1、1,生物医学传感器Biomedical sensors,生物医学工程教研室,2,3,一、传感器在现代科学技术中的地位,121世纪是现代信息技术的时代，信息技术包括信 息采集、信息传输和信息处理。而信息采集需要 通过传感器来实现。2传感器作为测控系统中对象信息的入口、检测技 术的核心部件，在现代化的自动检测、自动控制 和遥控系统中是必不可少的部分：如果缺少了它， 自动化将无从谈起。,4,传感器技术广泛应用于航天航空、军事、工业、农业、医学、环境保护、机器人、汽车、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。 有人说：征服了传感器，几乎就征服了现代 科学技术。话虽夸
2、张，却说明了传感器技术 在现代科学技术中的重要地位。,5,4传感器技术在发达国家中深受重视：如美国 22 项国家长期安全和经济繁荣的关键技术中有6 项与传感器技术直接相关；保持武器系统质量优势的关键技术中有8 项为传感器技术；美国空军举出的15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术中，传感器技术名列第二，每年仅在生物传感器技术及产品开发研究方面投资额度约为13亿美元。早在上世纪80年代，日本就把传感器技术列为优先发展的十大技术之首。目前，我国也把传感器技术列为重点发展的技术之一。,6,现代信息产业的三大支柱:,传感技术、通信技术和计算机技术,感官 神经 大脑,传感器是信息采集的首要部件，鉴于其
3、重要作用，世界各国自20 世纪 80 年代开始都将其列为重点发展的关键技术,7,五官(眼、耳、鼻、舌、身） 大脑,传感器 电脑,物理量感知 化学量 生物量,电信号,8,传感器的物理含义:,传感器是指能将各种非电量转换成电信号的部件，这是因为电信号是最适合于传输、转换、处理和定量运算。,9,各种传感器：,10,11,12,传感器的作用就是测量。没有传感器，就不能实现测量；没有测量，也就没有科学技术。,生物医学测量的目的是为了获取生物医学有用信息，生物医学测量是各种生物医学仪器的基础。生物体是极其复杂的生命系统，用工程技术方法获取生物医学信息，通常采用适合生物医学测量的传感技术和检测技术来实现，这
4、是与普通测量相区别的。,13,科学研究中的计量测试、产品制造与销售中所需要的计量都要由测量获得准确的定量数据；在航空、航天技术领域，仅“阿波罗”10号飞船就有3000多个参数需要监测。,1信息的收集,传感器的测量主要表现在以下几个方面：,信息的收集、信息数据的转换、控制信息的采集。,14,在兵器领域中，现代引信实质就是完成引爆战斗任务的传感器系统，为了更好地解决安全、可靠和通用性问题，同时增强功能，目前采用几个传感器分别检测环境和目标信息。各国竟相研制的重要新型精确打击武器目标敏感弹更是以传感器为技术核心来获取各种信息，制导炮弹、各种导弹也是如此。,15,在工业生产中，传感器采集各种信息，起到
5、工业耳目的作用。例如，冶金工业中连续铸造生产过程中的钢包液位检测、高炉铁水硫磷含量分析，均由各种传感器为操作人员提供可靠的数据。此外，用于工厂自动化柔性制造系统中的机械手或机器人可实现高精度在线实时测量，从而保证产品的产量和质量，其测量需要各种传感器来完成。,16,2信息数据的转换 把文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或者读出记录在各种媒体介质上的信息并进行转换。例如，磁盘和光盘的信息读出磁头就是一种传感器。,17,3控制信息的采集 检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。,例如：排爆机器人
6、手动控制系统是智能排爆机器 人的辅助系统，在自动系统失效或其他需 要手动控制机器人运动状态时，实现对机 器人的控制。,18,再如：实时采集和传送环境数据室外温度、湿度、辐照度、风速、风向和雨量，二氧化碳浓度和水温，灌溉量、回流量、灌溉营养液pH等，生物数据包括叶面温度、采用智能、先进控制策略和算法智能玻璃温室环境气候自动调控，灌溉营养液自动控制；通过网络宽带技术，实现温室生物信息与环境信息的 远程实时监视和远程视频传输，以及温室主要设备状态 的远程控制。,19,1. 植物茎杆增长传感器,2. 果实增长传感器,3. 叶面温度传感器,4. 叶面湿度传感器,20,传感器在医学中的作用,医学研究和进行
7、疾病诊断都要求获得人体各方面的信息。如心脏疾病的诊断，它要求来自从系统到器官、组织、细胞、分子等各层次的信息，即心音、血压、心电、心肌组织信息等。实现这些生物信息的检测手段就是依靠各种各样的医用传感器（medical sensor ） 。,医用传感器就是感知生物体内各种生理的、生化的和病理的信息，把它们传递出来并转化为易处理的电信号装置。由于要采集的信号绝大部分是非电学量，传感器通常是将非电学量转换成电学量，所以又把传感器叫做换能器。,21,随着科学技术的发展，医学科学已进入崭新的阶段，从定性医学走向定量医学，从宏观的人体组织到微观的细胞和分子，生物医学传感器起了重要作用，它延伸了医生的感觉器
