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医用传感器及应用•医用传感器BiomedicalSensors，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）第一节医用传感器的基本概念生物传感器生理参数利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质利用材料的物理变化物理传感器非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）生物电电极电学量参数利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号化学传感器一、医用学传感器的分类二、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。三、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。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。；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。四、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。•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。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•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。•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，•利用电极向生物体导入电信号，这一类电极称为刺激电极。＋＋＋＋＋＋＋-------生物电检测电极示意图机体外机体内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。ZnZnSO4•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。电极的本质电极的极化•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。生物电电极的分类生物电电极宏电极微电极体表电极体内电极金属微电极玻璃微电极宏电极和微电极•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。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。皮肤的角质层极薄（40μm），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。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／AgCl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。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。经皮注射式针电极（a）和丝电极（b）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。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。3.1压力的测量和压力传感器•医学常用的压力参数有：血压、颅内压、眼内压、肠内压、肺泡压等，其中最常规的测量内容是血压(BloodPressure,BP)。•医学上测量的血压有动脉压、静脉压和心内压（包括心室压、心房压）等，每种压力信号又包括：收缩压、舒张压、平均压。•压力传感器是检测人体内各种生理压力参数的传感器，在基础医学、临床诊断中应用十分广泛。•对血压的测量方法有直接测量和间接测量。•直接测量血压的传感器包括液体耦合式传感器、导管端部传感器等。•间接测量血压的方法是科氏音法。液体耦合系统及传感器•这是直接测量血压的最简单的方法，是将充满液体的导管插入到被测体内待测部位，通过导管内流体的耦合，将体内导管端部位置的压力信息传递到导管另一端的压力传感器内，这是临床和科研中广泛应用的一种成熟而可靠的常规手段。液体耦合系统及传感器•通常使用一根不能透过X光线的聚乙烯导管，经皮插入臂静脉或锁骨下的大静脉中。•近些年来较常用的是末端带有可充气气球的双腔导管或四腔导管，即所谓漂浮导管，它特别适合于测量肺动脉压。•当插入到静脉中适当位置时，将气球充气，由于静脉血的回流造成气球的漂移，带动导管进入右心房、右心室或肺动脉等指定位置。•通常这种测量都要求在X光机的监视下进行，以确保导管进入到指定的位置。液体耦合系统及传感器临床常见的心导管（a）端部开口型（b）侧孔型（c）双腔型（d）带充气气球型•液体耦合式传感器的基本结构包括一个弹性膜片，通过将压力信号转变成膜片的变形，再根据膜片的应变或位移，通过敏感部件转换成相应的电信号输出。液体耦合式血压传感器导管端部传感器•为克服液体耦合式传感器的缺点，人们将压力传感器放置在导管端部，将待测部位的压力信号转变为相应的信息传递出去。此方法在一定程度上避免了液体耦合系统中信号的失真，可分为以下几种。导管端部传感器•(1)电阻式传感器•(2)电感式传感器•(3)光纤式传感器导管端部传感器（1）•最早的电阻式导管端部压力传感器是1898年报道的，它是在导管端部装有一充满电解液的小圆筒。一端是弹性膜片，上面安置了一个电极，在附近的位置设置了一固定的电极。当压力改变时，会使得这两电极间的相对位置改变，即改变了极间的电阻值。导管端部传感器（1）导管端部的侧面开有一膜片窗口，它将外界压力变化传递到硅片上。在两硅片中间，用绝缘的胶合剂固定了一根金属隔片，当受到压力造成弯曲时，，以中间金属片为中心面，两硅片产生相反的应变变形，两硅片阻值的变化方向相反。以两硅片阻值作为测量电桥相应的桥臂，则可测出外界的压力变化。导管端部传感器（2）•当压力改变时，膜片的位移使得铁心在螺管中的位置左右变化，改变了螺管的电感量。左侧是高导磁材料制成的铁心，右侧为有机玻璃制成的虚拟铁心，以达到温度补偿的目的。导管端部传感器（2）•通常把螺管接成调频振荡器的一部分，当压力增大造成高导磁铁心进入螺管，使螺管的电感增加时，则振荡器输出的频率变化就反映了位移的变化，只要铁心移动距离较小，频率的变化与两薄膜间的压力差就近似呈正比关系。•由于这种传感器的质量很小，所以其频响到100Hz以上还很平坦，这就可以同时测出心腔内血压和心音两种信号。由于心音信号频率较高，故可以用低通和高通滤波器将这两种信号分开。导管端部传感器（3）•用于人体直接压力测量的光纤压力传感器的前端用液晶作为压力敏感元件，液晶受压使得入射光