醫用傳感器ppt：醫用傳感器原理及應用 PPT

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醫用傳感器原理及應用
內容提要
1、醫用傳感器基礎
2、生物電檢測電極
3、常用醫用物理傳感器
4、化學傳感器和生物傳感器
5、傳感器技術的發展與展望
§1 醫用傳感器基礎
對傳感器的定義：
中華人民共和國國家標準(GB7665—87)對傳感器下這樣的定義：
傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉換元件組成。
國標中的定義強調了被測量按一定規律轉換成可用輸出信號，而且它給出了傳感器的結構信息，即它通常由敏感元件和轉換元件組成。
敏感元件是指能直接感測或響應被測量的部件。
轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感測或響應的被測量轉換成可用的輸出信號的部件，通常這種輸出信號以電量的形式出現。
信號調節和轉換電路是把傳感元件輸出的電信號轉換成便于處理、控制、記錄和顯示的有用電信號所涉及的有關電路。有人也稱這一部分電路為信號調理電路。
醫用傳感器（Biomedical Sensors）
醫用傳感器，顧名思義，它是應用于生物醫學領域的那一部分傳感器，它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現，因此，醫用傳感器可以定義為：把人體的生理信息轉換成為與之有確定函數關系的電信息的變換裝置。
人體生理信息有電信息和非電信息兩大類，從分布來說有體內的（如血壓等各類壓力），也有體表的（如心電等各類生物電)和體外的(如紅外、生物磁等）
醫用學傳感器的分類
傳感器的分類方法多種多樣，有按傳感器的工作原理分的，有按輸入信息的類型分的，也有按能量關系或輸出信號類型分的。醫學測量中往往按被測信號來分類，如脈搏傳感器、呼吸波傳感器等。
醫用傳感器按工作原理分類，大致可分為：
生物傳感器
生理信號檢測的特點
醫用傳感器用于人體生理信息檢測時，具有以下主要特點：
被測量生理參數均為低頻或超低頻信息，頻率分布范圍在直流～300Hz。
生理參數的信號微弱，測量范圍分布在uV～mV數量級。
被測量的信噪比低，且噪聲來源可能是多方面的。由于人體是一導電體，體外的電場、磁場感應都會在人體內形成測量噪聲，干擾生理信息的檢測。
人體是一有機整體，各器官功能密切相關，傳感器所拾取信息往往是由多種參數綜合而形成的。
醫用傳感器的數學模型
傳感器的設計、制造和應用，均需要研究傳感器的輸入與輸出的關系特性。
描述傳感器的輸入一輸出關系的數學表達式被稱為傳感器的數學模型，通常從傳感器的靜態輸入一輸出和動態輸入一輸出關系兩分面建立數學模型。
靜態模型
靜態模型是指靜態信號（輸入信號不隨時間變化或變化緩慢）情況下，描述傳感器的輸出與輸入量間的函數關系。在實際工程應用中，忽略蠕動效應和遲滯持性、它可以用多項式來表示為：
動態模型
動態模型是指傳感器在準動態或動態信號（即輸入信號隨時間變化）作用下，描述其輸出一輸入關系的數學表達式。
要精確地建立傳感器的動態數學模型較困難，工程上常利用近似方法，忽略次要因素。來簡化動態模型的建立。
醫用傳感器的基本特性
醫用傳感器的基本特性是指傳感器的輸出與輸入的關系特性，它是傳感器應用的外部特性，但是傳感器不同的內部結構參數影響或決定著它具有不同的外部特性。
醫用傳感器檢測的生理信息，基本上有兩種類型，即靜態量和動態量。靜態量是指不隨時間變化或變化甚為緩慢的量(如體溫)，動態量通常是周期性信號、瞬變或隨機的信號(如心電、血壓等)。
靜態特性
靜態特性表示傳感器在被測生理量處于穩定狀態時的輸出與輸入之間的關系特性，一般情況下，它呈現非線性關系。工程應用中，要求靜態特性盡可能呈線性。
衡量傳感器靜態特性的主要指標是線性度、靈敏度、遲滯、重復性、分辨力、零點漂移、溫度漂移等。
線性度指傳感器輸出隨輸入變化的線性程度，它用輸出量一輸入量的實際關系曲線偏離直線的程度來表示。
靈敏度是指傳感器在穩態下輸出變化對輸入變化的比值。
遲滯特性是指傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程期間輸出一輸入曲線的不重合程度。遲滯是由傳感器材料固有特性和機械上的不可避免的缺陷等原因產生的。
重復性是指傳感器在同一工作條件下輸入量按同一方向作全量程連續多次變動所得到特性曲線的不一致程度。產生重復性誤差的原因同樣是傳感器內機械缺陷引起的，如材料內的摩擦、間隙、積塵等。
動態特性
傳感器的動態特性是指傳感器對激勵(輸入)的響應(輸出)特性。具有良好的動態特性的傳感器，在動態(快速變換)的輸入信號作用下，不僅能精確地測量信號的帕值大小，而且能迅速準確地響應信號幅度變化和無失真地再現被測量信號隨時間變化的波形。
對醫用傳感器的基本要求
醫用傳感器作為傳感器的一個重要分支，其設計與應用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號的特殊性、復雜性，考慮生物醫學傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。
1.傳感器本身具有良好的技術性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復性、頻率響應范圍、信噪比、溫度漂移、零點漂移、靈敏度漂移等。
2.傳感器的形狀和結構應與被檢測部位的解剖結構相適應，使用時，對被測組織的損害要小。
3.傳感器對被測對象的影響要小，不會對生理活動帶來負擔，不干擾正常生理功能。
4.傳感器要有足夠的牢固性，引進到待測部位時，不致脫落、損壞。
5.傳感器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。；
6.傳感器進入人體能適應生物體內的化學作用，與生物體內的化學成分相容，不易被腐蝕、對人體無不良刺激，并且無毒。
7.傳感器進入血液中或長期埋于體內，不應引起血凝。
8.傳感器應操作簡單、維護方便，結構上便于消毒。
醫用傳感器在醫學上的用途
檢測－檢測正?；虍惓Ｉ韰?。比如：先心病病人手術前須用血壓傳感器測量心內壓力，估計缺陷程度。
監護－連續測定某些生理參數是否處于正常范圍，以便及時預報。在ICU病房，對危重病人的體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等進行連續監護的監護儀。
控制－即利用檢測到的生理參數控制人體的生理過程。比如，用同步呼吸器搶救病人時，要檢測病人的呼吸信號，以此來控制呼吸器的動作與人體呼吸同步。
§2 生物電檢測電極
電極有兩類
