生物医学传感与检测原理 课件全套 第1-8章 绪论、生物医学传感器基本知识-生物标志物的传感检测新技术

绪 论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一章01生物医学传感与检测概述生命健康信息获取的重要性生命活动体现在存在于生物机体的分子、细胞、组织、器官、系统等不同尺度的物质代谢和生理过程之中，不论细胞、亚细胞乃至分子水平等微观尺度上的生理活动，还是由细胞所构成的组织、器官，以及系统层面等宏观尺度的生理过程，都伴随着物质和能量代谢，并表现为物理或化学的变量。生物医学传感与检测概述知晓生命活动规律和健康状态，获取生命活动过程中的物理、化学、生物学等变量信息十分重要，因为人体完成各种生理活动时相关物理量或化学量不仅包含了生理活动的状态信息，生理过程或状态的改变（如疾病）也将表现为与生理活动相关的物理、化学参数的变化。因此，检测生命健康信息不仅可以定量描述生理活动的当前状态，还可以揭示生理过程的变化规律。生物医学传感与检测概述生物医学传感与检测概述事实上，人类一直在探索获取自身生理过程和健康状态信息的技术方法。“望、闻、问、切”等传统的中医检测方法是认识和了解人体生理状态的基本手段，但通过这些手段获得的生理状态信息具有主观性，同时也只是对生命体征的定性描述。生命健康信息的主要表现形式生命活动表现为物质的运动，生命活动过程中的物质运动具有一定的规律，生命活动信息就体现在这些运动规律之中，生命健康信息是这些生命活动信息的载体。生命活动包含微观和宏观的生理活动，生命健康信息是表征微观和宏观的生理活动特征的有效形式。人体生理状态的参数，大体上可分为物理量、化学量和生物量三大类。生物医学传感与检测概述包括各器官的生物电信息、生物力学信息、热效应与温度信息，以及生物组织、样品的光学特征等。物理量包括O，、CO，、CO、H，O、NH；、K*、Na、Ca²等多种参量。化学量包括酶、抗原、抗体、激素、神经递质、DNA和RNA等。生物量生物医学传感与检测概述生物医学传感与检测概述表1-1列出了主要生理过程的物理量、化学量特征参数的表现形式。生物医学传感与检测概述生理健康信息检测的应用场景生物医学工程的重要任务是通过测量，认识生命现象并判断生理、病理状态。传感器是获取生命活动信息的关键技术手段。生命活动信息存在于从分子、细胞、组织、器官到系统等各个层次，生物医学传感器就是获取不同层次生理、病理信息的器件。生物医学传感与检测概述要提取和捕捉生物体内各种生物信息，需要依靠各种各样的生物医学传感器，生物医学传感器是医学测量系统的第一个环节，如图1-1所示。临床检验。在医学上，生物医学传感器的主要用途有以下几类。生物控制。提供诊断信息。监护。健康管理。生物医学传感与检测概述02安装和配置SAPERPsim生物医学传感技术生物医学传感器从作用上来看，传感器实质上就是代替人的五种感觉（视、听、触、嗅、味）器官的装置（见图1-2）。生物医学传感器（BiomedicalSensors）是获取人体生理和病理信息的工具，是生物医学工程学中的重要分支，对于化验、诊断、监护、控制、治疗、康复、健康管理等都有重要作用。生物医学传感技术生物医学传感器的分类生物医学传感器的分类方法有很多种，其中最基本的方法是按被测量分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器三大类。生物医学传感技术利用物理性质和物理效应制成的传感器称为物理传感器。物理传感器利用功能性膜对特定成分的选择性将被测成分筛选出来，再利用电化学装置转化为电学量的传感器称为化学传感器。化学传感器利用生物活性物质具有的选择性识别被测生物化学物质能力制成的传感器称为生物传感器。生物传感器生物医学传感技术微系统化。传感器的发展趋势仿生传感器。多功能化。智能化。健康状态监测传感器。生物医学传感技术多功能化以前一个传感器只能把单一的被测量转换成电信号，新型传感器可利用一个传感器同时检测几种被测量并分别转换成相应的电信号。智能化计算机、微处理器等信息处理技术与传感器的有机结合，构成了智能传感器的基本框架。生物医学传感技术微系统化采用新的加工技术可以制造出新型传感器，例如，采用光刻、扩散及各向异性腐蚀等方法，可以制造出微型化和集成化传感器。仿生传感器随着对人体感受器的深入认识，研究开发仿生传感器成为发展生物医学传感技术的重要方向。生物医学传感技术健康状态监测传感器信息技术、数据科学的快速发展使得健康管理成为医疗健康的新业务板块，生物医学传感器也从原有的临床医疗应用拓展到日常健康状态监测。生物医学传感技术生物医学传感技术温度变化引起传感器电容量的变化，湿度变化引起传感器电阻值的变化，其特性曲线和等效电路如图1-3所示。生物医学传感技术生物医学传感器的特殊性生物医学传感器是在工程学与生物医学相结合的基础上发展起来的。随着生物医学传感器在微型化、植入测量、多参数测量等方面的进一步发展，与生物医学的交叉更为显著，使得生物医学传感器的设计与应用必须考虑人体因素的影响及生物信号的特殊性；必须考虑生物医学传感器的生物相容性（植入体内材料与生物体相互作用问题，或两者相适应的问题，称为生物相容性），可靠性，安全性；必须考虑使用对象的特殊性及复杂性，等等，这是生物医学传感器与工业用传感器的显著区别。一般工业测量中，为准确检测被测量，并减少干扰，总是尽量使传感器接近被测点。为了减轻对被测者的侵扰，以非接触与无损伤或低损伤的传感器进行间接测量是生物医学传感器的重要发展方向。为了既能准确检测到生物体内某个局部信息，又能使对生物体的干扰降低到足够低的程度，出现了体内（植入式或部分插入式）传感器。生物医学传感技术生物信号的特点是信号微弱、频率很低、背景噪声及干扰大、随机性强、个体差异大，而且生物体内多种生理、生化过程同时进行，这都增加了检测特定生物信号的难度。生物医学传感器的设计与应用应充分考虑生物体的特性。生物医学传感器的使用对象极为广泛，包括医生、护士、患者，还包括社会其他各界人士，不论男女老少。生物医学传感技术生物医学传感技术例如，通过测量胸壁的微小振动来间接了解心脏的运动状况（见图1-4）。03生物医学传感检测系统生物医学传感检测系统生物医学传感检测系统与被检测生命体共同组成如图1-5所示的人仪器系统。人体信号的产生可分为三种类型：①主动信号或内源信号，如心电、血压、呼吸、自发脑电信号等；②被动或外源信号，所探测信号是人体对外源信号的响应，如超声波、红外光穿透组织后的信号；③感生信号，如诱发电位等。