醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用 PPT

醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用
內(nèi)容提要
1、醫(yī)用傳感器基礎(chǔ)
2、生物電檢測(cè)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)的發(fā)展與展望
§1? 醫(yī)用傳感器基礎(chǔ)
對(duì)傳感器的定義：

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665—87)對(duì)傳感器下這樣的定義：
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。
國(guó)標(biāo)中的定義強(qiáng)調(diào)了被測(cè)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，而且它給出了傳感器的結(jié)構(gòu)信息，即它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

敏感元件是指能直接感測(cè)或響應(yīng)被測(cè)量的部件。
轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性袦y(cè)或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的部件，通常這種輸出信號(hào)以電量的形式出現(xiàn)。
信號(hào)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路是把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于處理、控制、記錄和顯示的有用電信號(hào)所涉及的有關(guān)電路。有人也稱(chēng)這一部分電路為信號(hào)調(diào)理電路。
醫(yī)用傳感器（Biomedical Sensors）
醫(yī)用傳感器，顧名思義，它是應(yīng)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(hào)來(lái)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)系的電信息的變換裝置。
人體生理信息有電信息和非電信息兩大類(lèi)，從分布來(lái)說(shuō)有體內(nèi)的（如血壓等各類(lèi)壓力），也有體表的（如心電等各類(lèi)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(lèi)
傳感器的分類(lèi)方法多種多樣，有按傳感器的工作原理分的，有按輸入信息的類(lèi)型分的，也有按能量關(guān)系或輸出信號(hào)類(lèi)型分的。醫(yī)學(xué)測(cè)量中往往按被測(cè)信號(hào)來(lái)分類(lèi)，如脈搏傳感器、呼吸波傳感器等。
醫(yī)用傳感器按工作原理分類(lèi)，大致可分為：

生物傳感器

生理信號(hào)檢測(cè)的特點(diǎn)
?醫(yī)用傳感器用于人體生理信息檢測(cè)時(shí)，具有以下主要特點(diǎn)：
?被測(cè)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(hào)微弱，測(cè)量范圍分布在uV～mV數(shù)量級(jí)。
被測(cè)量的信噪比低，且噪聲來(lái)源可能是多方面的。由于人體是一導(dǎo)電體，體外的電場(chǎng)、磁場(chǎng)感應(yīng)都會(huì)在人體內(nèi)形成測(cè)量噪聲，干擾生理信息的檢測(cè)。
人體是一有機(jī)整體，各器官功能密切相關(guān)，傳感器所拾取信息往往是由多種參數(shù)綜合而形成的。???
醫(yī)用傳感器的數(shù)學(xué)模型
傳感器的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用，均需要研究傳感器的輸入與輸出的關(guān)系特性。
描述傳感器的輸入一輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式被稱(chēng)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(hào)（輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化或變化緩慢）情況下，描述傳感器的輸出與輸入量間的函數(shù)關(guān)系。在實(shí)際工程應(yīng)用中，忽略蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯持性、它可以用多項(xiàng)式來(lái)表示為：
動(dòng)態(tài)模型
?動(dòng)態(tài)模型是指?jìng)鞲衅髟跍?zhǔn)動(dòng)態(tài)或動(dòng)態(tài)信號(hào)（即輸入信號(hào)隨時(shí)間變化）作用下，描述其輸出一輸入關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
要精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，忽略次要因素。來(lái)簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)模型的建立。
醫(yī)用傳感器的基本特性
醫(yī)用傳感器的基本特性是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入的關(guān)系特性，它是傳感器應(yīng)用的外部特性，但是傳感器不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)影響或決定著它具有不同的外部特性。
醫(yī)用傳感器檢測(cè)的生理信息，基本上有兩種類(lèi)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(hào)、瞬變或隨機(jī)的信號(hào)(如心電、血壓等)。
靜態(tài)特性
靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)生理量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸入之間的關(guān)系特性，一般情況下，它呈現(xiàn)非線性關(guān)系。工程應(yīng)用中，要求靜態(tài)特性盡可能呈線性。
衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)是線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、零點(diǎn)漂移、溫度漂移等。

線性度指?jìng)鞲衅鬏敵鲭S輸入變化的線性程度，它用輸出量一輸入量的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度來(lái)表示。
靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化對(duì)輸入變化的比值。
遲滯特性是指?jìng)鞲衅髟谡?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。遲滯是由傳感器材料固有特性和機(jī)械上的不可避免的缺陷等原因產(chǎn)生的。
重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谕还ぷ鳁l件下輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)所得到特性曲線的不一致程度。產(chǎn)生重復(fù)性誤差的原因同樣是傳感器內(nèi)機(jī)械缺陷引起的，如材料內(nèi)的摩擦、間隙、積塵等。

動(dòng)態(tài)特性
傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)激勵(lì)(輸入)的響應(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(hào)作用下，不僅能精確地測(cè)量信號(hào)的帕值大小，而且能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)信號(hào)幅度變化和無(wú)失真地再現(xiàn)被測(cè)量信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。

對(duì)醫(yī)用傳感器的基本要求
醫(yī)用傳感器作為傳感器的一個(gè)重要分支，其設(shè)計(jì)與應(yīng)用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號(hào)的特殊性、復(fù)雜性，考慮生物醫(yī)學(xué)傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。

1.傳感器本身具有良好的技術(shù)性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復(fù)性、頻率響應(yīng)范圍、信噪比、溫度漂移、零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移等。
2.傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)與被檢測(cè)部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，使用時(shí)，對(duì)被測(cè)組織的損害要小。
3.傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響要小，不會(huì)對(duì)生理活動(dòng)帶來(lái)負(fù)擔(dān)，不干擾正常生理功能。
4.傳感器要有足夠的牢固性，引進(jìn)到待測(cè)部位時(shí)，不致脫落、損壞。

