生物醫(yī)學(xué)傳感器復(fù)習(xí)資料

1、第一章 傳感器與生物醫(yī)學(xué)測(cè)量（1）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB766587)關(guān)于傳感器的定義，傳感器的組成部分及其作用。定義：傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的組成：敏感元件，轉(zhuǎn)換元件，信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路，輔助電源傳感器的作用：將一種能力轉(zhuǎn)化為另一種能量形式。（2）生物醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器的三個(gè)主要部分及其所起作用。n 傳感器和電極n 放大器和測(cè)量電路n 數(shù)據(jù)處理和顯示裝置(現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器已包括治療儀器組成完整的生物醫(yī)學(xué)儀器，也包括基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸部分。)（3）常見(jiàn)生理參數(shù)的測(cè)量范圍（心電，腦電，肌電）心電圖ECG:（所用傳感器）

2、體表電極 (幅值)50uv5mv (頻率)0.05100Hz腦電圖EEG:頭皮電極 2200uv 0.5100Hz肌電圖EMG:針電極 20uv1mv 10Hz20kHz（4）通過(guò)人體的低頻電流（直流1KHz）對(duì)人體的作用有三個(gè)方面。n 產(chǎn)生焦耳熱；n 刺激神經(jīng)、肌肉等細(xì)胞；n 使離子、大分子等振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、取向。 第二章 生物電信號(hào)的特征（1）什么是膜電位？靜息時(shí)細(xì)胞膜內(nèi)外常見(jiàn)離子濃度情況如何？膜電位（membrane potential）：在可興奮組織（如神經(jīng)，肌肉或腺組織）的細(xì)胞膜內(nèi)外，存在著不同的帶電離子。膜外呈正電，膜內(nèi)呈負(fù)電，存在著一定的電位差。平時(shí)呈現(xiàn)靜息電位,細(xì)胞膜內(nèi)介質(zhì)的靜息電

3、位約為-50mV-100mV，細(xì)胞內(nèi)帶負(fù)電,細(xì)胞外帶正電。（靜息電位（resting potential）：是指細(xì)胞未受刺激時(shí)的膜電位，即處于靜息狀態(tài)下，細(xì)胞膜兩側(cè)存在的電位差。）靜息時(shí):n K+的膜內(nèi)濃度比膜外高30倍;n Na+的膜外濃度比膜內(nèi)高10-15倍; n CL-的膜外濃度比膜內(nèi)高47倍;n Ca2+的膜外濃度比膜內(nèi)高104倍;n 蛋白質(zhì)陰離子的膜內(nèi)濃度比膜外高等由此可知,膜內(nèi)外的K+、Na+、CL-、Ca2+等離子之間各有一定的濃度差形成濃度梯度。（2）能斯特(Nernst)方程以及利用能斯特方程求靜息時(shí)K+的平衡電位k 。（式中為擴(kuò)散電位差，生理學(xué)上為膜兩邊的跨膜電位）例子：已

4、知人體神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)、外K+的有效濃度分別為K+I和K+o（單位為mol/L），則根據(jù)Nernst方程式計(jì)算出 K+的平衡電位k:k=1.38x10-23 J·K-1)，T為絕對(duì)溫度(K)，Z=+1，e=1.60x10-19C在人體體溫(37)下，若將各項(xiàng)值代入，則Nernst方程式可化為:代入表2.1給出參數(shù),得k =-89mV,理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果（86mV）很接近。（3）細(xì)胞膜的模擬等效電路細(xì)胞膜等效電路為電容和電阻并聯(lián)形式。例子：若細(xì)胞膜面積S=5x10-6cm2,厚度d=10-6cm,=3.26 膜的電容值：=1.3pF=1.3×10-12F(法拉)若已知膜電位為V

5、= - 86mV，代入公式Q = CV,可求得應(yīng)帶的電量為Q=1.3×10-12 × 0.086 = 1.1×10-13庫(kù)侖(C)。這些電量應(yīng)是Q/e 個(gè)K+ 離子所有,已知e=1.6×10-19庫(kù)侖（即K+離子的電量）,得參與擴(kuò)散的K+離子數(shù)應(yīng)為：Q/e = 6.9×105。已知典型的細(xì)胞體積為10-9 cm3 ,K+離子的濃度約為0.14克分子/升,或每立方厘米約有0.14×6×1023 /1000 1020 個(gè)離子。照此計(jì)算,每一細(xì)胞內(nèi)就有：1020×10-9=1011 個(gè)K+ 離子,其中只有6.9×

