生物医学传感器-概述与传感器特性课件

2.5生物医学传感器概述

本章主要参考教材：重庆大学彭承琳教授主编《生物医学传感器原理及应用》，2000年，高等教育出版社。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性无论是基础医学研究，还是临床诊断、治疗，均需要了解人体各系统、器官、组织直到细胞乃至分子水平的生理功能及病例变化，即掌握各种生理参数。通过测量来获得这些生理参数，也即对机体内伴随生理活动所产生的温度、压力、流量、生物电等物理量及各种生物活性物质或代谢物等化学量的测量。由传感器实现这些参数的测量。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性传感器（Sensor）也称为换能器或变送器（Transducer）国标定义：传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。传感器通常由敏感器件、转换器件和电子线路组成。从作用上讲，传感器可以被看成为代替人的5种感觉器官的装置，即视、听、触、嗅、味。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性传感器的发展趋势测量向定量化发展测量过程简单化加快测量速度扩大可测量的范围使BME研究向精确化、定量化发展，提高疾病诊断水平。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性具体发展动向

1）多功能传感器利用一个传感器同时检测几种被测量并将它们分别转换为电信号。例如：一种传感器能同时检测温度、湿度；或者：将传感器与温度补偿、信号处理、A/D等其他功能复合起来。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性发展动向2）图象传感器许多场合要获得多点的“像”，如红外成像设备，超声成像设备，X线成像设备上都要求使用能接受图象的传感器。旧的产品以摄像管为主，目前发展了多种类型的固体图象传感器，如CCD成像器件等。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性发展动向3）智能传感器传感器与微型计算机技术结合，使它不仅有感知信号的功能，还能对信号进行预处理，甚至作更复杂的处理后，把结果传送给主处理器。通常这类传感器还要有自诊断、自恢复和自适应功能。由于预处理在敏感元件附近完成，减小了传输过程带来干扰的可能，还减轻了CPU的负担。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性发展动向4）化学传感器主要利用敏感材料与被测物质中的分子、离子接触，引起材料表面电势变化、表面化学反应等，并通过一定方法转换为电信号。传统的化学传感器有半导体陶瓷传感器、电化学传感器、半导体场效应化学传感器等，不适合检测高分子物质，很难满足生物体内高分子化学成分的检测。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性发展动向5）生物传感器生物传感器是针对化学传感器的不足发展起来的，它们已经广泛用于生物体内高分子化学成分的检测，如酶传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器、酶热敏电阻、发光酶传感器等，它们对医学基础研究、临床诊断和环境医学起到显著的促进作用。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性开发新型传感器的途径1）采用新原理例如：利用约瑟夫逊效应开发的磁场传感器，能检测极其微弱的磁场，能测量岩石中的剩余磁场和生物体磁场等；光纤传感器：构成新一代内窥镜系统;表面波传感器：可用来测量免疫系统反应产生的物质质量。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性途径2）采用新的功能材料半导体材料压电半导体材料高分子压电薄膜：构成人工皮肤，用于机器人触觉系统设计形状记忆合金：复原时产生很大的力，可能通过它将敏感元件与执行原件综合在一起其他：如精密陶瓷，非晶半导体等2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性途径3）采用新的加工技术如：利用光刻、扩散、各向异性腐蚀等技术，制造微型化和集成化的传感器，可将传感器安装在注射针尖上。如：用半导体制造工艺，将多个传感器集成在一起，形成传感器阵列；还可将运算放大器集成在一起，构成多功能传感器、分布式传感器。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性生物医学传感器的分类按照被测量分为：1）物理传感器如测量血压、血流速度、血流量、血液粘度、体温、心音、呼吸气流速度、生物磁、组织对辐射的吸收等，大多利用这些非电量的物理效应来实现测量。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性分类2）化学传感器利用化学原理或者物理效应设计化学传感器。测量人体中的离子成分或浓度Ca＋，K＋，Na＋，Cl－等，以及pH值，氧分压pO2，二氧化碳分压pCO2，葡萄糖浓度等。电极：特殊传感器，用来将某些生理过程本身伴随的电量变化引出来，如ECG、EEG、EMG、EOG等。实际上它把离子的迁移引起的离子流转换为电子流，曾被归入物理传感器。其测量原理遵循电化学中的半电池原理，因此也可归入化学传感器。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性分类3）生物传感器用于酶、抗原、抗体、递质、受体、激素、脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)等物质的传感。它们都属于化学物质，但分子量较大，分子结构较复杂，一般化学传感器很难对它们进行识别。生物传感器的敏感部分具有生物识别功能，有很强的特异性和高度的敏感性，能有选择地与被测物质起作用。因此也可以说：生物传感器是具有生物识别能力的化学传感器。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性生物传感器的分类由于生物学反应是多元化的，可用的效应也多种多样，生物传感器的分类方法更多，主要有两种分类法：