生物電檢測電極
刺激電極
生物電檢測電極
生物電的變化能夠反應生物體的復雜生命現象，比如人體心血管的疾患，通?？梢詮男呐K各部分的電活動反映出來。例如：臨床醫生可以從病人身上記錄的心電圖的細節進行分析診斷；人的神經系統及腦部的疾患在腦電圖上必有所表現。因此臨床上研究人的各種臟器的功能狀態、疾病的發生與發展，需要有效地把生物體內細胞、離子分布電位感應導出。通過與生物體的接觸耦合，將生物體內的電位和生物電流有效地導出的敏感元件稱為檢測電極。
刺激電極
另一方面，臨床醫學根據生物體的電生理活動原理，對生物體導入各種不同的電信號，以調節和治療疾病，使肌體獲得康復。比如：對處于纖維性顫動而雜亂興奮的心肌細胞給予瞬間高能量電刺激，強使心肌興奮相位變為一致的除顫作用；對各種因風濕炎癥而引起的慢性疼痛，施以適量的電刺激以使疼痛減輕；控制心臟起搏器監測心臟節率并在搏動失常時給予適當的電刺激來維持心肌的搏動等等，都需要利用另一類電極向生物體導入電信號，這一類電極稱為刺激電極。
生物電檢測電極示意圖
電極的本質——半電池原理
當某種金屬浸入含有這種金屬離子的電解質溶液中時，金屬中的原子將失去一些電子進入溶液，溶液中的離子也將在金屬電極上沉積，當這兩種過程相平衡時，在金屬和電解質溶液的接觸面上形成電荷分布，并建立起一個平衡的電位差。對給定的金屬與電解質溶液來說，這種電位差是一個完全確定的量。這種金屬與電解質的組合如同半個電解質電池，稱半電池，其電位差稱為半電池電位。
電極的本質
生物電電極的本質是由金屬－電解質溶液構成的半電池。
生物體的活組織是一種含多種金屬離子成份的電解質溶液，當電極與組織表面相接觸時，電極與組織之間就構成了半電池。
電極的極化
電極與電解液處于靜態平衡時，電極與電解液間沒有電流流過。當接上儀器的電路時，就有電流流過這個界面。原有的平衡被打破，電極的半電池電位與沒電流時不同。
所謂極化就是當電流通過電極界面時電極電位偏離平衡電位的現象。 在有和無電流通過兩種情況下電極的半電池電位的差值稱為極化電壓。
生物電測量的等效電路
電極的電位
生物電電位差＝兩個電極間的電位差
電極的電位＝電極的半電池電位與極化電位的總和。
電極的等效電路
實驗表明，生物電測量電極的伏－安特性呈非線性。電極的參數與流過的電流強度和頻率有關。
生物電電極的分類
宏電極和微電極
宏電極－用于檢測和記錄機體器官、組織整體放電水平的電極。按記錄部位的不同，分為體表電極和體內電極。
微電極－用于測量細胞內外的電位改變的電極，其尖端直徑一般直徑小于細胞，且電極較堅硬，可刺入細胞膜并保持機械性能穩定。微電極直徑大約在0.05到10μm之間。按制作材料可分為金屬微電極和充填電解液的玻璃微電極。
體表電極
體表電極是用于在身體表面記錄生物電信號（如ECG、EEG、EMG）的電極。
體表電極，應滿足如下要求：電極電位穩定；阻抗??；安放容易且不易脫落；不易產生運動偽跡；可長期監測；無毒安全、對人體刺激要小。
臨床上常用的體表電極
臨床上常用的體表電極種類繁多、形狀多樣，常見的有金屬板電極、Ag/Agcl電極等。不銹鋼、鉑或鍍金（銀）的圓盤電極常用于肌電和腦電的記錄。
柔性電極可適應體表外形的變化，可減少運動偽跡，常用的是柔性銀絲電極，它的制作方法很簡單：在橡皮膏上敷一小塊銀絲網，焊上引線，涂上導電膏即可，它適用于手、足等部位的測量，尤其是早產新生兒的心電監測。
體表生物電檢測中最常用的電極是Ag／AgCl電極。它的結構是在金屬銀的表面覆蓋一層難溶解的銀的鹽類AgCl，再浸入含有氯離子的溶液中。電極可以用下列符號表示：Ag|AgCl| C1-。
實際應用的Ag／ Ag Cl電極極化電壓很低，一般在0.2mV左右。極化電壓的隨機變化小于10mV，對生物電的檢測幾乎不產生影響。在臨床上得到廣泛的應用。
Ag－Agcl圓盤電極
體內電極
體內電極，用作在生物體內檢測生物電勢。因電極被插入體內，電極材料的安全性很重要，象Ag－Agcl電極和人體蛋白質會發生化學反應，不應選用。下面介紹兩種體內電極：經皮注射式針電極和絲電極。
經皮注射式針電極（a）和絲電極（b）
金屬微電極
金屬微電極是在不銹鋼、鎢、鉑等金屬上噴涂聚合物、玻璃等絕緣材料制成的，其尖端裸露。金屬微電極的極化特性使其不宜精確測量細胞的靜止電勢，常用于活動電勢的檢測。
金屬微電極包括單點測量微電極和多重微電極，后者由多根相互獨立的電極組合而成，能同時測量多點電位。如測量神經纖維束中多根神經纖維電位的多個單點電極。
目前已經出現的有用半導體材料制作的多重微電極和經磁化處理的、合金線制作的、每個電極可獨立移動的多重電極。
玻璃微電極
玻璃微電極一般用于細胞膜電勢（如靜息電位）的測量。它是由毛細管熱拉后，內部充入電導率溶液，再將電極絲放入制成，電極尖端直徑一般小于1μm。
玻璃微電極較金屬電極來講，存在阻抗高、噪聲大等缺點。
玻璃微電極可以向檢測部位注射微量藥物。
§3 常用醫用物理傳感器 物理傳感器
物理傳感器是指基于物理學原理、檢測機體物理學指標的一類傳感器。物理傳感器是生物醫學傳感器中的一個大類，其作用是將各種物理信號轉化為電信號。
物理傳感器的分類
物理傳感器根據檢測對象的不同，有溫度傳感器、壓力傳感器、血流量傳感器、心音傳感器、脈搏傳感器、呼吸傳感器等 。
物理傳感器根據工作原理分為電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電式傳感器和光電式傳感器等。
3.1 溫度的測量和溫度傳感器
溫度是物理學中一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發、最古老，也是應用最廣泛的一類傳感器。
在醫學上通常將體溫分為體表溫度、深部溫度（即機體內部溫度）和器官溫度（用流經器官的血液溫度來代替），測量時應根據不同需要來選用不同類型的溫度傳感器。
溫度傳感器的發展歷史
首先把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發明的，這就是后來的熱電偶傳感器。
50年以后，另一位德國人西門子發明了鉑電阻溫度計（RTD）。
后來，由于半導體材料的發明，本世紀相繼開發了半導體熱敏電阻傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。
根據波與物質的相互作用規律，人們又相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外溫度傳感器和微波溫度傳感器等。
溫度傳感器的種類
目前，溫度傳感器的種類很多，在醫學上常用的有：
熱電偶溫度傳感器
熱敏電阻溫度傳感器
PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器