6、;105 個(gè)K+離子向膜外擴(kuò)散 （4）什么是動(dòng)作電位，動(dòng)作電位在去極化和復(fù)極化過(guò)程中各個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)（包括時(shí)程，電位幅度，K+、Na+ 、Ca2+離子運(yùn)動(dòng)情況）。心肌細(xì)胞受到竇房結(jié)發(fā)來(lái)的電脈沖剌激時(shí)(閾剌激),受剌激部位膜電位將發(fā)生短暫的電位變動(dòng)，最初膜電位升高,接著慢慢恢復(fù)到原來(lái)靜息電位水平。這個(gè)過(guò)程經(jīng)歷300ms時(shí)程,膜電位的變動(dòng),生理學(xué)上稱(chēng)為“動(dòng)作電位”。1.去極化：去極化即除極,是動(dòng)作電位的0期。（當(dāng)可興奮的細(xì)胞受到外界剌激,如給它以電剌激,剌激電流從膜內(nèi)流向膜外,因此膜的極化狀態(tài)減弱,稱(chēng)之為去極化。）n 表現(xiàn)：去極化達(dá)到一定臨界水平,即閾電位,便產(chǎn)生興奮。這時(shí)細(xì)胞膜的極化現(xiàn)象消除,出現(xiàn)

7、膜內(nèi)為正、膜外為負(fù)的反極化狀態(tài):在短時(shí)間內(nèi)由-50mV100mV變到+20mV+40mV,構(gòu)成動(dòng)作電位上升支(去極相)。快鈉通道“開(kāi)放”，Na+通過(guò)快鈉通道,向膜內(nèi)迅速擴(kuò)散,使膜電位升高得很快,最快變化率可達(dá)800v/s,上升幅度大(-80mV至30mV)。n 特點(diǎn)：對(duì)于心肌細(xì)胞,此期歷時(shí)很短,僅12ms。2.復(fù)極化：是從去極化電位達(dá)到正峰值后開(kāi)始,一直恢復(fù)到靜息電位水平狀態(tài)之間的過(guò)程。（動(dòng)作電位的產(chǎn)生,取決于細(xì)胞膜兩邊的電壓和膜對(duì)于Na+、K+隨時(shí)間變化的通透性。）1期:亦稱(chēng)快速?gòu)?fù)極初期，Na+向內(nèi)擴(kuò)散減慢,而K+的向外擴(kuò)散則緩慢地上升,兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。膜外CL-濃度高于膜內(nèi)47倍,而且此

8、時(shí)膜內(nèi)電位為正,高于膜外,故CL-借助于濃度差和電位差兩者的作用而大量向內(nèi)擴(kuò)散,使細(xì)胞內(nèi)的電位逐漸降低。1期占時(shí)平均約10ms 。2期:緩慢復(fù)極期或平臺(tái)期，胞外Ca2+濃度比細(xì)胞內(nèi)高得多，此期慢鈣通道早已開(kāi)放,并且開(kāi)得很大，Ca2+在濃度梯度作用下經(jīng)過(guò)慢通道而緩慢地向內(nèi)擴(kuò)散。少量Na+緩慢內(nèi)流，使膜電位復(fù)極受阻。因而使復(fù)極過(guò)程停滯在0電位水平。2期占時(shí)約100ms。3期:“快速?gòu)?fù)極末期”，是復(fù)極化的主要過(guò)程。主要是由K+的外流而造成的。由于K+外流的增加和慢通道的失活,Ca2+和Na+內(nèi)流減少,因而K+外流不再與Ca2+和Na+內(nèi)流平衡,致使膜電位較快地下降而形成復(fù)極3期。此期歷時(shí)約10015

9、0ms。從03期,對(duì)應(yīng)著心肌的收縮期。不需消耗外部能量,故稱(chēng)為"被動(dòng)傳輸"過(guò)程。4期:“舒張期”或“靜息期”，要依靠鉀-鈉泵的作用,將向外擴(kuò)散的K+和向內(nèi)擴(kuò)散的Na+逆濃度梯度分別驅(qū)回膜內(nèi)和膜外,恢復(fù)到靜息期的極化狀態(tài)。對(duì)應(yīng)心肌的舒張期,使膜復(fù)極化完畢和膜電位恢復(fù)到靜息水平。它需要外界供給能量才能維持,故稱(chēng)為“主動(dòng)傳輸”過(guò)程。（5）動(dòng)作電位的主要特征參量:n 動(dòng)作電位幅度(APA)n 靜息膜電位(RP)n 動(dòng)作電位時(shí)程(APD):從去極化到復(fù)極化后靜息電位的時(shí)間間隔。常用APD90（達(dá)到峰電位百分之九十的時(shí)間）。n 有效不應(yīng)期(ERP):細(xì)胞膜從去極化開(kāi)始后,必須經(jīng)過(guò)一定時(shí)

10、間。才能下一次去極化,產(chǎn)生可傳播動(dòng)作電位,該時(shí)間間隔稱(chēng)為有效不應(yīng)期。（6）相對(duì)不應(yīng)期與絕對(duì)不應(yīng)期：絕對(duì)不應(yīng)期是指動(dòng)作電位去極化進(jìn)程中，無(wú)論用如何強(qiáng)的刺激都不會(huì)引起新的動(dòng)作電位。相對(duì)不應(yīng)期是指絕對(duì)不應(yīng)期以后的一段短時(shí)間，用很強(qiáng)閾上刺激可在該處引起動(dòng)作電位，但其動(dòng)作電位最大振幅變小，這個(gè)時(shí)期為相對(duì)不應(yīng)期。連續(xù)刺激產(chǎn)生興奮的最小時(shí)間間隔是取決于不應(yīng)期大小。*（7）動(dòng)作電位的特性：1.全反應(yīng)或無(wú)反應(yīng)；2.無(wú)衰減傳導(dǎo)；3.興奮響應(yīng)的不應(yīng)期。第三章 生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)（1）生物醫(yī)學(xué)傳感器根據(jù)主要特點(diǎn)分為哪幾類(lèi)。（2）醫(yī)用電極按工作性質(zhì)可分為哪兩類(lèi):分為檢測(cè)電極和刺激電極兩大類(lèi)。n 檢測(cè)電極是敏感元件,用來(lái)

