ch04生物力學效應的傳感與生理信號檢測

生物力學效應的傳感與生理信號檢測教育部生物醫(yī)學工程類專業(yè)教學指導委員會“十三五”規(guī)劃教材生物醫(yī)學傳感與檢測原理第四章01生理活動的生物力學效應生命在于運動，生物力學效應是生命活動中普遍存在的一種與生理過程緊密相關的現(xiàn)象，它表現(xiàn)為細胞、組織、器官、系統(tǒng)等不同尺度的形變、運動。對人體而言，血液循環(huán)、呼吸、消化、肌肉收縮與肢體運動等幾乎所有生理過程中都伴隨著生物力學效應，生理活動的功能狀態(tài)也體現(xiàn)在相應的生物力學參數的變化上。檢測分析生理過程的生物力學參數，一方面可定量地認識生理過程及其生命活動規(guī)律，同時也能有效地評估生理狀態(tài)，為疾病診斷和健康狀態(tài)評估提供重要依據。因此，基于生物力學效應的傳感檢測技術是生物醫(yī)學工程的重要組成部分。生理活動的生物力學效應肢體運動的生物力學效應運動功能是人體最基本的生理功能之一，人體運動是在神經、肌肉、骨骼、關節(jié)以及外在環(huán)境協(xié)同作用下的生理活動，由內控肌力作用到關節(jié)、骨骼并與環(huán)境對象進行力學交互。人體運動既表現(xiàn)為肢體、關節(jié)的運動學參數，也體現(xiàn)在肌肉作用于骨骼、身體作用于環(huán)境對象的動力學過程中，檢測分析肢體運動的生物力學參數是認識運動生理功能、掌握運動功能狀態(tài)、診斷運動功能障礙的重要醫(yī)學工程途徑。生理活動的生物力學效應廣泛應用于運動功能障礙檢測、運動損傷及康復評估、體育運動訓練優(yōu)化等。肢體關節(jié)運動學參數可用于評估睡眠過程、預測長期臥床可能形成的組織損傷（褥瘡等）。肢體關節(jié)與環(huán)境對象的作用力可用于評價肌肉收縮狀態(tài)，帕金森病會引起病理性震顫等。振動效應生理活動的生物力學效應生理活動的生物力學效應血液循環(huán)的生物力學效應血液循環(huán)是通過心臟、血管的收縮、舒張作用控制血液在全身流動，其生物力學效應一方面表現(xiàn)為心臟、血管及血液組織自身的應變、粘彈性等力學特性；另一方面也表現(xiàn)為心臟收縮、血液流動的動力學特性，二者相互影響，相互制約。測量血液循環(huán)的生物力學參數是診斷心腦血管疾病的重要臨床手段。是指血液在血管內流動時作用于血管壁的側壓力，它是推動血液在血管內流動的動力。血壓是指由心肌收縮、心臟瓣膜關閉和血液撞擊心室壁、大動脈壁等引起的振動所產生的聲音。心音是心臟周期性搏動（振動）沿動脈血管和血液向外周傳播而形成的。脈搏波生理活動的生物力學效應消化、呼吸等生理過程的生物力學效應人體的消化、呼吸功能都依賴復雜的腔道系統(tǒng)，其中消化系統(tǒng)的主要力學效應是胃/腸蠕動、消化道內容物在其中的傳送；呼吸系統(tǒng)的力學效應是氣體在呼吸道的流動和容積動態(tài)變化等。生理活動的生物力學效應腸鳴音當腸管蠕動時，腸腔內氣體和液體隨之流動，產生一種斷續(xù)的氣過水聲（或咕嚕聲），稱為腸鳴音。肺部噦音聽診呼吸音時，當空氣通過含有分泌物的氣管或因痙攣、腫脹而狹窄的支氣管時，在呼吸音的基礎上，又聽到一種附加的呼吸雜音，即噦音。生理活動的生物力學效應02電阻式傳感器及其生物力學效應的生理參數測量電阻式傳感器是把非電量（如位移、力、振動和加速度等）轉換為電阻變化的一種傳感器。電阻式傳感器在生物醫(yī)學測量中應用非常廣泛，可用于測量血壓、脈搏等生理參數。按其工作原理可將電阻式傳感器分為電位器式、電阻應變式和固態(tài)壓阻式傳感器。電阻式傳感器原理電位器式傳感器是將位移或其他能夠形成位移變化的物理量轉換為電阻分壓比和電阻變化的傳感器。其特點是結構簡單，穩(wěn)定性和線性較好，受環(huán)境影響小，輸出信號大，可作任意函數特性輸出，適用于較大位移量的測量。電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是一種用途很廣的傳感器，它由彈性元件、電阻應變片和其他附件組成，當彈性元件受力變形時，粘貼在其表面的電阻應變片也隨之變形，并產生相應的電阻變化，從而實現(xiàn)測量。電阻式傳感器原理固態(tài)壓阻式傳感器1）壓阻效應與壓阻式傳感器；2）擴散型壓阻式傳感器。電阻式傳感器的測量電路測量電路的作用是將電阻式傳感器的電阻變化轉換為電壓或電流的變化，以便顯示和記錄。有時電阻式傳感器的電阻變化很小，因此測量電路中必須有放大器，才能觀察到微弱的電阻變化。