紅外熱輻射式溫度傳感器。
熱電偶溫度傳感器
當兩種不同材質的導體，在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現電位差。這個電位差的數值與不加熱部位測量點的溫度有以及這兩種導體的材質有關。這種現象被稱為熱電效應，也稱Seeback（賽貝克）效應。
熱電偶效應可以在很寬的溫度范圍內出現，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度，這就是熱電偶測溫的原理。
不同材質做出的熱電偶應用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數值大約在5～40微伏／℃之間。
醫學測量中熱電偶溫度傳感器種類較多，常用的有桿狀熱電偶和片狀熱電偶。
桿狀熱電偶是將金屬絲放入注射針頭中，經皮插入到待測部位，可用于測量口腔和直腸溫度。
片狀熱電偶是用薄膜代替金屬絲，最薄可達3~6μm，將其固定在適當材料的基片上，尺寸很小，直徑達μm數量級，響應速度很快，有的可用于測量細胞內的暫態溫度。
（a）桿狀熱電偶（b）片狀熱電偶
熱敏電阻溫度傳感器
熱電阻式溫度傳感器可分為兩大類：純金屬電阻（RTD）和半導體材料熱敏電阻，因后者臨床用的較多，這里重點介紹熱敏電阻式溫度傳感器。
在生物醫學測量中通常將熱敏電阻的探頭做成珠狀和薄片狀，體積非常?。蛇_幾十納米），其熱慣性小、響應速度快。其中薄片熱敏電阻多是用單晶半導體材料（如SiC）制造的，在它的外表涂覆一層高強度絕緣漆類材料作絕緣防護，多用于測量表面溫度和皮膚溫度。還有一種注射針型的測穩探頭是用微型珠狀熱敏電阻封裝于注射針頭的頂端制成的，可用來做動物實驗及測量肌肉溫度和淺表血管內的溫度。
PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器
PN結溫度傳感器是利用半導體PN結上正向電壓降的溫度效應設計而成的，其線性度好、靈敏度高、測量范圍寬，還可與放大器做在一起，體積小且性能穩定，可應用在低溫測量和植入動物體內長期檢測使用。臨床上常用的PN結測溫探頭有桿式測溫探頭、小型測溫探頭、針狀測溫探頭和表面測溫探頭，它們的不同在于半導體熱敏器件安裝的方法和裝配材料的不同，當然其時間常數也不同，其中以小型測溫探頭最小，達0.2S。
紅外熱輻射式溫度傳感器
上述溫度傳感器都屬于接觸式溫度傳感器，紅外輻射式溫度傳感器則屬于不需與被測對象接觸的傳感器，因而不會影響人體的生理狀態。
根據Planck輻射定律，當物體的溫度高于熱力學溫度零度（-273.16℃）時，都要以電磁波的形式向周圍輻射能量，其輻射頻率和能量隨物體的溫度而定。
人體輻射紅外線的波長約在3-16μm之間，當體溫改變時，所輻射的紅外線能量就會改變，紅外輻射測溫裝置就是根據檢測人體表面的輻射能量而確定體溫的 。
臨床上具有實用價值的紅外測溫傳感器有紅外熱探測器和紅外光電探測器。
紅外熱探測器是全波長的紅外探測器，其首先利用黑化元件吸收入射紅外線輻射能量，使感溫元件溫度升高，再通過適當的溫度敏感元件將溫度信息轉變為電信號，采用的溫度敏感元件有熱電偶、熱敏電阻等。
紅外光電探測器的敏感元件是光電器件碲鎘汞（HgCdTe），它能將接收到的紅外線轉化為電信號。此種傳感器只能對一定波長范圍的紅外線有響應，并且需在低溫（液氮冷卻）下工作。目前出現了低成本的非制冷紅外光電探測器(Si器件)。一般將許多個紅外光電探測器組合在一起構成紅外圖像傳感器，它是紅外熱像儀的關鍵部分。紅外熱像儀在乳腺癌的診斷中具有重要的意義。
3.2 壓力的測量和壓力傳感器
醫學常用的壓力參數有：血壓、顱內壓、眼內壓、腸內壓、肺泡壓等，其中最常規的測量內容是血壓(Blood Pressure ,BP)。
醫學上測量的血壓有動脈壓、靜脈壓和心內壓（包括心室壓、心房壓）等，每種壓力信號又包括：收縮壓、舒張壓、平均壓。
壓力傳感器是檢測人體內各種生理壓力參數的傳感器，在基礎醫學、臨床診斷中應用十分廣泛。
對血壓的測量方法有直接測量和間接測量。
直接測量血壓的傳感器包括液體耦合式傳感器、導管端部傳感器等。
間接測量血壓的方法是科氏音法。
壓力測量的基礎－電阻應變式傳感器
導體或半導體在外力作用下產生機械變形，其電阻將發生變化，這種效應稱應變效應。利用應變效應制成傳感器被稱為應變片。應變片的種類繁多，有絲狀、片狀、薄膜狀等。
半導體同金屬相比，具有更高的應變系數。但半導體電阻溫度系數較高，使用時必須采取溫度補償措施。
應變片的主要參數：
應變片電阻值
絕緣電阻
靈敏系數
應變極限
機械滯后
零點漂移
液體耦合系統及傳感器
這是直接測量血壓的最簡單的方法，是將充滿液體的導管插入到被測體內待測部位，通過導管內流體的耦合，將體內導管端部位置的壓力信息傳遞到導管另一端的壓力傳感器內，這是臨床和科研中廣泛應用的一種成熟而可靠的常規手段。
液體耦合系統及傳感器
通常使用一根不能透過X光線的聚乙烯導管，經皮插入臂靜脈或鎖骨下的大靜脈中。近些年來較常用的是末端帶有可充氣氣球的雙腔導管或四腔導管，即所謂漂浮導管，它特別適合于測量肺動脈壓。當插入到靜脈中適當位置時，將氣球充氣，由于靜脈血的回流造成氣球的漂移，帶動導管進入右心房、右心室或肺動脈等指定位置。通常這種測量都要求在X光機的監視下進行，以確保導管進入到指定的位置。
液體耦合系統及傳感器
臨床常見的心導管
液體耦合式傳感器的基本結構包括一個彈性膜片，通過將壓力信號轉變成膜片的變形，再根據膜片的應變或位移，通過敏感部件轉換成相應的電信號輸出。
目前使用很廣泛的硅杯型壓力傳感器與圖(c)所示的結構相似，它是在硅杯的圓形底部膜片上，應用半導體集成技術，在適當的位置制造4個阻值相同的半導體電阻組成測量電橋。當受到壓力時，硅杯底部產生形變，集成的半導體應變電橋便輸出相應的信號。這種硅杯型傳感器具有許多優點，例如壓阻系數高、機械性能穩定、膜片的諧振頻率高等，因而得到越來越多的應用。但是半導體電阻通常對溫度很敏感，使用時必須采用某種溫度補償的網絡，以修正由于溫度變化對應變靈敏度和零點偏移造成的影響。
液體耦合系統及傳感器
由于有液體的慣性、液體流動時內部的摩擦阻力以及導管和膜片的彈性等因素，信號可能會失真。
導管端部傳感器
為克服液體耦合式傳感器的缺點，人們將壓力傳感器放置在導管端部，將待測部位的壓力信號轉變為相應的信息傳遞出去。此方法在一定程度上避免了液體耦合系統中信號的失真，可分為以下幾種。
導管端部傳感器
(1)電阻式傳感器
(2)電感式傳感器
(3)光纖式傳感器
導管端部傳感器（1）
最早的電阻式導管端部壓力傳感器是1898年報道的，它是在導管端部裝有一充滿電解液的小圓筒。一端是彈性膜片，上面安置了一個電極，在附近的位置設置了一固定的電極。當壓力改變時，會使得這兩電極間的相對位置改變，即改變了極間的電阻值。