11、測(cè)定生物電位的。需用電極把這個(gè)部位的電位引導(dǎo)到電位測(cè)量?jī)x器上進(jìn)行測(cè)量,這種電極稱(chēng)為檢測(cè)電極。n 剌激電極是對(duì)生物體施加電流或電壓所用的電極。剌激電極是個(gè)執(zhí)行元件。（3）什么是電極電位，電極的極化和極化電位又是什么。電極電位:金屬與溶液之間的界面電位差稱(chēng)為電極電位,又稱(chēng)半電池(half-cell)電勢(shì)。電極的極化:是指電極與電解質(zhì)溶液的雙電層界面在有電流通過(guò)時(shí),電極-電解質(zhì)溶液界面電位從原有平衡電位變化為新電極電位，該極化電位與通過(guò)電流密度有關(guān)。極化電位:就是電極在通過(guò)電流后的電極電位，分陽(yáng)極極化電位和陰極極化電位。極化現(xiàn)象:將有電流通過(guò)的電極電位與無(wú)電流的平衡電極電位的偏離現(xiàn)象稱(chēng)為極化現(xiàn)象。(

12、4）制作Ag/AgCl電極的方法:電解法和燒結(jié)法1.電解法制作Ag/AgCl電極裝置:由反應(yīng)式可知，要鍍AgC1層的銀電極作為陽(yáng)極:表面積較大的銀板作為陰極，供給鍍銀:1.5V電池作為電源,串聯(lián)電阻R用以限制峰值電流。電流表I用來(lái)觀察電流以便控制電極反應(yīng)速度。電流密度約以5mA/cm2為宜。 2.燒結(jié)法制作 Ag/AgCl電極： 將凈化的純銀絲放在模具內(nèi),再填滿銀和氯化銀粉末的混合物,用扳壓機(jī)加壓,壓成圓柱體,然后再?gòu)哪＞咧腥〕?在400的溫度下烘幾個(gè)小時(shí),便制成一個(gè)銀導(dǎo)線四周包圍著燒結(jié)的Ag和AgCl圓柱體的Ag/AgCl電極。這種方法制作的Ag/AgCl電極不怕磨損,便于保存,成本低。Ag

13、/AgCl電極稱(chēng)為可逆變電極（5）傳感器靜態(tài)特性表征的重要指標(biāo)：靜態(tài)特性當(dāng)傳感器輸入、輸出不隨時(shí)間而變化時(shí)，其輸出-輸入特性。指標(biāo)有：1.靈敏度：傳感器輸出量的變化和輸入量的變化之比。2.線性度（非線性誤差）：測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定曲線對(duì)理論擬合直線的最大偏差與滿量程之比。3.回程誤差（遲滯性）：回程誤差表明的是在正反行程期間輸出-輸入特性曲線不重合的程度4.重復(fù)性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)所得特性曲線不一致性程度。5.精度：指?jìng)鞲衅鬏敵鼋Y(jié)果的可靠程度。此外，傳感器的靜態(tài)參數(shù)指標(biāo)還有分辨力、零點(diǎn)漂移、溫度漂移，測(cè)量范圍等。 第四章 物理傳感器與檢測(cè)技術(shù)（1）電阻應(yīng)變效應(yīng)。 拉伸金屬導(dǎo)

14、體產(chǎn)生應(yīng)變,在拉伸比例極限內(nèi),金屬導(dǎo)體電阻相對(duì)變化率與軸向應(yīng)變成正比,即： 其中，R：無(wú)應(yīng)變電阻值;dR：產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)電阻變化量;:軸向應(yīng)變(=dL/L);k0:金屬材料的靈敏系數(shù)。（2）電阻式傳感器按材料不同分為兩大類(lèi):金屬電阻應(yīng)變式傳感器, 半導(dǎo)體壓阻傳感器。金屬材料和半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)k0受哪兩個(gè)因素影響，占主導(dǎo)地位的分別是哪個(gè)因素（尺寸效應(yīng)，壓阻效應(yīng)）？金屬材料和半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)k0 n 它受兩個(gè)因素影響： n 1.是受力后材料幾何尺寸變化所引起，即(12m)項(xiàng)；n 2.是受力后材料電阻率變化所引起的，即(dr/r)/e項(xiàng)。 金屬：電阻率變化是因材料發(fā)生變化時(shí)，其自由電子活動(dòng)能力和