生物医学传感检测系统与工业检测相比，生物医学检测有以下特点。人体某些参数的个体差异较大，而对某一特定个体来说，如果参数稍有变化就可能改变其生理、病理意义。医用传感器一般都是在信噪比较差的环境下工作。因为人体的生理参数受到多种因素影响，同时具有多种生理反馈机制，所以噪声是面临的巨大挑战。生物医学传感检测系统医用传感器需要根据人体的物理特性来设计，即传感器的机械结构必须与人体解剖学上的几何形态相适应。对检测对象不产生干扰，任何影响检测对象生理状态的传感检测方法都难以得到有效的测量结果。安全可靠在医学检测中尤其重要，这里不仅要考虑电气安全，还要考虑检测方法、检测装置本身不会给检测对象和检测者带来安全风险。生物医学传感检测系统生物医学传感检测系统一般来说，这些因素可概括为图1-6所示的三个方面，即信号因素、环境因素和经济因素。生物医学传感器基知识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二章01传感器的静态特性传感器在被测量的各个值处于稳定状态，输入量为恒定值而不随时间变化时，其相应输出量亦不随时间变化，这时输出量与输入量之间的关系称为静态特性。这种关系一般根据物理、化学、生物学的“效应”和“反应定律”得到，具有各种函数关系。静态特性的基本概念静态特性的基本概念线性特性如图2-1（a）所示。静态特性的基本概念非线性项仅有奇次项的特性特性如图2-1（b）所示。静态特性的基本概念非线性项仅有偶次项的特性如图2-1（c）所示。静态特性的基本概念一般情况对应的曲线如图2-1（d）所示。传感器的静态特性实际上是非线性的，所以它的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，对动态特性也会有一定的影响。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准的。静态特性的基本概念传感器的线性度也称为传感器特性曲线的非线性误差。线性度迟滞用来描述传感器的正向和反向特性的不一致程度，亦即对应于同一大小的输入信号，传感器在正、反行程时的输出信号数值不相等的程度。迟滞重复性表示传感器在同一工作条件下，输入朝同一方向做全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。重复性衡量传感器静态特性的指标灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下输出变化与输入变化的比值。准确度传感器的准确度又称精确度或精度，表示被测量的测量结果与约定真值间的一致程度。精密度和正确度精密度是描述在同一测量条件下，测量仪表指示值不一致的程度，反映测量结果中的随机误差的大小。“”衡量传感器静态特性的指标指输入量的变化不一致引起输出量有任何可见变化的量值范围。灵敏限传感器无输入或当某一输入值不变时，每隔一段时间，进行读数，其输出偏离零值。零点漂移温漂表示当温度变化时，传感器输出值的偏移程度。温漂衡量传感器静态特性的指标02传感器的动态特性为了便于分析和处理传感器的动态特性，必须建立数学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法来研究传感器的动态响应。对于线性系统的动态响应研究，最广泛使用的数学模型是线性常系数微分方程。只要对该微分方程求解，就可得到传感器的动态性能指标。动态特性的一般数学模型绝大多数传感器的输出与输入之间的关系都可用零阶、一阶或二阶微分方程来描述。因此，可将传感器分为零阶、一阶和二阶传感器，阶数越高，传感器的动态特性越复杂。动态特性的一般数学模型在分析、设计和应用传感器时，传递函数的概念十分有用。所谓传递函数，就是输出信号与输入信号之比。因此，只要用算子D代替式中的d/dt 就可得到算子形式的传递函数。传递函数传递函数如果设定输入信号是时间的函数，则能推导出输出信号，可以使用框图（见图2-11）来表明信号的流向和传感器的特性。通常，在研究线性系统时还可应用拉氏变换法。这时，把输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比称为拉氏形式的传递函数。因此，就传递函数来看，可以很方便地把拉氏形式的传递函数改写成算子形式的传递函数，只要把式中的s换成D即可，反之亦行。这两种形式的传递函数都可以用来描述系统的动态特性，有时统称为系统的传递函数。传递函数动态响应1.（1）频率响应的通式正弦输入时的频率响应如图2-12所示。动态响应（2）零阶、一阶和二阶传感器的传递函数及频率特性零阶传感器与频率无关，其输出与输入成正比，即无幅值和相位失真，所以零阶传感器具有理想的动态特性，如图2-14所示。动态响应2.阶跃输入响应单位阶跃信号如图2-17所示，其幅值为1。如果是零阶的传感器，则输入与输出成正比，如图2-18所示。03常用敏感材料半导体材料按化学组成可分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体等。半导体敏感材料单晶硅是大多数固态传感器使用的敏感材料，因为单晶硅具有优良的机械、物理特性，材质纯，内耗低，功耗小。元素半导体大多数化合物半导体具有类似于单元素半导体的结构特点和电特性，其优点是具有较宽的禁带范围和迁移率。化合物半导体常用敏感材料非晶半导体大致可分为以Si为代表的四面体系（如Si（a-Si）等）和以Se、Te为构成元素的氧属（硫族）元素化合物系。非晶半导体硅蓝宝石材料是在蓝宝石（tα-A1，O，）衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。硅蓝宝石常用敏感材料常用敏感材料石英敏感材料石英的化学组成为SiO，SiO，的晶态形式即石英晶体的理想形状为六角锥体（见图2-23），通过锥顶端的轴线称为z轴（光轴）。常用敏感材料功能陶瓷的应用领域更为广泛，主要用于电、磁、光、声、热力和化学等信息的检测、转换、传输、处理和存储。根据其组成结构的易调和可控性，可以制备超高绝缘性、绝缘性、半导体、导电性和超导性陶瓷；根据其能量转换和耦合特性，可以制备压电、光电、热电、磁电和铁电等陶瓷；根据其对外场条件的敏感效应，可以制备热敏、气敏、湿敏、嗅敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。