5.傳感器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。；
6.傳感器進(jìn)入人體能適應(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(duì)人體無(wú)不良刺激，并且無(wú)毒。
7.傳感器進(jìn)入血液中或長(zhǎng)期埋于體內(nèi)，不應(yīng)引起血凝。
8.傳感器應(yīng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)上便于消毒。
醫(yī)用傳感器在醫(yī)學(xué)上的用途
檢測(cè)－檢測(cè)正常或異常生理參數(shù)。比如：先心病病人手術(shù)前須用血壓傳感器測(cè)量心內(nèi)壓力，估計(jì)缺陷程度。
監(jiān)護(hù)－連續(xù)測(cè)定某些生理參數(shù)是否處于正常范圍，以便及時(shí)預(yù)報(bào)。在ICU病房，對(duì)危重病人的體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)護(hù)的監(jiān)護(hù)儀。
控制－即利用檢測(cè)到的生理參數(shù)控制人體的生理過(guò)程。比如，用同步呼吸器搶救病人時(shí)，要檢測(cè)病人的呼吸信號(hào)，以此來(lái)控制呼吸器的動(dòng)作與人體呼吸同步。
§2 生物電檢測(cè)電極
?電極有兩類(lèi)
生物電檢測(cè)電極
刺激電極
生物電檢測(cè)電極
生物電的變化能夠反應(yīng)生物體的復(fù)雜生命現(xiàn)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(lái)。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)行分析診斷；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)。因此臨床上研究人的各種臟器的功能狀態(tài)、疾病的發(fā)生與發(fā)展，需要有效地把生物體內(nèi)細(xì)胞、離子分布電位感應(yīng)導(dǎo)出。通過(guò)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(chēng)為檢測(cè)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(duì)生物體導(dǎo)入各種不同的電信號(hào)，以調(diào)節(jié)和治療疾病，使肌體獲得康復(fù)。比如：對(duì)處于纖維性顫動(dòng)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?；?duì)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(cè)心臟節(jié)率并在搏動(dòng)失常時(shí)給予適當(dāng)?shù)碾姶碳?lái)維持心肌的搏動(dòng)等等，都需要利用另一類(lèi)電極向生物體導(dǎo)入電信號(hào)，這一類(lèi)電極稱(chēng)為刺激電極。
生物電檢測(cè)電極示意圖
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沉積，當(dāng)這兩種過(guò)程相平衡時(shí)，在金屬和電解質(zhì)溶液的接觸面上形成電荷分布，并建立起一個(gè)平衡的電位差。對(duì)給定的金屬與電解質(zhì)溶液來(lái)說(shuō)，這種電位差是一個(gè)完全確定的量。這種金屬與電解質(zhì)的組合如同半個(gè)電解質(zhì)電池，稱(chēng)半電池，其電位差稱(chēng)為半電池電位。
電極的本質(zhì)
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)電極與組織表面相接觸時(shí)，電極與組織之間就構(gòu)成了半電池。
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(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)接上儀器的電路時(shí)，就有電流流過(guò)這個(gè)界面。原有的平衡被打破，電極的半電池電位與沒(méi)電流時(shí)不同。
所謂極化就是當(dāng)電流通過(guò)電極界面時(shí)電極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象。 在有和無(wú)電流通過(guò)兩種情況下電極的半電池電位的差值稱(chēng)為極化電壓。
生物電測(cè)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)表明，生物電測(cè)量電極的伏－安特性呈非線性。電極的參數(shù)與流過(guò)的電流強(qiáng)度和頻率有關(guān)。
生物電電極的分類(lèi)
宏電極和微電極
宏電極－用于檢測(cè)和記錄機(jī)體器官、組織整體放電水平的電極。按記錄部位的不同，分為體表電極和體內(nèi)電極。
微電極－用于測(cè)量細(xì)胞內(nèi)外的電位改變的電極，其尖端直徑一般直徑小于細(xì)胞，且電極較堅(jiān)硬，可刺入細(xì)胞膜并保持機(jī)械性能穩(wěn)定。微電極直徑大約在0.05到10μm之間。按制作材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表面記錄生物電信號(hào)（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??；安放容易且不易脫落；不易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽跡；可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；無(wú)毒安全、對(duì)人體刺激要小。
臨床上常用的體表電極
臨床上常用的體表電極種類(lèi)繁多、形狀多樣，常見(jiàn)的有金屬板電極、Ag/Agcl電極等。不銹鋼、鉑或鍍金（銀）的圓盤(pán)電極常用于肌電和腦電的記錄。
柔性電極可適應(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，它的制作方法很簡(jiǎn)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、足等部位的測(cè)量，尤其是早產(chǎn)新生兒的心電監(jiān)測(cè)。