導管端部傳感器（1）
導管端部傳感器（2）
當壓力改變時，膜片的位移使得鐵心在螺管中的位置左右變化，改變了螺管的電感量。左側是高導磁材料制成的鐵心，右側為有機玻璃制成的虛擬鐵心，以達到溫度補償的目的。
導管端部傳感器（2）
通常把螺管接成調頻振蕩器的一部分，當壓力增大造成高導磁鐵心進入螺管，使螺管的電感增加時，則振蕩器輸出的頻率變化就反映了位移的變化，只要鐵心移動距離較小，頻率的變化與兩薄膜間的壓力差就近似呈正比關系。
由于這種傳感器的質量很小，所以其頻響到100Hz以上還很平坦，這就可以同時測出心腔內血壓和心音兩種信號。由于心音信號頻率較高，故可以用低通和高通濾波器將這兩種信號分開。
導管端部傳感器（3）
用于人體直接壓力測量的光纖壓力傳感器的前端用液晶作為壓力敏感元件，液晶受壓使得入射光的反射強度發生變化，如圖所示。
導管端部傳感器（3）
導管端部的彈性膜片當受到壓力作用時，產生位移，接收反射光的光檢測器的輸出發生變化。這種傳感器內有直徑為50um的多模光導纖維約80根，發射和接收的光纖以最合適的配置進行分布，膜片與光纖末端面間的距離約為30um，它的測量范圍為-6.666kPa～26.664kPa。
間接測量血壓－科式音法
采用導管術直接測量血壓雖然具有很多優點，但它要求刺破皮膚，將導管插人體內，所以這種方法受到較大的限制。長期以來，人們一直致力于發展各種間接測量法。雖然間接法的測量誤差大，而且只限于測量動脈壓的特征值（收縮壓、舒張壓等），一般說來也不能連續監測，但因其方法簡單安全，所以在臨床上亦得到廣泛應用。
科氏音法原理
利用袖帶在體外對動脈血管加以變化的壓力，通過體表檢測出脈管內血流與外部壓力之間相對應的關系，進而測出脈管內的血壓值。
通常使用袖帶充氣，阻斷動脈血流，然后緩慢放氣，在阻斷動脈點的下游監聽是否出現血流，當開始監聽到科氏音時，即開始有血流通過時，袖帶內的壓力為動脈內的收縮壓，當血流完全恢復正常時，袖帶內的壓力為動脈內的舒張壓。
科氏音法間接測量血壓原理圖
3.3 血流的測量和血流量傳感器
血流量是生理研究和臨床醫學中最常測量的對象。
血流量的檢測方法有熱稀釋法、電磁流量計法和Doppler頻移法。不同的檢測方法采用不同的傳感器。
熱稀釋法測血流量
利用指示劑（冷鹽水）注入心臟中的血流里，通過檢測心臟搏出血液中指示劑的溫度變化來測量心臟搏出量或輸出量的方法。檢測時一般用四腔漂浮心導管：第一腔是將導管插入臂靜脈后將可充氣氣球充氣，使導管隨氣球經右心房至肺靜脈；第二腔用于注入稀釋劑；第三腔可測量壓力；第四腔用于引出測溫電路導線。
電磁血流傳感器
電磁式血流傳感器是用手術剝離待測血管后，將血管嵌入其磁氣隙中測量血流量的傳感器。在垂直于血管軸方向上加一磁場B，在與B垂直的兩側安裝電極。因血液是堿性導電體并以均速運動，在恒定的磁場中切割磁力線感應出電動勢，然后根據傳感器輸出的電壓值和血管橫截面積而得出血流量。該傳感器可測的最小血管直徑可達1mm以下，并且結果較為準確，并且可以連續檢測血流，因而可作為檢測血流量的標準方法。
Doppler頻移血流計
Doppler頻移血流計，基于血液中的血細胞等運動微粒會使超聲波產生反射發生頻率改變的特性，人們開創了測量流量的Doppler技術。通過公式可以根據頻率改變得到的差頻即可求出血流速度。目前此超聲血流計已成為臨床上廣為使用的常規無創檢測法。
3.4 心音檢測和心音傳感器
隨著心臟的收縮和舒張，造成瓣膜的迅速打開或關閉，從而形成了由血流湍流引起的振動，脈管中血流的加速和減速也會造成血管的振動，這些振動傳到胸腔表面就是心音。
另外，人體內部還有一些器官也會造成音響，例如呼吸時支氣管與肺膜產生的聲音、腸蠕動的雜音、孕婦的子宮雜音、胎兒的心音等。所有這些聲音，對多種疾病的診斷都是非常有價值的。
這些聲音的頻率范圍一般都在20～200Hz以內，有些雜音頻率的低端可達4～5Hz，高端可大于1000Hz。
醫用心音傳感器的種類非常多，總的來說可分為空氣傳導式和直接傳導式兩大類。由于空氣傳導式心音傳感器需由氣室和一般傳感器組合而成，雖然簡單易行，但其靈敏度低，且易受周圍噪聲的干擾，所以現在臨床上使用的大多是直接傳導式心音傳感器。
電磁式空氣傳導心音傳感器
也稱動圈式心音傳感器。傳感器于胸壁相接觸后，心音便通過胸壁與膜片間的空氣傳導引起膜片的振動，從而帶動線圈在氣隙中作切割磁力線的往復運動，于是在線圈中就感應出與線圈運動速度成正比的電動勢。
直接傳導式心音傳感器
直接傳導式心音傳感器，通常又將其分為加速度型、懸掛型和放置型三種。
壓電型心音傳感器
直接傳導式壓電型傳感器主要是一個振動質量塊與壓電晶體的一個面相連接。頂蓋與質量塊之間通過一彈簧加以預應力，這種對系統的預負載，可進行調節，從而使壓電元件運用在特性曲線的線性部分。這種傳感器的重量可做得小于30g，除可用來記錄心音信號外，還可用來測量震顫。
壓電效應與壓電材料
某些晶體和陶瓷延一定方向產生機械變形時，能產生電壓；相反地，加上電壓也能產生機械變形，這種現象稱為壓電效應。前者稱為正壓電效應，后者稱為逆壓電效應。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。
壓電材料有壓電晶體和壓電陶瓷。
導管端部心音傳感器
當需要測量體內的音響，例如要測量心雜音發生的位置，則可將心音傳感器配置在心導管的端部，插到待測的部位進行測量。
這一類的傳感器中有應變式、電磁式和壓電式等多種類型。
導管端部心音傳感器
這種傳感器的敏感元件是用壓電陶瓷制成的懸臂梁，兩陶瓷片中間由金屬片隔開。當懸臂梁受力彎曲時，以金屬片為中心面，一邊陶瓷片被拉伸，一邊陶瓷片被壓縮。壓電陶瓷片沿著厚度方向極化，從而感應出心音信號。
3.5光電式傳感器的應用
光電式傳感器是把光信號轉換成電信號的傳感器，它可以直接檢測來自人體的輻射信息，也可以把人體的其他信息轉換成光信號。
光電式傳感器結構簡單、非接觸、可靠性高、精度高、反應迅速，在生物醫學領域應用廣泛。
光電脈搏傳感器、核醫學檢測器(如伽馬照相機)、紅外熱成像和光導纖維血壓傳感器等是它的應用實例。
光電傳感器的物理原理
光電傳感器包括：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電池、光電二極管三極管等。
它的物理基礎是光電效應。光電效應是指光照射到物質上引起其電特性(電子發射、電導率、電位電流等)發生變化的現象。
光電效應分為外光電效應和內光電效應：外光電效應就是光電發射效應；內光電效應有光導效應、光生伏特效應等幾種。
外光電效應
金屬表面受光照射，其表面和內部的電子吸收光能后逸出金屬表面的現象，稱為外光電效應，亦稱光電發射效應。
光電倍增管