15、數(shù)量均發(fā)生了變化的緣故，實(shí)際上也是因體積變化而造成的，即尺寸效應(yīng)是占主導(dǎo)地位的因素。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下,使得材料本身的電阻率發(fā)生了較大的變化,這種現(xiàn)象叫做壓阻效應(yīng)。占主導(dǎo)。（3）電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)種類(lèi)。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)與金屬材料的靈敏系數(shù)哪個(gè)更大，為什么？（a）絲式應(yīng)變計(jì)；（b）短接式應(yīng)變計(jì)；(c)箔式應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變片的靈敏系數(shù): 應(yīng)變片靈敏系數(shù)是k值小于線材靈敏系數(shù)k0。k又稱(chēng)為"標(biāo)稱(chēng)靈敏系數(shù)"。即，金屬材料的靈敏系數(shù)更大。（4）應(yīng)變片電阻隨溫度變化必造成誤差,稱(chēng)這種誤差為應(yīng)變片的溫度誤差。在測(cè)量中應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ心膬煞N？(a)同步補(bǔ)償：把受力的

16、應(yīng)變片貼在受力件上,把補(bǔ)償片貼在不受力但環(huán)境溫度相同的材料上,然后接入電橋線路相鄰的橋臂上,因而相互補(bǔ)償。電橋輸出將只反映應(yīng)變的大小,而與溫度無(wú)關(guān)。 (b)差動(dòng)補(bǔ)償：將工作應(yīng)變片貼在上表面,把補(bǔ)償片貼在對(duì)應(yīng)的下表面上,彎曲時(shí), 工作應(yīng)變片電阻值減小,補(bǔ)償片電阻值增大,兩個(gè)電阻接在電橋的相鄰兩臂。 其結(jié)果:使電橋的輸出增加一倍,提高了輸出靈敏度,上下溫度一致，補(bǔ)償了環(huán)境溫度造成的誤差。 （5）電阻應(yīng)變片傳感器的測(cè)量電路（電橋原理，計(jì)算，非線性誤差的討論等）。電阻應(yīng)變傳感器采用直流電橋。（單臂直流電橋） 1.輸出負(fù)載為RL時(shí)：根據(jù)戴維南定理,將直流電橋電橋等效為開(kāi)路電壓Uo和等效電阻R0。分別為：

17、(如上）接有負(fù)載電阻RL,則負(fù)載電流IL為:為直流電橋的特性方程。2.輸出負(fù)載為時(shí):當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出開(kāi)路，則輸出電壓為直流電橋使用時(shí)，初始條件是電橋保持平衡，即Uo0,可以得到電橋平衡條件:R1R4=R2R3.平衡電橋橋路相鄰兩臂阻值之比相等使輸出電流為零。橋臂比為1靈敏度最大。，單臂電橋靈敏度最大為電源E的四分之一。3非線性誤差討論：以單臂工作為例討論非線性誤差，上述公式推導(dǎo)的條件是基于R1<<R1,將公式分母中R1/R1忽略。實(shí)際上，忽略R1/R1將帶來(lái)誤差。對(duì)于單臂工作，假設(shè)未忽略R1/R1的橋路輸出電壓為UL,忽略R1/R1的橋路輸出電壓為UL,則，顯然未忽略R1/R1的

18、橋路輸出電壓UL與R1/R1不是線性關(guān)系，而是非線性的關(guān)系。忽略R1/R1的橋路輸出電壓才是線性關(guān)系。根據(jù)定義，非線性誤差e為：（6）電容式傳感器的三種類(lèi)型及其原理。電容式傳感器可以分為三種類(lèi)型： 變面積式:改變極板面積A； 變極距式:改變極板距離d； 變介電常數(shù)式:改變介電常數(shù)e 。1變面積型電容傳感器：（1）角位移式電容傳感器：當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積S就改變，因而改變了兩極板間的電容量。0時(shí)，；0時(shí)，電容C與角位移呈線性關(guān)系。2、直線位移式電容傳感器：設(shè)兩矩形極板間覆蓋面積為A，當(dāng)其中一極板移動(dòng)距離x時(shí)，則面積A發(fā)生變化，電容量也改變。設(shè)兩極板間覆蓋面積A=L×b,

19、當(dāng)設(shè)定傳感兩極板間距d和介電常數(shù)er為常數(shù)時(shí),初始電容:若電容傳感器上極板可動(dòng),下極板固定，設(shè)動(dòng)極板相對(duì)定極板向右(或向左)平移L時(shí),其電容C與L為線性關(guān)系: 電容的相對(duì)變化率為:C/C0 = L/LC與L(動(dòng)極板的位移)呈線性關(guān)系,變面積型電容傳感器的輸出特性為線性。靈敏度S: S = C/L = 0r b/d 減小極距d,提高靈敏度。n L不能太大,否則邊緣效應(yīng)增加,產(chǎn)生非線性。 2.變極距型電容傳感器：n 上極板為固定極板；下極板為動(dòng)極板（動(dòng)片）。n 動(dòng)極板隨被測(cè)參數(shù)的改變上下移動(dòng)時(shí)，極距d改變，引起電容量的變化。3.變介質(zhì)型電容傳感器：變介電常數(shù)型電容傳感器是通過(guò)改變介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