功能陶瓷敏感材料常用敏感材料功能陶瓷主要分为压电陶瓷、热释电陶瓷及半导体陶瓷，其中压电陶瓷的人工极化过程如图2-24所示。导电高分子材料按导电原理可分为结构型与复合型两大类。导电高分子材料压电高分子材料的研究始于生物体，聚偏二氟乙烯（PVDF）压电材料是其中的代表。压电高分子材料高分子化学敏感材料可分为气敏材料、离子敏材料和分子敏材料。高分子化学敏感材料常用敏感材料金属敏感材料金属的特性是电子可在金属中自由运动，将其他的物理量变成自由电子的运动量并控制自由电子的运动，是金属敏感材料所利用的技术之一。自旋的排列（即磁性）也是金属具有的一大特点。此外，大部分金属在极低温下具有超导性。在材料的功能利用方面，由于有金属以外的丰富材料，金属材料的作用相对降低了，但在温度敏感元件和磁敏元件中，金属材料仍起着重要作用。常用敏感材料可用于纳米生物传感的纳米材料可分为4个主要类别：金属纳米粒子，包括量子点（QDs）、纳米线、纳米棒、金属氧化物和金属纳米粒子；碳基纳米材料，包括碳纳米管、石墨烯、富勒烯和碳点；枝状聚合物，由分支单元构建的纳米聚合物；复合纳米材料。常用敏感材料常用敏感材料图2-27所示是一种金属纳米材料微观结构示意图。碳基纳米材料是由石墨合成的，石墨是最古老和最常用的天然材料之一。枝状聚合物是尺寸与蛋白质相近，有分支形状的人造分子。目前有几种方法制造纳米传感器，包括自上而下光刻、自下而上组装及分子自组装等技术，它从较大的材料块开始，雕刻出想要的形状。常用敏感材料常用敏感材料利用生物物质进行特异性分子识别是传感器技术发展史上的一个重大突破，理论上说，任何生物分子功能单位均可作为生物识别元件用以构建生物传感器，但是目前发展相对成熟的生物识别元件主要包括以下生物活性物质：酶、抗体与抗原、核酸、受体与配体、离子通道，以及全细胞或组织、微生物等。生物敏感材料04传感器的干扰与噪声机械干扰这类干扰包括振动和冲击，它们对于具有相对运动元件的传感器有很大影响。音响干扰音响干扰一般功率不大，尤其是在医院和生物医学实验室环境下，故这类干扰较易被抑制，必要时可用隔音材料作传感器的壳体，或将其放在真空容器中使用。传感器的常见干扰热干扰由热辐射造成的热膨胀，会使传感器内部元件间发生相对位移，或使得元件性能发生变化。电磁干扰（1）静电干扰；（2）电磁干扰。传感器的常见干扰电阻热噪声任何电阻的两端即使没有外加电势，也会有一定的交变电压，这就是材料内的自由电子不规则的热运动所产生的热噪声电压。散粒噪声散粒噪声是由电子（或空穴）随机地发射而引起的，存在于电子管和半导体两种元件上。在光电管和真空管等器件中，散粒噪声来自阴极电子的随机发射；而在半导体器件中，则来自载流子的随机扩散以及空穴电子对的随机发射及复合。传感器的噪声1/f噪声由于导体的不完全接触等制造工艺及材料方面的原因，电子器件中还存在着一种功率谱与频率成反比的噪声，称为1/f噪声。1/f噪声发生在两种不同材料的导体相接触的部位，其大小与直流电流成正比，振幅为高斯分布。噪声系数传感器的噪声系数定义为传感器输入端的信噪比与输出端的信噪比之比：F=（Psi/Pni）/(Pso/Pno)传感器的噪声05测量误差误差的基本概念所谓误差，就是测得值与被测值的真值之间的差。误差可用绝对误差表示，也可用相对误差表示。其中，绝对误差是指某测量参数的测得值和真值之差，既可以是正值，也可以是负值。测量误差测量装置引起的误差包括标准量具误差、仪器误差和附件误差。环境误差由于各种环境因素与规定的标准状态不一致而引起的测量装置和被测量本身的变化所造成的误差，如温度、湿度、气压、照明、电磁场等。测量误差方法误差由于测量方法不完善引起的误差，如袖带法测血压。人员误差由于测量者分辨能力限制、工作疲劳导致的感官生理变化、固有读数习惯等引起的误差。测量误差误差的基本性质及其处理方法1）随机误差当对同一量值进行多次等精度重复测量时，可能得到一系列各不相同的测量值（又称测量列），每个测量值都含有误差。若测量列中不包含系统误差和粗大误差，则测量列的随机误差一般具有对称性、单峰性、有界性和抵偿性等正态分布特征。测量误差2）系统误差系统误差是由固定不变的或按确定规律变化的因素所造成的，其特征是在同一条件下多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，误差按一定的规律变化。由系统误差特点可以看出，多次测量时它不具有抵偿性。通常表现形式包括：不变系统误差、线性变化系统误差、周期性变化系统误差，以及复杂规律变化系统误差。测量误差3）粗大误差粗大误差的数值较大，它会严重歪曲测量结果，一旦发现含有粗大误差的测量结果要进行消除。消除粗大误差的有效方法是强化测量工作的责任心，培养测量者以严格的科学态度对待测量工作；同时，还要保证测量条件的稳定，避免在外界条件发生明显变化时进行测量。测量误差06生物医学传感器的标定生物医学传感器的标定传感器的标定是指当一个传感器装配完成后，得用精度足够高的基准测量设备，对传感器的输入输出关系进行校验的过程；而校准是指在使用过程中或长期储存后进行的性能与精度的定期复测。标定与校准在本质上是相同的。生物医学传感器的标定标定的基本方法是：将由标准设备产生的大小已知的模拟生理量（如压力、温度等）作为传感器的输入，然后测量传感器的输出，它可能是电压、电流，也可能是电表、记录仪或示波器上的显示幅度。根据传感器的类型和用途，标定可以是静态的，也可以是动态的。由于要得到一个已知的动态信号源是很困难的，因此动态标定常常建立在静态标定的基础上。生物医学传感器的标定力值传递系统，如图2-32所示。按照计量部门规定的标定规程，只能用上一级标准装置来标定下一级传感器。07生物医学传感器及其测量的安全性1.医用传感器的电气安全随着医院及医学研究机构使用医学电子仪器设备的品种、数量和复杂程度的不断增加，偶发的电击事故也逐渐增多。为此，制定安全的防范措施，正确设计和使用传感器，把意外电击的危险减小到最低程度，对医用传感器的设计者和使用者都是十分必要的。生物医学传感器及其测量的安全性生物医学传感器及其测量的安全性表2-1给出了连续漏电流（频率在1kHz以下）和患者测定电流的容许值。2.生物医学材料的安全性在医学领域使用的生物材料必须符合下列要求。（1）对材料本身性能的要求①耐生物老化性，对于长期植入的材料应具有生物稳定性。②物理和力学稳定性，长期在体内环境下强度、弹性及外形尺寸具有稳定性，此外还要具有耐曲挠疲劳性、耐磨性、界面稳定性等。③易于加工成型。④价格适当。⑤可以用通用方法灭菌。生物医学传感器及其测量的安全性（2）在人体效应方面的要求①无毒性，即化学惰性。