按生物识别器件(也称生物活性物质)分，即按照一次传感原理分类。如：酶传感器，免疫传感器，组织传感器，细胞传感器，微生物传感器。按二次传感器分类（不论生物识别器件)，如：生物电极，光生物传感器，半导体生物传感器，压电生物传感器，热生物传感器，介体生物传感器。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性其他分类方法按被测对象分：血压传感器、血氧传感器、葡萄糖传感器、基因传感器等。按工作原理分：光纤传感器、声表面波传感器、超导传感器、免疫传感器等。按大小分：微型传感器、分子传感器、纳极(Nanode)等。按功能分：多参数传感器、智能传感器等。按使用方法分：一次性传感器、植入式传感器等。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性对生物医学传感器的特殊要求满足一般传感器的要求：频率特性、灵敏度、线性度、信噪比以及可靠性、稳定性和可重复性（再现性，reproductivity）。还要求满足：对被测对象的影响要小，即传感器和测量系统对病人的影响要小。人体和测量系统之间可能存在某种相互作用，它不仅影响测量的正确性和真实性，有时还可能对机体产生不利影响，甚至引起安全问题。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性特殊要求测量要尽可能无损进行。实际测量时，常常要与人体一定部位直接接触，如压迫、通电等，甚至侵入机体内部，有可能扰乱机体的正常的生理活动过程，还会影响测量结果的正确性。因此，设计测量系统时，不仅要了解它的工作原理，还要对被测机体的生理活动过程有充分认识，以减少相互作用。同时，对相互作用造成的测量误差也要能正确估计，以获得可靠的结果。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性应考虑的问题1）不应干扰正常的生理功能传统的工业测量，尽量把传感器放得离测量点近一些。生物医学测量则要尽量避免传感器干扰正常的生理、生化状态，避免带来痛苦。外界的扰乱因素可能影响机体的平衡，生物体会因此产生各种应急反应，从而改变被测部位的状态，影响被测参数的真实性，还会给病人带来不适和痛苦。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性应考虑的问题2）适应生物体内的化学作用（相容性），传感器既不应该被腐蚀，也不应给生物体带来毒性；3）形状和结构应适应待测部位的解剖结构，使用时不应损伤组织；4）与身体之间有足够的电绝缘，即使传感器万一损坏，身体上所加上的电压也要低于安全值；5）对埋入机体长期使用的传感器，不应在传感器周围引起赘生物。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性2.6生物医学传感器的特性

2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性医用传感器的输入量分为静态量与动态量两大类。静态量是指固定状态的信号或变化极其缓慢的信号(准静态量)。动态量是指周期信号、瞬变信号或随机信号。无论对动态量或静态量，传感器输出量都应不失真地复现输入生理量的变化，其关键决定于传感器的静态特性与动态特性。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性3.2.1静态特性传感器在被测量的各个值处于稳定状态下，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。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性a0为零位输出(零偏)；a1为传感器的灵敏度，常用K表示；a2,a3,…an为非线性项的待定系数。对于没有迟滞效应和蠕变效应的理想传感器，其静态特性可用麦克劳林级数表示：2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性若a0=0,静态特性的多项式代数方程通过原点，它由线性项a1x和非线性项x的高次项叠加而成。可能有四种情况，代表四种静态特性。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性1）线性特性

在理想情况下，a0=0，且a2,a3,…an均为0，线性方程为此时

称为传感器的灵敏度。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性2）非线性项仅有奇次项当只有x的奇次项时，方程为：这时在原点附近相当范围内输出、输入特性基本成线性。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性3）非线性项仅有偶次项只有x的偶次非线性项时曲线不对称。4）一般情况即

对应的曲线如(d)所示。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性实际应用中，如果非线性项的x方次不高，则在输入量变化不大的范围内，可用切线或割线来代替实际静态特性的某一段，使得传感器的静态特性近于线性，称之为传感器静态特性的线性化。只要传感器的非线性系数较小，测量范围又不大时，就可这样处理。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性设计时把测量范围选择在最接近直线的那一小段，可使传感器的静态特性近于线性。不过这时的原点不是在零，以图(c)为例，如取ab段，其原点在c点。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性静态特性是在静态标准条件下进行校准的

