生物医学传感器原理及应用

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 机体的各种生物电（心 量 电、脑电、肌电、神经 参 元放电等） 数
按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：
被测信息
敏感元件
转换元件
信号调节 转换电路
输出 电信号
辅助电路
• 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。
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。
生
利用材料Leabharlann Baidu物理变化
理
参
利用化学反应原理，
数
非 电
把化学成分、浓度转 换成电信号
学
量 参
利用生物活性物质选择 性识别来测定生化物质
数
生物电电极
物理传感器 化学传感器 生物传感器
物理传感器
电阻式传感器 电容式传感器
电感式传感器 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
第二节 细胞的生物电现象
概述 恩格斯在100多年前就指出：“地球上 几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的变 化”。人体及生物体活细胞在安静和活动时都 存在电活动，这种电活动称为生物电现象 （bioelectricity）。细胞生物电现象是普遍 存在的，临床上广泛应用的心电图、脑电图、 肌电图及视网膜电图等就是这些不同器官和组 织活动时生物电变化的表现。
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。
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）
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
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)。
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。
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信号按一定规律 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。
生物医学传感器 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”。
第二节 细胞生物电现象
生物电现象：生命活动中表现的电现象。
心脏 脑 骨骼肌 胃肠平滑肌
生物电总和
心电图 脑电图 肌电图 胃肠电图
§2 生物电检测电极
电极有两类 生物电检测电极 刺激电极
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。
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。
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。