一般来说，制备生物医学材料的原料都必须经过严格提纯，材料配比和所有配合剂都要严格控制，生产环境和产品包装都要有严格防污染保证。②无热源反应。③不致癌（特别对金属材料）。④不致畸。⑤不引起过敏反应和不干扰机体的免疫机制。⑥不发生材料表面的钙化沉着。⑦对于与血液接触的材料，必须有良好的血液相容性。生物医学传感器及其测量的安全性医用电极与生物电效应测量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三章01生物电效应概述我们的身体是由不同生物组织形成具有生理功能的器官和系统构成的，生物组织、器官、系统的生物活性和生理过程是生命活动的最重要表现。一方面，生理过程伴随着由细胞膜离子通道及其膜电位变化所引起的生物电活动；另一方面，生物组织作为一种特殊介质，与其他物理介质一样具有导电性能，内在生物电或外加电信号（电流、电压）也将在组织中进行传播。因此，生物体具有电生理活动、电信号耦合两种主要的生物电效应。生物电效应概述生物电的形成细胞水平的生物电现象主要有两种表现形式，即细胞在安静时具有的静息电位和细胞受到刺激时产生的动作电位，体内各种器官或组织所表现出各种形式的生物电现象，都可以根据这两种细胞电现象来解释。常见电生理信号心电图（electrocardiogram，ECG）指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记仪从体表引出多种形式的电位变化的图形。生物电效应概述生物电效应概述动作电位的产生（如图3-1）。生物电效应概述心电图如图3-2所示。生物电效应概述脑电图（electroencephalogram，EEG）是通过脑电图描记仪将脑自身微弱的生物电放大记录成为一种曲线图，以帮助诊断疾病的一种现代辅助检查方法，如图3-3所示。脑电图主要用于颅内器质性病变（如癫痫、脑炎、脑血管疾病及颅内占位性病变等）的检查。脑电图极易受各种因素干扰，应注意识别和排除。生物电效应概述生物电效应概述肌电图是采用肌电检测系统记录肌肉静止或收缩时的电活动，并应用电刺激检查神经、肌肉兴奋及传导功能的方法，可以确定周围神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态，如图3-4所示。肌电图通过测定运动单位电位的时限、波幅，安静情况下有无自发的电活动，以及肌肉大力收缩的波形及波幅，可区别神经原性损害和肌原性损害，诊断脊髓前角急、慢性损害，神经根及周围神经病变；对神经嵌压性病变、神经炎、遗传代谢障碍神经病、各种肌肉病也有诊断价值。此外，肌电图还用于在各种疾病的治疗过程中追踪疾病的恢复过程及疗效。生物电效应概述02生物电信号的医用电极测量原理医用检测电极医用检测电极是应用最广泛的医用电极，从测量方式上可分为体表电极、植入电极两种不同类别。以下将介绍其工作的电化学原理，以及不同类型的医用检测电极及其主要特点。医用检测电极的电化学原理生物电位测量在生物医学基础研究和临床应用中发挥着重要作用，它通过电极把待测部位组织或细胞的电位引导到检测系统加以测定，因此，电极是连接测量系统和生物体的关键元件。医用检测电极将生物电化学活动形成的离子电流（电位）转化为电子测量系统的电子电流（电位），通过测量电极将生物组织和测量仪器形成闭合回路，在电极生物组织界面上实现离子电流到电子电流的转换或电子电流到离子电流的转换。医用检测电极医用检测电极图3-5所示是生物电信号检测的生物组织电极测量电路的电流回路示意图。不同类型的医用检测电极医用检测电极按尺寸大小可分为宏电极和微电极。其中，宏电极（macroelectrode）是指外形较大的电极，主要用于测量生物体较大组织范围生物电位，常用于检测记录机体器官、组织整体的电活动，又分为体表电极和体内电极；微电极（microelectrode）用于测量局部组织的细胞外电位变化，其尖端细小，包括金属微电极、玻璃微电极。医用检测电极浮式电极。常用体表电极干电极。金属板电极。吸附电极。柔性电极。医用检测电极医用检测电极图3-6、图3-7给出了两种常见体表电极的样式。医用检测电极浮式电极，如图3-8所示。医用检测电极一种心电检测用的绝缘干电极如图3-9所示。医用检测电极柔性电极如图3-10所示。医用检测电极根据形态的不同，针电极可以分为不同的种类，如图3-11所示。电极极化在工作状态下，电极总是与生物组织之间建立了直接或间接联系，与电极直接接触的是人体汗液、组织液或导电膏等电解质溶液，因而形成了一个电极电解质溶液界面，电极与电解质溶液发生着电化学过程。电极极化对生物电位测量的影响在生物电位测量时，由于电极极化的影响，电极所拾取的电位信息与真实的生物电位之间可能存在差异。电极生物组织界面电极生物组织界面图3-12可模拟电极与生物组织之间的导电介质，这里以银电极板代表检测电极。极化电极和非极化电极不同材料制成的电极其极化特性可能不同，电极因此也可分为极化电极和非极化电极。1）极化电极在给电极施加电压或通过电流时，电极电解质溶液的界面上无自由电荷通过、但有位移电流通过的电极，称为极化电极。2）非极化电极不需要能量，电流能自动通过电极电解质溶液界面的电极，被称为非极化电极。电极生物组织界面医用电极的测量电路电极阻抗特性在以电极和测量系统对生物电进行测量时，电极自身阻抗、生物组织阻抗、电极-电解质溶液界面等处的阻抗特性都将影响回路响应特性，进而成为影响生物电测量的重要环节。医用电极的测量电路电极前置放大电路在生物电测量回路中，生物组织、电极及二者之间的电解质溶液（导电膏、组织液等）可看成整个测量系统的信号输出端，为测量电路提供了“信号源”。医用电极的测量电路有源电极及其调理电路一种静电型绝缘干电极，因其借助绝缘层检测皮肤表面的电位，不需要用导电膏，所以被称为绝缘干电极或绝缘电极。微电极金属微电极是一种除尖端外，其余部分用绝缘材料涂敷的高强度金属细针（见图3-18）。微电极玻璃微电极常用玻璃毛细管拉制而成，其结构如图3-19所示。MEMS微电极阵列微电极阵列是利用微加工技术构建的将多个微电极集成在一起，用于实现对生物组织进行多点同时检测或多点同时刺激的微型器械，它在神经电生理、脑机接口、感觉/运动神经功能恢复、药物缓释、人工电子耳蜗、生物芯片中有广泛应用。微电极电极-皮肤界面和运动伪迹在皮肤表面记录生物电信号时，常用富含Cl的导电膏在电极和皮肤之间进行物理耦合，这时有两个界面需要考虑，一个是前面提到的电极电解质溶液界面，另一个是导电膏与皮肤组织之间的界面。