生物醫(yī)學(xué)傳感器

醫(yī)用傳感器原理

及運(yùn)用內(nèi)容提要1、醫(yī)用傳感器根底2、生物電檢測電極3、常用醫(yī)用物理傳感器4、化學(xué)傳感器和生物傳感器5、傳感器技術(shù)的開展與展望§1醫(yī)用傳感器根底對傳感器的定義：“傳感器〞在新韋式大詞典中定義為:－“從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種方式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件〞。根據(jù)這個(gè)定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量方式，所以不少學(xué)者也用“換能器－Transducer〞來稱謂“傳感器－Sensor〞。中華人民共和國國家規(guī)范(GB7665—87)對傳感器下這樣的定義：傳感器是能感受規(guī)定的被丈量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或安裝，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。國標(biāo)中的定義強(qiáng)調(diào)了被丈量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，而且它給出了傳感器的構(gòu)造信息，即它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電路被測信息按照國家規(guī)范對傳感器的定義，傳感器包括：輸出電信號敏感元件是指能直接感測或呼應(yīng)被丈量的部件。轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感測或呼應(yīng)的被丈量轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號的部件，通常這種輸出信號以電量的方式出現(xiàn)。信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路是把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換成便于處置、控制、記錄和顯示的有用電信號所涉及的有關(guān)電路。有人也稱這一部分電路為信號調(diào)理電路。醫(yī)用傳感器〔BiomedicalSensors〕醫(yī)用傳感器，顧名思義，它是運(yùn)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的那一部分傳感器，它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現(xiàn)，因此，醫(yī)用傳感器可以定義為：把人體的生理信息轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息的變換安裝。人體生理信息有電信息和非電信息兩大類，從分布來說有體內(nèi)的〔如血壓等各類壓力〕，也有體表的〔如心電等各類生物電)和體外的(如紅外、生物磁等〕醫(yī)用學(xué)傳感器的分類傳感器的分類方法多種多樣，有按傳感器的任務(wù)原理分的，有按輸入信息的類型分的，也有按能量關(guān)系或輸出信號類型分的。醫(yī)學(xué)丈量中往往按被測信號來分類，如脈搏傳感器、呼吸波傳感器等。醫(yī)用傳感器按任務(wù)原理分類，大致可分為：生物傳感器生理參數(shù)利用生物活性物質(zhì)選擇性識別來測定生化物質(zhì)利用資料的物理變化物理傳感器非電學(xué)量參數(shù)機(jī)體的各種生物電〔心電、腦電、肌電、神經(jīng)元放電等〕生物電電極電學(xué)量參數(shù)利用化學(xué)反響原理，把化學(xué)成分、濃度轉(zhuǎn)換成電信號化學(xué)傳感器物理傳感器電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器壓阻〔效應(yīng)〕傳感器壓電〔效應(yīng)〕傳感器光電〔效應(yīng)〕傳感器霍爾〔效應(yīng)〕傳感器生理信號檢測的特點(diǎn)醫(yī)用傳感器用于人體生理信息檢測時(shí)，具有以下主要特點(diǎn)：被丈量生理參數(shù)均為低頻或超低頻信息，頻率分布范圍在直流～300Hz。生理參數(shù)的信號微弱，丈量范圍分布在uV～mV數(shù)量級。被丈量的信噪比低，且噪聲來源能夠是多方面的。由于人體是一導(dǎo)電體，體外的電場、磁場感應(yīng)都會在人體內(nèi)構(gòu)成丈量噪聲，干擾生理信息的檢測。人體是一有機(jī)整體，各器官功能親密相關(guān)，傳感器所拾取信息往往是由多種參數(shù)綜合而構(gòu)成的。醫(yī)用傳感器的數(shù)學(xué)模型傳感器的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)用，均需求研討傳感器的輸入與輸出的關(guān)系特性。描畫傳感器的輸入一輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式被稱為傳感器的數(shù)學(xué)模型，通常從傳感器的靜態(tài)輸入一輸出和動(dòng)態(tài)輸入一輸出關(guān)系兩分面建立數(shù)學(xué)模型。靜態(tài)模型靜態(tài)模型是指靜態(tài)信號〔輸入信號不隨時(shí)間變化或變化緩慢〕情況下，描畫傳感器的輸出與輸入量間的函數(shù)關(guān)系。在實(shí)踐工程運(yùn)用中，忽略蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯持性、它可以用多項(xiàng)式來表示為：動(dòng)態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型是指傳感器在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)或動(dòng)態(tài)信號〔即輸入信號隨時(shí)間變化〕作用下，描畫其輸出一輸入關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。要準(zhǔn)確地建立傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型較困難，工程上常利用近似方法，忽略次要要素。來簡化動(dòng)態(tài)模型的建立。醫(yī)用傳感器的根本特性醫(yī)用傳感器的根本特性是指傳感器的輸出與輸入的關(guān)系特性，它是傳感器運(yùn)用的外部特性，但是傳感器不同的內(nèi)部構(gòu)造參數(shù)影響或決議著它具有不同的外部特性。醫(yī)用傳感器檢測的生理信息，根本上有兩種類型，即靜態(tài)量和動(dòng)態(tài)量。靜態(tài)量是指不隨時(shí)間變化或變化甚為緩慢的量(如體溫)，動(dòng)態(tài)量通常是周期性信號、瞬變或隨機(jī)的信號(如心電、血壓等)。靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測生理量處于穩(wěn)定形狀時(shí)的輸出與輸入之間的關(guān)系特性，普通情況下，它呈現(xiàn)非線性關(guān)系。工程運(yùn)用中，要求靜態(tài)特性盡能夠呈線性。