20、變介質(zhì)式電容傳感器:兩固定極板間充以氣體介質(zhì)，其介電常數(shù)1。介質(zhì)塊可移動(dòng)，其高度為d2,介電常數(shù)為2,介質(zhì)塊移入電容中的距離為x。兩固定極板間距為(d1+d2)。無(wú)介質(zhì)塊時(shí)電容為C0, b為極板寬度。（7）變面積型電容傳感器能測(cè)量角位移和直線位移么？改變利用介質(zhì)塊移動(dòng)進(jìn)行為什么可以測(cè)量位移？差動(dòng)式變面積型傳感器特點(diǎn)：有3個(gè)電極,上面的為可動(dòng)電極,也是公共電極,它與兩個(gè)固定電極分別形成電容C1和C2。 當(dāng)可動(dòng)電極向右(或向左)移動(dòng)時(shí),電容C1減小(或增加),而電容C2增加(或減小),差動(dòng)輸出靈敏度提高,非線性得到改善,克服極板的邊緣效應(yīng)，獲得較大直線位移或角位移測(cè)量。初始位置必須保持可動(dòng)極板與兩

21、固定極板構(gòu)成的電容C1和C2為相同值。（8）什么是壓電效應(yīng)，試分析說(shuō)明石英晶體為何具備壓電性能，常見(jiàn)的壓電材料有哪些？某些晶體，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。 從晶體上沿XYZ軸線切下一片平行六面體的薄片稱(chēng)為晶體切片。當(dāng)沿著X軸對(duì)壓電晶片施加力時(shí)，將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)。沿著y軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這稱(chēng)之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著Z軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 常見(jiàn)的壓電材料有：

22、石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。（9）壓電傳感器實(shí)際的等效電路： 壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：（式中，0為真空介電常數(shù)：為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；h為壓電元件的厚度；A為壓電元件極板面積。） 因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖a所示，也可以等效為個(gè)電壓源，如圖b所示。 壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。下圖畫(huà)出了壓電傳感器完整的等效電路。 （10）光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元

23、件三部分組成。（11）什么是外光電效應(yīng)，什么是內(nèi)光電效應(yīng)，基于它們的器件有哪些。 外光電效應(yīng)是指，在光線作用下物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的物理現(xiàn)象?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)是指在光的作用下，激發(fā)的載流子（電子和空穴）保留在物體內(nèi)部，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類(lèi)。 光電導(dǎo)效應(yīng)是指，半導(dǎo)體材料在光照下電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。基于此原理的光電導(dǎo)體有光敏電阻。 光生伏特效應(yīng)是指光線作用能使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象?；诠馍匦?yīng)的器件主要有光電池，光敏二極管，光敏晶體管，光敏場(chǎng)效應(yīng)管等。光生伏特效

24、應(yīng)又可分為勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）和側(cè)向光電效應(yīng)。（12）熱電偶的工作原理：當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T(mén)，稱(chēng)為工作端或熱端，另一端溫度為T(mén)0 ，稱(chēng)為自由端（也稱(chēng)參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱(chēng)為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱(chēng)為“熱電極”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則稱(chēng)為“熱電動(dòng)勢(shì)”。 （13）熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成，分別是如何形成的？ 熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。 當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電

25、子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。電子擴(kuò)散時(shí)在接觸界面上會(huì)形成一個(gè)阻礙擴(kuò)散作用的電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱(chēng)為接觸電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的材料、接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長(zhǎng)度及幾何形狀無(wú)關(guān)。對(duì)于導(dǎo)體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)t、t0中(t> t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止

26、電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢(shì)。溫差電動(dòng)勢(shì)的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度（14）生物傳感器的分子識(shí)別元件和生物活性材料分別有哪些？分子識(shí)別元件（感受器）：由具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(zhì)組成（如酶、微生物、動(dòng)植物組織切片、抗原或抗體和核酸等）構(gòu)成。（15）生物傳感器的固定方法。 生物活性單元的固定化技術(shù)是生物傳感器的核心部件，他要保持生物活性單元的固有特性 。固定化技術(shù)決定了生物傳感器的穩(wěn)定性，靈敏度和選擇性等主要功能。固定方法：現(xiàn)已經(jīng)成為生物工程中一門(mén)重要技術(shù) n 物理方法：夾心法、吸附法、包