8、官，可帮助医生进行客观正确的定量分析。,如: 用压电传感器测手的微振动，测心室内部压力，测心内 瓣膜振动等； 用固态压阻传感器测指尖、桡骨和手腕等部位的脉压； 用电阻应变片测呼吸气流、脉象和肌肉力等。,22,医用传感器的用途有：,（1）提供诊断用信息：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。,（2）监护：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。如重症监护( ICU )。,23,（3）疾病治疗和控制：利用检测到的生理参数控制 人体的生理过程。例如自动呼吸器就是用传感 器检测病人的呼吸信号来控制呼吸
9、器的动作， 使之与人体呼吸同步。电子假肢就是用测得的 肌电信号控制人工肢体的运动。体外循环中的 血流、血压控制等。,（4）临床检验：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，即生化检验信息。它是利用化学传感 器和生物传感器来获取，是诊断各种疾病必不 可少的依据。,24,MB3型脉搏波传感器,MB4型脉搏波传感器,MB5A型脉搏波传感器,RM2型口鼻气流传感器,QD1型口鼻气流传感器,YXF2型胸腹部呼吸运动波形传感器,25,MB-5B耳夹型脉搏波传感器,MB6型鼠尾脉搏波传感器,XY6型心音传感器,DXF1型胸腹部呼吸运动波型传感器,GXF4型胸腹部呼吸
10、运动波形传感器,NXF5型胸腹部呼吸运动波型传感器,26,BXF6型胸腹部呼吸运动波型传感器,HS2型鼾声传感器,TW2型体位传感器,TD2型腿动信号传感器,SD-1液滴计测传感器,YH5型生理压力传感器,27,GS-2型子宫收缩传感器,CL3型触点力传感器,JH2型肌张力传感器,TXY-3型超声多普勒胎儿心音传感器,XJ2型心肌张力、胃肠蠕动测量传感器,DY2型浅表动脉血流超声多普勒,28,三、传感器的定义,能感受 ( 或响应 ) 规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，称为传感器。传感器通常由敏感元件、传感元件和电子线路组成。,29,对疾病进行治疗前，首先需要获得人体的生
11、理、病理信息，从系统到器官、组织、细胞、分子等各个层次的信息。生物医学传感器就是获取这些信息的器件，它感知生物体内各种生理、生化和病理信息，并把这些信息传递出来转换为容易处理的电信号。,生物医学传感器是医学测量仪器的第一个环节，它替代医生的感觉器官（视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉），把医生的定性感觉变为定量测量，决定着医学仪器的测量原理和结构设计。,30,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 传感元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。 电子线路，由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等。,31,随着半导
12、体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。,传感器输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。,32,四、传感器的分类,传感器种类繁多, 功能各异。由于同一被测量可用不同转换原理实现探测, 利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器, 而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域, 故传感器有不同的分类法。,33,（1）按工作原理分类,传感器,物理传感器化学传感器生物传感器,物性型传感器结构型传感器,34,
13、（2） 按敏感材料分类： 如半导体、电陶瓷、有机材料、光纤、金属（3）按检测对象和效应分类： 如光、磁、温度、流量、声学量（4）按输出信号分类：模拟和数字,35,（5）按能量传递方式分类：,A能量转换型： 被测能量直接转换为输出能量。 亦称为有源传感器 (传感器工作需外加电源)。,如：膜式压力传感器 压力位移,如：压电传感器压力电荷,36,B 能量控制型：由外部被调制信号供给传感器 能量，而由被测量控制输出能量。属无源传 感器(传感器工作无需外加电源)。,如：霍尔传感器,37,根据传感器感知外界信息所依据的基本效应, 可以将传感器分成三大类: 物理传感器：基于物理效应如光、电、 声、 磁、 热
