生物醫(yī)學(xué)傳感緒論

生物醫(yī)學(xué)傳感器

與測量

石增良

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第一頁，共七十九頁。課程的地位與特點

生物醫(yī)學(xué)工程核心內(nèi)容：醫(yī)療儀器戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)

生物醫(yī)學(xué)傳感器關(guān)鍵組成部分

《生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量》是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課程。第二頁，共七十九頁。學(xué)習(xí)資料參考教材：《生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用》-----彭承琳主編，九五國家級重點教材，2000年版高等教育出版社第三頁，共七十九頁。參考書：

1.《醫(yī)用傳感器》-----普通高等教育，陳安宇主編，“十一五”國家級規(guī)劃教材，第二版，2008年2.《現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)》------浙大王平主編，第二版，2005年版第四頁，共七十九頁。相關(guān)期刊：中國醫(yī)療器械世界醫(yī)療器械中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報中國醫(yī)學(xué)物理雜志醫(yī)療衛(wèi)生裝備傳感器技術(shù)傳感技術(shù)學(xué)報儀表技術(shù)與傳感器BiosensorsandBioelectronics

BioMedicalEngineeringOnLine

Journal

SensorsandActuators

NatureScience第五頁，共七十九頁。網(wǎng)上資源：第六頁，共七十九頁。總學(xué)時：48學(xué)時學(xué)分：3學(xué)分課程性質(zhì)：專業(yè)必修課教學(xué)安排：考核形式：理論考試占70%，平時成績占30%?？荚嚕浩谥袦y驗、期終考試。平時成績：學(xué)習(xí)態(tài)度、平時作業(yè)等。第七頁，共七十九頁。生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)傳感器被測對象轉(zhuǎn)換成數(shù)字量微機接口預(yù)處理微機顯示、記錄、傳播控制器治療第八頁，共七十九頁。二、傳感器的發(fā)展方向第一章生物醫(yī)學(xué)傳感器概論三、開發(fā)新型傳感器的途徑四、傳感器的地位與用途一、傳感器的定義五、生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類六、生物醫(yī)學(xué)傳感器的特殊性第九頁，共七十九頁。

一、傳感器的定義第十頁，共七十九頁。電子秤動畫演示一、傳感器的定義第十一頁，共七十九頁。自動門動畫演示一、傳感器的定義第十二頁，共七十九頁。電冰箱NTC溫度傳感器PTC溫度傳感器一、傳感器的定義第十三頁，共七十九頁。傳感器——感覺，感知（Sensor、Transducer）眼（視覺）

耳（聽覺）

鼻（嗅覺）皮膚（觸覺）

舌（味覺）感知外界信息→大腦→肌體第十四頁，共七十九頁。人的體力和腦力勞動通過感覺器官接收外界信號，將這些信號傳送給大腦，大腦把這些信號分析處理傳遞給肌體。如果用機器完成這一過程，計算機相當(dāng)人的大腦，執(zhí)行機構(gòu)相當(dāng)人的肌體，傳感器相當(dāng)于人的五官和皮膚。傳感器好比人體感官的延長，有人又稱“電五官”。傳感器外界信息感官大腦肌體計算機執(zhí)行機構(gòu)人機系統(tǒng)的機能對應(yīng)關(guān)系一、傳感器的定義第十五頁，共七十九頁。能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成有用信號輸出的器件或裝置，稱為傳感器（Sensors）

。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）對傳感器下的定義是：注意：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。

傳感器名稱：換能器、轉(zhuǎn)換器、傳送器、變換器等第十六頁，共七十九頁。工作機理---敏感元件，傳感器技術(shù)的核心，是研究、設(shè)計、制作傳感器的關(guān)鍵目的---是測量裝置，目的是獲取信息輸出信號---通常是適于測量的電信號。從三個方面來理解與把握：傳感器定義的理解第十七頁，共七十九頁。

傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。它是以一定的精度把被測量轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種量值的測量裝置。根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應(yīng)由三部分組成，即：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、電子線路傳感器的組成輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件電子線路被測量電量第十八頁，共七十九頁。1.敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；2.轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。3.電子線路，由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進行放大、運算、調(diào)制等。第十九頁，共七十九頁。例子1氣體壓力傳感器示意圖1-殼體2-膜盒3-電感線圈4-鐵芯5-測量電路測量電路PPa2022/11/1120第二十頁，共七十九頁。ABT

熱電偶原理示意圖例子2TT0AB第二十一頁，共七十九頁。傳感器技術(shù)大體可分三代：第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號第二代是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的固體型傳感器第三代傳感器是剛剛發(fā)展起來的智能型傳感器二、傳感器的發(fā)展動向第二十二頁，共七十九頁。二、傳感器的發(fā)展動向1、發(fā)展集成化、多功能化傳感器一是具有相同功能的傳感器集成化，即將同一類型的單個傳感器元件集成在同一平面排列，形成一維的線性傳感器，從而對一個點的測量變?yōu)閷σ粋€面和一個空間的測量。如CCD圖像傳感器。二是將不同功能的傳感器集成化，從而使一個傳感器可以同時測量不同類型的多個參數(shù)。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。多功能化另一層含義：即將傳感器與放大、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。第二十三頁，共七十九頁。2、發(fā)展圖像傳感器

圖像傳感器可以提高人眼的視覺范圍，使人們看到肉眼無法看到的微觀世界和宏觀世界，看到超出肉眼視覺范圍的各種物理、化學(xué)變化過程，生命、生理、病變的發(fā)生發(fā)展過程等。獲取一個被測源的全部信息(傳“像”）獲取一個點的信息因此，要求傳感器能將物體具有二維、三維或四維（包括時序）的圖像轉(zhuǎn)換成電信號，即所謂的“圖像傳感器”第二十四頁，共七十九頁。如：紅外成像技術(shù)（熱圖像）、超聲成像技術(shù)（聲成像）、X射線成像技術(shù)（光成像）目前醫(yī)學(xué)中用的x射線計算機斷層攝影裝置(x—CT)、超聲計算機斷層攝影(U—CT)、放射性核素計算機斷層攝影裝置(R—CT)以及核磁共振成像裝置(NMR—CT)

。目前固體圖象傳感器發(fā)展突出，正取代攝象管。它具有體積小、重量輕、壽命長、分辨串高、功耗低、殘留圖象少、圖象不變形，不易受電磁場干擾、信號易處理等優(yōu)點。第二十五頁，共七十九頁。3、發(fā)展智能傳感器

智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器，帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物。

具有判斷學(xué)習(xí)、能力的傳感器。事實上是一種帶微處理器的傳感器，它具有檢測、判斷和信息處理的功能。如美國的霍尼韋爾公司制作的ST－3000型智能傳感器，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片制CPU.EPROM和靜態(tài)壓力、壓差、溫度三種敏感元件。第二十六頁，共七十九頁。4、發(fā)展化學(xué)傳感器和生物傳感器化學(xué)傳感器

如：氣體傳感器、濕度傳感器、離子傳感器。

生物傳感器

如：酶傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、免疫傳感器等

仿生傳感器就是模擬人的感覺器官的傳感器，即視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器、觸覺傳感器。目前只有視覺和觸覺傳感器解決得比較好，其他幾種遠(yuǎn)不能滿足機器人發(fā)展的需要。5、仿生傳感器研究第二十七頁，共七十九頁。三、開發(fā)新型傳感器的途徑1.采用新原理傳感器的工作機理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。