光電倍增管是把微弱的光輸入轉換成電子流并使電子流獲得放大的電真空器件。它是最靈敏的光檢測器，在冷卻狀態，無熱生電子時，甚至能檢測單個光電子。
圖中K表示光電陰極，D1、D2、…、Dn是由二次發射體制成的倍增極。A是收集電子的陽極或收集極。工作時這些電極的電位從陰極逐級升高，相鄰電極電位相差100V左右。微弱光線射人的光子打到光電陰極上，引起光電發射，釋放出一些電子。這些電子經電子光學輸人系統的靜電聚焦和加速，飛向比陰極電位高100V左右的第一倍增極，在倍增極上引起了二次電子發射，倍增效應發生，釋放出更多的電子。倍增后的電子再次加速飛向更高電位的下一個倍增極。電子倍增過程就這樣延續下去。最后，電子到達陽極被收集，在負載電阻RL上形成電流。
在放射性同位素測量和成像技術中，常用光電倍增管作為檢測器中的光電轉換器。
例如，在伽馬照相機和單光子發射斷層成像裝置(SPECT)中，就是采用光電倍增管來檢測由伽馬射線激起的閃爍晶體發出的光信號，從而實現成像的。
光導效應和光敏電阻
光照射到絕大多數高電阻率半導體材料時，會引起該材料的電阻率下降而易于導電的現象，稱光導效應。用具有光導效應的材料制成的光敏器件，稱之為光敏電阻或光導管。
光敏二極管和光敏三極管
光敏二極管的結構與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，它的PN結裝在管頂，便于接受光的照射。
光敏二極管在電路中工作時，一般接上反向電壓。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，反向電流也稱暗電流。當光照射在PN結上時，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對，使少數載流子的濃度大大增加，因此通過PN結的反向電流也隨著增加。
光敏二極管和光敏三極管
光敏三極管由兩個PN結組成，它的發射極與光敏二極管一樣，具有光敏特性。它的集電極則與普通晶體管一樣，可以獲得電流增益。
光照射發射極產生的光電流，相當于基極電流，因此集電極電流是光電流的β倍，所以光敏三極管有放大作用，它比光敏二極管有更高的靈敏度。
光電脈搏測定原理
這是由光敏電阻和一個光源組成的光電脈搏傳感器的原理圖。光敏電阻與適當的普通電阻串聯后由電源供電，光源在加電時發光，光經人的手指傳播到光敏電阻的受光面，當人手指的微血管的血流隨微血管的脈壓變化時，對光的反射系數也發生變化，使光敏電阻接收到的光強也隨之改變。把光敏電阻被微血管反射的光信號轉換成指脈電信號，就可做成脈搏傳感器。
光電脈搏測定原理（2）
透射型指套式光電傳感器，由發光二極管和光敏三極管組成。其工作原理是：發光二極管發出的光透射過手指，被手指組織的血液吸收和衰減，然后由光敏三極管接收。由于手指動脈血在血液循環過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的，于是光敏三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。
發光二極管采用紅色單色光，穩定性好。傳感器做成遮光指套式，減少了外界光的干擾。將傳感器套在手指上，就可以測量手指末端處的動脈脈搏波，使用方便，靈敏度高，性能穩定。
光電脈搏測定原理（2）
脈搏測定的其它方法
利用靈敏度高的半導體壓阻材料，也可以制成基于惠斯頓電橋的脈搏傳感器。
脈搏血氧測量原理
氧是維護生命的基礎，動脈血氧飽和度是反映動脈血含氧程度的重要參數。人體內的血液通過心臟的收縮和舒張脈動地流過肺部，一定量的還原血紅蛋白(Hb)與從肺泡中攝取的氧氣結合變成了氧合血紅蛋白(HbO2)，而約2％的氧溶解在血漿里。這些血通過動脈系統一直輸送到毛細血管，然后將氧釋放，以維持組織細胞的新陳代謝。
脈搏血氧測量原理
血氧濃度的測量通常分電化學和光學兩類。以往大部分采用電化學法，如臨床和實驗室常用的血氣分析儀，它要取血樣來檢測，盡管可以得到精確結果，但從危重病人身上經常取血卻是不可能的，且其操作復雜、分析周期長、不能連續監測。在病人處于危癥狀況時，就不易使其得到及時的治療。
脈搏血氧測量原理
脈搏血氧測定法是一種克服這些缺點的新型光學測量方法。在符合臨床要求的前提下，實現無創傷、長時間連續監測血氧飽和度，為臨床提供了快速、簡便、安全可靠的測定方法，可用于手術室、ICU病房、急救病房和睡眠研究中。
脈搏血氧測定法的測量原理是對普通血氧計光學測量方法的發展。根據吸光定律，當入射光射入厚度為D的均質組織時，入射光I0與透射光I之間的關系為：
I/ I0=e-ECD
式中，C為吸光物質的濃度；E為吸光物質的吸光系數。定義物質的吸光度A為：
A＝1n(I0/I)=ECD
脈搏血氧測定法，是基于血液中氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)的吸收光譜的特性，運用Lambert-Beer法則，在體淺表動脈處用光電器件獲取兩個不同波長的吸光值。
選擇適當的兩波長就可以測量出HbO2和Hb的百分含量。因為在紅光區(660nm)，Hb和HbO2的分子吸光系數差別很大，主要反映Hb的吸收；而在紅外光區(925nm)，Hb和HbO2的分子吸光系數差別很小，反映Hb和HbO2吸收的綜合效果。
設：ρ=ΔA1/ΔA2 為兩個波長的光吸收變化率
則：SaO2＝a+b×ρ
a和b是實驗獲取的兩個系數。
脈搏血氧測量傳感器
§4 化學傳感器和生物傳感器
化學傳感器（Chemical Sensor）通常指基于化學原理的、以化學物質成分為檢測對象的一類傳感器。
該類傳感器主要是利用敏感材料與被測物質中的離子、分子或生物物質相互接觸而產生的電極電位變化、表面化學反應或引起的材料表面電勢變化，并將這些反應或變化直接或間接地轉換為電信號。
化學傳感器在醫學中的應用和技術改進使醫學生化檢驗更加快速、準確、方便，它的發展趨勢向實時、經濟、無創、自動化和微型化發展。
化學傳感器有可逆和不可逆之分，前者的試劑相不因與待測物反應而被消耗，后者相反。因而可逆型化學傳感器更被重視。
這里重點介紹的化學傳感器有：離子傳感器和氣體傳感器。離子傳感器主要包括各種離子選擇性電極和離子敏感場效應晶體管。
離子選擇性電極（Ion SensiTIve Electrode，ISE）
離子選擇性電極屬于電化學傳感器，它的電位對溶液中給定的離子的活度的對數呈線性關系。它主要由膜、內參比溶液組成，敏感膜是其關鍵部件，其分類也是按膜的組成和性質來分的。ISE分為原電極和敏化電極兩大類。原電極分為晶體膜電極（均相膜電極和非均相膜電極）和 非晶體膜電極（剛性基質電極和流動載體電極）。
ISE的分類
晶體膜電極
晶體膜電極：其膜一般由難溶鹽經加壓或拉制成單晶、多晶或混晶的活性膜，由晶格空穴引起離子傳導，而一定膜的空穴只能容納某種離子，其他離子不能進入，則可以起到選擇某種離子的的作用。
