ch04生物力学效应的传感与生理信号检测

生物力学效应的传感与生理信号检测教育部生物医学工程类专业教学指导委员会“十三五”规划教材生物医学传感与检测原理第四章01生理活动的生物力学效应生命在于运动，生物力学效应是生命活动中普遍存在的一种与生理过程紧密相关的现象，它表现为细胞、组织、器官、系统等不同尺度的形变、运动。对人体而言，血液循环、呼吸、消化、肌肉收缩与肢体运动等几乎所有生理过程中都伴随着生物力学效应，生理活动的功能状态也体现在相应的生物力学参数的变化上。检测分析生理过程的生物力学参数，一方面可定量地认识生理过程及其生命活动规律，同时也能有效地评估生理状态，为疾病诊断和健康状态评估提供重要依据。因此，基于生物力学效应的传感检测技术是生物医学工程的重要组成部分。生理活动的生物力学效应肢体运动的生物力学效应运动功能是人体最基本的生理功能之一，人体运动是在神经、肌肉、骨骼、关节以及外在环境协同作用下的生理活动，由内控肌力作用到关节、骨骼并与环境对象进行力学交互。人体运动既表现为肢体、关节的运动学参数，也体现在肌肉作用于骨骼、身体作用于环境对象的动力学过程中，检测分析肢体运动的生物力学参数是认识运动生理功能、掌握运动功能状态、诊断运动功能障碍的重要医学工程途径。生理活动的生物力学效应广泛应用于运动功能障碍检测、运动损伤及康复评估、体育运动训练优化等。肢体关节运动学参数可用于评估睡眠过程、预测长期卧床可能形成的组织损伤（褥疮等）。肢体关节与环境对象的作用力可用于评价肌肉收缩状态，帕金森病会引起病理性震颤等。振动效应生理活动的生物力学效应生理活动的生物力学效应血液循环的生物力学效应血液循环是通过心脏、血管的收缩、舒张作用控制血液在全身流动，其生物力学效应一方面表现为心脏、血管及血液组织自身的应变、粘弹性等力学特性；另一方面也表现为心脏收缩、血液流动的动力学特性，二者相互影响，相互制约。测量血液循环的生物力学参数是诊断心脑血管疾病的重要临床手段。是指血液在血管内流动时作用于血管壁的侧压力，它是推动血液在血管内流动的动力。血压是指由心肌收缩、心脏瓣膜关闭和血液撞击心室壁、大动脉壁等引起的振动所产生的声音。心音是心脏周期性搏动（振动）沿动脉血管和血液向外周传播而形成的。脉搏波生理活动的生物力学效应消化、呼吸等生理过程的生物力学效应人体的消化、呼吸功能都依赖复杂的腔道系统，其中消化系统的主要力学效应是胃/肠蠕动、消化道内容物在其中的传送；呼吸系统的力学效应是气体在呼吸道的流动和容积动态变化等。生理活动的生物力学效应肠鸣音当肠管蠕动时，肠腔内气体和液体随之流动，产生一种断续的气过水声（或咕噜声），称为肠鸣音。肺部哕音听诊呼吸音时，当空气通过含有分泌物的气管或因痉挛、肿胀而狭窄的支气管时，在呼吸音的基础上，又听到一种附加的呼吸杂音，即哕音。生理活动的生物力学效应02电阻式传感器及其生物力学效应的生理参数测量电阻式传感器是把非电量（如位移、力、振动和加速度等）转换为电阻变化的一种传感器。电阻式传感器在生物医学测量中应用非常广泛，可用于测量血压、脉搏等生理参数。按其工作原理可将电阻式传感器分为电位器式、电阻应变式和固态压阻式传感器。电阻式传感器原理电位器式传感器是将位移或其他能够形成位移变化的物理量转换为电阻分压比和电阻变化的传感器。其特点是结构简单，稳定性和线性较好，受环境影响小，输出信号大，可作任意函数特性输出，适用于较大位移量的测量。电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种用途很广的传感器，它由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成，当弹性元件受力变形时，粘贴在其表面的电阻应变片也随之变形，并产生相应的电阻变化，从而实现测量。电阻式传感器原理固态压阻式传感器1）压阻效应与压阻式传感器；2）扩散型压阻式传感器。电阻式传感器的测量电路测量电路的作用是将电阻式传感器的电阻变化转换为电压或电流的变化，以便显示和记录。有时电阻式传感器的电阻变化很小，因此测量电路中必须有放大器，才能观察到微弱的电阻变化。将电阻变化转换为电压变化的常用电路有两种：一种是电位计式电路，另一种是电桥电路。