当一个可极化电极与电解质溶液接触时，在界面上形成双电层；如果电极相对于电解质溶液运动，则会扰乱界面处的电荷分布，使得半电池电势产生瞬间变化，直到重新建立新的状态。生物电检测的干扰生物电检测的干扰市电工频干扰生物电测量中的市电工频干扰包括差模干扰和共模干扰两种，其主要来源有三个方面：①市电与电极导线之间杂散电容引入的干扰；②由于身体一部分与仪器外壳接触时形成的直接进入人体的干扰；③分压效应所形成的干扰。生物电检测的干扰经电极导线引入的工频干扰如图3-25所示。03医用电极的电生理信号检测心脏在每个心动周期中，起搏点、心房、心室相继兴奋都会伴随着生物电的变化。心电信号的产生是由于心脏周围组织和液体都能导电，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表，进而在体表许多点之间形成电位差或等电位。心电信号（临床上常称为心电图）就是将这些电位差随着时间的变化记录下来。心电信号检测心电信号检测肢体导联I、II、III导联又称标准肢体导联，拾取的是体表心电在两肢体之间的电位差，肢体电极有左臂（LA）、右臂（RA）及左腿（LL）。但是标准肢体导联不能记录到单个电极处的电位变化。电极放置在远离心脏的肢体上，作为参考电极。心电信号检测胸导联探测心脏某一局部区域电位变化的过程，必须用单极导联系统，即一个电极安放在靠近心脏的胸壁处，称为探查电极，探查电极所在部位的电位变化即为心脏局部电位的变化，此时可以获得较大幅度的心电波形，有利于临床观察。胸前电极数目越多，就能获得越多的心电信息。头皮脑电EEG脑电（EEG）是指按照时间顺序，在头皮表层记录下的由大脑神经元自发性、节律性运动而产生的电位。脑神经电信号检测脑神经电信号检测国际脑电图学会制定了统一的10-20国际脑电记录系统（见图3-29）。脑神经电信号检测图3-30给出了不同尺度的脑神经信号的空间分辨示意图。人体中的每个肌细胞（又称肌纤维）都受到来自运动神经元轴突分支的支配，只有当支配肌肉的神经纤维兴奋时，动作电位通过神经传递给肌肉，才能引起肌肉的兴奋。一个单独的运动神经能够支配多个肌纤维，一个运动神经元和它所控制的肌纤维组成的兴奋收缩耦联单位称为一个运动单元。虽然每个纤维产生并传导的电冲动十分微弱，但众多纤维同时传导，将在皮肤上产生足够大并可以被检测到的电位差，我们称之为肌电信号。肌电信号检测肌肉收缩时，中枢神经系统将运动指令以神经冲动的形式传递给运动神经元，使其控制肌肉收缩。双极性表面肌电记录肌内肌电是将针电极插入皮下骨骼肌肌腹内记录到的运动单元电位，通常是插入肌腹电极的针尖与较远处另一表面电极G2之间的电势差。植入式肌内肌电记录不论是双极性表面肌电还是植入式肌内肌电，传统的表面肌电记录方法只能获取电极所在位置肌电活动信息。阵列肌电记录肌电信号检测皮肤电测量常用皮肤电的测量位置包括：（1）在左手的食指和中指的中间部位擦拭导电膏，缠绕正负贴片传感器；（2）在左手的食指和中指的末梢部位擦拭导电膏，缠绕相反电极传感器：（3）在左手的鱼际和小鱼际部位擦拭导电膏，贴上相反电极贴片传感器。其他电生理信号的表面电极检测胃电信号测量胃是人体的主要消化器官，其功能的强弱直接影响着人体的健康。1921年美国Texas大学研究人员用线电流计在腹壁首次记录到胃电信号。可在体表检测到胃电图（electrogastrogram，EGG）。其他电生理信号的表面电极检测心阻抗测量心阻抗图（ImpedanceCardiogram，ICG）又称心阻抗血流图，是利用电生物阻抗技术测定心输出量，评判心脏功能的无创性检测方法。与心电图、心音图同步记录，还能测定心脏收缩和舒张时间间期、血管总外周阻力等。与有创性检测方法相比较，ICG具有无创、安全、简便、可连续动态观察等优点。其他电生理信号的表面电极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微震颤或微振动，或观察药物疗效。压电式超声血流测量超声血流测量与工业测量中的超声流量计的基本原理类似，可分为脉冲渡越时间差（输入窄脉冲）、超声束偏转（输入窄脉冲）、相移式（输入正弦波群）多普勒频移式（输入连续正弦波）四种。压电式超声血压测量两个压电传感器置于脉带的底部，一个晶体接收到超声波发生器（8MHz振荡器）发出的超声波信号后，利用晶体的逆压电效应，使晶体产生机械振荡，机械波发射至血管壁造成反射。压电式传感器的生物力学效应生理参数测量生物热效应的热电式生物医学传感与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五章01生理热效应与体温概述生理代谢的热效应机体内营养物质代谢释放出来的化学能，其中50%以上以热能的形式用于维持体温，其余不足50%的化学能则载荷于ATP，经过能量转化与利用，最终也变成热能，并与维持体温的热量一起，由循环血液传导到机体表层并散发于体外。生理热效应与体温概述因此，机体在体温调节机制的调控下，使产热过程和散热过程处于平衡，即体热平衡，维持正常的体温。如果机体的产热量大于散热量，体温就会升高；散热量大于产热量，体温就会下降，直到产热量与散热量重新取得平衡时才会使体温稳定在新的水平。机体的总产热量主要包括基础代谢、食物特殊动力作用和肌肉活动所产生的热量。基础代谢是机体产热的基础，基础代谢高产热量多，基础代谢低产热量少，正常成年男子的基础代谢率约为170kJ/m²h，而成年女子约为155kJ/m²·h。食物特殊动力作用可使机体进食后额外产生热量。骨骼肌的产热量变化很大，在安静时产热量很小，运动时产热量很大；轻度运动（如步行）时，其产热量可比安静时增加3~5倍，剧烈运动时，可增加10~20倍。生理热效应与体温概述另外，人在寒冷环境中主要依靠寒战来增加产热量以维持体热平衡，寒战的特点是屈肌和伸肌同时收缩，所以基本上不做功，但产热量很高，发生寒战时，代谢率可增加4~5倍；内分泌激素也可影响产热，肾上腺素和去甲肾上腺素使产热量迅速增加但维持时间短，甲状腺激素则使产热缓慢增加但维持时间长。生理热效应与体温概述生理热效应与体温概述如图5-1所示，在寒冷环境下，机体增加产热和减少散热；在炎热环境下，机体减少产热和增加散热，从而使体温保持相对稳定。在疾病状态下，身体自身的保护性响应将引起体温改变。病理因素引起的温度改变正常情况下，人体体温是相对稳定的；当某种原因使体温异常升高或降低时，若超过某一界限，将危及生命。