没有加速度、振动、冲击，环境温度20℃±5℃，相对湿度不大于85％，大气压为101.3±8kPa。用一定等级的校准设备对传感器进行反复测试，将得到的输出—输入数据列成表格或画成曲线。把被测量值的正行程输出值和反行程输出值的平均值连接起来的曲线称为传感器的静态校准曲线。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性衡量传感器静态特性的指标2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

1．线性度Linearity

线性度也叫做传感器特性曲线的非线性误差。它用校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与满量程输出平均值之比的百分数来表示：

为校准曲线与拟合直线间最大偏差；

YF.S.(FullScale)为传感器满量程输出(平均值)，YF.S.=Ymax-Y02.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

可用理论直线作为拟合直线来确定传感器的线性度，即Y=a1X；也可用最小二乘法得到拟合直线得到最小二乘法线性度。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性2.迟滞Hysteresis用来描述传感器的正向和反向特性的不一致性，即对应于同一大小的输入信号，其正、反行程的输出信号不相等的程度。用实验确定，等于输出值在正、反行程间最大偏差与满量程输出值YF.S.的百分比：2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

它反映机械部分的不可避免的缺陷：轴承磨损，缝隙，螺丝松动，元件腐蚀或破碎，灰尘等。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性3.重复性Repeatablity表示传感器在同一工作条件下，输入朝同一方向作全量程连续多次变动时，所得的特性曲线不一致的程度。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

重复性误差是随机误差，计算：

为相应行程的标准误差。各条特性曲线一致，重复性就好，误差也小。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性4.灵敏度Sensitivity在稳态下输出变化对于输入变化的比值，线性传感器的校准曲线的斜率就是灵敏度。非线性传感器的灵敏度可用表示，数值上为最小二乘拟合曲线的斜率。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性5.准确度Accuracy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。准确度是衡量仪器、传感器总误差的一个尺度，它不考虑误差的类型和原因，是测量精密度和正确度的综合。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

在工程检测中，为了简单地表示仪表或传感器测量结果的可靠程度，引入一个仪表精度等级A的概念。A定义为仪表在规定工作条件下，其最大绝对允许误差值相对仪表测量范围的百分数，即

A%=(

A/YF.S)

100%

A是在传感器测量范围内的最大绝对允许误差。例如，压力传感器的精度等级分别为0.05、0.I、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。在传感器出厂检验时，其精度等级代表的误差是指传感器测量的最大误差，亦即极限误差。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性6.精密度和正确度Precision精密度描述在同一测量条件下,测量仪表的指示值不一致的程度,反映测量结果中随机误差的大小。(结果可能偏离,但一致性好)

精密度由两个因素确定：一、重复性；二、仪表能显示的有效位数。正确度表示测量结果有规律地偏离真值的程度，反映测量结果中的系统误差大小。(结果是否准)

实际测量时，精密度高，不一定正确度高；反过来，正确度高，也不一定精密度高。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性7.灵敏限

SensitivityLimitation灵敏限是在刻度起点处引起测量装置输出变化的输入量的变化的最小值。例如：某血压传感器当压力小于0.1333kPa时无输出，则该压力传感器的灵敏限便为0.1333kPa。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性8.零点漂移ZeroDraft传感器无输入或在某一输入值不变时，每隔一段时间，例如10分钟、1小时、2小时等进行读数，其输出偏离零值(或原指示值)，即为零点漂移:

零漂＝(

Y0/YF.S.)

100％

式中

Y0为最大零点偏差。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性9.温漂TemperatureDraft表示温度变化时，传感器输出值的偏移程度。一般以温度变化1℃时输出最大偏差与满量程之比表示：温漂=

Ymax/(YF.S.

T)

Ymax为输出最大偏差,

T为温度变化。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

10.测量范围MeasurementRange由被测量的两个值所限定的范围，在这个范围内测量是按规定精度进行的。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性3.2.2动态特性动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。为获得真实的人体信息，传感器不仅应有良好的静态特性，还应有良好的动态特性。对于大多数生理信号,动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随同一时间变化的曲线一致或相近。实际的被测量随时间变化的形式可能各种各样。为此，在研究动态特性时，常根据“标准”输入特性来考虑传感器的响应特性。标准输入有两种：正弦函数和阶跃函数。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性动态特性的一般数学模型常用线性常系数微分方程来研究线性系统的动态响应，对该方程求解就得到传感器的动态性能指标。对于任意线性系统，可用高阶常系数线性微分方程描述：2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