27、埋法；n 化學(xué)方法:共價(jià)連接法、交聯(lián)法 近年來(lái),由于半導(dǎo)體生物傳感器迅速發(fā)展,因而又出現(xiàn)了采用集成電路工藝制膜技術(shù)，如光平板印刷法、噴射法等。第五章 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的干擾和噪聲（1）什么是干擾和噪聲，它們是怎么形成的？干擾：是用來(lái)描述一系統(tǒng)受另一系統(tǒng)的影響而在該系統(tǒng)中產(chǎn)生誤差電壓和電流的現(xiàn)象。干擾是由外部引入的，干擾最嚴(yán)重的是50Hz工頻干擾。干擾的形成可從三個(gè)方面分析:干擾源、耦合引入方式與接受干擾的敏感電路。噪聲：是指被測(cè)信號(hào)中加入的隨機(jī)擾動(dòng)，它來(lái)自于測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部，是由構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)材料及元器件所產(chǎn)生的。對(duì)于噪聲雖然不能精確預(yù)測(cè)，也不能完全消除，但可以適當(dāng)加以控制。（2）抑制電磁場(chǎng)干擾的兩種主

28、要方法：合理接地與電磁屏蔽合理接地是抑制電場(chǎng)干擾的最好方法。合理接地原則就是正確的一點(diǎn)接地。生物醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器的接地應(yīng)從三方而考慮:一是儀器供電系統(tǒng)的安全接地，稱(chēng)為保護(hù)接地;二是所設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)的工作接地;三是輸入回路或敏感回路的接地。接地不正確是生物醫(yī)學(xué)測(cè)量失敗的主要原因。所謂電磁場(chǎng)屏蔽，是指在測(cè)量系統(tǒng)工作區(qū)域加以金屬封閉隔離層，用以屏蔽從其他區(qū)域傳播來(lái)的電場(chǎng)輻射干擾。電磁場(chǎng)屏蔽分為高頻和低頻電磁場(chǎng)屏敝兩種。（3）生物醫(yī)學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中主要噪聲類(lèi)型：1/f噪聲(閃爍噪聲)、熱噪聲和散粒噪聲。1/f噪聲：凡兩種材料之間不完全接觸，形成起伏的電導(dǎo)率便產(chǎn)生了1/f噪聲。熱噪：是由導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引

29、起的。最終限制任何一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)其分辨能力將是熱噪聲。散粒噪聲：是由半導(dǎo)體器件中載流子擴(kuò)散到基區(qū)的不一致，使流過(guò)的載流子數(shù)目發(fā)生起伏，從而引起電流的無(wú)規(guī)則變化。（4）噪聲系數(shù)的定義及計(jì)算：（信噪比S/N是評(píng)價(jià)系統(tǒng)所測(cè)量的信號(hào)品質(zhì)的參數(shù)。信噪比定義為信號(hào)的功率Ps和信號(hào)中所含噪聲功率PN之比，即：信噪比表示噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響，信噪比越高，表明測(cè)量誤差越小。）噪聲系數(shù)：實(shí)際是放大器引起信號(hào)質(zhì)量（信噪比）惡化程度的量度。噪聲系數(shù)F是指放大器輸入（指信號(hào)源）的信噪比和輸出的信噪比的比值。即：（式中，ApPSO/PSI為放大器信號(hào)功率增益；PNI、PNO分別為輸入源的噪聲功率和輸出總噪聲功率。）上式表明

30、：噪聲系數(shù)F等于輸出總噪聲功率除以輸入源（電阻）產(chǎn)生的輸出噪聲功率。噪聲系數(shù)也可以表示為：噪聲系數(shù)是放大器輸入端總噪聲功率PNI和輸入源的噪聲功率之比。多級(jí)放大器的總噪聲系數(shù)：總的噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)放大的噪聲系數(shù)。例如：兩級(jí)放大器的噪聲系數(shù)分別為F13dB，F(xiàn)210dB，兩級(jí)放大器功率增益分別為Ap14，Ap25，試求兩級(jí)放大器的總噪聲系數(shù)F。解：，（5）設(shè)計(jì)低噪聲多級(jí)放大電路應(yīng)該注意哪些方面。第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)總噪聲系數(shù)貢獻(xiàn)最大，所以努力降低第一級(jí)噪聲系數(shù)，是實(shí)現(xiàn)低噪聲設(shè)計(jì)的原則，第一級(jí)放大器必須選擇低噪聲器件。其次，如果第一級(jí)功率增益足夠大，則后級(jí)的噪聲影響可以忽略，故第一級(jí)放

31、大器功率增益必須足夠大。還有就是必須采用濾波器限制帶寬，因?yàn)榇蠖鄶?shù)噪聲與頻率帶寬有關(guān)，多級(jí)放大器應(yīng)盡可能為窄帶放大器以降低噪聲水平。第六章 生物電放大基礎(chǔ)及心電圖的測(cè)量（1）生物電放大器前置級(jí)提出的要求：高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移以及設(shè)置隔離及保護(hù)電路。（2）差動(dòng)放大電路的共模抑制比CMRR的計(jì)算：共模抑制比的定義是：放大器差模增益AD和放大器共模增益AC的比，即：（可見(jiàn)，減少共模增益則可以提高系統(tǒng)的共模抑制比）例：如果Zs5k，而放大器輸入阻抗為5M，CMRR103=60dB。（3）同向并聯(lián)差動(dòng)放大電路的共模抑制比CMRR的計(jì)算：第一級(jí)是同相并聯(lián)放大器，由A1、A2組成。第二級(jí)