如：約瑟夫遜效應(yīng)開發(fā)的磁場傳感器----微弱磁場的測量2008年日本開發(fā)固體電解質(zhì)新原理氫氣傳感器第二十八頁，共七十九頁。（1）半導(dǎo)體敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點。有機材料作為傳感器材料的研究，引起國內(nèi)外工程應(yīng)用的極大興趣。2.采用新材料第二十九頁，共七十九頁。納米科技的進步——納米功能材料-——納米傳感器各納米尺度生物傳感器表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)等

第三十頁，共七十九頁。3.采用的加工技術(shù)第三十一頁，共七十九頁。四、傳感器的地位及用途科學(xué)僅僅是在人們懂得了測量才開始的

－門捷列夫

[Mendelyeev,DmitryIvanovich]

信息技術(shù)｛傳感器技術(shù)：信息技術(shù)之首通信技術(shù)：計算機技術(shù)：信息傳輸信息處理信息采集（一）、在信息技術(shù)中的地位第三十二頁，共七十九頁。材料學(xué)物理化學(xué)生物學(xué)電子學(xué)電路與系統(tǒng)機械傳感器技術(shù)傳感檢測原理傳感器件設(shè)計傳感器開發(fā)和應(yīng)用多技術(shù)融合第三十三頁，共七十九頁。信息處理電信電話科技測試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機床機器人家用電器照相機汽車飛機船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機械能利用貨幣金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量傳感器技術(shù)對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著重要的作用。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛第三十四頁，共七十九頁。各國政府高度重視日本科學(xué)技術(shù)廳把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)（計算機、通訊、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和傳感器）之一。日本政府還在21世紀(jì)技術(shù)預(yù)測中將傳感器列為首位。美國白宮將“傳感器及信號處理”列為對國家安全和經(jīng)濟發(fā)展有重要影響的關(guān)鍵技術(shù)之一。西歐各國在制定“尤里卡”發(fā)展計劃中，把傳感器技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的重點技術(shù)。我國政府在“863計劃”及重點科技攻關(guān)項目中，均把傳感器列在重要位置。20世紀(jì)80年代，面對美國、日本日益激烈的競爭，西歐國家制定了一項在尖端科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)開展聯(lián)合研究與開發(fā)的計劃，即“尤里卡計劃”。尤里卡（EURECA）是“歐洲研究協(xié)調(diào)機構(gòu)”（EuropeanResearchCoordinationAgency）的英文縮寫。

第三十五頁，共七十九頁。1、自動檢測與自動控制系統(tǒng)（二）、傳感器的主要應(yīng)用第三十六頁，共七十九頁。石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。第三十七頁，共七十九頁。2、汽車與傳感器第三十八頁，共七十九頁。壓力傳感器曲軸位置傳感器水溫傳感器氧含量測量傳感器第三十九頁，共七十九頁。第四十頁，共七十九頁。汽車安全氣囊第四十一頁，共七十九頁。家用電器液化氣煙霧報警器智能洗衣機遙控器3、傳感器與家用電器第四十二頁，共七十九頁。壓力傳感器溫度傳感器濁度計第四十三頁，共七十九頁。鼠標(biāo):光電位移傳感器聲位筆:超聲波傳感器麥克風(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服攝像頭:CCD傳感器4、傳感器與PC機第四十四頁，共七十九頁。5、傳感器技術(shù)與現(xiàn)代建筑智能建筑給排水系統(tǒng)泵系統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)環(huán)境控制電力監(jiān)測能量計費消防系統(tǒng)保安系統(tǒng)照明系統(tǒng)DDC第四十五頁，共七十九頁。門禁系統(tǒng)打破了人們幾百年來用鑰匙開鎖的傳統(tǒng)指紋門禁第四十六頁，共七十九頁。6、傳感器在機器人上的應(yīng)用視覺:平面、立體非視覺:觸覺、滑覺、熱覺、力覺、接近覺、…第四十七頁，共七十九頁。沙漠機器人沙漠機器人第四十八頁，共七十九頁。廣州中鳴數(shù)碼的機器狗第四十九頁，共七十九頁。機器人奏樂機器人伴舞第五十頁，共七十九頁。軍事機器人我國引進的排爆機器人進攻型機器人第五十一頁，共七十九頁。對運動的球類有正確反應(yīng)的機器人能打網(wǎng)球的機器人機器人足球比賽第五十二頁，共七十九頁。圖坦卡蒙的詛咒“不論是誰騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上降臨?！钡谖迨摚财呤彭?。小機器人挑戰(zhàn)法老咒語，代替科學(xué)家勇探胡夫金字塔內(nèi)部秘道?！敖鹱炙握摺?，5×1×1，地面探測雷達、超聲波傳感器（測石頭厚度）。第五十四頁，共七十九頁。7、傳感器與航空及航天飛行器：控制在預(yù)定軌道上速度、加速度、飛行距離測量、周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器航天第五十五頁，共七十九頁。神州飛船：185臺（套）儀器裝置檢測參數(shù)--加速度、溫度、壓力、振動、流量、應(yīng)變、聲學(xué)、第五十六頁，共七十九頁。8、傳感器與環(huán)境保護第五十七頁，共七十九頁。NOXNO+NO2dustsootH2SH2OHC

