现代医学中的现代传感技术综述1资料.docx
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现代医学中的现代传感技术综述1资料
现代医学中的现代传感技术综述
摘要:
本文首先介绍了现代医学中现代传感器的用途、生物医学信号的特点以及对医学传感器的基本要求,在此基础上介绍了医学中常用的物理传感器测量人体的体温、血压、血流量及心音的原理与应用。
关键词:
传感器医学体温血压
TheSummaryofmodernsensortechnologyinModernmedicine
Abstract:
Inthispaper,firstly,weintroducedtheuseofmodernsensorsinmodernmedicine,characteristicsofbiomedicalsignalaswellasthebasicrequirementsformedicalsensors;onwhichbasisweintrocedtheprinciplesandapplicationofphysicalsensorwhichcommonlyusedinmedicinetomeasurethebody'stemperature,bloodpressure,bloodflowandheartsounds.
Keywords:
sensorsmedicinetemperaturebloodpressure
1引言
现代医学中传感器的应用主要有检测、监护和控制三个方面。
检测是指检测正常或异常生理参数。
比如:
先心病病人手术前须用血压传感器测量心内压力,估计缺陷程度。
监护是指连续测定某些生理参数是否处于正常范围,以便及时预报。
在ICU病房,对危重病人的体温、脉搏、血压、呼吸、心电等进行连续监护的监护仪。
控制是指即利用检测到的生理参数控制人体的生理过程。
比如,用同步呼吸器抢救病人时,要检测病人的呼吸信号,以此来控制呼吸器的动作与人体呼吸同步。
1.1医学中生理信号的特点
被测量生理参数均为低频或超低频信息,频率分布范围在直流~300Hz;生理参数的信号微弱,测量范围分布在uV~mV数量级;被测量的信噪比低,且噪声来源可能是多方面的;由于人体是一导电体,体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声,干扰生理信息的检测;人体是一有机整体,各器官功能密切相关,传感器所拾取信息往往是由多种参数综合而形成的。
1.2医学中传感器的基本要求
医学中的传感器作为传感器的一个重要分支,其设计与应用必须考虑人体因素的影响,考虑生物信号的特殊性、复杂性,考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、安全性。
(1)传感器本身具有良好的技术性能,如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等;
(2)传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应,使用时,对被测组织的损害要小;
(4)传感器对被测对象的影响要小,不会对生理活动带来负担,不干扰正常生理功能;
(4)传感器要有足够的牢固性,引进到待测部位时,不致脱落、损坏;
(5)传感器与人体要有足够的电绝缘,以保证人体安全;
(6)传感器进入人体能适应生物体内的化学作用,与生物体内的化学成分相容,不易被腐蚀、对人体无不良刺激,并且无毒;
(7)传感器进入血液中或长期埋于体内,不应引起血凝;
(8)传感器应操作简单、维护方便,结构上便于消毒。
1.3医学中传感器的组成与分类
(1)传感器组成
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成。
图1传感器组成框图
敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。
转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件,通常这种输出信号以电量的形式出现。
信号调节和转换电路是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。
有人也称这一部分电路为信号调理电路。
(2)医学中传感器的分类
传感器的分类方法多种多样,有按传感器的工作原理分的,有按输入信息的类型分的,也有按能量关系或输出信号类型分的。
医学测量中往往按被测信号来分类,如脉搏传感器、呼吸波传感器等。
医用传感器按工作原理分类,大致可分为:
按生理参数可分为电学量参数和非电学量参数,电学量参数包括机体的各种生物电(心电、脑电、肌电、神经元放电等)即生物电电极。
非电学量参数包括利用材料的物理变化(物理传感器),利用化学反应原理,把化学成分、浓度转换成电信号(化学传感器),利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质(生物传感器)。
其中物理传感器包括电阻式传感器,电容式传感器,电感式传感器,压阻(效应)传感器,压电(效应)传感器,光电(效应)传感器,霍尔(效应)传感器。
本文主要介绍现代医学中的常见的几种物理传感器的应用。
2现代医学中常用的物理传感器
物理传感器是指基于物理学原理、检测机体物理学指标的一类传感器。
物理传感器是生物医学传感器中的一个大类,其作用是将各种物理信号转化为电信号。
物理传感器根据检测对象的不同,有温度传感器、压力传感器、血流量传感器、心音传感器、脉搏传感器、呼吸传感器等。
物理传感器根据工作原理分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器和光电式传感器等。
2.1温度的测量和温度传感器
温度是物理学中一个基本的物理量,自然界中的一切过程无不与温度密切相关。
温度传感器是最早开发、最古老,也是应用最广泛的一类传感器。
在医学上通常将体温分为体表温度、深部温度(即机体内部温度)和器官温度(用流经器官的血液温度来代替),测量时应根据不同需要来选用不同类型的温度传感器。
目前,温度传感器的种类很多,在医学上常用的有:
热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器、红外热辐射式温度传感器。
(1)热电偶温度传感器
当两种不同材质的导体,在某点互相连接在一起,对这个连接点加热,在它们不加热的部位就会出现电位差。
这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有以及这两种导体的材质有关。
这种现象被称为热电效应,也称Seeback(赛贝克)效应。
图2热电偶示意图
热电偶效应可以在很宽的温度范围内出现,如果精确测量这个电位差,再测出不加热部位的环境温度,就可以准确知道加热点的温度,这就是热电偶测温的原理。
不同材质做出的热电偶应用于不同的温度范围,它们的灵敏度也各不相同。
热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时,输出电位差的变化量。
对于大多数金属材料支撑的热电偶而言,这个数值大约在5~40微伏/℃之间。
医学测量中热电偶温度传感器种类较多,常用的有杆状热电偶和片状热电偶。
杆状热电偶是将金属丝放入注射针头中,经皮插入到待测部位,可用于测量口腔和直肠温度。
片状热电偶是用薄膜代替金属丝,最薄可达3~6μm,将其固定在适当材料的基片上,尺寸很小,直径达μm数量级,响应速度很快,有的可用于测量细胞内的暂态温度。
(a)杆状热电偶(b)片状热电偶
图3两种热电偶
(2)热敏电阻温度传感器
热电阻式温度传感器可分为两大类:
纯金属电阻(RTD)和半导体材料热敏电阻,因后者临床用的较多,这里重点介绍热敏电阻式温度传感器。
在生物医学测量中通常将热敏电阻的探头做成珠状和薄片状,体积非常小(可达几十纳米),其热惯性小、响应速度快。
其中薄片热敏电阻多是用单晶半导体材料(如SiC)制造的,在它的外表涂覆一层高强度绝缘漆类材料作绝缘防护,多用于测量表面温度和皮肤温度。
还有一种注射针型的测稳探头是用微型珠状热敏电阻封装于注射针头的顶端制成的,可用来做动物实验及测量肌肉温度和浅表血管内的温度。
(3)PN结温度传感器和集成温度传感器
PN结温度传感器是利用半导体PN结上正向电压降的温度效应设计而成的,其线性度好、灵敏度高、测量范围宽,还可与放大器做在一起,体积小且性能稳定,可应用在低温测量和植入动物体内长期检测使用。
临床上常用的PN结测温探头有杆式测温探头、小型测温探头、针状测温探头和表面测温探头,它们的不同在于半导体热敏器件安装的方法和装配材料的不同,当然其时间常数也不同,其中以小型测温探头最小,达0.2S。
(4)红外热辐射式温度传感器
上述温度传感器都属于接触式温度传感器,红外辐射式温度传感器则属于不需与被测对象接触的传感器,因而不会影响人体的生理状态。
根据Planck辐射定律,当物体的温度高于热力学温度零度(-273.16℃)时,都要以电磁波的形式向周围辐射能量,其辐射频率和能量随物体的温度而定。
人体辐射红外线的波长约在3-16μm之间,当体温改变时,所辐射的红外线能量就会改变,红外辐射测温装置就是根据检测人体表面的辐射能量而确定体温的。
临床上具有实用价值的红外测温传感器有红外热探测器和红外光电探测器。
红外热探测器是全波长的红外探测器,其首先利用黑化元件吸收入射红外线辐射能量,使感温元件温度升高,再通过适当的温度敏感元件将温度信息转变为电信号,采用的温度敏感元件有热电偶、热敏电阻等。
红外光电探测器的敏感元件是光电器件碲镉汞(HgCdTe),它能将接收到的红外线转化为电信号。
此种传感器只能对一定波长范围的红外线有响应,并且需在低温(液氮冷却)下工作。
目前出现了低成本的非制冷红外光电探测器(Si器件)。
一般将许多个红外光电探测器组合在一起构成红外图像传感器,它是红外热像仪的关键部分。
红外热像仪在乳腺癌的诊断中具有重要的意义。
2.2压力的测量和压力传感器
医学常用的压力参数有:
血压、颅内压、眼内压、肠内压、肺泡压等,其中最常规的测量内容是血压(BloodPressure,BP)。
医学上测量的血压有动脉压、静脉压和心内压(包括心室压、心房压)等,每种压力信号又包括:
收缩压、舒张压、平均压。
压力传感器是检测人体内各种生理压力参数的传感器,在基础医学、临床诊断中应用十分广泛。
对血压的测量方法有直接测量和间接测量。
直接测量血压的传感器包括液体耦合式传感器、导管端部传感器等。
间接测量血压的方法是科氏音法。
(1)压力测量的基础-电阻应变式传感器
导体或半导体在外力作用下产生机械变形,其电阻将发生变化,这种效应称应变效应。
利用应变效应制成传感器被称为应变片。
应变片的种类繁多,有丝状、片状、薄膜状等。
半导体同金属相比,具有更高的应变系数。
但半导体电阻温度系数较高,使用时必须采取温度补偿措施。
应变片的主要参数:
应变片电阻值、绝缘电阻、灵敏系数、应变极限、机械滞后、零点漂移。
直接测量血压的最简单的方法,是将充满液体的导管插入到被测体内待测部位,通过导管内流体的耦合,将体内导管端部位置的压力信息传递到导管另一端的压力传感器内,这是临床和科研中广泛应用的一种成熟而可靠的常规手段。
通常使用一根不能透过X光线的聚乙烯导管,经皮插入臂静脉或锁骨下的大静脉中。
近些年来较常用的是末端带有可充气气球的双腔导管或四腔导管,即所谓漂浮导管,它特别适合于测量肺动脉压。
当插入到静脉中适当位置时,将气球充气,由于静脉血的回流造成气球的漂移,带动导管进入右心房、右心室或肺动脉等指定位置。
通常这种测量都要求在X光机的监视下进行,以确保导管进入到指定的位置。
(2)导管端部传感器
为克服液体耦合式传感器的缺点,人们将压力传感器放置在导管端部,将待测部位的压力信号转变为相应的信息传递出去。
此方法在一定程度上避免了液体耦合系统中信号的失真,可分为以下几种:
电阻式传感器、电感式传感器、光纤式传感器。
最早的电阻式导管端部压力传感器是1898年报道的,它是在导管端部装有一充满电解液的小圆筒。
一端是弹性膜片,上面安置了一个电极,在附近的位置设置了一固定的电极。
当压力改变时,会使得这两电极间的相对位置改变,即改变了极间的电阻值。
导管端部的侧面开有一膜片窗口,它将外界压力变化传递到硅片
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