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要目的是線性度、靈敏度、遲滯、反復(fù)性、分辨力、零點(diǎn)漂移、溫度漂移等。線性度指傳感器輸出隨輸入變化的線性程度，它用輸出量一輸入量的實(shí)踐關(guān)系曲線偏離直線的程度來表示。靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值。遲滯特性是指傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程期間輸出一輸入曲線的不重合程度。遲滯是由傳感器資料固有特性和機(jī)械上的不可防止的缺陷等緣由產(chǎn)生的。反復(fù)性是指傳感器在同一任務(wù)條件下輸入量按同一方向作全量程延續(xù)多次變動(dòng)所得到特性曲線的不一致程度。產(chǎn)生反復(fù)性誤差的緣由同樣是傳感器內(nèi)機(jī)械缺陷引起的，如資料內(nèi)的摩擦、間隙、積塵等。分辨力是表述傳感器能夠檢測出被測信號最小變化的才干。零點(diǎn)漂移指傳感器無輸入時(shí)，輸出值隨時(shí)間而偏移，偏移零值的偏移量。溫度漂移表示溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的漂離程度，通常以溫度變化1℃時(shí)，輸出最大偏向與滿量程值之比表示。動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指傳感器對鼓勵(lì)(輸入)的呼應(yīng)(輸出)特性。具有良好的動(dòng)態(tài)特性的傳感器，在動(dòng)態(tài)(快速變換)的輸入信號作用下，不僅能準(zhǔn)確地丈量信號的帕值大小，而且能迅速準(zhǔn)確地呼應(yīng)信號幅度變化和無失真地再現(xiàn)被丈量信號隨時(shí)間變化的波形。對醫(yī)用傳感器的根本要求醫(yī)用傳感器作為傳感器的一個(gè)重要分支，其設(shè)計(jì)與運(yùn)用必需思索人體要素的影響，思索生物信號的特殊性、復(fù)雜性，思索生物醫(yī)學(xué)傳感器的生物相容性、可靠性、平安性。1.傳感器本身具有良好的技術(shù)性能，如靈敏度、線性、遲滯、反復(fù)性、頻率呼應(yīng)范圍、信噪比、溫度漂移、零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移等。2.傳感器的外形和構(gòu)造應(yīng)與被檢測部位的解剖構(gòu)造相順應(yīng)，運(yùn)用時(shí)，對被測組織的損害要小。3.傳感器對被測對象的影響要小，不會對生理活動(dòng)帶來負(fù)擔(dān)，不干擾正常生理功能。4.傳感器要有足夠的結(jié)實(shí)性，引進(jìn)到待測部位時(shí)，不致零落、損壞。5.傳感器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體平安。；6.傳感器進(jìn)入人體能順應(yīng)生物體內(nèi)的化學(xué)作用，與生物體內(nèi)的化學(xué)成分相容，不易被腐蝕、對人體無不良刺激，并且無毒。7.傳感器進(jìn)入血液中或長期埋于體內(nèi)，不應(yīng)引起血凝。8.傳感器應(yīng)操作簡單、維護(hù)方便，構(gòu)造上便于消毒。醫(yī)用傳感器在醫(yī)學(xué)上的用途檢測－檢測正?；虍惓Ｉ韰?shù)。比如：先心病病人手術(shù)前須用血壓傳感器丈量心內(nèi)壓力，估計(jì)缺陷程度。監(jiān)護(hù)－延續(xù)測定某些生理參數(shù)能否處于正常范圍，以便及時(shí)預(yù)告。在ICU病房，對危重病人的體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等進(jìn)展延續(xù)監(jiān)護(hù)的監(jiān)護(hù)儀?？刂疲蠢脵z測到的生理參數(shù)控制人體的生理過程。比如，用同步呼吸器搶救病人時(shí)，要檢測病人的呼吸信號，以此來控制呼吸器的動(dòng)作與人體呼吸同步?！?生物電檢測電極電極有兩類生物電檢測電極刺激電極生物電檢測電極生物電的變化可以反響生物體的復(fù)雜生命景象，比如人體心血管的疾患，通?？梢詮男呐K各部分的電活動(dòng)反映出來。例如：臨床醫(yī)生可以從病人身上記錄的心電圖的細(xì)節(jié)進(jìn)展分析診斷；人的神經(jīng)系統(tǒng)及腦部的疾患在腦電圖上必有所表現(xiàn)。因此臨床上研討人的各種臟器的功能形狀、疾病的發(fā)生與開展，需求有效地把生物體內(nèi)細(xì)胞、離子分布電位感應(yīng)導(dǎo)出。經(jīng)過與生物體的接觸耦合，將生物體內(nèi)的電位和生物電流有效地導(dǎo)出的敏感元件稱為檢測電極。刺激電極另一方面，臨床醫(yī)學(xué)根據(jù)生物體的電生理活動(dòng)原理，對生物體導(dǎo)入各種不同的電信號，以調(diào)理和治療疾病，使肌體獲得康復(fù)。比如：對處于纖維性顫抖而雜亂興奮的心肌細(xì)胞給予瞬間高能量電刺激，強(qiáng)使心肌興奮相位變?yōu)橐恢碌某澴饔?；對各種因風(fēng)濕炎癥而引起的慢性疼痛，施以適量的電刺激以使疼痛減輕；控制心臟起搏器監(jiān)測心臟節(jié)率并在搏動(dòng)失常時(shí)給予適當(dāng)?shù)碾姶碳砭S持心肌的搏動(dòng)等等，都需求利用另一類電極向生物體導(dǎo)入電信號，這一類電極稱為刺激電極。＋＋＋＋＋＋＋-------生物電檢測電極表示圖機(jī)體外機(jī)體內(nèi)電極電極在生物體內(nèi)離子導(dǎo)電和金屬的電子導(dǎo)電體系之間構(gòu)成一個(gè)電化學(xué)界面，能實(shí)現(xiàn)離子流與電子流的相互轉(zhuǎn)換，從而使生物體和丈量儀器間構(gòu)成了電流回路。電極的本質(zhì)——半電池原理當(dāng)某種金屬浸入含有這種金屬離子的電解質(zhì)溶液中時(shí)，金屬中的原子將失去一些電子進(jìn)入溶液，溶液中的離子也將在金屬電極上堆積，當(dāng)這兩種過程相平衡時(shí)，在金屬和電解質(zhì)溶液的接觸面上構(gòu)成電荷分布，并建立起一個(gè)平衡的電位差。對給定的金屬與電解質(zhì)溶液來說，這種電位差是一個(gè)完全確定的量。這種金屬與電解質(zhì)的組合好像半個(gè)電解質(zhì)電池，稱半電池，其電位差稱為半電池電位。ZnZnSO4生物電電極的本質(zhì)是由金屬－電解質(zhì)溶液構(gòu)成的半電池。生物體的活組織是一種含多種金屬離子成份的電解質(zhì)溶液，當(dāng)電極與組織外表相接觸時(shí)，電極與組織之間就構(gòu)成了半電池。電極的本質(zhì)電極的極化電極與電解液處于靜態(tài)平衡時(shí)，電極與電解液間沒有電流流過。當(dāng)接上儀器的電路時(shí)，就有電流流過這個(gè)界面。原有的平衡被突破，電極的半電池電位與沒電流時(shí)不同。所謂極化就是當(dāng)電流經(jīng)過電極界面時(shí)電極電位偏離平衡電位的景象。在有和無電流經(jīng)過兩種情況下電極的半電池電位的差值稱為極化電壓。生物電丈量的等效電路電極的電位生物電電位差＝兩個(gè)電極間的電位差電極的電位＝電極的半電池電位與極化電位的總和。電極的等效電路實(shí)驗(yàn)闡明，生物電丈量電極的伏－安特性呈非線性。電極的參數(shù)與流過的電流強(qiáng)度和頻率有關(guān)。生物電電極的分類生物電電極宏電極微電極體表電極體內(nèi)電極金屬微電極玻璃微電極宏電極和微電極宏電極－用于檢測和記錄機(jī)體器官、組織整體放電程度的電極。