C-totalCO2

COO2

HCNHClHFNH3

SO2

煙塵濁度測量第五十八頁，共七十九頁。智能化水質(zhì)檢驗

水庫無線水質(zhì)感應(yīng)器下游用戶用戶第五十九頁，共七十九頁。9、傳感器與遙感技術(shù)飛機及航天飛行器：近紫外線、可見光、遠(yuǎn)紅外線、微波、船舶：超聲波傳感器微波紅外接收傳感器紅外線分布差異礦藏埋藏地區(qū)地面第六十頁，共七十九頁。10、傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

先進的科學(xué)技術(shù)總是最先被應(yīng)用于戰(zhàn)爭。以坦克、飛機、軍艦為標(biāo)志的作戰(zhàn)平臺是傳統(tǒng)的主戰(zhàn)兵器，各類傳感器不過是配屬的保障設(shè)施。

而當(dāng)前由信息技術(shù)發(fā)展推動的軍事革命把重點從作戰(zhàn)平臺轉(zhuǎn)向如何觀察戰(zhàn)場、怎樣傳遞所觀察到的戰(zhàn)場情況、怎樣運用那些性能優(yōu)越的精確武器的問題上來，從重視軍艦、坦克和飛機轉(zhuǎn)為重視信息獲取技術(shù)和信息獲取裝置的作用，傳感器、通信以及精確制導(dǎo)武器等已在戰(zhàn)爭中至關(guān)重要的作用。第六十一頁，共七十九頁。11、傳感器與農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)主要用于溫度、濕度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤養(yǎng)分等參數(shù)的測量

第六十二頁，共七十九頁。12、傳感器在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

醫(yī)療診斷第六十三頁，共七十九頁。光纖流速傳感器熒光材料制作的電子鼻傳感器生物酶血樣分析傳感器熱/光電量第六十四頁，共七十九頁。

生物醫(yī)學(xué)傳感器（BiomedicalSensors）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，是將被測的生物體內(nèi)各種生理的、生化的和病理的信息轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的電學(xué)量輸出，以滿足生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)和臨床診斷的研究與分析所需的數(shù)據(jù)和圖象，對于化驗、診斷、監(jiān)護、控制、治療和保健等都有重要作用。生物醫(yī)學(xué)傳感器第六十五頁，共七十九頁。（1）檢測生物體信息：檢測正?；虍惓Ｉ韰?shù)。

如心音、血壓、脈搏、血流、呼吸、體溫等信息，供臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究用。如：先心病病人手術(shù)前須用血壓傳感器測量心內(nèi)壓力，估計缺陷程度。在醫(yī)學(xué)上，傳感器的主要用途有：