人体体温的变化范围生理热效应与体温概述体温在一昼夜之间存在周期性的波动，表现为体温在清晨2~6时最低，午后1~6时最高。体温的生理性调节生理热效应与体温概述体温测量体温作为人体四大生命体征之一，临床上所指的体温为平均核心体温，而生活中所指体温为体表温度。核心体温（corebodytemperature）又称基础体温，被认为是身体深层结构的工作温度。核心体温的定义有两种：一种是人体内部胸腔、腹腔和中枢神经的温度；另一种是胸部、主要内部器官及离开心脏血液（肺动脉）的温度。生理热效应与体温概述常见的非侵入式测量方法有红外测温法、微波辐射测温法、超声波测温法、磁共振测温法、热流法等。基础温度是人体健康的晴雨表，保持其相对稳定是保证新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。长期以来，基础温度作为临床判断与患者管理的关键参数而被广泛关注，特别是对于外伤性脑损伤或神经损伤患者。对基础温度进行连续的检测，可以对热应激进行检测，对女性的月经周期进行管理。另外，因为基础温度是公认描述昼夜节律的方法，因此在睡眠障碍治疗中可以被用于估计生物节律。02温度传感器原理金属热电阻传感器纯金属是热电阻的主要材料，虽然大多数金属都有一定的温度系数，但作为测温元件的材料必须具有良好的线性、稳定性和较高的电阻率。常用的金属热电阻材料有铂、镍、铜、铁，其中铂是最理想的金属热敏电阻材料。半导体热敏电阻传感器采用半导体材料制作温度传感器，由于其体积小、灵敏度高、长期稳定性好等优点，因而在生物医学的温度测量中被广泛使用。热电阻式温度测量原理半导体热敏电阻分为三类：负温度系数（NTC）型（由锰、钴、镍、铁等两种或两种以上金属氧化物的混合物高温烧结而成），正温度系数（PTC）型（由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结而成），以及临界温度系数（CTR）型。热电阻式温度测量原理热电偶温度测量原理热电效应两种不同导体A和B组成闭合回路，如图5-7所示。如果热电偶两电极材料相同，则虽有温差，但输出电势为零。如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。热电势只与两结点温度点温度相关，与热电偶的尺寸、形状及沿金属的温度分布无关。中间导体定律。标准电极定律。热电偶温度测量原理热电偶温度测量原理热电偶种类和特点构成热电偶的两导体A和B称为热电极，对热电极材料的要求如下：①热电势大，测温范围宽，线性好。②性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀。③电阻温度系数小，电阻率小。④易加工，材料复制性好。热电偶温度测量原理几种常用热电偶的性能如表5-2所示。热电偶温度测量原理热电偶温度传感器在生物医学测量中得到广泛应用，图5-9是常见的两种医用热电偶传感器。热电偶温度测量原理为了提高热电偶的灵敏度，可采用图5-10所示的热电堆。由半导体的物理原理知道，PN结的伏安特性与温度有关，利用PN结的这一特点，可以制成各种温度传感器，典型的PN结型温度传感器有二极管温度传感器、晶体管温度传感器和集成电路温度传感器。半导体温度传感器半导体温度传感器二极管温度传感器根据从由一个PN结构成的二极管的伏安特性曲线可知，当流过二极管的电流恒定时，随着温度的升高，二极管两端的电压近似线性地降低。温度每升高1℃，电压降低约2mV。半导体温度传感器在二极管测温中，用得最多的是恒流源激励电路，图5-13是一个典型的二极管测温及数码显示温度值的电路。半导体温度传感器晶体管温度传感器在一定的温度范围内，在小注入条件下，只要qVsg/kT≥1，则不管集电结是零偏还是反偏。半导体温度传感器常用的温敏晶体管测温电路如图5-14（a）所示。电容C的作用是防止寄生振荡，图5-14（b）给出了和T的关系。PN结测温探头随着集成电路工艺的不断完善，PN结测温探头不仅用于常规温度测量，还用于生物医学低温测量、植入式长期温度监测等。常见PN结测温探头有以下几种：（1）杆式测温探头；（2）小型测温探头；（3）针状测温探头和表面测温探头。半导体温度传感器集成温度传感器集成电路温度传感器是将作为感温器件的温敏晶体管（一般为差分对管）及其外围电路集成在同一芯片上的集成化PN结温度传感器。这种传感器线性好、精度高、互换性好，并且体积小，使用方便，其工作温度范围一般为-50~+150℃。半导体温度传感器半导体温度传感器图5-18是典型的感温部分电路。半导体温度传感器图5-26所示的AD7415是一种能达到±0.5℃测量精度的10位数字输出集成温度传感器，工作温度范围为-40~+70℃，I²C总线输出。液晶也称液态晶体（liquidcrystal），是一些有机化合物。在一定温度范围内，它既具有液体的特点，又具有晶体的某些特性，如有序性、光学各向异性等。在分子排列上，液晶的相可分为近晶相、向列相和胆甾相3种，温度测量中特别重要的是呈现胆甾相的液晶。液晶测温液晶测温由图5-28可见，胆甾相液晶的分子结构呈螺旋形排列。体表液晶测温膜利用胆甾相液晶材料制成的液晶测温膜，可以形象地反映出体表温度分布，安全可靠，分辨率可达0.1℃，已经在临床、体检中得到应用。它可以反映出皮肤表面的温度分布，可用于诊断体表浅层肿瘤、观察手术后是否有局部炎症、测定药理反映等。另外，临床上还用来测定浅表脉管位置、动脉血栓等。液晶测温液晶体温计某些液晶混合物的特征色随温度变化具有时间滞后的特点，可用来制作液晶体温计。在托板上排布一定数量的条孔，分别注入不同成分的液晶胆甾醇混合物，分别对应于不同的相变临界温度。使用这种体温计时，凡是达到或超过临界温度的测温元件都变成无色透明，而另一些未达到临界温度的测温元件仍保持特征色。从体内取出后，因特征色有一定的滞后时间，用户有充足的时间（通常几分钟）去读取和记录体温。液晶测温03红外温度测量一切物体只要它的温度高于绝对零度，就会不断地发射红外辐射。当物体与周围温度失去平衡时，物体的这种辐射现象表现为发射或吸收红外线。物体红外辐射的强度和波长分布取决于物体的温度和辐射率，而人体的红外辐射波长范围为3~16μm。通过特定的红外探测器可以感受人体红外辐射能量，并获得与体表温度分布相关的热象图。虽然红外辐射的各种效应都可以用来制造红外探测器，但真正能够有实用价值的主要有红外光电探测器（也称量子探测器）和红外热探测器。表征红外探测器的重要指标有归一化探测率、敏感波长范围和响应时间。红外温度测量热探测器利用涂黑的元件，吸收所有的入射辐射，电极、元件的温度升高。