體表生物電檢測(cè)中最常用的電極是Ag／AgCl電極。它的結(jié)構(gòu)是在金屬銀的表面覆蓋一層難溶解的銀的鹽類(lèi)AgCl，再浸入含有氯離子的溶液中。電極可以用下列符號(hào)表示：Ag|AgCl| C1-。
實(shí)際應(yīng)用的Ag／ Ag Cl電極極化電壓很低，一般在0.2mV左右。極化電壓的隨機(jī)變化小于10mV，對(duì)生物電的檢測(cè)幾乎不產(chǎn)生影響。在臨床上得到廣泛的應(yīng)用。
Ag－Agcl圓盤(pán)電極
體內(nèi)電極
體內(nèi)電極，用作在生物體內(nèi)檢測(cè)生物電勢(shì)。因電極被插入體內(nèi)，電極材料的安全性很重要，象Ag－Agcl電極和人體蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不應(yīng)選用。下面介紹兩種體內(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）
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、玻璃等絕緣材料制成的，其尖端裸露。金屬微電極的極化特性使其不宜精確測(cè)量細(xì)胞的靜止電勢(shì)，常用于活動(dòng)電勢(shì)的檢測(cè)。
金屬微電極包括單點(diǎn)測(cè)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)測(cè)量多點(diǎn)電位。如測(cè)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。
目前已經(jīng)出現(xiàn)的有用半導(dǎo)體材料制作的多重微電極和經(jīng)磁化處理的、合金線制作的、每個(gè)電極可獨(dú)立移動(dòng)的多重電極。
玻璃微電極
玻璃微電極一般用于細(xì)胞膜電勢(shì)（如靜息電位）的測(cè)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，電極尖端直徑一般小于1μm。
玻璃微電極較金屬電極來(lái)講，存在阻抗高、噪聲大等缺點(diǎn)。
玻璃微電極可以向檢測(cè)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(cè)機(jī)體物理學(xué)指標(biāo)的一類(lèi)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(lèi)，其作用是將各種物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
物理傳感器的分類(lèi)
物理傳感器根據(jù)檢測(cè)對(duì)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)工作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 溫度的測(cè)量和溫度傳感器
溫度是物理學(xué)中一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過(guò)程無(wú)不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開(kāi)發(fā)、最古老，也是應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)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(lái)代替），測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)不同需要來(lái)選用不同類(lèi)型的溫度傳感器。
溫度傳感器的發(fā)展歷史
首先把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來(lái)的熱電偶傳感器。
50年以后，另一位德國(guó)人西門(mén)子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)（RTD）。
后來(lái)，由于半導(dǎo)體材料的發(fā)明，本世紀(jì)相繼開(kāi)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(kāi)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(lèi)
目前，溫度傳感器的種類(lèi)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)互相連接在一起，對(duì)這個(gè)連接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會(huì)出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差的數(shù)值與不加熱部位測(cè)量點(diǎn)的溫度有以及這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為熱電效應(yīng)，也稱(chēng)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)，如果精確測(cè)量這個(gè)電位差，再測(cè)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(cè)溫的原理。
不同材質(zhì)做出的熱電偶應(yīng)用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。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(duì)于大多數(shù)金屬材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)測(cè)量中熱電偶溫度傳感器種類(lèi)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(cè)部位，可用于測(cè)量口腔和直腸溫度。
片狀熱電偶是用薄膜代替金屬絲，最薄可達(dá)3~6μm，將其固定在適當(dāng)材料的基片上，尺寸很小，直徑達(dá)μm數(shù)量級(jí)，響應(yīng)速度很快，有的可用于測(cè)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(lèi)：純金屬電阻（RTD）和半導(dǎo)體材料熱敏電阻，因后者臨床用的較多，這里重點(diǎn)介紹熱敏電阻式溫度傳感器。

在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中通常將熱敏電阻的探頭做成珠狀和薄片狀，體積非常?。蛇_(dá)幾十納米），其熱慣性小、響應(yīng)速度快。其中薄片熱敏電阻多是用單晶半導(dǎo)體材料（如SiC）制造的，在它的外表涂覆一層高強(qiáng)度絕緣漆類(lèi)材料作絕緣防護(hù)，多用于測(cè)量表面溫度和皮膚溫度。還有一種注射針型的測(cè)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(lái)做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及測(cè)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、測(cè)量范圍寬，還可與放大器做在一起，體積小且性能穩(wěn)定，可應(yīng)用在低溫測(cè)量和植入動(dòng)物體內(nèi)長(zhǎng)期檢測(cè)使用。臨床上常用的PN結(jié)測(cè)溫探頭有桿式測(cè)溫探頭、小型測(cè)溫探頭、針狀測(cè)溫探頭和表面測(cè)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材料的不同，當(dāng)然其時(shí)間常數(shù)也不同，其中以小型測(cè)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則屬于不需與被測(cè)對(duì)象接觸的傳感器，因而不會(huì)影響人體的生理狀態(tài)。
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)，都要以電磁波的形式向周?chē)椛淠芰?，其?a target='_blank' class='arckwlink_none'>射頻率和能量隨物體的溫度而定。
人體輻射紅外線的波長(zhǎng)約在3-16μm之間，當(dāng)體溫改變時(shí)，所輻射的紅外線能量就會(huì)改變，紅外輻射測(cè)溫裝置就是根據(jù)檢測(cè)人體表面的輻射能量而確定體溫的 。

臨床上具有實(shí)用價(jià)值的紅外測(cè)溫傳感器有紅外熱探測(cè)器和紅外光電探測(cè)器。
紅外熱探測(cè)器是全波長(zhǎng)的紅外探測(cè)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，再通過(guò)適當(dāng)?shù)臏囟让舾性囟刃畔⑥D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，采用的溫度敏感元件有熱電偶、熱敏電阻等。

紅外光電探測(cè)器的敏感元件是光電器件碲鎘汞（HgCdTe），它能將接收到的紅外線轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。此種傳感器只能對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的紅外線有響應(yīng)，并且需在低溫（液氮冷卻）下工作。目前出現(xiàn)了低成本的非制冷紅外光電探測(cè)器(Si器件)。一般將許多個(gè)紅外光電探測(cè)器組合在一起構(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 壓力的測(cè)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)的測(cè)量?jī)?nèi)容是血壓(Blood Pressure ,BP)。
醫(yī)學(xué)上測(cè)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(hào)又包括：收縮壓、舒張壓、平均壓。