第六十六頁，共七十九頁。（2）監(jiān)護：長時間連續(xù)測定某些參量，監(jiān)視這些參量是否處于規(guī)定的范圍內(nèi)，以便了解病人的恢復(fù)過程，出現(xiàn)異常時及時報警。在ICU病房，對危重病人的體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等進行連續(xù)監(jiān)護的監(jiān)護儀。第六十七頁，共七十九頁。（3）疾病治療和控制：利用檢測到的生理參數(shù)控制人體的生理過程。例如：自動呼吸器就是用傳感器檢測病人的呼吸信號來控制呼吸器的動作，使之與人體呼吸同步。

電子假肢就是用測得的肌電信號控制人工肢體的運動。體外循環(huán)中的血流、血壓控制等。第六十八頁，共七十九頁。（4）臨床檢驗：除直接從人體收集信息外，臨床上常從各種體液（血、尿、唾液等）樣品獲得診斷信息，即生化檢驗信息。它是利用化學(xué)傳感器和生物傳感器來獲取，是診斷各種疾病必不可少的依據(jù)。第六十九頁，共七十九頁。MB—3型脈搏波傳感器MB—4型脈搏波傳感器MB—5A型脈搏波傳感器RM—2型口鼻氣流傳感器QD—1型口鼻氣流傳感器YXF—2型胸腹部呼吸運動波形傳感器第七十頁，共七十九頁。MB-5B耳夾型脈搏波傳感器MB—6型鼠尾脈搏波傳感器XY—6型心音傳感器DXF—1型胸腹部呼吸運動波型傳感器GXF—4型胸腹部呼吸運動波形傳感器NXF—5型胸腹部呼吸運動波型傳感器第七十一頁，共七十九頁。BXF—6型胸腹部呼吸運動波型傳感器HS—2型鼾聲傳感器TW—2型體位傳感器TD—2型腿動信號傳感器SD-1液滴計測傳感器YH—5型生理壓力傳感器第七十二頁，共七十九頁。GS-2型子宮收縮傳感器CL—3型觸點力傳感器JH—2型肌張力傳感器TXY-3型超聲多普勒胎兒心音傳感器XJ—2型心肌張力、胃腸蠕動測量傳感器DY—2型淺表動脈血流超聲多普勒第七十三頁，共七十九頁。按被測量分類（一種宏觀分類方法）物理傳感器:用于測量血壓、體溫、血流量、生物磁場等，被測量都是物理量。設(shè)計時多這些非電量的利用物理性質(zhì)和物理效應(yīng)。

化學(xué)傳感器:用于測量人體內(nèi)某些化學(xué)成分、濃度、PH值等，被測量都屬于化學(xué)量（被測物質(zhì)分子量較?。?。設(shè)計時多利用電化學(xué)原理或物理效應(yīng)。生物傳感器：用于測量酶、抗原、抗體、激素、DNA、RNA等物質(zhì)，被測量都屬于化學(xué)量（被測物質(zhì)分子量較大）。利用生物活性物質(zhì)具有的選擇識別待測生物化學(xué)物質(zhì)的能力而制成傳感器。五、生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類第七十四頁，共七十九頁。生物傳感器的分類：

（a）根據(jù)生物識別器件（敏感物質(zhì)）分類：

酶傳感器免疫傳感器微生物傳感器組織傳感器細(xì)胞傳感器DNA傳感器（b）根據(jù)信號轉(zhuǎn)換器分類：熱敏生物傳感器場效應(yīng)管生物傳感器壓電生物傳感器光學(xué)生物傳感器電化學(xué)生物傳感器聲波道生物傳感器酶電極生物傳感器介體生物傳感器

按構(gòu)成原理第七十五頁，共七十九頁。生物醫(yī)學(xué)傳感器的其它分類方法：

按被測對象：如血壓傳感器、葡萄糖傳感器、基因傳感器等按工作原理：如光纖傳感器、超導(dǎo)傳感器、免疫傳感器等按尺寸分類：