均相膜電極：它的敏感膜由單晶或由一種化合物均勻混合壓片制成，內參比電極常用Ag/AgCl電極。
此類電極常用于檢測Cl-、Br-、I-、Ca2+、Pb2-等。
它們的響應快、敏感膜使用后可恢復性能，并且使用前不必預先浸泡。某種復合型電極制成的微型電極只需幾微升溶液就可測量離子含量。
非均相膜電極：其敏感膜是由各種電活性物質和惰性基質（如硅橡膠、聚氯乙烯或石蠟）混合組成，使得膜的導電性、機械性能和彈性均較好。
可用來檢測Cl-、Br-、I-、SO42-、F-等離子。
但此膜電極在第一次使用時需預先浸泡以防止電勢漂移，并且響應較慢。
剛性基質電極（玻璃電極）：是由離子交換型的剛性基底薄膜玻璃熔融燒制而成，其膜電勢通過膜相與溶液中的金屬離子或氧粒子在相界面交換產生。
玻璃電極有pH玻璃電極和其他陽離子玻璃電極。
pH玻璃電極：其敏感膜是由固熔體玻璃薄膜構成的，它的化學組成對pH電極性能的影響很大。例如純二氧化硅石英玻璃中加入了堿金屬氧化物后，對H+有較強的選擇性。最常見的是球形玻璃膜電極，其內參比電極常用Ag/AgCl電極。
其他陽離子玻璃電極：玻璃的組成成分對電極的離子選擇性影響很大，如在玻璃中加入鋁的氧化物制成鋁硅酸鹽玻璃薄膜后，會增加對除了H+以外的其他陽離子的選擇性。
玻璃電極使用起來比較煩瑣，如必須用水浸泡并防止污染等。
液膜電極：又稱為活動載體膜電極，它的敏感膜是以液體離子交換劑為敏感物質而形成的一種液態膜，內參比電極多為Ag/AgCl電極，用多孔惰性物質（如多孔玻璃、聚氯烯等）薄片為液膜的支撐體。
液膜電極常用于檢測Ca2+、、Mg2+、Cl-等離子，其響應速度快（<10秒），可干放保存，其中以聚氯乙烯（PVC）電極較多應用。 另外利用分子設計合成電中性化合物（中性載體）作為敏感膜的研究和應用也十分活躍，此材料如纈氨酶素電極能與被測離子形成絡合物，檢測的敏感性很高。 離子敏感場效應晶體管(ISFET) 離子敏感場效應晶體管是一種新型離子敏感器件,它具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、頻帶寬、全固態結構、體積小、機械強度大、響應速度快、可實現集成化和多功能化，是很有發展潛力的一類新型化學傳感器。 ISFET工作原理 ISFET的絕緣膜是裸露的或在晶體材料上面有一層敏感膜覆蓋，其電解質溶液直接與絕緣膜或敏感膜接觸，并在敏感膜界面上產生依賴于特定離子活度的界面電勢，進而使絕緣膜下的半導體溝道的電導率發生變化，從而得出被測離子活度。 ISFET的結構和分類 ISFET的封裝結構對它的工作穩定性和可靠性等可產生重要的影響，因而有必要了解一下ISFET的結構設計，這主要包括： 探頭式結構、探針式結構、導管復合式結構、背面引線ISFET結構、 SOS型結構。 (1)探頭式結構：有軟線式和硬桿式兩種，基本是將芯片粘在絕緣材料或敷銅板上，與電極引線連接好后，用硅橡膠或環氧樹脂包封制造，此結構由于采用的是印刷電路制作工藝，比較易于實現并有利于集成化。 (2)探針式結構：是采用Si的各向異性腐蝕技術，將ISFET器件制成針狀，將芯片裝在探針前端，在敏感膜以外區域用無機鈍化膜包封，這樣可做成端部寬度只有30~50μm的ISFET；另外用等離子蝕刻技術還可制成端部達10μm的ISFET。所以探針式結構的ISFET對微量試液如胃液、淋巴液、嬰兒血樣等的分析較為適用 。 (3)導管復合式結構：是將微型參比電極與ISFET芯片共同封裝在一個導管中，使得測量可以一次性完成，特別適用于體內液的測量。 （4）背面引線ISFET結構：此工藝是為避免采用平面工藝設計中容易引起的封裝困難、敏感膜容易被極化失效等缺點而設計的：將電極與敏感膜分別作在硅片兩面，使器件的化學敏感部分和電測量部分隔離。此結構性能較好，發展潛力較大，但還不太成熟。 (5)SOS型結構：是為了保證液體與晶體材料之間有良好的絕緣性而設計的，是以藍寶石為基底并在其上生成場效應管FET，然后在它們的表面覆蓋絕緣層的制作方法。此結構包封簡單，性能穩定且較為可靠。 氣體傳感器 醫學科研與臨床中常用的氣體傳感器有電化學氣體傳感器、半導體氣體傳感器。 電化學氣體傳感器 電化學氣體傳感器其設計原理是：當氣體在電極和電解質組成的電池中時，氣體與電解質反應或在電極表面發生氧化—還原反應，從而在兩個電極間輸出電壓或電流，而得到待測氣體濃度。其中電極多采用氣敏電極和氣體擴散電極兩種，前者用于測量溶解于溶液中的氣體含量，如血液中的O2、CO2等的含量；后者則能直接測量混合氣體中的可燃性或可氧化性氣體。此類傳感器在醫學中應用廣泛。 氣敏電極又可分為O2電極和CO2電極兩種。 溶液中的氧含量或稱氧濃度可用所含氧的體積或當量數表示，溶液中的氧含量一般決定于氧的分壓（PO2），其中PO2常用氧電極檢測。 氧電極的基本結構 參考電極為陽極，工作電極為陰極，兩電極進入試液中，并在二者間加上0.6~0.8V左右的電壓，經過一系列的氧化還原反應，電路中有電流產生，并且此電流值大小與PO2成線性關系，可以根據電流大小計算出PO2的值。 Clark氧電極 在Clark氧電極的基礎上有人又設計了一種陽極加熱型經皮氧電極。它利用加熱絲加熱皮膚至42℃~44℃，引起皮下小動脈擴張，皮下血流量增加，使得真皮上層的血液狀況接近于動脈血狀況，除了皮膚組織消耗的氧外，剩余的氧氣通過組織擴散到皮膚表面，可在皮膚表面測得此氧分壓來近似得到動脈血PO2。此種電極多應用于新生兒、嬰幼兒的氧監測。 CO2電極示意圖 半導體氣體傳感器 半導體氣體傳感器其原理是當半導體材料吸附某些氣體分子時，將產生電子遷移而使其表面電導發生改變，進而測得氣體濃度。 半導體氣體傳感器是一種靈敏度很高的器件（可達10-5~10-3），且結構簡單、壽命長，可檢測出含量非常低的有毒氣體和可燃性氣體。有電阻式和非電阻式兩種。 電阻控制型氣體傳感器是利用表面電阻或體電阻的變化來檢測氣體濃度的傳感器。主要用于C3H8、CH2、CO、H2、NO等可燃氣體檢測，它的靈敏度高、響應速度快且結構簡單。 非電阻型半導體氣體傳感器是利用半導體元件與氣體接觸后，諸如整流特性等特性改變而檢測氣體濃度的傳感器，其材料多采用金屬—半導體二極管、金屬—氧化物—半導體二極管等。Pd—MOSFET氣體傳感器對氫的靈敏度很高且選擇性好，是理想的氫氣傳感器。 生物傳感器 生物傳感器（Biosensor）是利用某些生物活性物質所具有的高度選擇性，來識別待測生物化學物質的一類傳感器。 生物傳感器是近年來出現的一類新型傳感器。 生物傳感器的本質 生物傳感器將生物體活性成分（酶、抗原、抗體、激素、DNA、受體等）或生物體本身（組織、細胞、細胞器）作為敏感元件，有很強的特異性和高度的敏感性，被稱為具有生物識別能力的化學傳感器。 