14、等效应进行工作的传感器; 化学传感器：基于化学反应如化学吸附、选择性 化学反应等进行工作的传感器; 生物传感器：基于酶、抗体、激素等分子识别功 能的传感器。,按工作原理分类也是按信号变换效应分类：,38,1物理传感器（physical sensor ）,物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号和输人的信号有确定的关系。,39,按工作原理分类： 应变式传感器 电容式传感器 电感式传感器 压电式传感器 磁电式传感器 热电传感器 光电传感器,从被测量量分类： 位移传感器 压力传感器 振动传感器 流量传感器 温度传感器
15、热电传感器 光电传感器,物理传感器,40,由于一种被测量量往往可用数种工作原理不同的传感器来检测，所以物理传感器的名称常常是在被测量量前加上不同工作原理的定语，如： 应变式压力传感器 压阻式压力传感器 压电式压力传感器,41,例子: 光电式传感器,这种传感器把光信号转换成为电信号，它直接检测来自物体的辐射信息，也可以转换其他物理量成为光信号。原理：光电效应当光照射到物质上的时候，物质上的电效应发生改变，这里的电效应包括电子发射、电导率和电位电流等。,42,主要部件：能够容易产生这样效应的器件如光敏电阻。工作流程：接受相应的光的照射，通过类似光敏电阻这样的器件把光能转化成为电能，通过放大和去噪声
16、的处理，就得到了所需要的输出的电信号。输出电信号和原始的光信号有一定的关系，通常是接近线性的关系，这样计算原始的光信号就不是很复杂了。其他物理传感器的原理都可以类比于光电式传感器。,43,血压测量是医学测量中的最为常规的一种。通常的血压测量都是间接测量:通过体表检测出来的血流和压力之间的关系，从而测出脉管里的血压值。,44,测量血压所需要的传感器通常都包括一个弹性膜片，它将压力信号转变成为膜片的变形，然后再根据膜片的应变或位移转换成为相应的电信号。在电信号的峰值处我们可以检测出来收缩压，在通过反相器和峰值检测器后，我们可以得到舒张压，通过积分器就可以得到平均压。,45,呼吸测量技术。呼吸测量是
17、临床诊断肺功能的重要依据，在外科手术和病人监护中都是必不可少的。比如在使用用于测量呼吸频率的热敏电阻式传感器时，把传感器的电阻安装在一个夹子前端的外侧，把夹子夹在鼻翼上，当呼吸气流从热敏电阻表面流过时，就可以通过热敏电阻来测量呼吸的频率以及热气的状态。,46,体表温度测量:虽然看起来很容易，但是却有着复杂的测量机理。体表温度是由局部的血流量、下层组织的导热情况和表皮的散热情况等多种因素决定的，因此测量皮肤温度要考虑到多方面的影响。,47,热电偶式传感器被较多的应用到温度的测量中;有杆状热电偶传感器和薄膜热电偶传感器。由于热电偶的尺寸非常小，精度比较高的可做到微米的级别，所以能够比较精确地测量出
18、某一点处的温度，加上后期的分析统计，能够得出比较全面的分析结果。这是传统的水银温度计所不能比拟的，也展示了应用新的技术给科学发展带来的广阔前景。,48,2化学传感器（chemical sensor ）,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。 化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。,49,在人类的感觉中，视觉、听觉和触觉获取的是物理信息，与之相关的传感器被分类为物理传感器。嗅觉、味觉获取的是化学信息，称为化学传感器。 人的嗅觉和味觉，即人的化学感觉有种种局限，它对许
19、多有味物质的感觉比较迟钝同时能感觉的化学对象的种类亦有局限。 比如人的嗅觉不能识别有毒的一氧化碳，因而常常在不知不觉中中毒。,50,种类繁多的化学传感器的出现，突破了人的感官的局限，使人类的化学感觉在广度上和深度上都得到了延伸。 简单而言，化学传感器是模仿人类化学感觉器官的人造仪器。 例如，半导体气味传感器对人鼻嗅之无味的一氧化碳，其检测灵敏度可低至百万分之几，这一数值远低于空气中允许存在的一氧化碳浓度。安装这样的传感器可有效地防止一氧化碳中毒。,51,化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官如图,52,化学传感器按传感方式，可分为:接触式与非接触式。,化学传感器的结构形式有两种： 一种是分离型
