线与某一选定的拟 合直线间的最大偏差与满量程(F.S)输出平均值的百分 比,称为线性度L 。
Ｌ＝
Lmax YF .S
100％
Lmax — 校准曲线与拟合直线 的最大偏差；
YFS — 传感器满量程输出， YFS Ymax Y0
7:21 AM
16
注意：
采用拟合直线的方法不同，则其拟合后所得到的基准直 线不同，计算出的线性度也会不一样。
所以要特别注意：说明某传感器的线性度是多少时，不 能笼统的说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据 的基准直线，即采用什么样的拟合方法。
9
(3) 非线性项仅有偶次项（图c）
Y a1X a2 X 2 a4 X 4 L L
注意，在图 (c)中, 相对线 性范围中心偏离原点。
另外，输出－输入特性曲 线无对称性。
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(4)奇偶次项都有的非线性(图d)
Y a1X a2 X 2 a3 X 3 L L an X n
第2章 传感器的基本知识
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内容回顾
传感器的定义 传感器的组成 生物医学传感器的用途和分类
生物医学传感器原理与应用
生物医学传感器原理与应用
生物医学传感器原理与应用
一、定义
生物医学传感器是指以生物、化学或物理反应为基础，利用传感器原理和检测技术测量生物医学信号（如生物电、血液成分等）的设备。
二、传感原理
储存在生物体内的信息包括激活的物质和信号物质，以及具有不同电子极性的物质。
这些物质在外部因素的作用下，会形成电子信号，从而被传感器检测。
1、光电检测
光电检测可以通过分析光信号来检测生物医学信号，其原理是通过精密的光学技术观测生物体内反射回来的光谱信号，根据其特定频谱来推断出检测物的浓度，从而反应相应信号物的化学变化情况，可用于检测血液中的蛋白质含量、血糖浓度等生物医学信号。
2、电化学检测
电化学检测是一种以电解质反应为基础的检测方法，通过电解剂对电解质反应产生的电流和电压变化来表征物质浓度的变化，从而进行检测。
电化学检测可用于检测血液中的钠、钙和氯离子、血氧分压、血清谷丙转氨酶等生物医学信号。
三、应用
1、临床医学
生物医学传感器的应用非常广泛，如血氧仪、血液分析仪、脑电图仪、心电图仪等都是利用生物医学传感器原理和技术的应用，可用于检测心肺功能、血氧分压、血液成分等，对临床医学大有帮助。
2、环境监测
生物医学传感器也可用于环境监测，如可以用来检测大气污染物的浓度，检测地下水污染等，为环境保护和环境污染防治提供有力的支持。
四、总结
生物医学传感器是一种利用传感器原理来检测生物医学信号的设备，包括光电检测、电化学检测等原理，具有广泛的应用，如用于临床医学、环境监测等领域，为人类的医疗和环境保护提供了有力的支持。
《生物医学传感器》PPT课件
——
响应的被测量转性换敏成感适元于件传把输力或、测压量力的、电力信矩号、部振分动。
生 物
等被测参量转换成应变量或位移量， 电子线路，然由后于再传通感过器各输种出转信换号元一件般把都应很变微量或
医 弱，需要有信号位调移理量与转转换换成电电路量，。进弹行性放元大件、材运料有
学 算调制等。 弹性合金、石英、陶瓷和半导体硅等。
医 学
节，它替代医生的感觉器官（视觉、听觉、触觉、
传 味觉和嗅觉），把医生的定性感觉变为定量测量，
感 决定着医学仪器的测量原理和结构设计。
器
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生 生物医学传感器