所以这种热电转换包括两个主要过程：一是热探测器吸收红外辐射能量后温度升高，且随着辐射功率的变化其元件温度也发生相应变化；第二个过程是利用元件的某种温度敏感特性，将辐射能转变为相应电信号。医学中应用的热探测器主要有热释电探测器和热敏电阻探测器，前面介绍的集成化热电堆也是一种红外辐射温度计。这类探测器是依靠热传输和热平衡来工作的，因而响应比光电探测器要慢得多。红外温度测量热释电探测器热释电晶体的自发极化强度随温度变化（即热释电效应），这种晶体同时又是压电晶体（但压电晶体并不都具有热释电效应）。晶体的自发极化在与自发极化强度垂直的晶体的两个表面上产生符号不同的面束缚电荷，其电荷密度等于自发极化强度P，但平时这些电荷常被晶体内外的自由电荷中和，对外显中性，故不能在静态条件下测量自发极化。只有当晶体经受一定频率温度变化时，其体内和外部的电荷来不及中和变化着的面束缚电荷，才能测出自发极化。红外温度测量红外温度测量图5-30示出了热释电红外探测器的等效电路。红外温度测量图5-31是一种采用热释电元件作为温敏元件的红外探测器。红外温度测量热敏电阻探测器热敏电阻探测器探测率和响应时间均不如热释电探测器。在这里，有必要将光电探测器与热探测器进行比较。热探测器对各种波长都有响应，光电探测器只对它的波长限以下一段波长区间有响应；热探测器可工作在室温下，光电探测器多数需致冷；热探测器探测率一般低于光电探测器，响应时间一般比光电探测器长。另外，使用红外探测器时必须注意中间介质中含有的水蒸汽、CO，、臭氧对红外辐射的吸收影响，选择探测器工作波长时应避开上述几种气体的吸收光谱范围。红外温度测量热敏电阻探测器早期的红外线图像传感器是单元件检测器，用于实时热成像较困难。随着半导体技术的发展，相继出现了一维阵列红外探测器和二维阵列红外CCD热像传感器，使得红外热像传感器更加小型化并提高了性能。04热电式温度传感器的生物医学测量接触式体温测量，是指将热敏电阻、热电偶等传感器与被测部位直接接触，利用热传导作用在被测部位和热敏传感器之间建立热平衡，进而将被测温度转换为可量化的电信号或数据。接触式体温测量接触式体温测量表5-3是常用体温测量部位及其适用场景。热敏电阻R是电桥的一个测量臂，安放在呼吸气流通路上。呼吸气流流过热敏电阻时改变传热条件并使R的阻值随呼吸周期发生周期性变化。热敏电阻式呼吸频率测量上述热敏电阻传感器只能记录呼吸频率，但呼吸流量也是临床上常用的生理参数。差动热敏电阻式呼吸流量测量基于温度变化的血流、呼吸气流生理参数测量热源在血液中的热传导与血液的流速有一定关系，据此可测定血流量的大小。热式血流测量人体表面温度分布情况有着重要的临床价值，可以用于早期发现近表皮恶性肿瘤及转移情况（如皮肤癌、乳癌、甲状腺癌等），协助诊断各种炎症（如胆囊炎、关节炎等）及末梢血管疾病（如血管炎、血管闭塞），测定烧伤度和烧伤面积，观察某些药物疗效等。红外非接触式温度测量一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体都在不停地向周围辐射红外线，人体本身就是一个红外辐射源。若辐射体是黑体，只要测得辐射出射度最大值所对应的波长，再直接利用维恩位移定律，就可以确定黑体的温度；若辐射体是一般物体，且己知其发射率，则可以通过测量物体的光谱辐射量来确定物体的温度。这就是红外辐射测温技术的基本原理。红外非接触式温度测量人体基础体温测量目前国内外测量人体核心体温的方法有很多，现对目前主流的方法进行归纳分析，如图5-41所示。光电传感与生物光效应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六章01生物组织的光学效应光与生物组织的相互作用以吸收和散射占主导，一方面生物组织的颜色、成分及浓度将影响其对光的吸收和散射，而光的波长及其能量也将影响其与生物组织的相互作用方式；另一方面，光能量作用于生物组织过程中可能引起不同类型的生物物理、生物化学反应，而生物组织特性也将影响这些光生物效应。因此，利用光与生物组织的作用机制，可以构建基于生物光学效应的生物医学传感与检测方法。生物组织的光学效应生物组织的光学效应生物组织对光的吸收光照射到生物组织时，当光子能量hv与组织的原子或分子的跃迁能级相同时，光能便被生物组织或材料所吸收。生物组织所吸收的光子能量在大多数情况下转化为热能，而在一些特定的情况下会将所吸收的能量转化为荧光或磷光。细胞中的光吸收蛋白质是生物细胞中含量最多的化学物质，其基本组成是氨基酸，氨基酸又分为脂肪族和芬芳族两种。光致细胞过程吸收了光之后，细胞会产生多种光物理和光化学过程。当细胞一些组分直接受光激发或被其他组分转移的能量激发时能产生荧光。生物组织的光学效应生物组织的光学效应生物组织对光的散射从物理学的基本理论出发，当照射到生物组织的光远离其吸收谱带时，生物组织中物质的分子会被光的电磁波能量所极化，光波正弦变化的电磁场会引起电子在分子内进行正弦振荡。这种振荡使得每个分子像小天线一样，会在非入射光方向辐射能量，这就是光的散射现象。瑞利散射，其特点包括：①散射光频率与入射光频率相同；②散射强度随距离的平方下降；③散射强度与入射波长λ的4次方成反比；④散射光随散射角而变化。生物组织的光学效应生物组织的光学效应光化反应光化反应是指光能量作用直接引起的化学反应。通常的光化反应源于发生反应的分子，在吸收适当量子能量的光子后将跃迁到某一电子激发态，最后终结于第一个基态产物的出现。完整的光化反应由原始的光化学反应和继发的光化学反应两个阶段构成。由于反应后的最终产物可能是原初物质的分解物，也可能是总反应的氧化物、聚合物或敏化后的生成物，因而光化反应可分为光致分解、光致氧化、光致聚合、光致敏化四种类型。生物组织的光学效应表6-1列举了一些常见生化物质的特征吸收波长。02光电传感器及其检测原理光电传感器的物理基础是光电效应。当光照射到某种物体上时，光能量作用于物体而释放出电子的现象称为光电效应。光电效应常分为内光电效应、外光电效应两大类。光电传感器基本原理②入射光频率成分不变，产生的光电流与光强成正比，光强越强则入射的光子数越多，逸出的电子数也越多。③光电子逸出物体表面具有初始动能，因此光电管即使没加阳极电压，也会有光电流。加负的截止电压可使光电流为零，此截止电压与入射光频率成正比。光电传感器基本原理①当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应，当光子能量恰好等于逸出功时的v。