20、传感器。如离子传感器，液膜或固体膜具有接受器功能，膜完成电信号的转换功能，接受和转换部位是分离的，有利于对每种功能分别进行优化； 另一种是组装一体化传感器。如半导体气体传感器，分子俘获功能与电流转换功能在同一部位进行，有利于化学传感器的微型化。,53,化学传感器的应用,1、湿度传感器,湿度是空气环境的一个重要指标，空气的湿度与人体蒸发热之间有着密切关系，高温高湿时，由于人体水分蒸发困难而感到闷热，低温高湿时，人体散热过程剧烈，容易引起感冒和冻伤。人体最适宜的气温是18220C，相对湿度为35%-65%RH。,54,数字温湿度传感器,JCJ100M军用湿度传感器,RHI系列湿度模块,55,在环境
21、与卫生监测中，常用湿球温湿度计、手摇温湿度计和通风温湿度计等仪器测定空气湿度。,近年来，用于测定相对湿度的涂覆压电石英晶体传感器，通过光刻和化学蚀刻技术制成小型石英夺电晶体，在AT切割的10MHz石英晶体上涂有4种物质，对湿度具有较高的质量敏感性。该晶体是振荡电路中的共振器，其频率随质量变化，选择适当涂层，该传感器可用于测定不同气体的相对湿度。,56,1986年，德国提出了一种测定湿度用的传感器。该传感器采用以硅为基体的金属一绝缘体半导体(MIS)型结构。在MIS型结构中涂有二氧化硅和湿敏层，湿敏层的材料包含有金属氧化物、氧化物以及低极性组分的聚合物。湿敏材料的吸水量与湿敏材料的相对介电常数的
22、变化有关，该传感器可用准表态和支态两种方法进行测定，不过前者比后者更为方便省力，在空气调节系统、建筑工地和日常生活环境中都能监测、控制和调节湿度。,57,氧化钽薄膜湿敏电容，是一种稳定性好，调节十分方便的通用湿度控制器。这种传感器可用于恒湿箱、计算机房、防湿机等许多场合的空气湿度监测，是一种性能价格比很高的通用型湿度传感器。,58,利用磷酸盐涂膜的感湿性研制出性能十分可靠的湿度传感器。传感器工作期间，由于磷酸盐涂膜表面吸附水分而产生的离子在电极间来回运动，致使传导发生变化，从而显示感湿性。若对传感器元件加以交流负荷，则可借检测阻抗的变化测定出空气湿度。该传感器体积小，可封闭在注射器针管内，利用
23、针尖可插人狭窄的被测处，使用方便，检测迅速，还可用于露点测定。,59,2、氧化氮传感器,氧化氮是氮的各种氧化物所组成的气体混合物的总称，常以NOx表示。在氧化氮中，不同形式的氧化氮化学稳定性不同，常用的是化学性质相对稳定的一氧化氮和二氧化氮，它们在卫生学上的意义较其他形式氧化氮更为重要。,60,用交指型栅极电极场效应晶体管的微电子集成电路与化学活性电子束蒸镀酞花青铜薄膜相结合，获得了新型气体敏感微传感器，可选择性检测mg/m3级二氧化氮和二异丙基磷酸甲基醋(DIMP)。它利用电压脉冲激发传感器，测量时域和频域响应，测定的峰形与归一化差分傅里叶变换频谱有关，能清晰地区分二氧化氮和DIMP 的响应
24、，每个峰面积可以相应地反映出传感器对特定气体浓度的灵敏度。,61,3、硫化氢气体传感器,硫化氢是一种无色、具有特殊腐蛋臭味的可燃气体，具有刺激性和窒息性，对人体有较大危害。目前大多用比色法和气相色谱法测定空气中硫化氢。,62,对含量常常低至mg/m3级的空气污染物进行测定是气体传感器的一项主要应用，但在短时期内半导体气体传感器还不能满足监测某些污染气体灵敏度和选择性要求。利用掺银薄膜传感器监测实验室和城市空气中的硫化氢。该传感器阵列由四个传感器构成，通过基于固化滴定的通用分析装置和半导体气体传感器阵列的信号，同时记录二氧化硫和硫化氢浓度，在 150下以恒温方式工作的掺银薄膜传感器用于监测城市空
25、气中的硫化氢含量，效果良好。,63,4、二氧化硫传感器,二氧化硫是污染空气的主要物质之一，检测空气中二氧化硫尝试是空气检验的一项经常性工作。应用传感器监测二氧化硫。从缩短检测时间到降低检出限，都显示出极大的优越性。,64,利用固体聚合物作离子交换膜，膜的一边含对电极和参比电极的内部电解液，另一边插人铂电极，组成一种二氧化硫传感器。该传感器安装在流通池中，在 0.65V 下氧化二氧化硫。指示出二氧化硫的量。该传感装置电流灵敏度高。响应时间短，稳定性好，本底噪声低，线性范围达0. 2mmo1/L，检出限为8 10-6 mmol/L，信噪比为3。该传感器不仅可以测定空气中的二氧化硫，还可用于测定低电
26、导率液体中的二氧化硫。,65,有机改性硅酸盐薄膜二氧化硫气体传感器的气敏涂层是利用溶胶工艺和自旋技术制作的，对二氧化硫的测定具有良好的重现性和可逆性，响应时间不到20s，对其他气体的交感小，受温度和湿度影响小。,66,目前，化学传感器的研究受到了广泛的关注，由于其具有灵敏度非常高，选择性好，携带方便，易微型化，能用于现场分析和监控等特点，因此在矿山开发、石油化工、生物医学及日常生活中越来越多的被用来作为易燃，易爆，有毒，有害气体的检测预报和自动控制装置，或用来测定多种含量极低的物质，甚至可以测量细胞中的离子浓度。医学上采用化学传感器作病情诊断及治疗过程的自动控制。生产和生活各个领域对化学传感器