电阻式传感器的测量电路电位计式电路如图4-19所示。电阻式传感器的测量电路（1）恒压源电桥是用得最普遍的一种电路，如图4-20所示。电阻式传感器的测量电路（2）恒流源供电的电桥如图4-22所示。上下肢对外作用力的测量利用电阻式传感器测量人体对外作用力时，人体对外作用力通过一定介质耦合到传感器的敏感元件上，相应的作用力将引起传感器的电阻变化，进而得到与作用力参数（大小、方向）所对应的电信号。常见的人体对外作用力测量包括以下两种。（1）足底压力测量；（2）手指抓握力测量。电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量2.（1）直接测量血压时，采用导管经皮插入体内待测的血管或心脏部位，通过导管内的液体将血管或心脏压力耦合到体外的测量系统（见图4-25、图4-26）。电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量（2）间接测量间接测量血压是指在体外对动脉血管施加压力，通过传感器测量出血管内血流与外部压力之间的对应关系，从而得到血压数值。电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量临床上长期使用的水银血压计就是利用这种血压测量原理制成的，如图4-28所示。（3）自动血压间接测量虽然水银血压计能得到准确的血压值，但其更适合有专业知识的医护人员使用。于是出现了使用便捷、适用范围广泛、自动化程度高的电子血压计，包括上臂式电子血压计和腕式电子血压计，其充气和放气过程由传感器、控制电路及充气腕共同配合自动完成。电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量其中气体压力传感器能将血管在袖带压力变化过程中的压力信号转换为电信号。呼吸频率通常用于监测、评估大运动量后运动员的呼吸系统的适应能力、呼吸功能障碍患者在正常和患病状态下呼吸频率的变化。呼吸频率测量当呼吸气流从缝隙流过时，弹簧片因受力而发生形变，引起应变电阻丝的阻值变化。呼吸流量测量电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量图4-32是临床上用到的一种应变式呼吸流量传感器结构图，其敏感元件是固定在圆形边框上的8个金属弹簧片，每个弹簧片上贴有应变电阻丝（4个贴在正面，4个贴在反面）。03电容式传感器及其生物力学效应生理参数测量电容式传感器原理极距变化型电容式传感器的结构可用图4-33简单描述。电容式传感器原理改变极板间相对有效面积的电容式传感器，其原理结构如图4-34所示。电容式传感器原理介质变化型电容式传感器的原理结构图如图4-35所示。电容式传感器测量电路交流电桥测量电路这种测量电路实际上是一种调幅电路，在电路的输出端取出幅度被调制了的正弦信号，其幅度的变化量正比于被测非电量，再使调幅信号通过检波器，就可得到相应的电压信号。电容式传感器测量电路图4-36是交流电桥测量电路的一种形式。电容式传感器测量电路谐振法测量电路谐振法是一种简单的测量方法，利用LC谐振电路在谐振点附近的电压电容特性来检测出电容增量。电容式传感器测量电路其基本原理如图4-37（a）所示（一般采用松耦合）。图4-37（b）为次级端的等效电路。电容式传感器测量电路调频鉴频法测量电路是目前性能较好、较常用的测量电路，它的工作原理如图4-39所示。电容式传感器测量电路脉冲调制测量电路的一种常用形式是差动脉冲调宽电路，其原理如图4-43所示。电容式传感器的生物力学效应生理参数测量1.电容式微音器的结构原理如图4-45所示。电容式电子听诊器听诊器作为医生常用的医疗工具，是诊断心血管系统疾病、呼吸系统疾病的重要手段之一。传统声学听诊器已有200多年的历史，其声学性能不断提高，使之成为不可或缺的医疗器械。传统听诊器需要医护人员依靠临床经验捕捉特定的心肺音声音特征，难以定量评估；近年来出现了电子听诊器，其基本原理是利用传感器将心肺音的机械振动转换为电信号，经调理、放大电路对信号进行处理，再转换为数字信号，从而提取心肺音信号特征。电容式传感器的生物力学效应生理参数测量电容式传感器的生物力学效应生理参数测量2.