生物医学传感绪论

生物医学传感器

与测量

石增良

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当前第1页\共有79页\编于星期四\19点课程的地位与特点

生物医学工程核心内容：医疗仪器战略性新兴产业

生物医学传感器关键组成部分

《生物医学传感器与测量》是生物医学工程专业的主要专业基础课程。当前第2页\共有79页\编于星期四\19点学习资料参考教材：《生物医学传感器原理及应用》-----彭承琳主编，九五国家级重点教材，2000年版高等教育出版社当前第3页\共有79页\编于星期四\19点参考书：

1.《医用传感器》-----普通高等教育，陈安宇主编，“十一五”国家级规划教材，第二版，2008年2.《现代生物医学传感技术》------浙大王平主编，第二版，2005年版当前第4页\共有79页\编于星期四\19点相关期刊：中国医疗器械世界医疗器械中国生物医学工程学报中国医学物理杂志医疗卫生装备传感器技术传感技术学报仪表技术与传感器BiosensorsandBioelectronics

BioMedicalEngineeringOnLine

Journal

SensorsandActuators

NatureScience当前第5页\共有79页\编于星期四\19点网上资源：当前第6页\共有79页\编于星期四\19点总学时：48学时学分：3学分课程性质：专业必修课教学安排：考核形式：理论考试占70%，平时成绩占30%。考试：期中测验、期终考试。平时成绩：学习态度、平时作业等。当前第7页\共有79页\编于星期四\19点生物医学测量系统传感器被测对象转换成数字量微机接口预处理微机显示、记录、传播控制器治疗当前第8页\共有79页\编于星期四\19点二、传感器的发展方向第一章生物医学传感器概论三、开发新型传感器的途径四、传感器的地位与用途一、传感器的定义五、生物医学传感器的分类六、生物医学传感器的特殊性当前第9页\共有79页\编于星期四\19点

一、传感器的定义当前第10页\共有79页\编于星期四\19点电子秤动画演示一、传感器的定义当前第11页\共有79页\编于星期四\19点自动门动画演示一、传感器的定义当前第12页\共有79页\编于星期四\19点电冰箱NTC温度传感器PTC温度传感器一、传感器的定义当前第13页\共有79页\编于星期四\19点传感器——感觉，感知（Sensor、Transducer）眼（视觉）

耳（听觉）

鼻（嗅觉）皮肤（触觉）

舌（味觉）感知外界信息→大脑→肌体当前第14页\共有79页\编于星期四\19点人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。传感器外界信息感官大脑肌体计算机执行机构人机系统的机能对应关系一、传感器的定义当前第15页\共有79页\编于星期四\19点能感受规定的被测量并按一定规律将其转换成有用信号输出的器件或装置，称为传感器（Sensors）

。国家标准（GB7665-87）对传感器下的定义是：注意：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。

传感器名称：换能器、转换器、传送器、变换器等当前第16页\共有79页\编于星期四\19点工作机理---敏感元件，传感器技术的核心，是研究、设计、制作传感器的关键目的---是测量装置，目的是获取信息输出信号---通常是适于测量的电信号。从三个方面来理解与把握：传感器定义的理解当前第17页\共有79页\编于星期四\19点

传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、电子线路传感器的组成辅助电源敏感元件转换元件电子线路被测量电量当前第18页\共有79页\编于星期四\19点1.敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；2.转换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。3.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。当前第19页\共有79页\编于星期四\19点例子1气体压力传感器示意图1-壳体2-膜盒3-电感线圈4-铁芯5-测量电路测量电路PPa2023/6/420当前第20页\共有79页\编于星期四\19点ABT

热电偶原理示意图例子2TT0AB当前第21页\共有79页\编于星期四\19点传感器技术大体可分三代：第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号第二代是上世纪70年代发展起来的固体型传感器第三代传感器是刚刚发展起来的智能型传感器二、传感器的发展动向当前第22页\共有79页\编于星期四\19点二、传感器的发展动向1、发展集成化、多功能化传感器一是具有相同功能的传感器集成化，即将同一类型的单个传感器元件集成在同一平面排列，形成一维的线性传感器，从而对一个点的测量变为对一个面和一个空间的测量。如CCD图像传感器。二是将不同功能的传感器集成化，从而使一个传感器可以同时测量不同类型的多个参数。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。多功能化另一层含义：即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。当前第23页\共有79页\编于星期四\19点2、发展图像传感器