壓力傳感器是檢測(cè)人體內(nèi)各種生理壓力參數(shù)的傳感器，在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床診斷中應(yīng)用十分廣泛。
對(duì)血壓的測(cè)量方法有直接測(cè)量和間接測(cè)量。
直接測(cè)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。
間接測(cè)量血壓的方法是科氏音法。
壓力測(cè)量的基礎(chǔ)－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)生機(jī)械變形，其電阻將發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱(chēng)應(yīng)變效應(yīng)。利用應(yīng)變效應(yīng)制成傳感器被稱(chēng)為應(yīng)變片。應(yīng)變片的種類(lèi)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，使用時(shí)必須采取溫度補(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
這是直接測(cè)量血壓的最簡(jiǎn)單的方法，是將充滿液體的導(dǎo)管插入到被測(cè)體內(nèi)待測(cè)部位，通過(guò)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遞到導(dǎo)管另一端的壓力傳感器內(nèi)，這是臨床和科研中廣泛應(yīng)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
通常使用一根不能透過(guò)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(lái)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，它特別適合于測(cè)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，由于靜脈血的回流造成氣球的漂移，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。通常這種測(cè)量都要求在X光機(jī)的監(jiān)視下進(jìn)行，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(jiàn)的心導(dǎo)管

液體耦合式傳感器的基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)彈性膜片，通過(guò)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成膜片的變形，再根據(jù)膜片的應(yīng)變或位移，通過(guò)敏感部件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出。

目前使用很廣泛的硅杯型壓力傳感器與圖(c)所示的結(jié)構(gòu)相似，它是在硅杯的圓形底部膜片上，應(yīng)用半導(dǎo)體集成技術(shù)，在適當(dāng)?shù)奈恢弥圃?個(gè)阻值相同的半導(dǎo)體電阻組成測(cè)量電橋。當(dāng)受到壓力時(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(hào)。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，因而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。但是半導(dǎo)體電阻通常對(duì)溫度很敏感，使用時(shí)必須采用某種溫度補(bǔ)償?shù)?a href='http://ttokpm.com/v/tag/1722/' target='_blank' class='arckwlink_none'>網(wǎng)絡(luò)，以修正由于溫度變化對(duì)應(yīng)變靈敏度和零點(diǎn)偏移造成的影響。

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)管和膜片的彈性等因素，信號(hào)可能會(huì)失真。

導(dǎo)管端部傳感器
為克服液體耦合式傳感器的缺點(diǎn)，人們將壓力傳感器放置在導(dǎo)管端部，將待測(cè)部位的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的信息傳遞出去。此方法在一定程度上避免了液體耦合系統(tǒng)中信號(hào)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)管端部裝有一充滿電解液的小圓筒。一端是彈性膜片，上面安置了一個(gè)電極，在附近的位置設(shè)置了一固定的電極。當(dāng)壓力改變時(shí)，會(huì)使得這兩電極間的相對(duì)位置改變，即改變了極間的電阻值。
導(dǎo)管端部傳感器（1）

導(dǎo)管端部傳感器（2）
當(dāng)壓力改變時(shí)，膜片的位移使得鐵心在螺管中的位置左右變化，改變了螺管的電感量。左側(cè)是高導(dǎo)磁材料制成的鐵心，右側(cè)為有機(jī)玻璃制成的虛擬鐵心，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?BR>導(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)壓力增大造成高導(dǎo)磁鐵心進(jìn)入螺管，使螺管的電感增加時(shí)，則振蕩器輸出的頻率變化就反映了位移的變化，只要鐵心移動(dòng)距離較小，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(cè)出心腔內(nèi)血壓和心音兩種信號(hào)。由于心音信號(hào)頻率較高，故可以用低通和高通濾波器將這兩種信號(hào)分開(kāi)。
導(dǎo)管端部傳感器（3）
用于人體直接壓力測(cè)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，如圖所示。
導(dǎo)管端部傳感器（3）
導(dǎo)管端部的彈性膜片當(dāng)受到壓力作用時(shí)，產(chǎn)生位移，接收反射光的光檢測(cè)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)射和接收的光纖以最合適的配置進(jìn)行分布，膜片與光纖末端面間的距離約為30um，它的測(cè)量范圍為-6.666kPa～26.664kPa。
間接測(cè)量血壓－科式音法
采用導(dǎo)管術(shù)直接測(cè)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)，所以這種方法受到較大的限制。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直致力于發(fā)展各種間接測(cè)量法。雖然間接法的測(cè)量誤差大，而且只限于測(cè)量動(dòng)脈壓的特征值（收縮壓、舒張壓等），一般說(shuō)來(lái)也不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，但因其方法簡(jiǎn)單安全，所以在臨床上亦得到廣泛應(yīng)用。
科氏音法原理
利用袖帶在體外對(duì)動(dòng)脈血管加以變化的壓力，通過(guò)體表檢測(cè)出脈管內(nèi)血流與外部壓力之間相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，進(jìn)而測(cè)出脈管內(nèi)的血壓值。
通常使用袖帶充氣，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(tīng)是否出現(xiàn)血流，當(dāng)開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)到科氏音時(shí)，即開(kāi)始有血流通過(guò)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。
科氏音法間接測(cè)量血壓原理圖