物
医
学 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被
工 程
测量的部分；
导
论 传感元件是例指如传：感弹器性中材能料将制敏成感的元敏件感感元受件或，弹
3
生 生物医学传感器
物 医
学 ３．传感器技术广泛应用于航天航空、军事、工
工
程 业、农业、医学、环境保护、机器人、汽车、
导
论 舰船、灾害预测预防、家电、公共安全以及
——
日常生活等各个领域，可以说是无所不在。
生 物
有人说：征服了传感器，几乎就征服了现代
医 科学技术。话虽夸张，却说明了传感器技术
学
传 在现代科学技术中的重要地位。
学 断信息，即生化检验信息。它是利用化学传感
传 器和生物传感器来获取，是诊断各种疾病必不
感 可少的依据。
器
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生 生物医学传感器
物
医
学
工
程
导
论
MB—3型 脉搏波传感器
MB—4型 脉搏波传感器
——
生
物
生物医学电子学领域的医疗传感器(一)
生物医学电子学领域的医疗传感器（一）科幻剧《无敌金刚》（The Six MillionDollar Man）搬上电视荧屏距今已差不多有40 年时间，随着现代电子技术与纳米技术、高级植入技术、太阳能与光能设备，以及医学与生物学领域传感器重要发展的融合，科学幻想正在成为现实。
科学创新催生了增强和代替人体器官的基于传感器的电子设备。
这些电子设备包括WBAN（无线体域网）以及增强或代替眼睛和耳朵的设备。
本文第一部分描述了创新的传感器技术，以及从传感器直到微控制器的微型化、可植入以及无线电子接口方式。
第二部分将讨论肺、心脏和大脑。
传感器与无线通信设备的发展使我们能够设计出微型、高成本效益以及智能的生理传感器结点。
一个创新是可穿戴的健康监控系统，如WBAN.针对这一技术的IEEE802.15.4 标准规定了一个与医疗传感器体域网络相关的小功率低数据速率无线方案。
2011 年，意法半导体公司推出了自己的未来cyborg 技术，包括传感器和MEMS,以及iNEMO（惯性模块评估板）结点（图1）。
图1,意法半导体公司开发了一些用于个人与诊断的传感器应用在这一领域的其它供应商中，Analog Devices 也提供了一些先进的活动监控解决方案，以及传感器接口元件，而德州仪器公司提供了一个带Tmote Sky 的开发套件，这是下一代的mote 平台，即针对极低功耗、高数据速率传感器网络应用的远程平台，有容错和易于开发的双重设计目标。
TI 公司的Tmote Sky 套件号称有10KB 的片上RAM（所有mote 中的最大容量），IEEE 802.15.4 射频，以及一个125m 作用范围的集成板载天线。
帮助盲人重见光明视网膜修复技术可以帮助患视网膜退化疾病，如可能致盲的黄斑变性的人群恢复视力（参考文献1）。
研究人员做了临床植入研究，证明植入假体最终可弥。
生物医学工程学中的生物传感器
生物医学工程学中的生物传感器随着科技的发展，生物传感器日渐成为生物医学工程学重要的一部分。
生物传感器是一种能够对生物体内或外的化学、生物或物理参量进行检测、测量、处理并转换为其他形式的信息的一种设备。
这种设备用于医学诊断、药物研发、临床监测、食品安全检测、环境污染控制等领域，成为了生物医学工程学的重要组成部分。
一. 生物传感器的分类生物传感器可分为三类：電化學傳感器、激光傳感器及免疫傳感器。
其中电化学传感器基础是电化学原理。
主要测量微生物、离子、分子等物质浓度和分子反应以及分子运动等数据。
激光传感器基于光学原理，通过激光光束的光谱反射来检测物质。