按記錄部位的不同，分為體表電極和體內(nèi)電極。微電極－用于丈量細(xì)胞內(nèi)外的電位改動(dòng)的電極，其尖端直徑普通直徑小于細(xì)胞，且電極較鞏固，可刺入細(xì)胞膜并堅(jiān)持機(jī)械性能穩(wěn)定。微電極直徑大約在0.05到10μm之間。按制造資料可分為金屬微電極和充填電解液的玻璃微電極。體表電極體表電極是用于在身體外表記錄生物電信號〔如ECG、EEG、EMG〕的電極。體表電極，應(yīng)滿足如下要求：電極電位穩(wěn)定；阻抗?。话卜湃菀浊也灰琢懵?；不易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽跡；可長期監(jiān)測；無毒平安、對人體刺激要小。皮膚的角質(zhì)層雖然極薄〔約40μm〕，但具有很高的電阻率。普通在電極外表涂上一層含有Cl-離子的導(dǎo)電膏，以堅(jiān)持良好接觸，并且在此之前用砂紙摩擦去除部分皮膚角質(zhì)層，可以顯著減小表皮電阻。當(dāng)電極相對于電解液運(yùn)動(dòng)時(shí)，使界面處電荷分布打亂，會產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽跡。臨床上常用的體表電極臨床上常用的體表電極種類繁多、外形多樣，常見的有金屬板電極、Ag/Agcl電極等。不銹鋼、鉑或鍍金〔銀〕的圓盤電極常用于肌電和腦電的記錄。柔性電極可順應(yīng)體表外形的變化，可減少運(yùn)動(dòng)偽跡，常用的是柔性銀絲電極，它的制造方法很簡單：在橡皮膏上敷一小塊銀絲網(wǎng)，焊上引線，涂上導(dǎo)電膏即可，它適用于手、足等部位的丈量，尤其是早產(chǎn)新生兒的心電監(jiān)測。體表生物電檢測中最常用的電極是Ag／AgCl電極。它的構(gòu)造是在金屬銀的外表覆蓋一層難溶解的銀的鹽類AgCl，再浸入含有氯離子的溶液中。電極可以用以下符號表示：Ag|AgCl|C1-。實(shí)踐運(yùn)用的Ag／AgCl電極極化電壓很低，普通在0.2mV左右。極化電壓的隨機(jī)變化小于10mV，對生物電的檢測幾乎不產(chǎn)生影響。在臨床上得到廣泛的運(yùn)用。Ag－Agcl圓盤電極Ag－Agcl圓盤電極的導(dǎo)電膏充填在空腔內(nèi)，構(gòu)造穩(wěn)定，并且對于生物組織具有非常小和穩(wěn)定的半電池電位，而且是一種不可極化電極，所以常被用作體表生物電丈量電極。體內(nèi)電極體內(nèi)電極，用作在生物體內(nèi)檢測生物電勢。因電極被插入體內(nèi)，電極資料的平安性很重要，象Ag－Agcl電極和人體蛋白質(zhì)會發(fā)生化學(xué)反響，不應(yīng)選用。下面引見兩種體內(nèi)電極：經(jīng)皮注射式針電極和絲電極。經(jīng)皮注射式針電極〔a〕和絲電極〔b〕針電極普通用不銹鋼資料制成，常用于肌電的丈量，效果較體表電極大5~7倍。絲電極普通采用外面涂有絕緣層，直徑為25~125μm的鎳鉻合金絲做成，用于肌電的長期丈量。金屬微電極金屬微電極是在不銹鋼、鎢、鉑等金屬上噴涂聚合物、玻璃等絕緣資料制成的，其尖端裸露。金屬微電極的極化特性使其不宜準(zhǔn)確丈量細(xì)胞的靜止電勢，常用于活動(dòng)電勢的檢測。金屬微電極包括單點(diǎn)丈量微電極和多重微電極，后者由多根相互獨(dú)立的電極組合而成，能同時(shí)丈量多點(diǎn)電位。如丈量神經(jīng)纖維束中多根神經(jīng)纖維電位的多個(gè)單點(diǎn)電極。目前曾經(jīng)出現(xiàn)的有用半導(dǎo)體資料制造的多重微電極和經(jīng)磁化處置的、合金線制造的、每個(gè)電極可獨(dú)立挪動(dòng)的多重電極。玻璃微電極玻璃微電極普通用于細(xì)胞膜電勢〔如靜息電位〕的丈量。它是由毛細(xì)管熱拉后，內(nèi)部充入電導(dǎo)率溶液，再將電極絲放入制成，電極尖端直徑普通小于1μm。玻璃微電極較金屬電極來講，存在阻抗高、噪聲大等缺陷。玻璃微電極可以向檢測部位注射微量藥物。§3常用醫(yī)用物理傳感器

物理傳感器物理傳感器是指基于物理學(xué)原理、檢測機(jī)體物理學(xué)目的的一類傳感器。物理傳感器是生物醫(yī)學(xué)傳感器中的一個(gè)大類，其作用是將各種物理信號轉(zhuǎn)化為電信號。物理傳感器的分類物理傳感器根據(jù)檢測對象的不同，有溫度傳感器、壓力傳感器、血流量傳感器、心音傳感器、脈搏傳感器、呼吸傳感器等。物理傳感器根據(jù)任務(wù)原理分為電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電式傳感器和光電式傳感器等。3.1溫度的丈量和溫度傳感器溫度是物理學(xué)中一個(gè)根本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度親密相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)、最古老，也是運(yùn)用最廣泛的一類傳感器。在醫(yī)學(xué)上通常將體溫分為體表溫度、深部溫度〔即機(jī)體內(nèi)部溫度〕和器官溫度〔用流經(jīng)器官的血液溫度來替代〕，丈量時(shí)應(yīng)根據(jù)不同需求來選用不同類型的溫度傳感器。溫度傳感器的開展歷史首先把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。50年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)〔RTD〕。后來，由于半導(dǎo)體資料的發(fā)明，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，人們又相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外溫度傳感器和微波溫度傳感器等。溫度傳感器的種類目前，溫度傳感器的種類很多，在醫(yī)學(xué)上常用的有：熱電偶溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器紅外熱輻射式溫度傳感器。熱電偶溫度傳感器當(dāng)兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，在某點(diǎn)相互銜接在一同，對這個(gè)銜接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差的數(shù)值與不加熱部位丈量點(diǎn)的溫度有以及這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種景象被稱為熱電效應(yīng)，也稱Seeback〔賽貝克〕效應(yīng)。熱電偶效應(yīng)可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，假設(shè)準(zhǔn)確丈量這個(gè)電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度，這就是熱電偶測溫的原理。不同材質(zhì)做出的熱電偶運(yùn)用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不一樣。熱電偶的靈敏度是指加熱點(diǎn)溫度變化1℃時(shí)，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬資料支撐的熱電偶而言，這個(gè)數(shù)值大約在5～40微伏／℃之間。