27、的广泛要求，使得化学传感器的研究和开发一直十分活跃，并表现出非常广阔的应用前景。,67,例如：光化学传感器是近年发展起来的一种新型微量和痕量分析技术，它是把特定的化学物质的种类和浓度变成电信号来表示的功能元件。主要是利用光敏感材料与被测物质中的分子、离子或生物物质相互接触时直接或间接地引起电极电势等电信号的变化，使得很少的化学物质加入体系后，会有放大了许多倍的信号被检出，借此可以获得某种化学物质的浓度。根据不同的应用课题，人们可以设计出各种各样的化学传感器。,68,69,放射性气溶胶监测仪组成示意图,70,71,3生物传感器（biosensor）,生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信
28、号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。,72,生物传感器的分类：,根据敏感物质分类：酶传感器免疫传感器微生物传感器组织传感器细胞传感器DNA传感器,根据信号转换器分类：热敏生物传感器场效应管生物传感器压电生物传感器光学生物传感器电化学生物传感器声波道生物传感器酶电极生物传感器介体生物传感器,73,生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部分去识别被测目标，
29、是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件，如图所示。,74,分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。能够选择性地分辨特定物质的有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。 在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。,识别元件的选择,75,生物体中根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化，去选择转换部分（换能器），是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量，去选择适
30、当的换能器。生物化学反应过程产生的信息是多元化的，而微电子学和现代传感技术的成果为检测这些信息提供了丰富的手段。,换能器的选择,76,生物传感器的基本结构如下图所示。它是一种利用生物的因子或生物学原理来检测或计量化合物的装置。,换能器,识别元件,77,利用纯化的酶、免疫系统、组织、细胞器或完整细胞作为催化剂，这些催化剂通常被固定化制成膜并与物化仪器相结合使用。物化仪器用来监测欲进行分析的物质在固定化催化剂的作用下所发生的化学变化（如浓度的变化；一些气体如氨和氧气的排放或吸收；光的释放、吸收或反射；热的释放；生物质的改变等等），然后换能器通过电化学、热学、光学或压电学的方法将这个信号转变成可以测
31、量的信号并转换成电信号。,78,五、医用传感器的特点和要求,生物体是一个有机整体，各个系统和器官有各自的功能和特点，但又彼此依赖，互相制约。观察到的信息既表现了被测系统和器官的特征，又受其他系统和器官的影响，往往是多种物理量、化学量和生物量的综合。,医用传感器的任务是从这种综合信息中提取欲测量的量，并把它变换为电信号。因此，医用传感器应具备以下特性。,79,1医用传感器的特点,（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）良好的线形和快速响应，以保证输出信号变 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 环境的影响小而
32、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。,80,2医用传感器的要求,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下列要求：（1）传感器必须与生物体内的化学成分相容。要求 它既不被腐蚀也不给生物体带来毒性。（2）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，不给生理 活动带来负担，也不应干扰正常生理功能。,81,（3）传感器和人体要有足够的电绝缘，即使传 感器损坏情况下，人体受到的电压必须低 于安全值。（4）对植入体内长期使用的传感器，不应对体 内有不良刺激。（5）传感器在结构上便于消毒。,82,3生物医学测量仪器
33、,生物医学测量仪器从简单意义上看是代替医生的手和五官获取病人的各种信号。,对于大多数生物医学检测仪器来说，不管它多么复杂，一般都可以分解为三个主要部分：传感器（包括电极）、放大器和测量电路、数据处理和显示装置，如下图所示：,83,生物医学测量仪器组成部分示意图,有些测量仪器还包括治疗仪器和基于网络的数据传输部分，组成更完善的现代生物医学测量仪器。,84,传感器的功能是把各种生理信息转换成可供测量的电信号或其他可用信号，而电极的功能主要是把各种生物电信号转换成可供测量的电信号。可见，传感器是生物医学测量的前提。,生物电信号：心电、脑电、肌电等。,非电量参数：体温、血压、呼吸、血流量、 脉搏、心音
