医用传感器原理.ppt

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医用传感器原理医用传感器原理及应用及应用内容提要内容提要l1、医用传感器基础l2、生物电检测电极l3、常用医用物理传感器l4、化学传感器和生物传感器l5、传感器技术的发展与展望1医用传感器基础医用传感器基础对传感器的定义：

对传感器的定义：

“传感器传感器”在新韦式大词典中定义为在新韦式大词典中定义为:

“从一个系统接受功率，通常以另一种从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件形式将功率送到第二个系统中的器件”。

根据这个定义，传感器的作用是将一种能根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用也用“换能器换能器Transducer”来称谓来称谓“传感传感器器Sensor”。

l中华人民共和国国家标准中华人民共和国国家标准（GB766587）GB766587）对传对传感器下这样的定义：

感器下这样的定义：

l传感器传感器是能感受规定的被测量并按照一定的是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。

通常由敏感元件和转换元件组成。

l国标中的定义强调了被测量按一定规律转换国标中的定义强调了被测量按一定规律转换成可用输出信号，而且它给出了传感器的结成可用输出信号，而且它给出了传感器的结构信息，即它通常由敏感元件和转换元件组构信息，即它通常由敏感元件和转换元件组成。

成。

信号调节信号调节转换电路转换电路敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电路辅助电路被测信息被测信息按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：

按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：

输出输出电信号电信号敏感元件敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。

是指能直接感测或响应被测量的部件。

转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现。

出信号以电量的形式出现。

信号调节和转换电路信号调节和转换电路是把传感元件输出的电信号转是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。

有人也称这一部分电路为涉及的有关电路。

有人也称这一部分电路为信号调信号调理电路理电路。

医用传感器医用传感器（BiomedicalSensors）l医用传感器医用传感器，顾名思义，它是应用于生物医学领域的，顾名思义，它是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现，因此，医用传感器可而它的输出常以电信号来表现，因此，医用传感器可以定义为：

把人体的生理信息转换成为与之有确定函以定义为：

把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。

数关系的电信息的变换装置。

l人体生理信息有人体生理信息有电信息电信息和和非电信息非电信息两大类，从分布来两大类，从分布来说有说有体内的体内的（如血压等各类压力），也有（如血压等各类压力），也有体表的体表的（如（如心电等各类生物电心电等各类生物电）和和体外的体外的（如红外、生物磁等）如红外、生物磁等）医用学传感器的分类医用学传感器的分类l传感器的分类方法多种多样，有按传感器的工传感器的分类方法多种多样，有按传感器的工作原理分的，有按输入信息的类型分的，也有作原理分的，有按输入信息的类型分的，也有按能量关系或输出信号类型分的。

医学测量中按能量关系或输出信号类型分的。

医学测量中往往按被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸往往按被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸波传感器等。

波传感器等。

l医用传感器按工作原理分类，大致可分为：

医用传感器按工作原理分类，大致可分为：

生物传感器生理参数利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质利用材料的物理变化物理传感器非电学量参数机体的各种生物电（心电、脑电、肌电、神经元放电等）生物电电极电学量参数利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号化学传感器物理传感器电阻式传感器电容式传感器电感式传感器压阻（效应）传感器压电（效应）传感器光电（效应）传感器霍尔（效应）传感器生理信号检测的特点生理信号检测的特点医用传感器用于人体生理信息检测时，具有以下主要特点医用传感器用于人体生理信息检测时，具有以下主要特点：

l被测量生理参数均为低频或超低频信息，频率分布范围在直流300Hz。

l生理参数的信号微弱，测量范围分布在uVmV数量级。

l被测量的信噪比低，且噪声来源可能是多方面的。

由于人体是一导电体，体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰生理信息的检测。

l人体是一有机整体，各器官功能密切相关，传感器所拾取信息往往是由多种参数综合而形成的。

医用传感器的数学模型医用传感器的数学模型l传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感器的输入与输出的关系特性。

器的输入与输出的关系特性。

l描述传感器的输入一输出关系的数学表达式被描述传感器的输入一输出关系的数学表达式被称为称为传感器的数学模型传感器的数学模型，通常从传感器的静态，通常从传感器的静态输入一输出和动态输入一输出关系两分面建立输入一输出和动态输入一输出关系两分面建立数学模型。

数学模型。

静态模型静态模型l静态模型静态模型是指静态信号（输入信号不随时间是指静态信号（输入信号不随时间变化或变化缓慢）情况下，描述传感器的输出变化或变化缓慢）情况下，描述传感器的输出与输入量间的函数关系。

在实际工程应用中，与输入量间的函数关系。

在实际工程应用中，忽略蠕动效应和迟滞持性、它可以用多项式来忽略蠕动效应和迟滞持性、它可以用多项式来表示为：

表示为：

动态模型动态模型l动态模型动态模型是指传感器在准动态或动态信号（即是指传感器在准动态或动态信号（即输入信号随时间变化）作用下，描述其输出一输入信号随时间变化）作用下，描述其输出一输入关系的数学表达式。

输入关系的数学表达式。

l要精确地建立传感器的动态数学模型较困难，要精确地建立传感器的动态数学模型较困难，工程上常利用近似方法，忽略次要因素。

来简工程上常利用近似方法，忽略次要因素。

来简化动态模型的建立。

化动态模型的建立。

医用传感器的基本特性医用传感器的基本特性l医用传感器的基本特性是指传感器的输出与输医用传感器的基本特性是指传感器的输出与输入的关系特性，它是传感器应用的外部特性，入的关系特性，它是传感器应用的外部特性，但是传感器不同的内部结构参数影响或决定着但是传感器不同的内部结构参数影响或决定着它具有不同的外部特性。