3.3 血流的測(cè)量和血流量傳感器
血流量是生理研究和臨床醫(yī)學(xué)中最常測(cè)量的對(duì)象。
血流量的檢測(cè)方法有熱稀釋法、電磁流量計(jì)法和Doppler頻移法。不同的檢測(cè)方法采用不同的傳感器。
熱稀釋法測(cè)血流量
利用指示劑（冷鹽水）注入心臟中的血流里，通過(guò)檢測(cè)心臟搏出血液中指示劑的溫度變化來(lái)測(cè)量心臟搏出量或輸出量的方法。檢測(cè)時(shí)一般用四腔漂浮心導(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；第三腔可測(cè)量壓力；第四腔用于引出測(cè)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(cè)血管后，將血管嵌入其磁氣隙中測(cè)量血流量的傳感器。在垂直于血管軸方向上加一磁場(chǎng)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(chǎng)中切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，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(cè)的最小血管直徑可達(dá)1mm以下，并且結(jié)果較為準(zhǔn)確，并且可以連續(xù)檢測(cè)血流，因而可作為檢測(cè)血流量的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)使超聲波產(chǎn)生反射發(fā)生頻率改變的特性，人們開(kāi)創(chuàng)了測(cè)量流量的Doppler技術(shù)。通過(guò)公式可以根據(jù)頻率改變得到的差頻即可求出血流速度。目前此超聲血流計(jì)已成為臨床上廣為使用的常規(guī)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)法。
3.4 心音檢測(cè)和心音傳感器
隨著心臟的收縮和舒張，造成瓣膜的迅速打開(kāi)或關(guān)閉，從而形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(huì)造成血管的振動(dòng)，這些振動(dòng)傳到胸腔表面就是心音。
另外，人體內(nèi)部還有一些器官也會(huì)造成音響，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。所有這些聲音，對(duì)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一般都在20～200Hz以?xún)?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(lèi)非常多，總的來(lái)說(shuō)可分為空氣傳導(dǎo)式和直接傳導(dǎo)式兩大類(lèi)。由于空氣傳導(dǎo)式心音傳感器需由氣室和一般傳感器組合而成，雖然簡(jiǎn)單易行，但其靈敏度低，且易受周?chē)肼暤母蓴_，所以現(xiàn)在臨床上使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(chēng)動(dòng)圈式心音傳感器。傳感器于胸壁相接觸后，心音便通過(guò)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(shì)。?
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)面相連接。頂蓋與質(zhì)量塊之間通過(guò)一彈簧加以預(yù)應(yīng)力，這種對(duì)系統(tǒng)的預(yù)負(fù)載，可進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使壓電元件運(yùn)用在特性曲線的線性部分。這種傳感器的重量可做得小于30g，除可用來(lái)記錄心音信號(hào)外，還可用來(lái)測(cè)量震顫。

壓電效應(yīng)與壓電材料
某些晶體和陶瓷延一定方向產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，能產(chǎn)生電壓；相反地，加上電壓也能產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。前者稱(chēng)為正壓電效應(yīng)，后者稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱(chēng)為壓電材料。
壓電材料有壓電晶體和壓電陶瓷。
導(dǎo)管端部心音傳感器
當(dāng)需要測(cè)量體內(nèi)的音響，例如要測(cè)量心雜音發(fā)生的位置，則可將心音傳感器配置在心導(dǎo)管的端部，插到待測(cè)的部位進(jìn)行測(cè)量。
這一類(lèi)的傳感器中有應(yīng)變式、電磁式和壓電式等多種類(lèi)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(kāi)。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，一邊陶瓷片被壓縮。壓電陶瓷片沿著厚度方向極化，從而感應(yīng)出心音信號(hào)。
3.5光電式傳感器的應(yīng)用
光電式傳感器是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器，它可以直接檢測(cè)來(lái)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(hào)。
光電式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、可靠性高、精度高、反應(yīng)迅速，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
光電脈搏傳感器、核醫(yī)學(xué)檢測(cè)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應(yīng)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。
它的物理基礎(chǔ)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)生變化的現(xiàn)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)
金屬表面受光照射，其表面和內(nèi)部的電子吸收光能后逸出金屬表面的現(xiàn)象，稱(chēng)為外光電效應(yīng)，亦稱(chēng)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(cè)器，在冷卻狀態(tài)，無(wú)熱生電子時(shí)，甚至能檢測(cè)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是收集電子的陽(yáng)極或收集極。工作時(shí)這些電極的電位從陰極逐級(jí)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(guò)程就這樣延續(xù)下去。最后，電子到達(dá)陽(yáng)極被收集，在負(fù)載電阻RL上形成電流。

在放射性同位素測(cè)量和成像技術(shù)中，常用光電倍增管作為檢測(cè)器中的光電轉(zhuǎn)換器。
例如，在伽馬照相機(jī)和單光子發(fā)射斷層成像裝置(SPECT)中，就是采用光電倍增管來(lái)檢測(cè)由伽馬射線激起的閃爍晶體發(fā)出的光信號(hào)，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)體材料時(shí)，會(huì)引起該材料的電阻率下降而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象，稱(chēng)光導(dǎo)效應(yīng)。用具有光導(dǎo)效應(yīng)的材料制成的光敏器件，稱(chēng)之為光敏電阻或光導(dǎo)管。
光敏二極管和光敏三極管
光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，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工作時(shí)，一般接上反向電壓。在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，反向電流也稱(chēng)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(duì)，使少數(shù)載流子的濃度大大增加，因此通過(guò)PN結(jié)的反向電流也隨著增加。
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。它的集電極則與普通晶體管一樣，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(cè)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?jìng)鞑サ焦饷綦娮璧氖芄饷?，?dāng)人手指的微血管的血流隨微血管的脈壓變化時(shí)，對(duì)光的反射系數(shù)也發(fā)生變化，使光敏電阻接收到的光強(qiáng)也隨之改變。把光敏電阻被微血管反射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成指脈電信號(hào)，就可做成脈搏傳感器。
光電脈搏測(cè)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。其工作原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過(guò)手指，被手指組織的血液吸收和衰減，然后由光敏三極管接收。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì)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(hào)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，就可以測(cè)量手指末端處的動(dòng)脈脈搏波，使用方便，靈敏度高，性能穩(wěn)定。