醫(yī)學(xué)丈量中熱電偶溫度傳感器種類較多，常用的有桿狀熱電偶和片狀熱電偶。桿狀熱電偶是將金屬絲放入注射針頭中，經(jīng)皮插入到待測部位，可用于丈量口腔和直腸溫度。片狀熱電偶是用薄膜替代金屬絲，最薄可達(dá)3~6μm，將其固定在適當(dāng)資料的基片上，尺寸很小，直徑達(dá)μm數(shù)量級，呼應(yīng)速度很快，有的可用于丈量細(xì)胞內(nèi)的暫態(tài)溫度。〔a〕桿狀熱電偶〔b〕片狀熱電偶熱敏電阻溫度傳感器熱電阻式溫度傳感器可分為兩大類：純金屬電阻〔RTD〕和半導(dǎo)體資料熱敏電阻，因后者臨床用的較多，這里重點(diǎn)引見熱敏電阻式溫度傳感器。在生物醫(yī)學(xué)丈量中通常將熱敏電阻的探頭做成珠狀和薄片狀，體積非常小〔可達(dá)幾十納米〕，其熱慣性小、呼應(yīng)速度快。其中薄片熱敏電阻多是用單晶半導(dǎo)體資料〔如SiC〕制造的，在它的外表涂覆一層高強(qiáng)度絕緣漆類資料作絕緣防護(hù)，多用于丈量外表溫度和皮膚溫度。還有一種注射針型的測穩(wěn)探頭是用微型珠狀熱敏電阻封裝于注射針頭的頂端制成的，可用來做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及丈量肌肉溫度和淺表血管內(nèi)的溫度。PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器PN結(jié)溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)上正向電壓降的溫度效應(yīng)設(shè)計(jì)而成的，其線性度好、靈敏度高、丈量范圍寬，還可與放大器做在一同，體積小且性能穩(wěn)定，可運(yùn)用在低溫丈量和植入動(dòng)物體內(nèi)長期檢測運(yùn)用。臨床上常用的PN結(jié)測溫探頭有桿式測溫探頭、小型測溫探頭、針狀測溫探頭和外表測溫探頭，它們的不同在于半導(dǎo)體熱敏器件安裝的方法和裝配資料的不同，當(dāng)然其時(shí)間常數(shù)也不同，其中以小型測溫探頭最小，達(dá)0.2S。紅外熱輻射式溫度傳感器上述溫度傳感器都屬于接觸式溫度傳感器，紅外輻射式溫度傳感器那么屬于不需與被測對象接觸的傳感器，因此不會影響人體的生理形狀。根據(jù)Planck輻射定律，當(dāng)物體的溫度高于熱力學(xué)溫度零度〔-273.16℃〕時(shí)，都要以電磁波的方式向周圍輻射能量，其輻射頻率和能量隨物體的溫度而定。人體輻射紅外線的波長約在3-16μm之間，當(dāng)體溫改動(dòng)時(shí)，所輻射的紅外線能量就會改動(dòng)，紅外輻射測溫安裝就是根據(jù)檢測人體外表的輻射能量而確定體溫的。臨床上具有適用價(jià)值的紅外測溫傳感器有紅外熱探測器和紅外光電探測器。紅外熱探測器是全波長的紅外探測器，其首先利用黑化元件吸收入射紅外線輻射能量，使感溫元件溫度升高，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏囟让舾性囟刃畔⑥D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，采用的溫度敏感元件有熱電偶、熱敏電阻等。紅外光電探測器的敏感元件是光電器件碲鎘汞〔HgCdTe〕，它能將接納到的紅外線轉(zhuǎn)化為電信號。此種傳感器只能對一定波長范圍的紅外線有呼應(yīng)，并且需在低溫〔液氮冷卻〕下任務(wù)。目前出現(xiàn)了低本錢的非制冷紅外光電探測器(Si器件)。普通將許多個(gè)紅外光電探測器組合在一同構(gòu)成紅外圖像傳感器，它是紅外熱像儀的關(guān)鍵部分。紅外熱像儀在乳腺癌的診斷中具有重要的意義。3.2壓力的丈量和壓力傳感器醫(yī)學(xué)常用的壓力參數(shù)有：血壓、顱內(nèi)壓、眼內(nèi)壓、腸內(nèi)壓、肺泡壓等，其中最常規(guī)的丈量內(nèi)容是血壓(BloodPressure,BP)。醫(yī)學(xué)上丈量的血壓有動(dòng)脈壓、靜脈壓和心內(nèi)壓〔包括心室壓、心房壓〕等，每種壓力信號又包括：收縮壓、舒張壓、平均壓。壓力傳感器是檢測人體內(nèi)各種生理壓力參數(shù)的傳感器，在根底醫(yī)學(xué)、臨床診斷中運(yùn)用非常廣泛。對血壓的丈量方法有直接丈量和間接丈量。直接丈量血壓的傳感器包括液體耦合式傳感器、導(dǎo)管端部傳感器等。間接丈量血壓的方法是科氏音法。壓力丈量的根底－電阻應(yīng)變式傳感器導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)活力械變形，其電阻將發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱應(yīng)變效應(yīng)。利用應(yīng)變效應(yīng)制成傳感器被稱為應(yīng)變片。應(yīng)變片的種類繁多，有絲狀、片狀、薄膜狀等。半導(dǎo)體同金屬相比，具有更高的應(yīng)變系數(shù)。但半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)較高，運(yùn)用時(shí)必需采取溫度補(bǔ)償措施。應(yīng)變片的主要參數(shù)：應(yīng)變片電阻值絕緣電阻靈敏系數(shù)應(yīng)變極限機(jī)械滯后零點(diǎn)漂移液體耦合系統(tǒng)及傳感器這是直接丈量血壓的最簡單的方法，是將充溢液體的導(dǎo)管插入到被測體內(nèi)待測部位，經(jīng)過導(dǎo)管內(nèi)流體的耦合，將體內(nèi)導(dǎo)管端部位置的壓力信息傳送到導(dǎo)管另一端的壓力傳感器內(nèi)，這是臨床和科研中廣泛運(yùn)用的一種成熟而可靠的常規(guī)手段。液體耦合系統(tǒng)及傳感器通常運(yùn)用一根不能透過X光線的聚乙烯導(dǎo)管，經(jīng)皮插入臂靜脈或鎖骨下的大靜脈中。近些年來較常用的是末端帶有可充氣氣球的雙腔導(dǎo)管或四腔導(dǎo)管，即所謂漂浮導(dǎo)管，它特別適宜于丈量肺動(dòng)脈壓。當(dāng)插入到靜脈中適當(dāng)位置時(shí)，將氣球充氣，由于靜脈血的回流呵斥氣球的漂移，帶動(dòng)導(dǎo)管進(jìn)入右心房、右心室或肺動(dòng)脈等指定位置。通常這種丈量都要求在X光機(jī)的監(jiān)視下進(jìn)展，以確保導(dǎo)管進(jìn)入到指定的位置。液體耦合系統(tǒng)及傳感器臨床常見的心導(dǎo)管〔a〕端部開口型〔b〕側(cè)孔型〔c〕雙腔型〔d〕帶充氣氣球型液體耦合式傳感器的根本構(gòu)造包括一個(gè)彈性膜片，經(jīng)過將壓力信號轉(zhuǎn)變成膜片的變形，再根據(jù)膜片的應(yīng)變或位移，經(jīng)過敏感部件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出。圖(a)中所示是一種張絲式傳感器，把4根一樣阻值的應(yīng)變電阻絲接成一個(gè)平衡電橋，使其在膜片不受力的時(shí)候輸出為零。當(dāng)有壓力輸出時(shí)，呵斥膜片位移，電阻值變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的信號。圖(b)中所示為粘貼型應(yīng)變片與膜片組合的表示圖，在圓形的彈性膜片上，按力學(xué)分析找出受力時(shí)產(chǎn)生正負(fù)應(yīng)變最大的位置貼上應(yīng)變片，并把應(yīng)變電阻接人到丈量電橋中。圖(c)那么是用真空堆積方法直接將金屬應(yīng)變薄膜制造到金屬彈性膜片的外表。