图像传感器可以提高人眼的视觉范围，使人们看到肉眼无法看到的微观世界和宏观世界，看到超出肉眼视觉范围的各种物理、化学变化过程，生命、生理、病变的发生发展过程等。获取一个被测源的全部信息(传“像”）获取一个点的信息因此，要求传感器能将物体具有二维、三维或四维（包括时序）的图像转换成电信号，即所谓的“图像传感器”当前第24页\共有79页\编于星期四\19点如：红外成像技术（热图像）、超声成像技术（声成像）、X射线成像技术（光成像）目前医学中用的x射线计算机断层摄影装置(x—CT)、超声计算机断层摄影(U—CT)、放射性核素计算机断层摄影装置(R—CT)以及核磁共振成像装置(NMR—CT)

。目前固体图象传感器发展突出，正取代摄象管。它具有体积小、重量轻、寿命长、分辨串高、功耗低、残留图象少、图象不变形，不易受电磁场干扰、信号易处理等优点。当前第25页\共有79页\编于星期四\19点3、发展智能传感器

智能传感器是具有信息处理功能的传感器，带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。

具有判断学习、能力的传感器。事实上是一种带微处理器的传感器，它具有检测、判断和信息处理的功能。如美国的霍尼韦尔公司制作的ST－3000型智能传感器，采用半导体工艺，在同一芯片制CPU.EPROM和静态压力、压差、温度三种敏感元件。当前第26页\共有79页\编于星期四\19点4、发展化学传感器和生物传感器化学传感器

如：气体传感器、湿度传感器、离子传感器。

生物传感器

如：酶传感器、组织传感器、细胞传感器、免疫传感器等

仿生传感器就是模拟人的感觉器官的传感器，即视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器、触觉传感器。目前只有视觉和触觉传感器解决得比较好，其他几种远不能满足机器人发展的需要。5、仿生传感器研究当前第27页\共有79页\编于星期四\19点三、开发新型传感器的途径1.采用新原理传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。

如：约瑟夫逊效应开发的磁场传感器----微弱磁场的测量2008年日本开发固体电解质新原理氢气传感器当前第28页\共有79页\编于星期四\19点（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外工程应用的极大兴趣。2.采用新材料当前第29页\共有79页\编于星期四\19点纳米科技的进步——纳米功能材料-——纳米传感器各纳米尺度生物传感器表面效应、微尺寸效应、量子效应等

当前第30页\共有79页\编于星期四\19点3.采用的加工技术当前第31页\共有79页\编于星期四\19点四、传感器的地位及用途科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的

－门捷列夫

[Mendelyeev,DmitryIvanovich]

信息技术｛传感器技术：信息技术之首通信技术：计算机技术：信息传输信息处理信息采集（一）、在信息技术中的地位当前第32页\共有79页\编于星期四\19点材料学物理化学生物学电子学电路与系统机械传感器技术传感检测原理传感器件设计传感器开发和应用多技术融合当前第33页\共有79页\编于星期四\19点信息处理电信电话科技测试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用。应用领域广泛当前第34页\共有79页\编于星期四\19点各国政府高度重视日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在21世纪技术预测中将传感器列为首位。美国白宫将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。西欧各国在制定“尤里卡”发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术。我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。20世纪80年代，面对美国、日本日益激烈的竞争，西欧国家制定了一项在尖端科学领域内开展联合研究与开发的计划，即“尤里卡计划”。尤里卡（EURECA）是“欧洲研究协调机构”（EuropeanResearchCoordinationAgency）的英文缩写。

当前第35页\共有79页\编于星期四\19点1、自动检测与自动控制系统（二）、传感器的主要应用当前第36页\共有79页\编于星期四\19点石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。当前第37页\共有79页\编于星期四\19点2、汽车与传感器当前第38页\共有79页\编于星期四\19点压力传感器曲轴位置传感器水温传感器氧含量测量传感器当前第39页\共有79页\编于星期四\19点当前第40页\共有79页\编于星期四\19点汽车安全气囊当前第41页\共有79页\编于星期四\19点家用电器液化气烟雾报警器智能洗衣机遥控器3、传感器与家用电器当前第42页\共有79页\编于星期四\19点压力传感器温度传感器浊度计当前第43页\共有79页\编于星期四\19点鼠标:光电位移传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡+D/A卡软驱:速度,位置伺服摄像头:CCD传感器4、传感器与PC机当前第44页\共有79页\编于星期四\19点5、传感器技术与现代建筑智能建筑给排水系统泵系统锅炉系统环境控制电力监测能量计费消防系统保安系统照明系统DDC当前第45页\共有79页\编于星期四\19点门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统指纹门禁当前第46页\共有79页\编于星期四\19点6、传感器在机器人上的应用视觉:平面、立体非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、…当前第47页\共有79页\编于星期四\19点沙漠机器人沙漠机器人当前第48页\共有79页\编于星期四\19点广州中鸣数码的机器狗当前第49页\共有79页\编于星期四\19点机器人奏乐机器人伴舞当前第50页\共有79页\编于星期四\19点军事机器人我国引进的排爆机器人进攻型机器人当前第51页\共有79页\编于星期四\19点对运动的球类有正确反应的机器人能打网球的机器人机器人足球比赛当前第52页\共有79页\编于星期四\19点图坦卡蒙的诅咒“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”当前第53页\共有79页\编于星期四\19点小机器人挑战法老咒语，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。“金字塔漫游者”，5×1×1，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。当前第54页\共有79页\编于星期四\19点7、传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上速度、加速度、飞行距离测量、周围环境、内部设备监控、本身状态陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器航天当前第55页\共有79页\编于星期四\19点神州飞船：185台（套）仪器装置检测参数--加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学、当前第56页\共有79页\编于星期四\19点8、传感器与环境保护当前第57页\共有79页\编于星期四\19点NOXNO+NO2dustsootH2SH2OHC