光電脈搏測(cè)定原理（2）
脈搏測(cè)定的其它方法
利用靈敏度高的半導(dǎo)體壓阻材料，也可以制成基于惠斯頓電橋的脈搏傳感器。
脈搏血氧測(cè)量原理
氧是維護(hù)生命的基礎(chǔ)，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)的血液通過(guò)心臟的收縮和舒張脈動(dòng)地流過(guò)肺部，一定量的還原血紅蛋白(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。這些血通過(guò)動(dòng)脈系統(tǒng)一直輸送到毛細(xì)血管，然后將氧釋放，以維持組織細(xì)胞的新陳代謝。
脈搏血氧測(cè)量原理
血氧濃度的測(cè)量通常分電化學(xué)和光學(xué)兩類(lèi)。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(lái)檢測(cè)，盡管可以得到精確結(jié)果，但從危重病人身上經(jīng)常取血卻是不可能的，且其操作復(fù)雜、分析周期長(zhǎng)、不能連續(xù)監(jiān)測(cè)。在病人處于危癥狀況時(shí)，就不易使其得到及時(shí)的治療。
脈搏血氧測(cè)量原理

脈搏血氧測(cè)定法是一種克服這些缺點(diǎn)的新型光學(xué)測(cè)量方法。在符合臨床要求的前提下，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)傷、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)血氧飽和度，為臨床提供了快速、簡(jiǎn)便、安全可靠的測(cè)定方法，可用于手術(shù)室、ICU病房、急救病房和睡眠研究中。

脈搏血氧測(cè)定法的測(cè)量原理是對(duì)普通血氧計(jì)光學(xué)測(cè)量方法的發(fā)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(cè)定法，是基于血液中氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)的吸收光譜的特性，運(yùn)用Lambert-Beer法則，在體淺表動(dòng)脈處用光電器件獲取兩個(gè)不同波長(zhǎng)的吸光值。
選擇適當(dāng)?shù)膬刹ㄩL(zhǎng)就可以測(cè)量出HbO2和Hb的百分含量。因?yàn)樵诩t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(zhǎng)的光吸收變化率
?? 則：SaO2＝a+b×ρ
? a和b是實(shí)驗(yàn)獲取的兩個(gè)系數(shù)。
脈搏血氧測(cè)量傳感器
§4? 化學(xué)傳感器和生物傳感器
化學(xué)傳感器（Chemical Sensor）通常指基于化學(xué)原理的、以化學(xué)物質(zhì)成分為檢測(cè)對(duì)象的一類(lèi)傳感器。
該類(lèi)傳感器主要是利用敏感材料與被測(cè)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、表面化學(xué)反應(yīng)或引起的材料表面電勢(shì)變化，并將這些反應(yīng)或變化直接或間接地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

化學(xué)傳感器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用和技術(shù)改進(jìn)使醫(yī)學(xué)生化檢驗(yàn)更加快速、準(zhǔn)確、方便，它的發(fā)展趨勢(shì)向?qū)崟r(shí)、經(jīng)濟(jì)、無(wú)創(chuàng)、自動(dòng)化和微型化發(fā)展。
化學(xué)傳感器有可逆和不可逆之分，前者的試劑相不因與待測(cè)物反應(yīng)而被消耗，后者相反。因而可逆型化學(xué)傳感器更被重視。
這里重點(diǎn)介紹的化學(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(chǎng)效應(yīng)晶體管。
離子選擇性電極（Ion Sensitive Electrode，ISE）
離子選擇性電極屬于電化學(xué)傳感器，它的電位對(duì)溶液中給定的離子的活度的對(duì)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(lèi)也是按膜的組成和性質(zhì)來(lái)分的。ISE分為原電極和敏化電極兩大類(lèi)。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）。
ISE的分類(lèi)
晶體膜電極
晶體膜電極：其膜一般由難溶鹽經(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容納某種離子，其他離子不能進(jìn)入，則可以起到選擇某種離子的的作用。

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(lèi)電極常用于檢測(cè)Cl-、Br-、I-、Ca2+、Pb2-等。
它們的響應(yīng)快、敏感膜使用后可恢復(fù)性能，并且使用前不必預(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測(cè)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。
可用來(lái)檢測(cè)Cl-、Br-、I-、SO42-、F-等離子。
但此膜電極在第一次使用時(shí)需預(yù)先浸泡以防止電勢(shì)漂移，并且響應(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(shì)通過(guò)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(yáng)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(duì)pH電極性能的影響很大。例如純二氧化硅石英玻璃中加入了堿金屬氧化物后，對(duì)H+有較強(qiáng)的選擇性。最常見(jiàn)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(yáng)離子玻璃電極：玻璃的組成成分對(duì)電極的離子選擇性影響很大，如在玻璃中加入鋁的氧化物制成鋁硅酸鹽玻璃薄膜后，會(huì)增加對(duì)除了H+以外的其他陽(yáng)離子的選擇性。
玻璃電極使用起來(lái)比較煩瑣，如必須用水浸泡并防止污染等。

液膜電極：又稱(chēng)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)而形成的一種液態(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(cè)Ca2+、、Mg2+、Cl-等離子，其響應(yīng)速度快（<10秒），可干放保存，其中以聚氯乙烯（PVC）電極較多應(yīng)用。
另外利用分子設(shè)計(jì)合成電中性化合物（中性載體）作為敏感膜的研究和應(yīng)用也十分活躍，此材料如纈氨酶素電極能與被測(cè)離子形成絡(luò)合物，檢測(cè)的敏感性很高。
離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)
離子敏感場(chǎng)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)結(jié)構(gòu)、體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、響應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)集成化和多功能化，是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊活?lèi)新型化學(xué)傳感器。
ISFET工作原理
ISFET的絕緣膜是裸露的或在晶體材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(lài)于特定離子活度的界面電勢(shì)，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(cè)離子活度。
ISFET的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)
ISFET的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)它的工作穩(wěn)定性和可靠性等可產(chǎn)生重要的影響，因而有必要了解一下ISFET的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這主要包括：
探頭式結(jié)構(gòu)、探針式結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管復(fù)合式結(jié)構(gòu)、背面引線ISFET結(jié)構(gòu)、 SOS型結(jié)構(gòu)。