目前運(yùn)用很廣泛的硅杯型壓力傳感器與圖(c)所示的構(gòu)造類似，它是在硅杯的圓形底部膜片上，運(yùn)用半導(dǎo)體集成技術(shù)，在適當(dāng)?shù)奈恢弥圃?個(gè)阻值一樣的半導(dǎo)體電阻組成丈量電橋。當(dāng)遭到壓力時(shí)，硅杯底部產(chǎn)生形變，集成的半導(dǎo)體應(yīng)變電橋便輸出相應(yīng)的信號。這種硅杯型傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如壓阻系數(shù)高、機(jī)械性能穩(wěn)定、膜片的諧振頻率高等，因此得到越來越多的運(yùn)用。但是半導(dǎo)體電阻通常對溫度很敏感，運(yùn)用時(shí)必需采用某種溫度補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)，以修正由于溫度變化對應(yīng)變靈敏度和零點(diǎn)偏移呵斥的影響。液體耦合式血壓傳感器液體耦合系統(tǒng)及傳感器由于有液體的慣性、液體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部的摩擦阻力以及導(dǎo)管和膜片的彈性等要素，信號能夠會失真。導(dǎo)管端部傳感器為抑制液體耦合式傳感器的缺陷，人們將壓力傳感器放置在導(dǎo)管端部，將待測部位的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的信息傳送出去。此方法在一定程度上防止了液體耦合系統(tǒng)中信號的失真，可分為以下幾種。導(dǎo)管端部傳感器(1)電阻式傳感器(2)電感式傳感器(3)光纖式傳感器導(dǎo)管端部傳感器〔1〕最早的電阻式導(dǎo)管端部壓力傳感器是1898年報(bào)道的，它是在導(dǎo)管端部裝有一充溢電解液的小圓筒。一端是彈性膜片，上面安頓了一個(gè)電極，在附近的位置設(shè)置了一固定的電極。當(dāng)壓力改動(dòng)時(shí)，會使得這兩電極間的相對位置改動(dòng)，即改動(dòng)了極間的電阻值。導(dǎo)管端部傳感器〔1〕導(dǎo)管端部的側(cè)面開有一膜片窗口，它將外界壓力變化傳送到硅片上。在兩硅片中間，用絕緣的膠合劑固定了一根金屬隔片，當(dāng)遭到壓力呵斥彎曲時(shí)，，以中間金屬片為中心面，兩硅片產(chǎn)生相反的應(yīng)變變形，兩硅片阻值的變化方向相反。以兩硅片阻值作為丈量電橋相應(yīng)的橋臂，那么可測出外界的壓力變化。導(dǎo)管端部傳感器〔2〕當(dāng)壓力改動(dòng)時(shí)，膜片的位移使得鐵心在螺管中的位置左右變化，改動(dòng)了螺管的電感量。左側(cè)是高導(dǎo)磁資料制成的鐵心，右側(cè)為有機(jī)玻璃制成的虛擬鐵心，以到達(dá)溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?dǎo)管端部傳感器〔2〕通常把螺管接成調(diào)頻振蕩器的一部分，當(dāng)壓力增大呵斥高導(dǎo)磁鐵心進(jìn)入螺管，使螺管的電感添加時(shí)，那么振蕩器輸出的頻率變化就反映了位移的變化，只需鐵心挪動(dòng)間隔較小，頻率的變化與兩薄膜間的壓力差就近似呈正比關(guān)系。由于這種傳感器的質(zhì)量很小，所以其頻響到100Hz以上還很平坦，這就可以同時(shí)測出心腔內(nèi)血壓和心音兩種信號。由于心音信號頻率較高，故可以用低通和高通濾波器將這兩種信號分開。導(dǎo)管端部傳感器〔3〕用于人體直接壓力丈量的光纖壓力傳感器的前端用液晶作為壓力敏感元件，液晶受壓使得入射光的反射強(qiáng)度發(fā)生變化，如下圖。導(dǎo)管端部傳感器〔3〕導(dǎo)管端部的彈性膜片當(dāng)遭到壓力作用時(shí)，產(chǎn)生位移，接納反射光的光檢測器的輸出發(fā)生變化。這種傳感器內(nèi)有直徑為50um的多模光導(dǎo)纖維約80根，發(fā)射和接納的光纖以最適宜的配置進(jìn)展分布，膜片與光纖末端面間的間隔約為30um，它的丈量范圍為-6.666kPa～26.664kPa。間接丈量血壓－科式音法采用導(dǎo)管術(shù)直接丈量血壓雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但它要求刺破皮膚，將導(dǎo)管插人體內(nèi)，所以這種方法遭到較大的限制。長期以來，人們不斷努力于開展各種間接丈量法。雖然間接法的丈量誤差大，而且只限于丈量動(dòng)脈壓的特征值〔收縮壓、舒張壓等〕，普通說來也不能延續(xù)監(jiān)測，但因其方法簡單平安，所以在臨床上亦得到廣泛運(yùn)用。利用袖帶在體外對動(dòng)脈血管加以變化的壓力，經(jīng)過體表檢測出脈管內(nèi)血流與外部壓力之間相對應(yīng)的關(guān)系，進(jìn)而測出脈管內(nèi)的血壓值。通常運(yùn)用袖帶充氣，阻斷動(dòng)脈血流，然后緩慢放氣，在阻斷動(dòng)脈點(diǎn)的下游監(jiān)聽能否出現(xiàn)血流，當(dāng)開場監(jiān)聽到科氏音時(shí)，即開場有血流經(jīng)過時(shí)，袖帶內(nèi)的壓力為動(dòng)脈內(nèi)的收縮壓，當(dāng)血流完全恢復(fù)正常時(shí)，袖帶內(nèi)的壓力為動(dòng)脈內(nèi)的舒張壓?？剖弦舴ㄔ砜剖弦舴ㄩg接丈量血壓原理圖基于科式音識別的電子血壓計(jì)原理3.3血流的丈量和血流量傳感器血流量是生理研討和臨床醫(yī)學(xué)中最常丈量的對象。血流量的檢測方法有熱稀釋法、電磁流量計(jì)法和Doppler頻移法。不同的檢測方法采用不同的傳感器。熱稀釋法測血流量利用指示劑〔冷鹽水〕注入心臟中的血流里，經(jīng)過檢測心臟搏出血液中指示劑的溫度變化來丈量心臟搏出量或輸出量的方法。檢測時(shí)普通用四腔漂浮心導(dǎo)管：第一腔是將導(dǎo)管插入臂靜脈后將可充氣氣球充氣，使導(dǎo)管隨氣球經(jīng)右心房至肺靜脈；第二腔用于注入稀釋劑；第三腔可丈量壓力；第四腔用于引出測溫電路導(dǎo)線。電磁血流傳感器電磁式血流傳感器是用手術(shù)剝離待測血管后，將血管嵌入其磁氣隙中丈量血流量的傳感器。在垂直于血管軸方向上加一磁場B，在與B垂直的兩側(cè)安裝電極。因血液是堿性導(dǎo)電體并以均速運(yùn)動(dòng)，在恒定的磁場中切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢，然后根據(jù)傳感器輸出的電壓值和血管橫截面積而得出血流量。該傳感器可測的最小血管直徑可達(dá)1mm以下，并且結(jié)果較為準(zhǔn)確，并且可以延續(xù)檢測血流，因此可作為檢測血流量的規(guī)范方法。Doppler頻移血流計(jì)Doppler頻移血流計(jì)，基于血液中的血細(xì)胞等運(yùn)動(dòng)微粒會使超聲波產(chǎn)生反射發(fā)生頻率改動(dòng)的特性，人們開創(chuàng)了丈量流量的Doppler技術(shù)。經(jīng)過公式可以根據(jù)頻率改動(dòng)得到的差頻即可求出血流速度。目前此超聲血流計(jì)已成為臨床上廣為運(yùn)用的常規(guī)無創(chuàng)檢測法。3.4心音檢測和心音傳感器隨著心臟的收縮和舒張，呵斥瓣膜的迅速翻開或封鎖，從而構(gòu)成了由血流湍流引起的振動(dòng)，脈管中血流的加速和減速也會呵斥血管的振動(dòng)，這些振動(dòng)傳到胸腔外表就是心音。另外，人體內(nèi)部還有一些器官也會呵斥音響，例如呼吸時(shí)支氣管與肺膜產(chǎn)生的聲音、腸蠕動(dòng)的雜音、孕婦的子宮雜音、胎兒的心音等。一切這些聲音，對多種疾病的診斷都是非常有價(jià)值的。這些聲音的頻率范圍普通都在20～200Hz以內(nèi)，有些雜音頻率的低端可達(dá)4～5Hz，高端可大于1000Hz。醫(yī)用心音傳感器的種類非常多，總的來說可分為空氣傳導(dǎo)式和直接傳導(dǎo)式兩大類。由于空氣傳導(dǎo)式心音傳感器需由氣室和普通傳感器組合而成，雖然簡單易行，但其靈敏度低，且易受周圍噪聲的干擾，所以如今臨床上運(yùn)用的大多是直接傳導(dǎo)式心音傳感器。電磁式空氣傳導(dǎo)心音傳感器也稱動(dòng)圈式心音傳感器。傳感器于胸壁相接觸后，心音便經(jīng)過胸壁與膜片間的空氣傳導(dǎo)引起膜片的振動(dòng)，從而帶動(dòng)線圈在氣隙中作切割磁力線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，于是在線圈中就感應(yīng)出與線圈運(yùn)動(dòng)速度成正比的電動(dòng)勢。

