传感器在医疗领域的应用.

二、传感器的主要性能指标 医学中对传感器的要求： 安全性高(特别是用于人体的传感器和换能器)，灵敏度高，信噪比高 （选择性高）。 保证物理安全性的措施是电的隔离、浮置技术， 保证化学安全性高的要求是无毒性，无近期和远期的致癌效应； 保证生物安全性高的要求是无DNA和RNA突变。 保证选择性高的措施是利用共振效应、滤波技术、自适应技术、分子 识别与离子识别技术。 保证灵敏度高的措施是：物理、化学和生物放大技术。
生物医学领域应用的物理传感器的分类和用途的例子如表1-2。
表1-2 生物医学用物理传感器的分类和用途 名称
位移传感器 速度传感器 振动（加速度）传感器 力传感器 流量传感器 压强传感器 温度传感器 电学传感器 辐射传感器 光学传感器
用途
血管内外径，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收缩等 血流速度、排尿速度、分泌速度、呼吸气流速度等 各种生理病理声音，如心音、呼吸音、血管音，搏动，震颤等 肌收缩力、咬合力、骨骼负荷力、粘滞力等 血流量、尿流量、心输出量、呼吸流量等 血压、眼压、心内压、颅内压、胃内压、膀胱内压、子宫内压等 口腔、直肠、皮肤、体（核）、心内、肿物、血液、中耳膜内温度 肌电、心电、各种平滑肌电、眼电、神经电、离子通道电等 X射线、各种核射线、RF电磁波等 各种生物发光、吸光、散射光
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纲 要
医疗传感器的发展历程 传感器如何应用于医疗领域
医疗传感器的发展现状与展望
生物传感器的发展历程
最先问世的生物传感器是酶电极， Clark 和 Lyons 最先提出组成酶电极 的设想。 70 年代中期，人们注意到酶电极的 寿命一般都比较短，提纯的酶价格 也较贵，而各种酶多数都来自微生 物或动植物组织，因此自然地就启 发人们研究酶电极的衍生型：微生 物电极、细胞器电极、动植物组织 电极以及免疫电极等新型生物传感 器，使生物传感器的类别大大增多； 进入本世纪 80 年代之后，随着离子 敏场效应晶体管的不断完善，于 1980 年 Caras 和 Janafa 率先研制成功 可测定青霉素的酶FET。
位移 力
2.按工作原理分类
物理传感器
速度 温度
……
化学传感器
各种化学物质
传 感 器
酶
生物传感器
免疫
微生物 DNA
……
心电
生物电电极传感器
脑电 肌电
……
神经元放电
1. 物理传感器
利用物理性质或物理效应制成的传感器叫物理传感器，或把物理量转 变为能为计算机识别的电学量的器件叫传感器。如果被测物理量本身 就是电学量，则传感器退化为传感器。物理传感器的框图如图1-3。
定量医学的需求: 为基础医学研究和临床诊断的研究与分析提供 所需要的数据和图像。定量地诊断临床上的疑难 病症。
生理信息
传感器
电信号
信号处理
电信号
输出显示
典型医学传感测量系统框图
在医学中的主要用途
检测生物体信息
如心脏手术前检测心内压力；心血管疾病的基础研究中需要 检测血液的粘度以及血脂含量。
临床监护
用于外部设备的传感器
植入式传感器
体外传感器
力传感器用来测量重量； 压电薄膜传感器用于测量 心率和呼吸模式；热电堆 传感器用于测量体温；血 氧传感器用于测量血氧含 量；CO2，传感器用于测 量新陈代谢；流量传感器 用于辅助呼吸；力传感器 用于测量氧气瓶中剩余的 氧气含量。
多种传感器应用于患者的病床
年代 60
特点 生物传 感器初期
研究内容 酶电极
70
发展时 期
微生物传感器， 免疫传感器， 细胞类脂质传 感器，组织传 感器，生物亲 和传感器 酶FET 酶光二极管
80
进入生物 电子学传 感器时期
传感器如何应用于医疗领域
一、传感器在生物医学科学中的作用 关于传感器在生物医学科学中的作用，可以这 样认为：生物医学传感器是生物医学科学和技 术的尖兵，生物医学研究的正确结论有赖于生 物医学传感器的正确测量。 传感器是一门十分综合的科学和技术。随着科 学技术的发展，传感器的概念也应随着换能器 的发展而发展。现代传感器的物理模型如图12所示。 对于传统被测量而言，敏感膜就相当于传感器 与被测对象的界面。在传统的传感器前面附加 一层根据不同需要而特制的敏感膜，即可表示 化学传感器和生物传感器。二者的区别就看是 否具有生物活性。具有生物活性的膜材料就是 生物传感器。传感器中可存在两个界面，一是 被测介质和敏感膜间的界面，二是敏感膜和传 感器间的界面。界面上发生着复杂的物理、化 学或生物过程。
一般按工作原理或被测量将物理传感器分类。 （1）按工作原理的分类如：应变式传感器、电容式传感器、电感式传 感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器 等。 （2）按被测量分类如：位移传感器、压力传感器、振动传感器、流量 传感器、温度传感器等。 （3）由于一种被测量往往可用几种不同的工作原理来制成传感器来检 测，所以物理传感器的名称常常在被测量前面加上不同的工作原理做 定语来命名，如应变片式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压 力传感器等等。
血流量、呼吸气体流量、出血量、尿流量等 皮肤温度、直肠温度、呼吸温度、血液温度等 02、CO2、CO、H2O、NH3、Na＋、K＋…… 蛋白质、细菌、病毒等
X射线、同位素剂量等
心电、脑电、肌电、眼电、胃电等
传感器的分类
1.按应用形式分类
植入式传感器 暂时植入体腔(或切口)式传感器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
传 感 器
体外传感器
如病人在进行手术前后需要连续检测体温、脉搏、血压、呼 吸、心电等生理参数。
控制
利用检测到的生理参数，控制人体的生理过程。如电子假肢
医学中需要测量的量 位移 振动 力 流量 温度 化学成分 生物成分 放射线 生物电
结石的位置、皮肤厚度、皮下脂肪厚度、心脏位移等 心音、声音、呼吸音、血管音等
血压、心肌力、眼球内压、胃内压等
新型医疗电子血压计设计
日本大学的一个研究小组日前宣布，他们开发出了一种只需向 皮肤照射近红外线，分析其波形就能计算出血压的新型医疗电 子血压计。 新型医疗电子血压计无需使用一般血压计的袖带，也能用于测 量运动时的血压。这种血压计还能测定血糖，并且不需要采血。