(1)探頭式結(jié)構(gòu)：有軟線式和硬桿式兩種，基本是將芯片粘在絕緣材料或敷銅板上，與電極引線連接好后，用硅橡膠或環(huán)氧樹(shù)脂包封制造，此結(jié)構(gòu)由于采用的是印刷電路制作工藝，比較易于實(shí)現(xiàn)并有利于集成化。

(2)探針式結(jié)構(gòu)：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(wú)機(jī)鈍化膜包封，這樣可做成端部寬度只有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。所以探針式結(jié)構(gòu)的ISFET對(duì)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)合式結(jié)構(gòu)：是將微型參比電極與ISFET芯片共同封裝在一個(gè)導(dǎo)管中，使得測(cè)量可以一次性完成，特別適用于體內(nèi)液的測(cè)量。

（4）背面引線ISFET結(jié)構(gòu)：此工藝是為避免采用平面工藝設(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點(diǎn)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)敏感部分和電測(cè)量部分隔離。此結(jié)構(gòu)性能較好，發(fā)展?jié)摿^大，但還不太成熟。

(5)SOS型結(jié)構(gòu)：是為了保證液體與晶體材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(chǎng)效應(yīng)管FET，然后在它們的表面覆蓋絕緣層的制作方法。此結(jié)構(gòu)包封簡(jiǎn)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)反應(yīng)或在電極表面發(fā)生氧化—還原反應(yīng)，從而在兩個(gè)電極間輸出電壓或電流，而得到待測(cè)氣體濃度。其中電極多采用氣敏電極和氣體擴(kuò)散電極兩種，前者用于測(cè)量溶解于溶液中的氣體含量，如血液中的O2、CO2等的含量；后者則能直接測(cè)量混合氣體中的可燃性或可氧化性氣體。此類(lèi)傳感器在醫(yī)學(xué)中應(yīng)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(chēng)氧濃度可用所含氧的體積或當(dāng)量數(shù)表示，溶液中的氧含量一般決定于氧的分壓（PO2），其中PO2常用氧電極檢測(cè)。
氧電極的基本結(jié)構(gòu)
參考電極為陽(yáng)極，工作電極為陰極，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(guò)一系列的氧化還原反應(yīng)，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

在Clark氧電極的基礎(chǔ)上有人又設(shè)計(jì)了一種陽(yáng)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，皮下血流量增加，使得真皮上層的血液狀況接近于動(dòng)脈血狀況，除了皮膚組織消耗的氧外，剩余的氧氣通過(guò)組織擴(kuò)散到皮膚表面，可在皮膚表面測(cè)得此氧分壓來(lái)近似得到動(dòng)脈血PO2。此種電極多應(yīng)用于新生兒、嬰幼兒的氧監(jiān)測(cè)。
CO2電極示意圖
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)體材料吸附某些氣體分子時(shí)，將產(chǎn)生電子遷移而使其表面電導(dǎo)發(fā)生改變，進(jìn)而測(cè)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），且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)，可檢測(cè)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表面電阻或體電阻的變化來(lái)檢測(cè)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(cè)，它的靈敏度高、響應(yīng)速度快且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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變而檢測(cè)氣體濃度的傳感器，其材料多采用金屬—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(duì)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(lái)識(shí)別待測(cè)生物化學(xué)物質(zhì)的一類(lèi)傳感器。
生物傳感器是近年來(lái)出現(xiàn)的一類(lèi)新型傳感器。
?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(chēng)為具有生物識(shí)別能力的化學(xué)傳感器。

生物傳感器的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究與臨床中生化檢驗(yàn)的新方法，可以檢測(cè)多達(dá)百種的生物化學(xué)物質(zhì)，形成了活體內(nèi)、無(wú)試劑、快速、可反復(fù)檢測(cè)及聯(lián)機(jī)在線測(cè)量分析的發(fā)展趨勢(shì)。