32、是差動(dòng)放大電路，由A3組成，具有共模抑制能力。第一級(jí)差模電壓增益為：第一級(jí)共模增益：第一級(jí)電路的共模抑制比： （例如，設(shè)CMRR1和CMRR2 分別為80dB、90dB，則第一級(jí)放大電路的共模抑制比CMRR12是83dB。如果嚴(yán)格挑選A1、 A2 ，使其共模抑制比分別為80dB和80.5dB，則第一級(jí)放大電路CMRR12 可高達(dá)160dB。）對(duì)于第二級(jí)，由于差動(dòng)增益和共模抑制比分別為：，兩級(jí)放大電路的總差模增益為：兩級(jí)放大電路總共模抑制比：例：如圖所示為一個(gè)同相并聯(lián)差動(dòng)放大器作為ECG放大器的前置級(jí)電路，如果所用器件共模抑制比均為100dB。假設(shè)輸入回路中兩個(gè)電極的阻抗不對(duì)稱(chēng)，分別為20k和2

33、3k。放大器輸入阻抗實(shí)際有80M，放大器中所用電阻的精度0.1，其他參數(shù)如圖所示。求包括電極系統(tǒng)在內(nèi)的放大電路的總共模抑制比。 解:由于電極阻抗不平衡，將造成兩個(gè)電極的共模電壓向差模電壓的轉(zhuǎn)化。因?yàn)榭偛钅Ｔ鲆鏋椋河蓛蓚€(gè)電極阻抗不平衡引起共模輸出電壓UOC為：因?yàn)锳1、A2的共模抑制比精密對(duì)稱(chēng)。故同相并聯(lián)級(jí)共模抑制比CMRR12為無(wú)窮大，它不在輸出端產(chǎn)生共模誤差。對(duì)于差動(dòng)放大級(jí)A3，由電阻失配造成的共模抑制比：A3本身器件的共模抑制比:差動(dòng)放大器的總共模抑制比:由于A3的共模抑制比有限，所產(chǎn)生的共模輸出電壓：由電極回路和差動(dòng)放大電路所產(chǎn)生的共模輸出誤差為：所以整個(gè)電路的共模增益為：故總共模抑制比

34、為：（4）心電圖曲線與單個(gè)細(xì)胞的生物電位變化曲線有明顯的區(qū)別，這是為什么？單個(gè)心肌細(xì)胞電位變化是用細(xì)胞內(nèi)電極記錄方法得到的，即一個(gè)電極放在細(xì)胞表面，另一個(gè)電極插入細(xì)胞膜內(nèi)。所記錄的是細(xì)胞膜內(nèi)、外電位差，包括膜的動(dòng)作電位和靜息電位。而心電圖在體表記錄，是所有心肌電興奮傳導(dǎo)到體表的結(jié)果。心肌細(xì)胞電位變化反映的是單個(gè)細(xì)胞膜電位變化曲線，而ECG反映的是一次心動(dòng)周期中整個(gè)心臟的生物電位變化和傳導(dǎo)過(guò)程。因此ECG是很多心肌細(xì)胞電活動(dòng)綜合效應(yīng)在體表的反映。包括竇房結(jié)和房室結(jié)組織、心房、浦肯野纖維和心室組織等表現(xiàn)的電活動(dòng)，如前圖所示。心電圖電極放置位置不同，記錄的心電圖曲線也就不同。（5）臨床上應(yīng)用的是心電

35、圖標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，分別是？哪些屬于單極導(dǎo)聯(lián)，哪些屬于雙極導(dǎo)聯(lián)？臨床上應(yīng)用的是心電圖標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，分別記為、aVR、 aVL、 aVF、V1V6導(dǎo)聯(lián)。其中、導(dǎo)聯(lián)為標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)， aVR、aVL、aVF導(dǎo)聯(lián)為肢體加壓導(dǎo)聯(lián)，V1V6導(dǎo)聯(lián)為胸前導(dǎo)聯(lián)。其中、屬于雙極導(dǎo)聯(lián)方式; aVR、aVL、aVF、V1V6則為單極導(dǎo)聯(lián)方式。（6）心臟各部分電激動(dòng)與心電圖在時(shí)間上是對(duì)應(yīng)相關(guān)的。心電圖各波形分別對(duì)應(yīng)哪些部位的去極化和復(fù)極化過(guò)程。心房電激動(dòng)與P波對(duì)應(yīng)，心室電激動(dòng)與QRS波群對(duì)應(yīng)，心室復(fù)極化與T波對(duì)應(yīng)等。所以從體表記錄的心電圖能夠反映心臟各部分電興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過(guò)程中的生物電位變化。P波:由心房的