C-totalCO2

COO2

HCNHClHFNH3

SO2

烟尘浊度测量当前第58页\共有79页\编于星期四\19点智能化水质检验

水库无线水质感应器下游用户用户当前第59页\共有79页\编于星期四\19点9、传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波、船舶：超声波传感器微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地面当前第60页\共有79页\编于星期四\19点10、传感器在军事技术领域的应用

先进的科学技术总是最先被应用于战争。以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。

而当前由信息技术发展推动的军事革命把重点从作战平台转向如何观察战场、怎样传递所观察到的战场情况、怎样运用那些性能优越的精确武器的问题上来，从重视军舰、坦克和飞机转为重视信息获取技术和信息获取装置的作用，传感器、通信以及精确制导武器等已在战争中至关重要的作用。当前第61页\共有79页\编于星期四\19点11、传感器与农业农业主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量

当前第62页\共有79页\编于星期四\19点12、传感器在生物医学上的应用

医疗诊断当前第63页\共有79页\编于星期四\19点光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器热/光电量当前第64页\共有79页\编于星期四\19点

生物医学传感器（BiomedicalSensors）顾名思义，它是应用于生物医学领域的那一部分传感器，是将被测的生物体内各种生理的、生化的和病理的信息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，对于化验、诊断、监护、控制、治疗和保健等都有重要作用。生物医学传感器当前第65页\共有79页\编于星期四\19点（1）检测生物体信息：检测正常或异常生理参数。

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。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。在医学上，传感器的主要用途有：

当前第66页\共有79页\编于星期四\19点（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。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。当前第67页\共有79页\编于星期四\19点（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。当前第68页\共有79页\编于星期四\19点（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。当前第69页\共有79页\编于星期四\19点MB—3型脉搏波传感器MB—4型脉搏波传感器MB—5A型脉搏波传感器RM—2型口鼻气流传感器QD—1型口鼻气流传感器YXF—2型胸腹部呼吸运动波形传感器当前第70页\共有79页\编于星期四\19点MB-5B耳夹型脉搏波传感器MB—6型鼠尾脉搏波传感器XY—6型心音传感器DXF—1型胸腹部呼吸运动波型传感器GXF—4型胸腹部呼吸运动波形传感器NXF—5型胸腹部呼吸运动波型传感器当前第71页\共有79页\编于星期四\19点BXF—6型胸腹部呼吸运动波型传感器HS—2型鼾声传感器TW—2型体位传感器TD—2型腿动信号传感器SD-1液滴计测传感器YH—5型生理压力传感器当前第72页\共有79页\编于星期四\19点GS-2型子宫收缩传感器CL—3型触点力传感器JH—2型肌张力传感器TXY-3型超声多普勒胎儿心音传感器XJ—2型心肌张力、胃肠蠕动测量传感器DY—2型浅表动脉血流超声多普勒当前第73页\共有79页\编于星期四\19点按被测量分类（一种宏观分类方法）物理传感器:用于测量血压、体温、血流量、生物磁场等，被测量都是物理量。设计时多这些非电量的利用物理性质和物理效应。

化学传感器:用于测量人体内某些化学成分、浓度、PH值等，被测量都属于化学量（被测物质分子量较小）。设计时多利用电化学原理或物理效应。生物传感器：用于测量酶、抗原、抗体、激素、DNA、RNA等物质，被测量都属于化学量（被测物质分子量较大）。利用生物活性物质具有的选择识别待测生物化学物质的能力而制成传感器。五、生物医学传感器的分类当前第74页\共有79页\编于星期四\19点生物传感器的分类：

（a）根据生物识别器件（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（b）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

按构成原理当前第75页\共有79页\编于星期四\19点生物医学传感器的其它分类方法：

按被测对象：如血压传感器、葡萄糖传感器、