如用算子D代表d/dt，上式可改写为若用拉氏变换，即用s代替D，可得到Y(s)和X(s)的方程式：根据描述传感器的微分方程的阶次，分为零阶、一阶和二阶传感器。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性1)零阶传感器描述零阶传感器的零阶微分方程为即

式中K为静态灵敏度。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性典型的零阶传感器电位器式传感器物理模型输出特性2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性电位器式传感器假设电阻值沿长度L线性分布，上式可改写为：

Vo为输出电压；VI为输入电压；X为位移量。只要电位器是纯电阻，并且输入测量值的变动速度不很高，就符合零阶传感器的理想条件。实际电位器存在寄生电感和电容，在高频时会引起少量失真，影响动态特性。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性2)一阶传感器用一阶微分方程描述或者K=b0/a0为静态灵敏度

=a1/a0为时间常数2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性典型的一阶传感器玻璃液体温度计可以简化成一个质量为m(kg)、比热容为c(Jkg-1K-1)、表面积为S(m2)的物理模型。假设：被测介质和温度计之间的表面传热系数为

h(Jm-2s-1K-1)

辐射热传导忽略不计。假设：温度计每一瞬间的温度是均匀的，即它的传热系数比被测介质和温度计之间的传热系数大得多。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性温度计的物理模型根据热平衡原理，有

式中：T为温度计的温度；

Ti为被测温度；

t为时间。其微分形式为2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性温度计的物理模型两边除以mc，得令常数mc/hS=

为时间常数，有这是一阶微分方程。如已知Ti的变化规律，求解上式就可得到温度计的温度T。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性3)二阶传感器

二阶传感器的数学模型：或2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性典型的二阶传感器测量心内压的液体耦合导管—传感器系统，由插入人体内的充液体导管和体外的膜片压力传感器组成。充液体导管和传感器具有惯性、粘性和弹性特性。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性液体耦合导管—传感器系统假设：导管为刚性管道，弹性很小，仅考虑膜片的弹性k，又由于传感器直径远大于导管直径，其中的液体也比导管中的液体少得多，故只集中考虑导管的惯性质量m和粘性阻尼c。假设：导管前端受压力p(t)作用，并通过液体耦合导管导致膜片偏移，产生一体积位移V(t)，从而感知导管前端的压力变化。系统可由微分方程表示：2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

许多传感器是二阶传感器，如测血压和其他压力的弹性压力传感器，加速度型心音传感器，微震颤等震动型传感器等，均含质量m，弹簧k和阻尼器c，模型都是一个弹簧－质量－阻尼系统，与上面的二阶微分方程相似。

2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性3.2.3传感器的动态响应2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性1.传感器系统的传递函数用传递函数来描述传感器的动态特性，它是输出信号与输入信号之比。要得到传递函数，只要将前面D算子形式的微分方程改写成或者拉氏变换形式2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性2.动态响应传感器的动态响应是它对动态信号产生的输出，即其微分方程的解。动态响应与输入激励的类型有关，常用正弦激励和阶跃激励。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性1）正弦输入时的频率响应输入：X(t)=Asint，是正弦波输出：

Y(t)=Bsin(t+)开始，Y(t)

不是正弦波，随着t的增大，暂态响应逐渐变小并消失，当t=时便是稳定状态，输出变成单一的正弦波。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

用j代替传递函数中的s，即得到频率传递函数2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性频率特性频率响应是稳态时Y/X的幅值比和相位随频率变化的情况。幅频响应相频响应2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性a.零阶传感器的传递函数和频率特性零阶传感器的传递函数实际上就是其灵敏度K，即可见，其特性与频率无关，输出与输入成正比，无幅度和相位失真，具有理想的动态特性。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性b.一阶传感器的传递函数和频率特性从前面的稳态方程可得到两种形式的传递函数：算子形式的传递函数为：拉氏形式的传递函数为：2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性其频率响应为幅频特性为相频特性2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性c.二阶传感器的传递函数和频率特性算子形式的传递函数为：拉氏形式的传递函数为：频率传递函数为：2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性频率特性：由此可得其幅频特性：相频特性：2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性

H(j)随和阻尼比而变，可见：当q=/0<<1，动态，静态参数一样当q=/0>>1，H(j)接近0，接近－180°当q=/0

＝1且0时，出现谐振，幅值和相位均严重失真。幅频特性与密切相关，＝0.707时，频率响应曲线平坦段最长。2.5-2.6生物医学传感器-概述与传感器特性2）阶跃响应单位阶跃信号如图，它可以看成是由无穷多的正弦信号叠加而成的。a.零阶传感器

输出与输入成正比，只是幅度减小。2.5-2.6生物医学