免疫传感器是基于免疫学的一种生物传感器。
通过免疫反应进行检测，如病菌感染，免疫细胞增生等。
二. 生物传感器的应用生物传感器在生物医学工程学的应用非常广泛。
例如，在药物研发过程中，生物传感器可以帮助研究人员掌握活体检测技术和细胞运动学技术，使用光学和显微技术帮助珍稀药物开发。
在医疗方面，通过生物传感器可以实现快速准确地检测疾病标记物，如血糖等生化指标。
此外，生物传感器在微型化和实时性方面具有很大的优势，可为临床检测提供更加准确、高效的检测手段。
在食品安全方面，生物传感器可以用于检测食品中的污染物和细菌，提供更加全面的食品安全分析。
此外，在环境污染领域，生物传感器还可以用于检测空气、土壤、水等环境中的污染物，监测和控制环境污染水平。
三. 生物传感器的进展和未来展望随着科技的不断进步，生物传感器已经成为生物医学工程学领域里非常重要的一部分。
未来，生物传感器将不断提高精度和灵敏度以适应不同的应用场景。
一些新颖的设计，如基于DNA、RNA、蛋白质素的传感器，正在开发。
这些新型传感器将不仅可以检测更多的生物标志物，还可以加强有效性，并能快速处理大量数据。
同时，利用纳米技术等新技术开发的生物传感器，能够获得更高的性能指标，成为研究生物学和医学问题的重要工具。
总的来说，生物传感器是生物医学工程学领域重要的一部分。
生物传感器与医学应用
生物传感器的类型
▪ 压电生物传感器
1.压电生物传感器是基于压电效应，将生物分子间的相互作用 转化为电信号，实现生物分子检测的传感器。 2.该类型传感器具有灵敏度高、稳定性好等优点，可用于检测 生物分子浓度和活性。 3.压电生物传感器在生物医学、环境监测等领域有广泛的应用 前景。
▪ 热学生物传感器
1.热学生物传感器是通过测量生物分子结合过程中释放的热能 ，实现生物分子检测的传感器。 2.该类型传感器具有无需标记、非破坏性等优点，可用于实时 监测生物分子间的相互作用。 3.热学生物传感器在药物筛选、疾病诊断等领域有重要的应用 价值。
康复医学中的应用
1.生物传感器能实时监测患者的生理指标，为康复治疗提供依 据。 2.通过监测患者的运动和功能恢复情况，评估康复治疗效果。 3.生物传感器技术有助于提高康复治疗的针对性和效率。
在医学中的应用
▪ 远程医疗与健康监测
1.生物传感器可实现远程实时监测，为远程医疗提供便利。 2.患者可在家中自测生理指标，将数据实时传输给医生，提高 医疗效率。 3.生物传感器技术有助于降低医疗成本，提高医疗资源的普及 率。
▪ 生物传感器与可穿戴设备
1.生物传感器可集成于可穿戴设备中，实时监测用户的生理指 标。 2.可穿戴设备结合生物传感器技术，可实现健康监测、运动跟 踪等功能。 3.随着技术的进步，生物传感器在可穿戴设备中的应用将更加 广泛，提高人们的健康水平。
生物传感器与医学应用
生物传感器的优势
生物传感器的优势
生物传感器概述
▪ 生物传感器的应用领域
1.生物传感器在医学、环境监测、食品安全等领域有广泛应用。 2.在医学领域，生物传感器可用于疾病诊断、药物筛选、生物分子相互作用研究等。
生物医学工程专业优质课生物传感器技术与应用
生物医学工程专业优质课生物传感器技术与应用生物医学工程专业优质课: 生物传感器技术与应用生物传感器技术是生物医学工程领域的重要组成部分，它利用生物分子与传感器之间的相互作用来检测、分析和监测生物体内的生物信息。
生物传感器技术的研究与应用为临床诊断、药物研发、生命科学研究等领域提供了强有力的支持。
本文将对生物传感器技术的原理、分类和应用进行探讨，旨在为生物医学工程专业的学生提供一些有益的参考和指导。
一、生物传感器技术的原理生物传感器是一种将生物反应与传感器相结合的装置，其工作原理基于生物分子与传感器之间的特定相互作用。