内光电效应受光照物体的电导率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。光电传感器基本原理（1）光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化，此现象称为光电导效应。它与外光电效应一样受红限频率限制。基于此类效应的器件有光敏电阻。除金属外大多数的绝缘体和半导体都有光电导效应。（2）光生伏特效应在光线作用下，能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应有两种。光电传感器基本原理一种为结光电效应。在接触的金属-半导体或PN结中，当光照射其接触区时，产生光生电动势。基于此原理的器件主要有光敏晶体管和光电池。另一种为侧向光电效应。当半导体光电器件敏感面受光照不均匀时，将由载流子浓度梯度产生侧向光电效应，基于这一效应工作的光电器件有半导体光电位置传感器。光电传感器基本原理光电器件1）光电管与光电倍增管（1）光电管典型的真空光电管，其玻璃泡内装有两个电极。一个为光电阴极，常用碱金属及其化合物制成，如铯、氧化铯、锑铯等。（2）光电倍增管当入射光很微弱时，普通光电管能产生的光电流太小，不易检测。光电器件与光电传感器的主要类型光电器件与光电传感器的主要类型光敏电阻光敏电阻具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、质量小、机械强度高、抗过载能力强、价格较低等特点。它一般由金属硫化物等材料制成。3）光电池与光敏晶体管（1）光电池光电池是一个有源器件，当光照射时，无须外接电压激励也能产生电流输出。（2）光敏二极管光敏二极管的结构与一般二极管相似。（3）光敏晶体管与普通晶体管一样，光敏晶体管集电结可获得电流增益。光电器件与光电传感器的主要类型4）半导体位置传感器半导体位置传感器（PositionSensitiveDetector，PSD）是基于侧向光电效应的。5）CCD固态图像传感器CCD（电荷耦合器件）图像传感器是集光电转换、电荷存储、电荷转移为一体的固态图像传感器。光电器件与光电传感器的主要类型固态图像传感器除CTD外，还有光敏二极管阵列（SSPD阵列）、电荷耦合光敏二极管阵列（CCPD阵列）等。它们具有尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小、寿命长、性能稳定等优点。值得一提的是，最近出现一种利用RAM的光敏特性的光学RAM二维阵列器件，这种器件的电荷泄漏速度与照射的光强度有关。光电器件与光电传感器的主要类型光谱灵敏度S（λ）光电器件对单色辐射通量的反应为光谱灵敏度S（λ）。积分灵敏度S光电器件对连续辐射通量的反应程度称为积分灵敏度。通量阈φ在光电器件输出端产生的并与固有噪声电平等效的信号最小辐射通量称为通量阈值。“”光电器件与光电传感器的主要类型归一化探测率D°响应与输出噪声之比称为探测率D。频率特性在同样电压和同样光强下，当入射光强度以不同的正弦交变频率调制时，器件灵敏度会随调制频率f变化。光照特性光照特性表示光电器件灵敏度与其入射辐射通量的关系。有时也用光电器件输出电流或电压与入射辐射通量间的关系表示。光照特性反映了输入光信号与输出电信号的关系。“”光电器件与光电传感器的主要类型伏安特性伏安特性是指在保持入射光频谱成分不变且入射辐射通量恒定时，光电器件的电流和电压之间的关系。伏安特性曲线可帮助我们计算光电器件的负载电阻、设计线路。温度特性温度特性是指光电器件的光-电转换效率随温度变化的特色。温度变化后，电子热运动也变化，将引起光电器件光、电性质的改变，是引起测量系统灵敏度不稳定的一个重要因素。光电器件与光电传感器的主要类型光电传感器的参数计算光电传感器由光路和电路组成，因此设计计算应从光路和电路两方面加以考虑。（1）光通量计算；（2）光电流计算；（3）电路的分析计算。光电器件与光电传感器的主要类型光电传感器的光信号测量方法1）基本型光电传感器光电传感器结构包括光路与电路。按测量光路可将光电传感器分为下面几种基本类型。（1）透射式（2）反射式（3）辐射式（4）遮挡式（5）开关式光电器件与光电传感器的主要类型光电器件与光电传感器的主要类型双光路光电传感器上述基本型光电传感器，当电源有波动，光路中有干扰光（如阳光、灯光等杂散光）以及光路中有灰尘时，将引起测量误差。此外，光敏元件特性变化也将带来误差。采用双光路系统可减小这些误差。光电器件与光电传感器的主要类型图6-21示出了一种双光路系统。03光纤与光谱传感器件光纤传感器的基本原理光纤基本原理常见光纤是由两种成分不同的玻璃抽成极细的丝，然后套装在一起构成的，如图6-22所示。传输损耗。光纤的主要参数色散。传播模式。数值孔径NA。光纤强度。光纤传感器的基本原理功能型光纤传感器若光纤因本身的性质或特殊结构设计从而对外界环境因素，如位置、温度、应力、电场、磁场等敏感，这些敏感量将对光纤内传输的光的特性（如相位、振幅、频率、偏振等）形成调制，通过光电探测器接收调制后的光信号，并采用适当的解调方法，就可对这些敏感信号进行测量。这种传感器称为功能型光纤传感器。光纤传感器的基本原理传输型光纤传感器若光纤传感器中光纤仅作为光的传播媒质，往往不连续，中间接入其他材料制成的敏感元件，则称为传输型（或非功能型）光纤传感器。（1）光纤Bragg光栅传感器光纤Bragg光栅（FiberBraggGrating，FBG）是利用紫外光等手段在光纤特定位置制成的折射率周期性分布的光栅区，于是特定波长（Bragg反射光）在该区域内被反射。（2）马赫泽德干涉仪传感器原理光纤传感器的基本原理光纤传感器的基本原理马赫泽德干涉仪的结构如图6-25所示，它主要由2个3dB耦合器和2条光纤组成，其中一条称为信号臂，另一条称为参考臂。光谱传感的核心元件是光谱分离元件。传统光谱仪一般采用光栅分离光谱，通过狭缝和光电传感器或线阵CCD接收空间分离后的光谱；傅里叶变换光谱仪则使用干涉仪结构完成对光谱的调制，光电传感器接收光强信号，计算机完成光强信号到光谱信号的变换。光谱检测传感技术光谱检测传感技术光栅光谱仪的光谱分离元件是反射光栅，其横剖面如图6-26所示。光谱检测传感技术傅里叶变换光谱仪结构和原理迈克耳孙干涉仪光路结构如图6-28所示。颜色传感器自然界中丰富多彩的色彩是由多种基本色调混合并经视觉系统感知而获得的。三原色是指色彩中不能再分解的三种基本颜色，有色彩三原色、光学三原色之分