34、等,非电量物理参数：温度、压力、流量、频率、 力、位移等,85,放大器及测量线路的功能是把传感器所获得的微弱信号加以放大、转换、去伪存真，从而得到数据处理和显示装置可以处理的信号。,数据处理和显示装置对于现代化仪器，一般用计算机完成数据的记录、储存、计算或显示。,测量各种生理参数的目的是为了获得与医疗、保健有关的诊断根据，并从生理学方面进行结构和功能的分析。,86,从测量技术上来说，生物医学测量属于强噪声背景下的低频微弱信号的测量，被测信号是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。从信号本身到测量方式都不同于工程上的电子测量。,生物体是工程中任何系统都不能相比拟的极为复杂的系统，至今尚未被人类完
35、全认识，因此，生物医学测量是未知因素多、复杂性高的测量。,87,人体测量控制系统的两种模式：,开环系统: 大部分医疗仪器,闭环系统:现代医疗仪器,88,六、医用传感器的发展趋势,传感器产业是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。,1我国传感器技术及其产业取的进步,（1）一是建立了“传感技术国家重点实验室”、“微 米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工 程中心”等研究开发基地。,89,（2）MEMS（微电子与微机械的结合） 、 MOEMS（MEMS与微光学的结合）等研究 项目列入了国家高新技术发展重点。（3）在“九五”国家
36、重点科技攻关项目中，传感器技 术研究取得了51个品种86个规格的新产品。（4）初步建立了敏感元件与传感器产业，2000年总 产量超过13亿只，品种规格已有近6000种，并 已在国民经济各部门和国防建设中得到应用。,90,（5）全国已有1688家企事业单位从事传感器的研制、 生产和应用，其中从事 MEMS 研制生产的已有 50多家。目前全行业正在执行“十五”计划， MEMS 等 5 项新型传感器已列入研究开发的重 点。2004年，产品产销量继续增长，到“十五” 期末，敏感元器件与传感器年总产量达到20亿 只，销售总额达约120亿元。,91,医用传感器的发展趋势,（1）向高精度发展 随着自动化生产
37、程度的不断提高，对传 感器的要求也在不断提高，必须研制出具有 灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性 好的新型传感器以确保自动化生产和控制的 准确性。,92,（2）向高可靠性、宽温度范围发展 传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干 扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器 将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题， 大部分传感器其工作范围都在-2070，在军 用系统中要求工作温度在-4085范围，而汽 车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此 发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。,93,（3）提高集成化及功能化程度 集成化是实现传感器小型化、智能化和多功能化的重要保证，现已能将敏感
38、元件、温度补偿电路、信号放大器、电压调电路和基准电压等单元电路集成在一芯片上。根据需要，今后将把超大规模集成电路、执行机构与多种传感器集成在单个芯片上，以实现传感器与信息处理功能的一体化。,94,（4）向微型化发展 各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个 部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积 也是越小越好。微机电系统（MEMS）是一种轮廓尺 寸在毫米量级，组成元件尺寸在微米量级的可运动 的微机电装置。微机电系统与微电子技术的结合， 为实现信号检测、信号处理、控制及执行机构集于 一体的微型集成传感器提供了可能，它们在生物、 医学、通信、交通运输、军事、航天及核能利用等 领域有非常重要的