直接傳導(dǎo)式心音傳感器直接傳導(dǎo)式心音傳感器，通常又將其分為加速度型、懸掛型和放置型三種。壓電型心音傳感器直接傳導(dǎo)式壓電型傳感器主要是一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量塊與壓電晶體的一個(gè)面相銜接。頂蓋與質(zhì)量塊之間經(jīng)過一彈簧加以預(yù)應(yīng)力，這種對系統(tǒng)的預(yù)負(fù)載，可進(jìn)展調(diào)理，從而使壓電元件運(yùn)用在特性曲線的線性部分。這種傳感器的分量可做得小于30g，除可用來記錄心音信號外，還可用來丈量震顫。用于心音檢測的心音傳感器壓電效應(yīng)與壓電資料某些晶體和陶瓷延一定方向產(chǎn)活力械變形時(shí)，能產(chǎn)生電壓；相反地，加上電壓也能產(chǎn)活力械變形，這種景象稱為壓電效應(yīng)。前者稱為正壓電效應(yīng)，后者稱為逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的資料稱為壓電資料。壓電資料有壓電晶體和壓電陶瓷。導(dǎo)管端部心音傳感器當(dāng)需求丈量體內(nèi)的音響，例如要丈量心雜音發(fā)生的位置，那么可將心音傳感器配置在心導(dǎo)管的端部，插到待測的部位進(jìn)展丈量。這一類的傳感器中有應(yīng)變式、電磁式和壓電式等多種類型。導(dǎo)管端部心音傳感器這種傳感器的敏感元件是用壓電陶瓷制成的懸臂梁，兩陶瓷片中間由金屬片隔開。當(dāng)懸臂梁受力彎曲時(shí)，以金屬片為中心面，一邊陶瓷片被拉伸，一邊陶瓷片被緊縮。壓電陶瓷片沿著厚度方向極化，從而感應(yīng)出心音信號。3.5光電式傳感器的運(yùn)用光電式傳感器是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，它可以直接檢測來自人體的輻射信息，也可以把人體的其他信息轉(zhuǎn)換成光信號。光電式傳感器構(gòu)造簡單、非接觸、可靠性高、精度高、反響迅速，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。光電脈搏傳感器、核醫(yī)學(xué)檢測器(如伽馬照相機(jī))、紅外熱成像和光導(dǎo)纖維血壓傳感器等是它的運(yùn)用實(shí)例。光電傳感器的物理原理光電傳感器包括：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電池、光電二極管三極管等。它的物理根底是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指光照射到物質(zhì)上引起其電特性(電子發(fā)射、電導(dǎo)率、電位電流等)發(fā)生變化的景象。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)就是光電發(fā)射效應(yīng)；內(nèi)光電效應(yīng)有光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)等幾種。外光電效應(yīng)金屬外表受光照射，其外表和內(nèi)部的電子吸收光能后逸出金屬外表的景象，稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電發(fā)射效應(yīng)。光電倍增管光電倍增管是把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成電子流并使電子流獲得放大的電真空器件。它是最靈敏的光檢測器，在冷卻形狀，無熱生電子時(shí)，甚至能檢測單個(gè)光電子。圖中K表示光電陰極，D1、D2、…、Dn是由二次發(fā)射體制成的倍增極。A是搜集電子的陽極或搜集極。任務(wù)時(shí)這些電極的電位從陰極逐級升高，相鄰電極電位相差100V左右。微弱光線射人的光子打到光電陰極上，引起光電發(fā)射，釋放出一些電子。這些電子經(jīng)電子光學(xué)輸人系統(tǒng)的靜電聚焦和加速，飛向比陰極電位高100V左右的第一倍增極，在倍增極上引起了二次電子發(fā)射，倍增效應(yīng)發(fā)生，釋放出更多的電子。倍增后的電子再次加速飛向更高電位的下一個(gè)倍增極。電子倍增過程就這樣延續(xù)下去。最后，電子到達(dá)陽極被搜集，在負(fù)載電阻RL上構(gòu)成電流。在放射性同位素丈量和成像技術(shù)中，常用光電倍增管作為檢測器中的光電轉(zhuǎn)換器。例如，在伽馬照相機(jī)和單光子發(fā)射斷層成像安裝(SPECT)中，就是采用光電倍增管來檢測由伽馬射線激起的閃爍晶體發(fā)出的光信號，從而實(shí)現(xiàn)成像的。光導(dǎo)效應(yīng)和光敏電阻光照射到絕大多數(shù)高電阻率半導(dǎo)體資料時(shí)，會引起該資料的電阻率下降而易于導(dǎo)電的景象，稱光導(dǎo)效應(yīng)。器具有光導(dǎo)效應(yīng)的資料制成的光敏器件，稱之為光敏電阻或光導(dǎo)管。光敏二極管和光敏三極管光敏二極管的構(gòu)造與普通二極管類似，裝在透明玻璃外殼中，它的PN結(jié)裝在管頂，便于接受光的照射。光敏二極管在電路中任務(wù)時(shí)，普通接上反向電壓。在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，反向電流也稱暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，使少數(shù)載流子的濃度大大添加，因此經(jīng)過PN結(jié)的反向電流也隨著添加。光敏二極管和光敏三極管光敏三極管由兩個(gè)PN結(jié)組成，它的發(fā)射極與光敏二極管一樣，具有光敏特性。它的集電極那么與普通晶體管一樣，可以獲得電流增益。光照射發(fā)射極產(chǎn)生的光電流，相當(dāng)于基極電流，因此集電極電流是光電流的β倍，所以光敏三極管有放大作用，它比光敏二極管有更高的靈敏度。光電脈搏測定原理這是由光敏電阻和一個(gè)光源組成的光電脈搏傳感器的原理圖。光敏電阻與適當(dāng)?shù)钠胀娮璐?lián)后由電源供電，光源在加電時(shí)發(fā)光，光經(jīng)人的手指傳播到光敏電阻的受光面，當(dāng)人手指的微血管的血流隨微血管的脈壓變化時(shí)，對光的反射系數(shù)也發(fā)生變化，使光敏電阻接納到的光強(qiáng)也隨之改動(dòng)。把光敏電阻被微血管反射的光信號轉(zhuǎn)換成指脈電信號，就可做成脈搏傳感器。