生物傳感器的出現開創了醫學基礎研究與臨床中生化檢驗的新方法，可以檢測多達百種的生物化學物質，形成了活體內、無試劑、快速、可反復檢測及聯機在線測量分析的發展趨勢。 生物傳感器的分類 酶傳感器 微生物傳感器 組織傳感器 細胞器傳感器 免疫傳感器 酶傳感器 酶傳感器是由固定化酶與傳感元件兩部分組成的，其中酶是與適當的載體結合形成的不溶于水的固定化酶膜。 最常用的酶傳感器是酶電極，即將固定化酶膜與轉換電極做在一起，當酶膜與被測物發生催化反應而生成電極活性物質后，電極測定活性物質并將其轉換為電信號輸出。 酶電極 酶電極一般可根據電極檢測物理量的不同分為電流型和電壓型，前者一般有氧電極、H2O2電極等，后者有NH3、CO2、H2電極等。 較典型的一種酶電極為以Clark氧電極為基礎的葡萄糖酶電極。 葡萄糖酶電極結構示意圖 微生物傳感器 微生物傳感器也稱為微生物電極，它屬于酶電極衍生電極，因為除了生物活性物質不同以外，它們有相似的結構和工作原理。 微生物電極根據對氧的反應情況分為好氧性微生物電極和厭氧性微生物電極。前者利用氧電極或CO電極測定細胞的呼吸活性的變化來得出底物濃度，也稱為呼吸活性測定型傳感器；后者根據ISE電極測得微生物與被測物反應后生成的代謝產物如CO2、H2、H+等的濃度來測定底物濃度，也被稱為代謝物質測定型傳感器。 組織傳感器 組織傳感器是以動植物組織薄片材料作為生物敏感膜并利用酶組為反應催化劑的生物傳感器，也稱組織電極。 組織電極的工作原理類似于酶電極，但因為酶促反應存在于穩定的自然環境中，組織電極的酶活性比酶電極的離析酶活性高而且穩定性強，另外還不需要固定化等處理；但組織電極目前存在的問題就是其酶的選擇性和靈敏度不太理想，因此目前組織電極還未能形成產品。 組織電極按敏感膜材料可分為動物組織電極和植物組織電極。 細胞器傳感器 細胞器傳感器與組織電極一樣，細胞器傳感器并且是一種多酶電極。細胞器中的酶有較高的酶活性和穩定的狀態，將含所需酶的細胞器經過加工、分離，制成薄膜狀并固定，再與相應敏感電極結合構成細胞器傳感器。 例如將線粒體處理后的凝膠膜結合氧電極，利用其氧化磷酸化酶（電子傳遞粒子ETP）將NADH（輔酶Ⅰ）氧化，此過程消耗氧，通過測定氧含量就可測定NADH含量。 免疫傳感器 免疫傳感器是利用抗體對抗原的識別和結合功能，高選擇性地測定蛋白質、多糖類等高分子化合物的傳感器。 根據免疫反應的不同可分為非標記免疫傳感器和標記免疫傳感器。 非標記免疫傳感器也稱直接免疫電極。它的工作原理為：不使用任何標記物，根據蛋白質分子（抗原或抗體）攜帶大量電荷，當抗原抗體結合時會產生電導率、膜電位、離子濃度等若干電化學或電學的變化，根據這種變化可以檢測免疫反應的發生。 實際操作時可把抗體（或抗原）固定在敏感膜表面或金屬電極表面，然后檢測抗原—抗體復合物形成后膜或電極的電位變化，以此測定抗原的濃度。此種傳感器響應快速、操作容易，但靈敏度較低。 標記免疫傳感器也稱間接免疫傳感器。它的工作原理是：用酶、紅細胞、放射性同位素、金屬、噬菌體等作為標記物標記抗原，使標記抗原全部與等量抗體結合形成復合體；然后再取上述等量抗原、抗體再加入被測非標記抗原，由于標記抗原和非標記抗原與抗體發生競爭反應形成復合體，此時標記抗原量有所改變，以此變化測定被測非標記抗原量。由于可以取得較高的靈敏度，標記酶免疫傳感器的使用比較廣泛。因為酶具有化學放大作用，它可在半分鐘內使103~107個的底物分子轉變為產物。 § 5 傳感器技術的發展與展望 傳感器在醫學研究與臨床診治中占據著重要地位，隨著工程技術和醫學科學的進步，生物醫學傳感器也必將得到迅速發展。 目前對傳感器的研究方向有： 對各種新型傳感器的開發與研究； 對多功能傳感器的研究，它們可以被集成到一起，同時檢測多路信號； 對智能傳感器的研究，它是傳感器技術與計算機技術相結合的產物，目前正在開發的智能傳感器不僅能完成基本的傳感和信號處理任務，還有自診斷、自恢復及自適應的功能。 傳感器本身的開發研究也有兩個分支，一個是有關傳感器基礎的研究，即新技術和新原理的研究，主要集中在新材料和超微細加工技術方面；另一個是新型傳感器產品的開發，重點解決光技術的應用、微電子封裝技術和一次性芯片等。 目前熱門的研究課題有多功能精密陶瓷材料在傳感器中的應用、生物功能性物質在傳感器開發中的利用、微細加工技術制造超小型傳感器的研究等。 此外，發展化學傳感器和生物傳感器是傳感器技術發展的另一趨勢，尤其在生物醫學領域的更具實用性，有利于促進醫學基礎研究、臨床診斷和環境醫學的發展。

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生物醫學傳感器原理及應用 內容提要 1、醫用傳感器基礎 2、生物電檢測電極 3、常用醫用物理傳感器 4、化學傳感器和生物傳感器 5、傳感器技術的發展與展望 §1 醫用傳感器基礎 對傳感器的定義： 中華人民共和國國家標準(GB7665—87)對傳感器下這樣的定義： 傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉換元件組成。 國標中的定義強調了被測量信號按一定規律轉換成可用輸出信號，而且它給出了傳感器的結構信息，即它通常由敏感元件和轉換元件組成。 敏感元件是指能直接感測或響應被測量的部件。 轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感測或響應的被測量轉換成可用的輸出信號的部件，通常這種輸出信號以電量的形式出現。 信號調節和轉換電路是把傳感元件輸出的電信號轉換成便于處理、控制、記錄和顯示的有用電信號所涉及的有關電路。有人也稱這一部分電路為信號調理電路。 醫用傳感器（Biomedical Sensors） 醫用傳感器，顧名思義，它是應用于生物醫學領域的那一部分傳感器，它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現，因此，醫用傳感器可以定義為：把人體的生理信息轉換成為與之有確定函數關系的電信息的變換裝置。 人體生理信息有電信息和非電信息兩大類，從分布來說有體內的（如血壓等各類壓力），也有體表的（如心電等各類生物電)和體外的(如紅外、生物磁等） 醫用學傳感器的分類 傳感器的分類方法多種多樣，有按傳感器的工作原理分的，有按輸入信息的類型分的，也有按能量關系或輸出信號類型分的。醫學測量中往往按被測信號來分類，如脈搏傳感器、呼吸波傳感器等。 醫用傳感器按工作原理分類，大致可分為： 生物傳感器 生理信號檢測的特點 醫用傳感器用于人體生理信息檢測時，具有以下主要特點： 被測量生理參數均為低頻或超低頻信息，頻率分布范圍在直流～300Hz。 生理參數的信號微弱，測量范圍分布在uV～mV數量級。 