常用的生物传感器技术包括光学传感器、电化学传感器、生物阻抗传感器等。
以光学传感器为例，其工作原理是利用生物分子与特定的荧光探针结合后，探针的荧光性质发生改变，从而实现对生物分子的定量检测。
电化学传感器则是通过测量生物反应产生的电信号来获取与生物分子浓度相关的信息。
二、生物传感器技术的分类根据生物传感器的检测目标和工作原理，可以将其分为多种类型，如化学传感器、生物传感器、光学传感器等。
其中，化学传感器主要用于检测化学物质的浓度或组成，生物传感器用于检测生物分子（如蛋白质、DNA等）的存在和含量，而光学传感器则利用光学信号来检测生物样品的变化。
此外，还有温度传感器、压力传感器等根据测量参数进行分类。
三、生物传感器技术的应用1. 临床诊断应用：生物传感器技术在临床诊断中具有广泛的应用前景。
例如，利用生物传感器对体液中特定蛋白质和代谢产物进行检测，可以为早期肿瘤、心血管疾病等提供辅助诊断手段。
此外，生物传感器还可以用于检测药物浓度、蛋白质相互作用等，为药物研发和剂量控制提供支持。
2. 环境监测应用：生物传感器技术在环境监测领域也发挥着重要作用。
通过检测环境中的污染物浓度和种类，可以实现对水质、空气质量等重要参数的监测和预警。
生物传感器技术的灵敏度高、选择性好，使其成为环境监测的理想工具。
3. 生命科学研究应用：生物传感器技术在生命科学研究中具有广泛应用。
生物医学传感器
转换成可测量的信号（如电阻、电压、电流等） 的一类元件。类似如人的眼nvasive) – 非侵入式(Noninvasive) – 监测参数：心电、呼吸、无创血压、双体温、
血氧饱和度、脉搏、心输出量
体外诊断：
– 如电解质、生化、免疫
生物医学传感器的重要标准
体内监测：
– 准确(Accuracy) – 精密(Precision) – 范围(Range) – 响应时间(Response Time) – 漂移(Drift)
体外诊断：
– 可靠(Reliable) – 安全(Safe)
生物医学传感器的分类
根据测量指标分类：
– 物理、电、化学
根据测量类别分类： １.生物电：
生物医学传感器 (Biomedical Sensors)
一、生物医学仪器(Biomedical Instrumentation)
– – – –
影像类：磁共振、 B超、CT 监护类：心电监护、心电图机 检验类：生化、血细胞、电解质、免疫、尿液 治疗类；
二、生物医学传感器
– 生物医学传感器用于将人体内的一些特征参数
– ECG(electrocardiogram) – EEG(electroencephalogram)
２.物理
– 温度、流量、密度等等
３.电解质、血相和pH等化学指标
生物医学传感器课程简介
生物医学传感器课程简介生物医学传感器是一门研究利用传感技术来监测和检测生物体内生理参数的学科。
该课程旨在介绍生物医学传感器的原理、设计和应用，培养学生在医学和生物领域中应用传感器技术解决问题的能力。
1. 课程简介生物医学传感器课程主要包括传感器的基本概念和原理、传感器的设计和制备技术、生物医学传感器的应用和前沿研究等内容。
通过该课程的学习，学生将了解到传感器在医学领域中的重要性和应用前景。
2. 传感器的基本概念和原理在生物医学传感器课程中，学生将学习传感器的基本概念和原理。
传感器是一种能够将生物体内的物理、化学或生物信号转化为可测量的电信号的装置。
学生将了解到传感器的工作原理、信号转换和放大技术等基本概念。
3. 传感器的设计和制备技术生物医学传感器的设计和制备是该课程的重要内容。
学生将学习到传感器设计的基本流程，包括传感器的选择、传感元件的选取和组装等。