光電脈搏測定原理〔2〕透射型指套式光電傳感器，由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。其任務(wù)原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指，被手指組織的血液吸收和衰減，然后由光敏三極管接納。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動(dòng)的，于是光敏三極管輸出信號的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。發(fā)光二極管采用紅色單色光，穩(wěn)定性好。傳感器做成遮光指套式，減少了外界光的干擾。將傳感器套在手指上，就可以丈量手指末端處的動(dòng)脈脈搏波，運(yùn)用方便，靈敏度高，性能穩(wěn)定。光電脈搏測定原理〔2〕脈搏測定的其它方法利用靈敏度高的半導(dǎo)體壓阻資料，也可以制成基于惠斯頓電橋的脈搏傳感器。脈搏血氧丈量原理氧是維護(hù)生命的根底，動(dòng)脈血氧飽和度是反映動(dòng)脈血含氧程度的重要參數(shù)。人體內(nèi)的血液經(jīng)過心臟的收縮和舒張脈動(dòng)地流過肺部，一定量的復(fù)原血紅蛋白(Hb)與從肺泡中攝取的氧氣結(jié)合變成了氧合血紅蛋白(HbO2)，而約2％的氧溶解在血漿里。這些血經(jīng)過動(dòng)脈系統(tǒng)不斷保送到毛細(xì)血管，然后將氧釋放，以維持組織細(xì)胞的新陳代謝。脈搏血氧丈量原理血氧濃度的丈量通常分電化學(xué)和光學(xué)兩類。以往大部分采用電化學(xué)法，如臨床和實(shí)驗(yàn)室常用的血?dú)夥治鰞x，它要取血樣來檢測，雖然可以得到準(zhǔn)確結(jié)果，但從危重病人身上經(jīng)常取血卻是不能夠的，且其操作復(fù)雜、分析周期長、不能延續(xù)監(jiān)測。在病人處于危病癥況時(shí)，就不易使其得到及時(shí)的治療。脈搏血氧丈量原理脈搏血氧測定法是一種抑制這些缺陷的新型光學(xué)丈量方法。在符合臨床要求的前提下，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)傷、長時(shí)間延續(xù)監(jiān)測血氧飽和度，為臨床提供了快速、簡便、平安可靠的測定方法，可用于手術(shù)室、ICU病房、急救病房和睡眠研討中。脈搏血氧測定法的丈量原理是對普通血氧計(jì)光學(xué)丈量方法的開展。根據(jù)吸光定律，當(dāng)入射光射入厚度為D的均質(zhì)組織時(shí)，入射光I0與透射光I之間的關(guān)系為：

I/I0=e-ECD式中，C為吸光物質(zhì)的濃度；E為吸光物質(zhì)的吸光系數(shù)。定義物質(zhì)的吸光度A為：A＝1n(I0/I)=ECD脈搏血氧測定法，是基于血液中氧合血紅蛋白(HbO2)和復(fù)原血紅蛋白(Hb)的吸收光譜的特性，運(yùn)用Lambert-Beer法那么，在體淺表動(dòng)脈處用光電器件獲取兩個(gè)不同波長的吸光值。選擇適當(dāng)?shù)膬刹ㄩL就可以丈量出HbO2和Hb的百分含量。由于在紅光區(qū)(660nm)，Hb和HbO2的分子吸光系數(shù)差別很大，主要反映Hb的吸收；而在紅外光區(qū)(925nm)，Hb和HbO2的分子吸光系數(shù)差別很小，反映Hb和HbO2吸收的綜合效果。設(shè)：ρ=ΔA1/ΔA2為兩個(gè)波長的光吸收變化率那么：SaO2＝a+b×ρa(bǔ)和b是實(shí)驗(yàn)獲取的兩個(gè)系數(shù)。脈搏血氧丈量傳感器§4化學(xué)傳感器和生物傳感器化學(xué)傳感器〔ChemicalSensor〕通常指基于化學(xué)原理的、以化學(xué)物質(zhì)成分為檢測對象的一類傳感器。該類傳感器主要是利用敏感資料與被測物質(zhì)中的離子、分子或生物物質(zhì)相互接觸而產(chǎn)生的電極電位變化、外表化學(xué)反響或引起的資料外表電勢變化，并將這些反響或變化直接或間接地轉(zhuǎn)換為電信號?；瘜W(xué)傳感器在醫(yī)學(xué)中的運(yùn)用和技術(shù)改良使醫(yī)學(xué)生化檢驗(yàn)更加快速、準(zhǔn)確、方便，它的開展趨勢向?qū)崟r(shí)、經(jīng)濟(jì)、無創(chuàng)、自動(dòng)化和微型化開展?；瘜W(xué)傳感器有可逆和不可逆之分，前者的試劑相不因與待測物反響而被耗費(fèi)，后者相反。因此可逆型化學(xué)傳感器更被注重。這里重點(diǎn)引見的化學(xué)傳感器有：離子傳感器和氣體傳感器。離子傳感器主要包括各種離子選擇性電極和離子敏感場效應(yīng)晶體管。離子選擇性電極〔IonSensitiveElectrode，ISE〕離子選擇性電極屬于電化學(xué)傳感器，它的電位對溶液中給定的離子的活度的對數(shù)呈線性關(guān)系。它主要由膜、內(nèi)參比溶液組成，敏感膜是其關(guān)鍵部件，其分類也是按膜的組成和性質(zhì)來分的。ISE分為原電極和敏化電極兩大類。原電極分為晶體膜電極〔均相膜電極和非均相膜電極〕和非晶體膜電極〔剛性基質(zhì)電極和流動(dòng)載體電極〕。ISEISE的分類原電極敏化電極晶體膜電極非晶體膜電極勻相膜電極非勻相膜電極剛性基質(zhì)電極流動(dòng)載體電極晶體膜電極晶體膜電極：其膜普通由難溶鹽經(jīng)加壓或拉制成單晶、多晶或混晶的活性膜，由晶格空穴引起離子傳導(dǎo)，而一定膜的空穴只能包容某種離子，其他離子不能進(jìn)入，那么可以起到選擇某種離子的的作用。晶體膜電極普通構(gòu)造均相膜電極：它的敏感膜由單晶或由一種化合物均勻混合壓片制成，內(nèi)參比電極常用Ag/AgCl電極。此類電極常用于檢測Cl-、Br-、I-、Ca2+、Pb2-等。它們的呼應(yīng)快、敏感膜運(yùn)用后可恢復(fù)性能，并且運(yùn)用前不用預(yù)先浸泡。某種復(fù)合型電極制成的微型電極只需幾微升溶液就可丈量離子含量。非均相膜電極：其敏感膜是由各種電活性物質(zhì)和惰性基質(zhì)〔如硅橡膠、聚氯乙烯或石蠟〕混合組成，使得膜的導(dǎo)電性、機(jī)械性能和彈性均較好?？捎脕頇z測Cl-、Br-、I-、SO42-、F-等離子。但此膜電極在第一次運(yùn)用時(shí)需預(yù)先浸泡以防止電勢漂移，并且呼應(yīng)較慢。剛性基質(zhì)電極〔玻璃電極〕：是由離子交換型的剛性基底薄膜玻璃熔融燒制而成，其膜電勢經(jīng)過膜相與溶液中的金屬離子或氧粒子在相界面交換產(chǎn)生。玻璃電極有pH玻璃電極和其他陽離子玻璃電極。pH玻璃電極：其敏感膜是由固熔體玻璃薄膜構(gòu)成的，它的化學(xué)組成對pH電極性能的影響很大。例如純二氧化硅石英玻璃中參與了堿金屬氧化物后，對H+有較強(qiáng)的選擇性。最常見的是球形玻璃膜電極，其內(nèi)參比電極常用Ag/AgCl電極。其他陽離子玻璃電極：玻璃的組成成分對電極的離子選擇性影響很大，如在玻璃中參與鋁的氧化物制成鋁硅酸鹽玻璃薄膜后，會添加對除了H+以外的其他陽離子的選擇性。玻璃電極運(yùn)用起來比較煩瑣，如必需用水浸泡并防止污染等。液膜電極：又稱為活動(dòng)載體膜電極，它的敏感膜是以液體離子交換劑為敏感物質(zhì)而構(gòu)成的一種液態(tài)膜，內(nèi)參比電極多為Ag/AgCl電極，用多孔惰性物質(zhì)〔如多孔玻璃、聚氯烯等〕薄片為液膜的支撐體。液膜電極常用于檢測Ca2+、、Mg2+、Cl-等離子，其呼應(yīng)速度快〔<10秒〕，可干放保管，其中以聚氯乙烯〔PVC〕電極較多運(yùn)用。