36、激動(dòng)所產(chǎn)生，代表左、右心房去極化過(guò)程。前一半主要由右心房所產(chǎn)生，后一半主要由左心房所產(chǎn)生。正常P波的寬度不超過(guò)0.11s，肢體導(dǎo)聯(lián)最高電壓不超過(guò)0.25mV。QRS波群:也稱(chēng)QRS綜合波。包括三個(gè)緊撈相連的電位波動(dòng)，第一個(gè)向下的波為Q波，接著是高而尖峭的向上的R波，最后是一個(gè)向下的S波。在不同的導(dǎo)聯(lián)中，這三個(gè)波不一定都出現(xiàn)。QRS綜合波反映左、右心室去極化過(guò)程的電位變化，稱(chēng)QRS綜合波的寬度為QRS時(shí)限，它代表全部心室肌激動(dòng)過(guò)程所需要的時(shí)間，在0.060.10s之間，正常人最高不超過(guò)0.10s。R波幅度在0.52.5mV之間不等。QRS波群形態(tài)和電壓異常可見(jiàn)于心室肥大，急性心肌梗死等。T波:代

37、表心室復(fù)極化過(guò)程中的電位變化。在R波為主的心電圖上，T波不應(yīng)低于R波的1/10。T波歷時(shí)0.050.25s。波的方向與QRS波群的主波方向相同。T波異常可見(jiàn)于冠心病、電解質(zhì)紊亂、心室肥大等。第七章 腦電圖與肌電圖（1）腦電波的分類(lèi)，各類(lèi)型的波形有何特點(diǎn)根據(jù)頻率與振幅的不同將腦電波分波、波、波和波。(1) 波：波可在頭顱枕部檢測(cè)到，頻率為813Hz，振幅為20100V，它是腦電波中最明顯的波；整個(gè)皮層均可產(chǎn)生。正常人在清醒、安靜、閉目時(shí)，波即可出現(xiàn)，波幅由小到大、再由大到小規(guī)律性變化，呈棱狀圖形。一般認(rèn)為，波是大腦皮層處于清醒安靜狀態(tài)時(shí)電活動(dòng)的主要表現(xiàn)。(2) 波：波在額部和顳部最為明顯，頻率為

38、1430Hz:，振幅為520V，是一種快波。當(dāng)被試者睜眼視物、進(jìn)行思考活動(dòng)時(shí)，波即可出現(xiàn)。一般認(rèn)為，波是大腦皮層處在緊張激動(dòng)狀態(tài)時(shí)電活動(dòng)的主要表現(xiàn)。(3) 波：波頻率為47Hz:，振幅為1050V。它是在困倦時(shí)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)處于抑制狀態(tài)時(shí)所記錄的波形。(4) 波：頻率為0.53Hz，振幅為20200V。正常成人在清醒狀態(tài)下，幾乎是沒(méi)有波的，但在睡眠、深度麻醉、缺氧或大腦有器質(zhì)性病變時(shí)可出現(xiàn)。一般認(rèn)為，高幅度的慢波（或波）可能是大腦皮層處于抑制狀態(tài)時(shí)電活動(dòng)的主要表現(xiàn)。 腦電圖的波形隨生理情況的變化而變化。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)腦電圖由高振幅的慢波變?yōu)榈驼穹目觳〞r(shí)，興奮過(guò)程加強(qiáng);反之，當(dāng)腦電圖由低振幅快波

39、轉(zhuǎn)化為高振幅的慢波時(shí)。則意味著抑制過(guò)程進(jìn)一步發(fā)展。（2）腦電圖的導(dǎo)聯(lián)方式有哪兩種？各有何優(yōu)缺點(diǎn)？單極導(dǎo)聯(lián)方法和雙極導(dǎo)聯(lián)方法。單極導(dǎo)聯(lián)法的優(yōu)點(diǎn)：是:能記錄活動(dòng)電極下腦電位變化的絕對(duì)值，其波幅較高且較穩(wěn)定，異常波較局限，這有利于病灶的定位。缺點(diǎn)是：參考電極不能保持零電位，易混進(jìn)其他生物電干擾。例如，當(dāng)振幅大的異常波出現(xiàn)于顳部時(shí)，耳垂電極由于靠近顳部而受其電場(chǎng)的影響，這樣有可能記錄到與顳部電位數(shù)值相近的異常電位。雙極導(dǎo)聯(lián)優(yōu)點(diǎn)：不使用參考電極，只使用頭皮上的兩個(gè)活動(dòng)電極。這樣記錄下來(lái)的是兩個(gè)電極部位腦電變化的差值，因此可以大大減小干擾，并可排除參考電極引起的誤差; 雙極導(dǎo)聯(lián)對(duì)于某一電極下面有局部病灶產(chǎn)生局部電活動(dòng)，則能夠比單極導(dǎo)聯(lián)方式更突出地顯現(xiàn)出來(lái)。雙極導(dǎo)聯(lián)適合記錄局部性異常波，并能消除參考電極活動(dòng)化所造成的誤差。 雙極導(dǎo)聯(lián)缺點(diǎn)：不適合測(cè)量電極間距離很小（例如，在3cm以內(nèi)）的情況，因?yàn)榫嚯x小使記錄的波幅較低，將來(lái)自較大范圍的腦電位視為共模干擾信號(hào)，結(jié)果電位差值互相抵消。所以兩電極的距離應(yīng)在36cm 。（3）目前臨床上常用的誘發(fā)電位有哪些？分別是由哪