此外，学生还将了解到传感器制备的技术，如微纳加工技术、生物成像技术等。
4. 生物医学传感器的应用生物医学传感器在医学和生物领域中有广泛的应用。
学生将学习到生物医学传感器在生理参数监测、疾病诊断和治疗、药物筛选等方面的应用。
课程将介绍不同类型的生物医学传感器，如心电图传感器、血糖传感器、生物成像传感器等，并探讨其在临床实践中的应用案例。
5. 生物医学传感器的前沿研究生物医学传感器领域的研究正在不断发展，涌现出许多前沿技术和应用。
学生将了解到生物医学传感器领域的最新研究进展，如基于纳米技术的传感器、柔性生物医学传感器等。
课程还将介绍国内外相关研究团队和学术会议，帮助学生了解当前领域的研究动态。
总结：生物医学传感器课程旨在培养学生在医学和生物领域中应用传感器技术解决问题的能力。
通过学习传感器的基本概念和原理、传感器的设计和制备技术、生物医学传感器的应用和前沿研究，学生将了解到生物医学传感器在医学领域中的重要性和应用前景，为未来从事相关研究和工作打下坚实基础。
几种常见生物医学传感器原理
表面等离子体共振传感器
总结词
表面等离子体共振传感器利用金属薄膜表面的等离子 体共振现象，通过检测共振波长或共振角度的变化， 实现对生物分子相互作用和浓度的监测。
详细描述
表面等离子体共振传感器通常由金属薄膜和光检测器 组成。当特定波长的光照射到金属薄膜上时，会产生 表面等离子体共振现象，即光波被局限在金属表面并 沿表面传播。当生物分子附着到金属薄膜表面时，会 引起共振波长或共振角度的变化，通过光检测器进行 测量和记录。表面等离子体共振传感器具有高灵敏度 、高特异性和实时监测等优点，广泛应用于生物医学 领域。
微生物传感器
总结词
微生物传感器利用微生物对特定物质的代谢反应，实现 对物质的检测。
详细描述
微生物传感器由固定化微生物的换能器和信号处理电路 组成。微生物与待测物反应后，引起换能器信号变化， 通过信号处理电路得到检测结果。微生物传感器具有高 灵敏度、低成本等优点，广泛应用于环境监测、污水处 理等领域。
应用领域
电化学传感器广泛应用于环境监测、食品工业、医疗诊断等领域，如 检测水中的重金属离子、血糖、尿酸等。
优点
电化学传感器具有高灵敏度、高选择性、低成本等优点，且易于微型 化和集成化。
缺点
电化学传感器的使用寿命相对较短，且易受到干扰物质的影响。
离子敏场效应管传感器
工作原理 离子敏场效应管传感器利用离子 敏感膜和场效应管的结合，通过 测量膜电位的变化来检测目标离 子的存在和浓度。
04 生物力学传感器
压阻式传感器
总结词
利用电阻值变化检测压力变化的传感器。
详细描述
压阻式传感器通过测量电阻值的变化来检测压力的变化。当压力作用于敏感材 料时，材料的电阻值会发生变化，从而可以测量压力的大小。这种传感器广泛 应用于生物医学领域，如监测血压和呼吸等生理参数。
生物医学传感器和检测技术
生物医学传感器和检测技术随着科技的不断发展，生物医学传感器和检测技术被广泛应用于医疗领域。
生物医学传感器是一种可以感知人体生理和生化变化、记录并传输这些变化数据的设备，它可以帮助监测疾病的进展、评价药物疗效、诊断疾病等。
本文将围绕生物医学传感器和检测技术的原理、应用和发展趋势等方面进行探讨。
一、原理生物医学传感器的原理主要是依靠物理、化学、生物学等原理来感知人体的生理和生化变化。
按照检测信号的不同，可以将传感器分为电化学、光学、机械、声波、热敏和生物传感器等类型。
电化学传感器是利用电化学反应与生物分子发生特殊的化学反应来转化生物学信息，将物理或生物化学传递到电信号上面来进行检测，常见的如血糖检测仪、尿酸检测仪等。
光学传感器是利用光学的物理性质，如光的折射、散射、吸收等特性，将特定生物分子的结构、含量和功能信息转化为光信号。