將電阻變化轉換為電壓變化的常用電路有兩種：一種是電位計式電路，另一種是電橋電路。電阻式傳感器的測量電路電位計式電路如圖4-19所示。電阻式傳感器的測量電路（1）恒壓源電橋是用得最普遍的一種電路，如圖4-20所示。電阻式傳感器的測量電路（2）恒流源供電的電橋如圖4-22所示。上下肢對外作用力的測量利用電阻式傳感器測量人體對外作用力時，人體對外作用力通過一定介質耦合到傳感器的敏感元件上，相應的作用力將引起傳感器的電阻變化，進而得到與作用力參數（大小、方向）所對應的電信號。常見的人體對外作用力測量包括以下兩種。（1）足底壓力測量；（2）手指抓握力測量。電阻式傳感器的生物力學效應生理參數測量電阻式傳感器的生物力學效應生理參數測量2.（1）直接測量血壓時，采用導管經皮插入體內待測的血管或心臟部位，通過導管內的液體將血管或心臟壓力耦合到體外的測量系統(tǒng)（見圖4-25、圖4-26）。電阻式傳感器的生物力學效應生理參數測量（2）間接測量間接測量血壓是指在體外對動脈血管施加壓力，通過傳感器測量出血管內血流與外部壓力之間的對應關系，從而得到血壓數值。電阻式傳感器的生物力學效應生理參數測量臨床上長期使用的水銀血壓計就是利用這種血壓測量原理制成的，如圖4-28所示。（3）自動血壓間接測量雖然水銀血壓計能得到準確的血壓值，但其更適合有專業(yè)知識的醫(yī)護人員使用。于是出現(xiàn)了使用便捷、適用范圍廣泛、自動化程度高的電子血壓計，包括上臂式電子血壓計和腕式電子血壓計，其充氣和放氣過程由傳感器、控制電路及充氣腕共同配合自動完成。電阻式傳感器的生物力學效應生理參數測量其中氣體壓力傳感器能將血管在袖帶壓力變化過程中的壓力信號轉換為電信號。呼吸頻率通常用于監(jiān)測、評估大運動量后運動員的呼吸系統(tǒng)的適應能力、呼吸功能障礙患者在正常和患病狀態(tài)下呼吸頻率的變化。呼吸頻率測量當呼吸氣流從縫隙流過時，彈簧片因受力而發(fā)生形變，引起應變電阻絲的阻值變化。呼吸流量測量電阻式傳感器的生物力學效應生理參數測量電阻式傳感器的生物力學效應生理參數測量圖4-32是臨床上用到的一種應變式呼吸流量傳感器結構圖，其敏感元件是固定在圓形邊框上的8個金屬彈簧片，每個彈簧片上貼有應變電阻絲（4個貼在正面，4個貼在反面）。03電容式傳感器及其生物力學效應生理參數測量電容式傳感器原理極距變化型電容式傳感器的結構可用圖4-33簡單描述。電容式傳感器原理改變極板間相對有效面積的電容式傳感器，其原理結構如圖4-34所示。電容式傳感器原理介質變化型電容式傳感器的原理結構圖如圖4-35所示。電容式傳感器測量電路交流電橋測量電路這種測量電路實際上是一種調幅電路，在電路的輸出端取出幅度被調制了的正弦信號，其幅度的變化量正比于被測非電量，再使調幅信號通過檢波器，就可得到相應的電壓信號。電容式傳感器測量電路圖4-36是交流電橋測量電路的一種形式。電容式傳感器測量電路諧振法測量電路諧振法是一種簡單的測量方法，利用LC諧振電路在諧振點附近的電壓電容特性來檢測出電容增量。電容式傳感器測量電路其基本原理如圖4-37（a）所示（一般采用松耦合）。圖4-37（b）為次級端的等效電路。電容式傳感器測量電路調頻鑒頻法測量電路是目前性能較好、較常用的測量電路，它的工作原理如圖4-39所示。電容式傳感器測量電路脈沖調制測量電路的一種常用形式是差動脈沖調寬電路，其原理如圖4-43所示。電容式傳感器的生物力學效應生理參數測量1.電容式微音器的結構原理如圖4-45所示。電容式電子聽診器聽診器作為醫(yī)生常用的醫(yī)療工具，是診斷心血管系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病的重要手段之一。傳統(tǒng)聲學聽診器已有200多年的歷史，其聲學性能不斷提高，使之成為不可或缺的醫(yī)療器械。傳統(tǒng)聽診器需要醫(yī)護人員依靠臨床經驗捕捉特定的心肺音聲音特征，難以定量評估；近年來出現(xiàn)了電子聽診器，其基本原理是利用傳感器將心肺音的機械振動轉換為電信號，經調理、放大電路對信號進行處理，再轉換為數字信號，從而提取心肺音信號特征。電容式傳感器的生物力學效應生理參數測量電容式傳感器的生物力學效應生理參數測量2.圖4-48所示是在體外循環(huán)血泵中，根據電容量變換原理測定心輸出量的裝置。電容式傳感器的生物力學效應生理參數測量圖4-49所示為一種可用于血壓測量的電容式傳感器結構。