图4-48所示是在体外循环血泵中，根据电容量变换原理测定心输出量的装置。电容式传感器的生物力学效应生理参数测量图4-49所示为一种可用于血压测量的电容式传感器结构。04压电式传感器及其生物力学效应生理参数测量压电材料及其压电效应某些电介质，在沿一定方向上受到外力的作用而产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当去掉外力后，又重新回到不带电的状态。这种将机械能转换为电能的现象，称为“顺压电效应”。压电式传感器原理相反，在电介质的极化方向上施加电场，使其产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。转换性能：要求具有较大的压电常数。机械性能：压电材料作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适用性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。压电式传感器原理压电式传感器原理从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它的晶面分别平行于x轴、Y轴、Z轴，如图4-50所示。压电式传感器原理钛酸钡压电陶瓷的电畴结构示意图如图4-52所示。压电式传感器设计1）压电式压力传感器利用压电元件做成力-电转换元件的关键是选取合适的压电材料、变形方式、机械串联或并联的晶片数、晶片的几何形状和合理的传力机构。压电式传感器原理2）压电式加速度传感器如前所述，压电式传感器的高频响应性好；若配备合适的电荷放大器，低频段可低至0.3Hz，所以常用来测量动态参数，如振动、加速度等。压电式传感器原理图4-53是测量均布压力的传感器结构图。3）压电阻抗头上文分别介绍了压电式压力和加速度传感器。在机械阻抗的测量中，力和运动的响应是用压电阻抗头测得的，它是把压电式力和加速度传感器组合为一体的传感器。电容式传感器的生物力学效应生理参数测量3.聚偏二氟乙烯（PVDF）压电式传感器前面介绍的石英和压电陶瓷等压电材料具有转换效率高、刚性好的特点，但这些材料脆，不能构成大面积阵列器件。作为一种新型高分子传感材料，聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜能克服这一缺点。1969年Kawai发现其具有很强的压电性，自1972年首次应用PVDF以l来，已研制了多种用途的传感器，如压力、加速度、声和无损检测，尤其在生物医学领域获得了极为广泛的应用。电容式传感器的生物力学效应生理参数测量电容式传感器的生物力学效应生理参数测量压电式超声换能器医用超声换能器在临床检测诊断中发挥了巨大作用，压电式超声换能器是其中的核心部件，它是可逆工作元件，既能在电信号驱动下发射超声波，同时又能接收机械振动并将其转换为电信号。医用超声换能器主要包括以下三类。（1）A型超声换能器；（2）超声连续波多普勒血流换能器；（3）多元线阵换能器。压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检测出来。但因压电传感器的内阻抗极高，因此通常应当将传感器的输出信号输入到高输入阻抗的前置放大器中变换成低阻抗输出信号，然后再采用一般的放大、检波、指示或通过功率放大至记录和数据处理设备。压电式传感器的生物力学效应生理参数测量脉搏波是动脉内压力在血管壁上引起的周期性压力变化，是一种微弱的力学信号，可用于无创检测心率，评估动脉血管弹性、管腔的大小、血液的密度和黏性等生理状态。眼压是指眼球内部压力，是眼内容物对眼球壁施加的均匀压力，也是青光眼等眼部疾病诊断的重要依据。因为PVDF薄膜柔软，灵敏度高，所以适合制作大面积的传感阵列器件。压电式传感器的生物力学效应生理参数测量压电式传感器的生物力学效应生理参数测量生理振动测量1）心音信号测量在心脏收缩和舒张时，随着瓣膜的迅速打开和关闭，将产生由血液湍流引起的振动和血液在血管中加速、减速形成的振动，通过传导共同形成了胸腔表面可记录的心音。2）压电式加速度传感器微震颤测量压电式加速度传感器还可以用来测量人体和动物体发生的