被測量的信噪比低，且噪聲來源可能是多方面的。由于人體是一導電體，體外的電場、磁場感應都會在人體內形成測量噪聲，干擾生理信息的檢測。 人體是一有機整體，各器官功能密切相關，傳感器所拾取信息往往是由多種參數綜合而形成的。 醫用傳感器的數學模型 傳感器的設計、制造和應用，均需要研究傳感器的輸入與輸出的關系特性。 描述傳感器的輸入一輸出關系的數學表達式被稱為傳感器的數學模型，通常從傳感器的靜態輸入一輸出和動態輸入一輸出關系兩分面建立數學模型。 靜態模型 靜態模型是指靜態信號（輸入信號不隨時間變化或變化緩慢）情況下，描述傳感器的輸出與輸入量間的函數關系。在實際工程應用中，忽略蠕動效應和遲滯持性、它可以用多項式來表示為： 動態模型 動態模型是指傳感器在準動態或動態信號（即輸入信號隨時間變化）作用下，描述其輸出一輸入關系的數學表達式。 要精確地建立傳感器的動態數學模型較困難，工程上常利用近似方法，忽略次要因素。來簡化動態模型的建立。 醫用傳感器的基本特性 醫用傳感器的基本特性是指傳感器的輸出與輸入的關系特性，它是傳感器應用的外部特性，但是傳感器不同的內部結構參數影響或決定著它具有不同的外部特性。 醫用傳感器檢測的生理信息，基本上有兩種類型，即靜態量和動態量。靜態量是指不隨時間變化或變化甚為緩慢的量(如體溫)，動態量通常是周期性信號、瞬變或隨機的信號(如心電、血壓等)。 靜態特性 靜態特性表示傳感器在被測生理量處于穩定狀態時的輸出與輸入之間的關系特性，一般情況下，它呈現非線性關系。工程應用中，要求靜態特性盡可能呈線性。 衡量傳感器靜態特性的主要指標是線性度、靈敏度、遲滯、重復性、分辨力、零點漂移、溫度漂移等。 線性度指傳感器輸出隨輸入變化的線性程度，它用輸出量一輸入量的實際關系曲線偏離直線的程度來表示。 靈敏度是指傳感器在穩態下輸出變化對輸入變化的比值。 遲滯特性是指傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程期間輸出一輸入曲線的不重合程度。遲滯是由傳感器材料固有特性和機械上的不可避免的缺陷等原因產生的。 重復性是指傳感器在同一工作條件下輸入量按同一方向作全量程連續多次變動所得到特性曲線的不一致程度。產生重復性誤差的原因同樣是傳感器內機械缺陷引起的，如材料內的摩擦、間隙、積塵等。 動態特性 傳感器的動態特性是指傳感器對激勵(輸入)的響應(輸出)特性。具有良好的動態特性的傳感器，在動態(快速變換)的輸入信號作用下，不僅能精確地測量信號的帕值大小，而且能迅速準確地響應信號幅度變化和無失真地再現被測量信號隨時間變化的波形。 對醫用傳感器的基本要求 醫用傳感器作為傳感器的一個重要分支，其設計與應用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號的特殊性、復雜性，考慮生物醫學傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。 1.傳感器

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第十一章 生物傳感器  Biosensor 生物傳感器——利用生物活性物質選擇性的識別和測定各種生物化學物質的傳感器。是近年來出現的一類新型傳感器。  分子識別元件是利用某些生物活性物質識別和結合的特性制成的敏感元件； 信號轉換器是將各種生物的、化學的和物理的信息轉換為電信號。 二、生物傳感器的分類   按固定的生物活性物質的不同可分為：  六類 * 酶熱敏電阻的測溫方式 酶熱敏電阻的測量系統 * 三、光纖酶傳感器 高錕 生于1933年，2009年獲得諾貝爾物理學獎 “光纖之父” * 光纖傳感器組成： 光纖 生物敏感膜（探頭） 光電換能器 (c)單束光纖，生物敏感膜與光纖為一體 生物敏感膜 (a)雙束光纖 (b) 單束光纖， 生物敏感膜在端部 光纖生物傳感器信號轉換器的三種結構 光纖光學生物傳感系統 1.光纖生物傳感器的特點 抗干擾能力強，不受電磁場的干擾； 不用參比電極，可以微型化； 實現遠距離的遙測； 響應速度快，靈敏度高。 2. 光纖酶傳感器的工作原理 待測物質從樣品溶液中擴散到生物敏感膜時，在固定化酶的催化下生成一種待檢測的物質；當底物擴散速度與催化產物生成速度達成平衡時，即可得到一個穩定的光信號，依據光信號的大小與底物濃度的函數關系，得到底物的濃度，一般情況下光信號大小與底物濃度成正比。 3. 光纖酶傳感器的分類 按照換能器能量轉換方式的不同，分為化學發光型、光吸收型、熒光猝滅型、指示劑型和生物發光型。 （1）化學發光型 某些化學反應伴隨光子的釋放，釋放的光子即化學發光的強度與待測物的濃度呈線性關系。 但有些生化反應不能釋放光學信號，需要引入中間物，使其轉變成能進行光檢測的信號。 魯米諾（luminol），又稱發光氨、光敏靈。在堿性條件下能被許多氧化劑（例如H2O2，ClO-等）氧化而發出藍色的光，是研究最早、最多、應用最廣泛的發光試劑。 谷氨酰胺 谷氨酸+NH3 谷氨酸+O2+H2O α酮戊二酸+H2O2+ NH3 魯米諾+ H2O2 氨基鄰苯二甲酸+N2+hγ 谷氨酰胺酶 谷氨酸氧化酶 魯米諾+ H2O2 氨基鄰苯二甲酸+N2+hγ GOD氧化葡萄糖，生成的過氧化氫啟動魯米諾電化學發光，并通過光纖傳感器檢測發光信號。酶促反應和發光反應同時發生，因此傳感器響應非?？?。 魯米諾+ H2O2 氨基鄰苯二甲酸+N2+hγ （2）光吸收型 如果被測物A不具有光學活性，經酶催化后產生具有特征光吸收的產物P，或是被測物A具有特征光吸收特性而產物P不具備這種性質，便能通過反應前后吸光值的變化來測定底物。 * 利用固定化酯酶或脂肪酶催化反應，再通過生成物的光吸收值對底物濃度進行測定。對硝基苯酚在404nm波長有最大吸收峰。 （3）熒光猝滅型 由于熒光物質分子與溶劑分子相互作用引起熒光強度降低的現象稱為熒光猝滅。 使熒光強度下降的物質稱為熒光猝滅劑。 麥芽糖光纖傳感器：大腸桿菌細胞膜上分離出麥芽糖結合蛋白，這種蛋白被激發光激發時產生熒光，但與麥芽糖結合后，熒光活性猝滅。 （4）指示劑型 HPTS 是一種熒光染料，在450nm波長的光輻射下激發出515nm的熒光。 HPTS的熒光強度與溶液的pH有關，生物反應引起微環境的pH改變，從而引起HPTS 的熒光強度的改變，達到檢測的目的。 （5）生物發光型 是指生物體發光或生物體提取物在實驗室中發光的現象。由細胞合成的化學物質，在一種特殊酶的作用下，使化學能轉化為光能。 * 含有熒光素、熒光素酶，與ATP及氧一起反應，氧與熒光素結合時發生電子轉移，同時發生能量的變化釋放出熒光光

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