39、应用价值。,95,（5）向微功耗及无源化发展 传感器一般都是非电量向电量的转化，工 作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地 方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开 发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展 方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿 命。目前，低功耗损的芯片发展很快。,96,（6）向智能化数字化发展 随着现代化的发展，传感器的功能已突破传 统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号， 而是经过微电脑处理好后的数 字信号，有的甚至 带有控制功能，这就是所说的数字传感器。,智能化传感器将数据的采集、存储、处理等一体化，它自身必须带有微型计算机，具备自诊断、远距离通信、自动调零点和量
40、程等功能。,97,（7）向多维化发展 一般的传感器只限于对某一点物理量的测量，而利用电子扫描方法，把多个传感器单元做在一起，就可以研究一维、二微、三维空间的测量问题，甚至向包括时间系的四维空间发展。X-CT 就是多维传感器的实例。,98,（8）向新功能材料发展 传感器技术的发展是与新材料研究开发密切结合在一起的，可以说，各种新型传感器孕育在新材料中，如高分子压电薄膜的出现，使机器人的触觉系统更加接近人的皮肤功能。可以预测，不久的将来，高分子材料、金属氧化物、超导体与半导体的结合材料、超微粒陶瓷、记忆合金、功能性薄膜等新型材料，将会导致一批新型传感器的出现。,99,（9）向新工艺发展 在发展新型
41、传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新兴传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域，例如蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体沉积、光刻等，迄今已有大量采用上述工艺制成的传感器的国内外报道。,100,（10）多传感器信息融合 多传感器信息融合是指来自多个传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理，从而产生新的有意义的信息，而这种信息是任何单一传感器所无法获得的。 西方发达国家在20世纪80年代中期，开始广泛开展多传感器信
42、息融合技术的研究与运用，现在已研制出“多传感器多平台跟踪情报相关处理”等近百种多传感器信息融合系统。 国内在20世纪90年代初才开始，现已研制出少量的初级多传感器信息融合系统。,101,BME研究的趋势,传感器研制 医学影像系统 心脑血管辅助装置的研究 新型肿瘤检测、治疗装置 医学人工智能和医学专家系统,碳纳米管技术,人工肌肉,102,无创或微创诊疗技术 康复医疗装置 意外事故的防护装置 人工环境，微小气候的研究 生物材料及其制品的研究,人工胃,人工骨,103,生物医用传感器,高可靠、少损伤或无损伤 、微型化、重复性好、由模拟量尽可能的转化为数字量信息输出、组织相容性好、寿命适易、容易制造,纳
43、米管技术,104,“对生物医学工程最具有挑战性的目标之一，是它所开发研究的技术支持系统可使一个生理系统的受损功能和能力缺陷得到完全恢复，而最后做成这样一个装置，使患者使用时并不感到它的存在”,105,3医用传感器的发展动向举例,（1）多功能精密陶瓷与传感器,硅半导体材料(最成熟的材料),力敏传感器,扩散电阻型传感元件,PN结、二极管的温度传感器,106,制作: 它是使用、精选的原料在预先周密制定的化学组成 方案基础上经过高精度成型烧结后制作出来的。特点: 它是一种多功能陶瓷，并充分发挥了陶瓷材料固有 的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性、 硬度特性和电特性， 弥补了硅或锗半导体温度上限较低的缺点，扩展了
44、 传感器的应用范围。,精密陶瓷材料,举例：多种陶瓷气敏传感器、湿敏传感器，热敏电阻 传感器。,107,（2）生物多功能性质与传感器,在新材料研究中生物功能性物质（也称分子识别物质）的研究在发展仿生传感器中引人注目。,模仿生物体中的物质膜，现已研究出利用抗原抗体结合使膜电位变化的人工功能性膜（免疫膜），以及由于固定于膜上的生物受容物质的选择吸收被测物质后而形成复合体性质的膜（酶膜）。,108,利用这种人工功能性膜研究开发的生物传感器，在医学中已用于测血糖、乳酸、免疫球蛋白G（IgG)、甲胎蛋白(AFP)、脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)和神经递质等。有人提出用阵列电极或复合酶电极同时识别多种化学物质以实现和人的五种感觉相媲美的生物传感器。,