04壓電式傳感器及其生物力學效應生理參數測量壓電材料及其壓電效應某些電介質，在沿一定方向上受到外力的作用而產生變形時，內部會產生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產生電荷；當去掉外力后，又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種將機械能轉換為電能的現(xiàn)象，稱為“順壓電效應”。壓電式傳感器原理相反，在電介質的極化方向上施加電場，使其產生機械變形，當去掉外加電場時，電介質的變形隨之消失。這種將電能轉換為機械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應”。轉換性能：要求具有較大的壓電常數。機械性能：壓電材料作為受力元件，希望它的機械強度高、機械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。電性能：具有高電阻率和大介電常數，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。環(huán)境適用性強：溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。時間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時間變化。壓電式傳感器原理壓電式傳感器原理從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，使它的晶面分別平行于x軸、Y軸、Z軸，如圖4-50所示。壓電式傳感器原理鈦酸鋇壓電陶瓷的電疇結構示意圖如圖4-52所示。壓電式傳感器設計1）壓電式壓力傳感器利用壓電元件做成力-電轉換元件的關鍵是選取合適的壓電材料、變形方式、機械串聯(lián)或并聯(lián)的晶片數、晶片的幾何形狀和合理的傳力機構。壓電式傳感器原理2）壓電式加速度傳感器如前所述，壓電式傳感器的高頻響應性好；若配備合適的電荷放大器，低頻段可低至0.3Hz，所以常用來測量動態(tài)參數，如振動、加速度等。壓電式傳感器原理圖4-53是測量均布壓力的傳感器結構圖。3）壓電阻抗頭上文分別介紹了壓電式壓力和加速度傳感器。在機械阻抗的測量中，力和運動的響應是用壓電阻抗頭測得的，它是把壓電式力和加速度傳感器組合為一體的傳感器。電容式傳感器的生物力學效應生理參數測量3.聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電式傳感器前面介紹的石英和壓電陶瓷等壓電材料具有轉換效率高、剛性好的特點，但這些材料脆，不能構成大面積陣列器件。作為一種新型高分子傳感材料，聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電薄膜能克服這一缺點。1969年Kawai發(fā)現(xiàn)其具有很強的壓電性，自1972年首次應用PVDF以l來，已研制了多種用途的傳感器，如壓力、加速度、聲和無損檢測，尤其在生物醫(yī)學領域獲得了極為廣泛的應用。電容式傳感器的生物力學效應生理參數測量電容式傳感器的生物力學效應生理參數測量壓電式超聲換能器醫(yī)用超聲換能器在臨床檢測診斷中發(fā)揮了巨大作用，壓電式超聲換能器是其中的核心部件，它是可逆工作元件，既能在電信號驅動下發(fā)射超聲波，同時又能接收機械振動并將其轉換為電信號。醫(yī)用超聲換能器主要包括以下三類。（1）A型超聲換能器；（2）超聲連續(xù)波多普勒血流換能器；（3）多元線陣換能器。壓電式傳感器的輸出信號非常微弱，一般需將電信號放大后才能檢測出來。但因壓電傳感器的內阻抗極高，因此通常應當將傳感器的輸出信號輸入到高輸入阻抗的前置放大器中變換成低阻抗輸出信號，然后再采用一般的放大、檢波、指示或通過功率放大至記錄和數據處理設備。壓電式傳感器的生物力學效應生理參數測量脈搏波是動脈內壓力在血管壁上引起的周期性壓力變化，是一種微弱的力學信號，可用于無創(chuàng)檢測心率，評估動脈血管彈性、管腔的大小、血液的密度和黏性等生理狀態(tài)。眼壓是指眼球內部壓力，是眼內容物對眼球壁施加的均勻壓力，也是青光眼等眼部疾病診斷的重要依據。因為PVDF薄膜柔軟，靈敏度高，所以適合制作大面積的傳感陣列器件。壓電式傳感器的生物力學效應生理參數測量壓電式傳感器的生物力學效應生理參數測量生理振動測量1）心音信號測量在心臟收縮和舒張時，隨著瓣膜的迅速打開和關閉，將產生由血液湍流引起的振動和血液在血管中加速、減速形成的振動，通過傳導共同形成了胸腔表面可記錄的心音。2）壓電式加速度傳感器微震顫測量壓電式加速度傳感器還可以用來測量人體和動物體發(fā)生的