另外利用分子設(shè)計(jì)合成電中性化合物〔中性載體〕作為敏感膜的研討和運(yùn)用也非常活潑，此資料如纈氨酶素電極能與被測離子構(gòu)成絡(luò)合物，檢測的敏感性很高。離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET)離子敏感場效應(yīng)晶體管是一種新型離子敏感器件,它具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、頻帶寬、全固態(tài)構(gòu)造、體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、呼應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)集成化和多功能化，是很有開展?jié)摿Φ囊活愋滦突瘜W(xué)傳感器。ISFET任務(wù)原理ISFET的絕緣膜是裸露的或在晶體資料上面有一層敏感膜覆蓋，其電解質(zhì)溶液直接與絕緣膜或敏感膜接觸，并在敏感膜界面上產(chǎn)生依賴于特定離子活度的界面電勢，進(jìn)而使絕緣膜下的半導(dǎo)體溝道的電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而得出被測離子活度。ISFET的構(gòu)造和分類ISFET的封裝構(gòu)造對它的任務(wù)穩(wěn)定性和可靠性等可產(chǎn)生重要的影響，因此有必要了解一下ISFET的構(gòu)造設(shè)計(jì)，這主要包括：探頭式構(gòu)造、探針式構(gòu)造、導(dǎo)管復(fù)合式構(gòu)造、反面引線ISFET構(gòu)造、SOS型構(gòu)造。(1)探頭式構(gòu)造：有軟線式和硬桿式兩種，根本是將芯片粘在絕緣資料或敷銅板上，與電極引線銜接好后，用硅橡膠或環(huán)氧樹脂包封制造，此構(gòu)造由于采用的是印刷電路制造工藝，比較易于實(shí)現(xiàn)并有利于集成化。(2)探針式構(gòu)造：是采用Si的各向異性腐蝕技術(shù)，將ISFET器件制成針狀，將芯片裝在探針前端，在敏感膜以外區(qū)域用無機(jī)鈍化膜包封，這樣可做成端部寬度只需30~50μm的ISFET；另外用等離子蝕刻技術(shù)還可制成端部達(dá)10μm的ISFET。所以探針式構(gòu)造的ISFET對微量試液如胃液、淋巴液、嬰兒血樣等的分析較為適用。(3)導(dǎo)管復(fù)合式構(gòu)造：是將微型參比電極與ISFET芯片共同封裝在一個(gè)導(dǎo)管中，使得丈量可以一次性完成，特別適用于體內(nèi)液的丈量?！?〕反面引線ISFET構(gòu)造：此工藝是為防止采用平面工藝設(shè)計(jì)中容易引起的封裝困難、敏感膜容易被極化失效等缺陷而設(shè)計(jì)的：將電極與敏感膜分別作在硅片兩面，使器件的化學(xué)敏感部分和電丈量部分隔離。此構(gòu)造性能較好，開展?jié)摿^大，但還不太成熟。(5)SOS型構(gòu)造：是為了保證液體與晶體資料之間有良好的絕緣性而設(shè)計(jì)的，是以藍(lán)寶石為基底并在其上生成場效應(yīng)管FET，然后在它們的外表覆蓋絕緣層的制造方法。此構(gòu)造包封簡單，性能穩(wěn)定且較為可靠。氣體傳感器醫(yī)學(xué)科研與臨床中常用的氣體傳感器有電化學(xué)氣體傳感器、半導(dǎo)體氣體傳感器。電化學(xué)氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器其設(shè)計(jì)原理是：當(dāng)氣體在電極和電解質(zhì)組成的電池中時(shí)，氣體與電解質(zhì)反響或在電極外表發(fā)生氧化—復(fù)原反響，從而在兩個(gè)電極間輸出電壓或電流，而得到待測氣體濃度。其中電極多采用氣敏電極和氣體分散電極兩種，前者用于丈量溶解于溶液中的氣體含量，如血液中的O2、CO2等的含量；后者那么能直接丈量混合氣體中的可燃性或可氧化性氣體。此類傳感器在醫(yī)學(xué)中運(yùn)用廣泛。氣敏電極又可分為O2電極和CO2電極兩種。溶液中的氧含量或稱氧濃度可用所含氧的體積或當(dāng)量數(shù)表示，溶液中的氧含量普通決議于氧的分壓〔PO2〕，其中PO2常用氧電極檢測。氧電極的根本構(gòu)造參考電極為陽極，任務(wù)電極為陰極，兩電極進(jìn)入試液中，并在二者間加上0.6~0.8V左右的電壓，經(jīng)過一系列的氧化復(fù)原反響，電路中有電流產(chǎn)生，并且此電流值大小與PO2成線性關(guān)系，可以根據(jù)電流大小計(jì)算出PO2的值。Clark氧電極Clark氧電極是一種較為穩(wěn)定的封鎖式氧電極，它的陽極、陰極和電解液與被測液被一疏水透氧薄膜〔如聚丙烯等〕隔開，其中陽極為Ag/AgCl電極，陰極為鉑絲。此電極的靈敏度受此膜對被測氣體的浸透系數(shù)和膜層厚度決議，它對CO2根本無呼應(yīng)。在Clark氧電極的根底上有人又設(shè)計(jì)了一種陽極加熱型經(jīng)皮氧電極。它利用加熱絲加熱皮膚至42℃~44℃，引起皮下小動(dòng)脈擴(kuò)張，皮下血流量添加，使得真皮上層的血液情況接近于動(dòng)脈血情況，除了皮膚組織耗費(fèi)的氧外，剩余的氧氣經(jīng)過組織分散到皮膚外表，可在皮膚外表測得此氧分壓來近似得到動(dòng)脈血PO2。此種電極多運(yùn)用于新生兒、嬰幼兒的氧監(jiān)測。CO2電極表示圖CO2電極的任務(wù)原理是根據(jù)pCO2的對數(shù)值在1.3332~11.9988kPa范圍內(nèi)與pH值成線形關(guān)系，所以可用pH電極間接得到pCO2。其構(gòu)造與Clark電極類似，但任務(wù)電極為pH電極，電解液含HCO3。半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器其原理是當(dāng)半導(dǎo)體資料吸附某些氣體分子時(shí)，將產(chǎn)生電子遷移而使其外表電導(dǎo)發(fā)生改動(dòng)，進(jìn)而測得氣體濃度。半導(dǎo)體氣體傳感器是一種靈敏度很高的器件〔可達(dá)10-5~10-3〕，且構(gòu)造簡單、壽命長，可檢測出含量非常低的有毒氣體和可燃性氣體。有電阻式和非電阻式兩種。電阻控制型氣體傳感器是利用外表電阻或體電阻的變化來檢測氣體濃度的傳感器。主要用于C3H8、CH2、CO、H2、NO等可燃?xì)怏w檢測，它的靈敏度高、呼應(yīng)速度快且構(gòu)造簡單。非電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體元件與氣體接觸后，諸如整流特性等特性改動(dòng)而檢測氣體濃度的傳感器，其資料多采用金屬—半導(dǎo)體二極管、金屬—氧化物—半導(dǎo)體二極管等。Pd—MOSFET氣體傳感器對氫的靈敏度很高且選擇性好，是理想的氫氣傳感器。生物傳感器生物傳感器〔Biosensor〕是利用某些生物活性物質(zhì)所具有的高度選擇性，來識別待測生物化學(xué)物質(zhì)的一類傳感器。生物傳感器是近年來出現(xiàn)的一類新型傳感器。生物傳感器的概念生物傳感器的本質(zhì)生物傳感器將生物體活性成分〔酶、抗原、抗體、激素、DNA、受體等〕或生物體本身〔組織、細(xì)胞、細(xì)胞器〕作為敏感元件，有很強(qiáng)的特異性和高度的敏感性，被稱為具有生物識別才干的化學(xué)傳感器。生物傳感器的出現(xiàn)開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)