它具有不同的外部特性。

l医用传感器检测的生理信息，基本上有两种类医用传感器检测的生理信息，基本上有两种类型，即静态量和动态量。

静态量是指不随时间型，即静态量和动态量。

静态量是指不随时间变化或变化甚为缓慢的量变化或变化甚为缓慢的量（如体温如体温），动态量通，动态量通常是周期性信号、瞬变或随机的信号常是周期性信号、瞬变或随机的信号（如心电、如心电、血压等血压等）。

静态特性静态特性l静态特性静态特性表示传感器在被测生理量处于稳定状表示传感器在被测生理量处于稳定状态时的输出与输入之间的关系特性，一般情况态时的输出与输入之间的关系特性，一般情况下，它呈现非线性关系。

工程应用中，要求静下，它呈现非线性关系。

工程应用中，要求静态特性尽可能呈线性。

态特性尽可能呈线性。

l衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、温敏度、迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、温度漂移等。

度漂移等。

l线性度线性度指传感器输出随输入变化的线性程度，它用输指传感器输出随输入变化的线性程度，它用输出量一输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。

出量一输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。

l灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值。

值。

l迟滞特性迟滞特性是指传感器在正是指传感器在正（输入量增大输入量增大）反反（输入量减小输入量减小）行程期间输出一输入曲线的不重合程度。

迟滞是由传行程期间输出一输入曲线的不重合程度。

迟滞是由传感器材料固有特性和机械上的不可避免的缺陷等原因感器材料固有特性和机械上的不可避免的缺陷等原因产生的。

产生的。

l重复性重复性是指传感器在同一工作条件下输入量按同一方是指传感器在同一工作条件下输入量按同一方向作全量程连续多次变动所得到特性曲线的不一致程向作全量程连续多次变动所得到特性曲线的不一致程度。

产生重复性误差的原因同样是传感器内机械缺陷度。

产生重复性误差的原因同样是传感器内机械缺陷引起的，如材料内的摩擦、间隙、积尘等。

引起的，如材料内的摩擦、间隙、积尘等。

l分辨力分辨力是表述传感器可能检测出被测信号最小变化的是表述传感器可能检测出被测信号最小变化的能力。

能力。

l零点漂移零点漂移指传感器无输入时，输出值随时间而偏移，指传感器无输入时，输出值随时间而偏移，偏移零值的偏移量。

偏移零值的偏移量。

l温度漂移温度漂移表示温度变化时，传感器输出值的漂离程度，表示温度变化时，传感器输出值的漂离程度，通常以温度变化通常以温度变化1时，输出最大偏差与满量程值之比时，输出最大偏差与满量程值之比表示。

表示。

动态特性动态特性l传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器对激励是指传感器对激励（输入输入）的的响应响应（输出输出）特性。

具有良好的动态特性的传感特性。

具有良好的动态特性的传感器，在动态器，在动态（快速变换快速变换）的输入信号作用下，不的输入信号作用下，不仅能精确地测量信号的帕值大小，而且能迅速仅能精确地测量信号的帕值大小，而且能迅速准确地响应信号幅度变化和无失真地再现被测准确地响应信号幅度变化和无失真地再现被测量信号随时间变化的波形。

量信号随时间变化的波形。

对医用传感器的基本要求对医用传感器的基本要求l医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设计与应用必须考虑人体因素的影响，考虑生物计与应用必须考虑人体因素的影响，考虑生物信号的特殊性、复杂性，考虑生物医学传感器信号的特殊性、复杂性，考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、安全性。

的生物相容性、可靠性、安全性。

l1.传感器本身具有良好的技术性能，如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。

l2.传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应，使用时，对被测组织的损害要小。

l3.传感器对被测对象的影响要小，不会对生理活动带来负担，不干扰正常生理功能。

l4.传感器要有足够的牢固性，引进到待测部位时，不致脱落、损坏。

l5.传感器与人体要有足够的电绝缘，以保证人体安全。

；l6.传感器进入人体能适应生物体内的化学作用，与生物体内的化学成分相容，不易被腐蚀、对人体无不良刺激，并且无毒。

l7.传感器进入血液中或长期埋于体内，不应引起血凝。

l8.传感器应操作简单、维护方便，结构上便于消毒。

医用传感器在医学上的用途医用传感器在医学上的用途l检检测测检测正常或异常生理参数。

比如：

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。

l监监护护连续测定某些生理参数是否处于正常范围，以便及时预报。

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。

l控控制制即利用检测到的生理参数控制人体的生理过程。

比如，用同步呼吸器抢救病人时，要检测病人的呼吸信号，以此来控制呼吸器的动作与人体呼吸同步。

22生物电检测电极生物电检测电极电极有两类电极有两类l生物电检测电极l刺激电极生物电检测电极生物电检测电极l生物电的变化能够反应生物体的复杂生命现象，比如人体心血管的疾患，通常可以从心脏各部分的电活动反映出来。

例如：

临床医生可以从病人身上记录的心电图的细节进行分析诊断；人的神经系统及脑部的疾患在脑电图上必有所表现。

因此临床上研究人的各种脏