目前典型的光学传感器主要包括荧光传感器、光学波导传感器、表面等离子体共振传感器等。
生物传感器是一种能感知细胞生理和分子间相互作用的传感器，它以分子生物学的技术来实现，主要应用在生物分析及生物制药领域，如细胞生长分析、细胞膜分析等。
机械传感器，如声波传感器、压电传感器等，利用机械振动或变形来检测体内的生理变化信息。
这类传感器广泛应用于医学图像领域，如超声波医学成像、磁共振成像等。
二、应用生物医学传感器和检测技术的应用范围广泛，包括但不限于以下几个方面：1. 输液泵：输液泵是一种可编程的电子捆绑装置，它可以通过生物医学传感器检测患者的生理指标，从而实现对液体药物剂量的更准确的控制，降低药物过量和滞留的风险。
同时，人工输液在输液过程中需要经常检测输液速度以及患者的输液情况，自动输液泵通过传感器了解患者的输液情况，可以更好的适应患者的情况。
2. 血糖检测：血糖检测是糖尿病患者日常生活中必要的检测。
传统的血糖测试需要抽血、化验等流程，传感器技术可以通过皮下组织的微量血液样品分析，减少患者痛苦和担忧。
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1895年德国物理学家伦琴 (W.h.Roentgen )在吴尔兹堡(Uerzburg)大 学物理研究所发现X射线，在次年的德国物 理学年会上，他宣布并展示了X射线拍摄的 人手X照片，由此开创了人体影像诊断的先 河。当时的电子变压器 高压输出已可达 100 kV，满足了X射线产生的条件，伦琴 在 实验中采用的是William Crookes研制的 高真空度的阴极 射线管。这一里程碑式的 发现使得伦琴获得了首届(1901年) 物理学诺贝尔奖。
自20世纪60年代，开始出现应用电子技术的临床监护仪器， 1962年，国外开始建立危重病人监护系统（ICU）和冠心病人 自动监护系统（CCU）。自70年代后期，微型计算机引入到 临床监护系统中，出现了运用模式识别技术的智能化监护仪器。 自20世纪60年代以来，重点用于生物医学测量的电化学传感器 得到了逐步发展。1962年出现了具有透氧膜的氧电极，此后相继出现 了把某些无机化合物、有机化合物、高分子化合物和生物物质与电极 结合而形成的多种电化学传感器和生物传感器、半导体技术、微加工 工艺和生物技术的进步，促进了生物传感器的发展。
心电电极、心音传感器、导联线
心电、心音信号放大器
http://wwຫໍສະໝຸດ
数据采集卡（A/D转换卡）
生物医学信号检测系统
这期间另一个重大事件是1903年荷兰生理学家 William Einthoven研制成功了第一台采用弦线式 电流计记录的心电图仪，被誉为心电图之父。他创立的肢体标准导 联的概念，沿用至今。Einthoven开创性的贡献使他获得了1924年 医学诺贝尔奖。 1924年法国学者Berger首次采用头皮电极记 录到人脑的电活动，发现人脑活动的p波节律，并 第一次绘出了人类癫痈病发作时的脑电图。
基于压电晶体管效应的超声波发生装置， 在1880年已由Jaeqnts与Pierre Carie建立，其后 在第一、二次世界大战中超声在水下探测中均发 挥了巨大的作用，但作为真正商品化的医用超声 诊断仪直到1958后才出现，此后由于它的广泛的 优点，很快在临床普及。 今天B超（全数字化彩色B超）已经在全世 界各大中小医院广泛普及，成为常规性检查手段。 可以说，没有B超的医院不能称其为医院。