生物傳感器的分類(lèi)
酶?jìng)鞲衅?BR>微生物傳感器
組織傳感器
細(xì)胞器傳感器
免疫傳感器
酶?jìng)鞲衅?BR>酶?jìng)鞲衅魇怯晒潭ɑ概c傳感元件兩部分組成的，其中酶是與適當(dāng)?shù)妮d體結(jié)合形成的不溶于水的固定化酶膜。
最常用的酶?jìng)鞲衅魇敲鸽姌O，即將固定化酶膜與轉(zhuǎn)換電極做在一起，當(dāng)酶膜與被測(cè)物發(fā)生催化反應(yīng)而生成電極活性物質(zhì)后，電極測(cè)定活性物質(zhì)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。
酶電極
酶電極一般可根據(jù)電極檢測(cè)物理量的不同分為電流型和電壓型，前者一般有氧電極、H2O2電極等，后者有NH3、CO2、H2電極等。
較典型的一種酶電極為以Clark氧電極為基礎(chǔ)的葡萄糖酶電極。
葡萄糖酶電極結(jié)構(gòu)示意圖
微生物傳感器
微生物傳感器也稱(chēng)為微生物電極，它屬于酶電極衍生電極，因?yàn)槌松锘钚晕镔|(zhì)不同以外，它們有相似的結(jié)構(gòu)和工作原理。
微生物電極根據(jù)對(duì)氧的反應(yīng)情況分為好氧性微生物電極和厭氧性微生物電極。前者利用氧電極或CO電極測(cè)定細(xì)胞的呼吸活性的變化來(lái)得出底物濃度，也稱(chēng)為呼吸活性測(cè)定型傳感器；后者根據(jù)ISE電極測(cè)得微生物與被測(cè)物反應(yīng)后生成的代謝產(chǎn)物如CO2、H2、H+等的濃度來(lái)測(cè)定底物濃度，也被稱(chēng)為代謝物質(zhì)測(cè)定型傳感器。
組織傳感器
組織傳感器是以動(dòng)植物組織薄片材料作為生物敏感膜并利用酶組為反應(yīng)催化劑的生物傳感器，也稱(chēng)組織電極。
組織電極的工作原理類(lèi)似于酶電極，但因?yàn)槊复俜磻?yīng)存在于穩(wěn)定的自然環(huán)境中，組織電極的酶活性比酶電極的離析酶活性高而且穩(wěn)定性強(qiáng)，另外還不需要固定化等處理；但組織電極目前存在的問(wèn)題就是其酶的選擇性和靈敏度不太理想，因此目前組織電極還未能形成產(chǎn)品。
組織電極按敏感膜材料可分為動(dòng)物組織電極和植物組織電極。
細(xì)胞器傳感器
細(xì)胞器傳感器與組織電極一樣，細(xì)胞器傳感器并且是一種多酶電極。細(xì)胞器中的酶有較高的酶活性和穩(wěn)定的狀態(tài)，將含所需酶的細(xì)胞器經(jīng)過(guò)加工、分離，制成薄膜狀并固定，再與相應(yīng)敏感電極結(jié)合構(gòu)成細(xì)胞器傳感器。
例如將線粒體處理后的凝膠膜結(jié)合氧電極，利用其氧化磷酸化酶（電子傳遞粒子ETP）將NADH（輔酶Ⅰ）氧化，此過(guò)程消耗氧，通過(guò)測(cè)定氧含量就可測(cè)定NADH含量。
?? 免疫傳感器
免疫傳感器是利用抗體對(duì)抗原的識(shí)別和結(jié)合功能，高選擇性地測(cè)定蛋白質(zhì)、多糖類(lèi)等高分子化合物的傳感器。
根據(jù)免疫反應(yīng)的不同可分為非標(biāo)記免疫傳感器和標(biāo)記免疫傳感器。

非標(biāo)記免疫傳感器也稱(chēng)直接免疫電極。它的工作原理為：不使用任何標(biāo)記物，根據(jù)蛋白質(zhì)分子（抗原或抗體）攜帶大量電荷，當(dāng)抗原抗體結(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生電導(dǎo)率、膜電位、離子濃度等若干電化學(xué)或電學(xué)的變化，根據(jù)這種變化可以檢測(cè)免疫反應(yīng)的發(fā)生。
實(shí)際操作時(shí)可把抗體（或抗原）固定在敏感膜表面或金屬電極表面，然后檢測(cè)抗原—抗體復(fù)合物形成后膜或電極的電位變化，以此測(cè)定抗原的濃度。此種傳感器響應(yīng)快速、操作容易，但靈敏度較低。

標(biāo)記免疫傳感器也稱(chēng)間接免疫傳感器。它的工作原理是：用酶、紅細(xì)胞、放射性同位素、金屬、噬菌體等作為標(biāo)記物標(biāo)記抗原，使標(biāo)記抗原全部與等量抗體結(jié)合形成復(fù)合體；然后再取上述等量抗原、抗體再加入被測(cè)非標(biāo)記抗原，由于標(biāo)記抗原和非標(biāo)記抗原與抗體發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)形成復(fù)合體，此時(shí)標(biāo)記抗原量有所改變，以此變化測(cè)定被測(cè)非標(biāo)記抗原量。由于可以取得較高的靈敏度，標(biāo)記酶免疫傳感器的使用比較廣泛。因?yàn)槊妇哂谢瘜W(xué)放大作用，它可在半分鐘內(nèi)使103~107個(gè)的底物分子轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。
§ 5 傳感器技術(shù)的發(fā)展與展望
傳感器在醫(yī)學(xué)研究與臨床診治中占據(jù)著重要地位，隨著工程技術(shù)和醫(yī)學(xué)科學(xué)的進(jìn)步，生物醫(yī)學(xué)傳感器也必將得到迅速發(fā)展。
目前對(duì)傳感器的研究方向有：
對(duì)各種新型傳感器的開(kāi)發(fā)與研究；
對(duì)多功能傳感器的研究，它們可以被集成到一起，同時(shí)檢測(cè)多路信號(hào)；
對(duì)智能傳感器的研究，它是傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，目前正在開(kāi)發(fā)的智能傳感器不僅能完成基本的傳感和信號(hào)處理任務(wù)，還有自診斷、自恢復(fù)及自適應(yīng)的功能。

傳感器本身的開(kāi)發(fā)研究也有兩個(gè)分支，一個(gè)是有關(guān)傳感器基礎(chǔ)的研究，即新技術(shù)和新原理的研究，主要集中在新材料和超微細(xì)加工技術(shù)方面；另一個(gè)是新型傳感器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)解決光技術(shù)的應(yīng)用、微電子封裝技術(shù)和一次性芯片等。
目前熱門(mén)的研究課題有多功能精密陶瓷材料在傳感器中的應(yīng)用、生物功能性物質(zhì)在傳感器開(kāi)發(fā)中的利用、微細(xì)加工技術(shù)制造超小型傳感器的研究等。

此外，發(fā)展化學(xué)傳感器和生物傳感器是傳感器技術(shù)發(fā)展的另一趨勢(shì)，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的更具實(shí)用性，有利于促進(jìn)醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究、臨床診斷和環(huán)境醫(yī)學(xué)的發(fā)展。