X光投射成像技术在伦琴创立之后近百年间发生了长足的 进展，借助于各种影像增强材料和手段.X成像早已突破早期 主要针对人体骨骼的成像范围，扩展到全身各个部位。但由 于X光将人体投影到二维成像平面时，反映的是垂直于射线方 向上的无穷多个平行截面人体组织的叠加或平均，使重要的 空间信息模糊或丢失。1972年根据英国工程师毫斯菲尔德 (G.N.Hounfield)和美国人科马克(A.M.Cormack)，将计算机 技术与X线相结合，发明了X射线计算机断层扫描 CT(computer aided tomography scanner)重建技术。它 能从许多不同的投影图，计算出真正的二维切片人体组织图 像。此后人们还从新获得的连续切层图通过组合计算出各种 角度的切片图，直到三维图像。这一医学史上划时代的成果， 使豪斯菲尔德与科马克共享了1979年生理学与医学诺贝尔奖。
人体基本生理参量的测量部位示意图 参见课本
医学测量仪器系统通用组成框图
生物信号反映生物体的生命活动状态，生物信号的表 现形式具有多样性，如：既有物理的声、光、电、力等类 的变化；又有化学的浓度、气体分压、PH等的变化，其特 点是信号微弱、非线性、高内阻、干扰因素多等等。这些 特征对于生物信号的研究十分重要。 一个完整的生物信号测量系统一般包括以下四个部分： 1、生物信号的引导 （电极和传感器） 2、生物信号的放大 （数字和模拟电路） 3、生物信号的采集和采样 （A/D转换器） 4、生物信号的记录与处理 （信息处理）
1932年，研制了一种可经食管插入胃中观察胃内病变的半硬式胃镜。 1957年，美国首次开发出纤维光学内镜。 1956年，美国人Anger发明了伽玛照相机，成为核医学成像技术的一 个里程碑。 1957年，美国Mackay制成一种“无线电丸”，由动物吞服下后，可 用无线遥测方式检测体内的某些生理信息，同年，在前苏联的空 间研究中，将遥测技术用于动物的生理医学实验研究。 1957年，美国Holter博士利用无线遥测与磁带记录技术相结合，连 续记录可行走病人长时间的心电图，并与1961年制成由佩戴式磁 带记录器记录，由示波器回放分析的心电监护系统，后来被称作 Holter监护系统。 1963年将图像重建理论用于放射医学。
电子学测量方法
杨
飞
课程安排
理论课：54课时 实验课 18课时 参考书目： 《生物医学传感器与检测技术》杨玉星 编著 《生物医学测量与仪器》 王保华 主编
生物医学工程是一个多科学的交叉领域，其特点是将工程科学与 生命科学的原理与方法相结合，在生命体的多个层面上对生命体 的现象与运动规律进行定量研究，并发展相应的医疗技术及应用 系统，应用于医学和保健。 生物医学工程涵盖生物材料与人工器官、生物力学、仿真及控制、 生物医学信号检测及处理技术、医学成像及图像处理、生物医学 电磁学等，而生物医学测量是生物医学工程学科中最基础、应用 最广泛、与其他分支学科联系最密切的领域。
伦琴拍摄的一张X射线照片，伦 琴夫人的手骨与戒指
X线被广泛的应用于对疾病的诊断与治疗，形成了放射诊断 学和放射治疗学。X线还用于疾病的预防、康复和预后随访，在医 学之外，还用于X线衍射分析和工业探伤等多种用途。 随着计算机技术的发展，数字化X线摄影、数字减影（DSA） 应运而生。
核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)成为一种 谱分析方法，早在1946年就由F.Bloch提出，但直到1973年才 由uterbur等研制出临床使用的磁共振成像仪 (magnetic reso-nance imaging,MRI)。该仪器不仅提 供了人体解剖图像(特别是软组织的图像)，而且提供了人体特 色部位的生理与代谢信息。 2003年度的诺贝尔生理、医学奖授予了美国伊利诺大学的 化学、生物物理学和计算生物及生物工程学教授Paul C. Lauterbur和英国诺丁汉大学物理学教授Peter Mansfield爵士， 以表彰他们对建立磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)技术所做出的杰出贡献。
2. 医学仪器发展简史
现代医学仪器的诞生和发展始于19世纪末20世纪初，这与以量 子力学和相对论为代表的科学重大发现和以机械 制造和电机工程 为代表的工业文明出现密不可分。 1728年，英国Hales Stephen 采用开口的管子插入马的股动脉， 做了人类历史上的第一次血压实验。 1816年，法国医生Rene 发明了听诊器。 1842年，Nobelic做早用静电记录了肌电信号。
第一章 现代医学仪器概论
本章内容 1. 医学仪器简介 2. 医学仪器发展简史 3. 医学仪器的分类 4. 医学仪器发展现状及研究方向 5. 生物医学测量概述 6. 生物医学测量方法、特点、安全性
1. 关键词解释和医学仪器定义 国际标准化组织对医疗器械（medical device）中的 医学仪器（medical instrumentation）定义： 指那些单纯或组合应用于人体的仪器，包括智 能化仪器中的软件。 其使用目的： 1、疾病的预防、诊断、治疗、监护或缓解 2、损伤或残疾的诊断、治疗、监护、缓解或补偿 3、解剖或生理过程的研究、替代或调节 4、妊娠控制
医学仪器用于人体体表及体内的作用，不是用药理 学、免疫学或者代谢的手段获得的。但可能有这些手段 参与并起到辅助作用。这是对医学仪器较为严格的定义。 简单说来，医学仪器是以医学临床诊治和医学研究为目 的的仪器。
医学仪器性能概要 人体信号类型决定着医学测量仪器结构 1、周期信号； 2、非周期信号或瞬变信号； 3、随机信号：平稳随机信号、非平稳随机信号 心电、血压、血流量、脉率、心率、心音、呼吸都是非平 稳周期性随机信号； 脑电、肌电、胃电、眼电等都是非平稳非周期性随机信号； 体温对正常人每天的数值基本是平稳周期性信号，而对于 病人（尤其炎症发烧患者）是非平稳非周期性随机信号。
人体中每时每刻都存在着大量的生命信 息。由于我们的身体整个生命过程中都在不 断地实现着物理的、化学的及生物的变化， 因此所产生的信息是极其复杂的。
我们可以把生命信号概括分为二大类： 1、化学信息
2、物理信息
化学信息是指组成人体的有机物在发 生变化时所给出的信息，它属于生物 化学所研究的范畴。 物理信息是指人体各器官运动时所产 生的信息。物理信息所表现出来的信 号又可分为电信号和非电信号两大类。
物理学家希托夫观察到真空管中的阴极发出的射线， 当这些射线遇到玻璃管壁会产生荧光。 随后，英国物理学家克鲁克斯研究稀有气体里的能量释 放，并且制造了一种玻璃真空管，内有可以产生高电压的电 极。 1887年4月，尼古拉· 特斯拉开始使用自己设计的高电压 真空管与克鲁克斯管研究X光。他发明了单电极X光管，在其 中电子穿过物质，发生了现在叫做韧致辐射的效应，生成高 能X光射线。 1892年特斯拉完成了这些实验，但是他并没有使用X光 这个名字，而只是笼统成为放射能。他继续进行实验，并提 醒科学界注意阴极射线对生物体的危害性，但他没有公开自 己的实验成果。1892年赫兹进行实验，提出阴极射线可以穿 透非常薄的金属箔。赫兹的学生伦纳德进一步研究这一效应， 对很多金属进行了实验。
核医学影像类仪器，是基于给病人施加放射 性标记药物，在人体外部探测所发射的射线而 成像的。自从1956年H.O.Anger研制成功医用Gama 照像机后，借助于类似于X线层析成像技术先后有 SPECT(单光子发射计算机断层成像)以及PET(正电 子发射层析成像)应用于临床。它们提供了X成像 技术不能提供的人体生理代谢功能等方面的重要 信息。