医用传感器

第一章 绪论1

第一节 传感器的作用 1

第二节 医用传感器的定义、构成、用途及分类 2

第三节 医用传感器应具有的性能和特殊要求 4

第四节 医用传感器的发展 5

第二章 传感器的基本特性 8

第一节 传感器的静态特性 8

第二节 传感器的动态特性 12

第三节 传感器动态特性分析 20

第四节 传感器的误差 23

第三章 应变式传感器 26

第一节 金属应变式传感器 26

第二节 半导体固态压阻式传感器 35

第三节 应变式传感器的测量及接口电路 38

第四节 应变式传感器的医学应用 53

第四章 电容式传感器 59

第一节 基本工作原理、结构及特点 59

第二节 电容式传感器的测量电路 66

第三节 电容式传感器的误差分析 75

第四节 电容式传感器的医学应用 79

第五章 电感式传感器 87

第一节 自感式传感器 87

第二节 互感式传感器 92

第三节 电涡流式变换原理 96

第四节 测量电路 97

第五节 电感式传感器的医学应用 100

第六章 压电式传感器103

第一节 压电效应 103

第二节 压电材料及主要性能参数 107

第三节 压电式传感器的等效电路和测量电路 109

第四节 压电式传感器的医学应用 114

第七章 磁传感器 121

第一节 磁电式传感器 121

第二节 电磁流量计 126

第三节 霍尔式传感器 129

第四节 其他类型的磁传感器 135

第五节 磁传感器的生物医学应用 148

第八章 热电式传感器152

第一节 热电阻式传感器 152

第二节 热电偶传感器 158

第三节 晶体管与集成温度传感器 164

第四节 非接触式温度传感器 171

第五节 其他类型的温度传感器 176

第六节 热电式传感器的医学应用 178

第九章 光学传感器 184

第一节 光电传感器 184

第二节 光电耦合器件 203

第三节 红外传感器 206

第四节 光纤传感器 211

第五节 电荷耦合器件及其应用 217

第十章 化学传感器224

第一节 电化学测量基础 224

第二节 离子传感器 230

第三节 气体传感器 245

第四节 光纤化学传感器 260

第五节 压电化学传感器 265

第十一章 生物医用电极 267

第一节 电极的基本概念 267

第二节 电极的极化 268

第三节 极化电极与非极化电极 271

第四节 电极的阻抗特性 274

第五节 检测电极和刺激电极 280

第六节 微电极 288

第十二章 生物传感器 294

第一节 概述 294

第二节 生物敏感膜和敏感元件的制备技术 301

第三节 酶生物传感器 308

第四节 微生物和组织及细胞器传感器 321

第五节 免疫传感器 331

第六节 基因传感器 345

第七节 新型生物传感器 352

习题参考答案 365

第一章绪论

 第一节传感器的作用

 随着现代医学和相关科学技术的发展，尤其是电子技术、计算机技术、信息技术的飞速发展，越来越多先进的高科技仪器、设备应用于医学领域，在诊断、治疗、监护及康复各个阶段中发挥着重要的作用。如果把计算机看成是识别和处理信息的“大脑”，把通信系统看成是传递信息的“神经系统”，传感器就是信息系统的“感觉器官”。

 每一种生物都需要与周围环境交换信息，因此所有生物都有感知周围环境和自身状态的器官或组织，如人类的眼、耳、鼻、舌、皮肤等，能够获取视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等信息。传感器与这些感觉器官相似，是感知、获取信息的窗口。

 医用传感器（medical sensor）作为获取生命体征信息的“感觉器官”，延伸、扩展了医生的感知范围，并把定性的感知提高为定量的检测，是医用仪器、设备的关键器件。常用的生物信号检测类仪器结构如

 传感器将微弱的生物信号转化成微弱的电信号，再经过放大后进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号输入计算机。在计算机中可以进行分析、计算以及各种处理，然后输出到显示器、打印机等输出设备。目前，除了传感器之外，其他组成部分都已具备相对比较成熟、完善的技术，已经达到集成化、规范化、系统化的程度，能够较为理想地实现所担负的功能。因此在整体结构中，传感器的性能至关重要，起着关键性的作用，原因如下：①生物信号很多是非电量信号，如体温、血压等，必须经过传感器感知并转化成电信号才容易进行后续处理；②生物电信号十分微弱，其电压幅度多数是微伏级，*大也只有毫伏级；③生物信号信噪比很低，微弱的有用信号往往淹没在强大的干扰和噪声之中；④生物信号多数变化频率都很低，容易受到50Hz电源和其他生理活动的干扰；⑤无创伤的检测，患者才能乐于接受，临床应用才能方便易行。如果传感器的灵敏度不够，就检测不出微弱的生物信号；如果传感器的抗干扰能力不强，信噪比很低，仅仅依靠放大电路的模拟滤波和计算机的数字滤波也很难达到检测的要求；如果传感器只能在有创的条件下应用，其应用范围将受到很大的局限。所以，传感器决定着检测的可能性和检测仪器的精确性、可靠性及其应用范围。在其他医疗设备中，传感器也同样起着关键性的作用。例如，现代假肢是一种精密的受控装置，当用一只假手拿起一个纸杯，施力过大会把纸杯捏扁，施力过轻又可能拿不住，并且力的大小还要随着纸杯中水的多少进行调节才能满足日常生活的要求。这些精密的控制是根据手指上微型传感器的信号实现的。

 一种新的传感器可以引领一类医用仪器设备的发展和普及，带来根本性的变革。20世纪末，由于精密光电传感器技术的发展，使原来必须到医院进行的血糖检测转变为可以自己在家里完成，从而促进了便携式血糖仪在糖尿病患者家庭的普及和在医院的广泛应用。过去早期妊娠检测试验必须去医院才能进行，受试者的尿样要注入青蛙体内（所以又称青蛙实验），至少半天后才能得到结果，费时费力，操作烦琐。由于生物化学传感器技术的发展，青蛙实验已经被早期妊娠试纸所取代，只要把受试者的尿样点到试纸上，一分钟内就显示出结果，可以十分方便地自行完成测试。微型温度传感器的发明与使用促进了电子体温计的研发，与传统的水银体温计相比，电子体温计测量体温所需的时间大大缩短。压电式传感器的发展引领了超声诊断技术，促进了各种超声诊断仪器的诞生，并使其在临床得到了广泛的应用。

 目前，无创测量血压有多种方法，但测量比较准确、能够在临床应用的方法中都离不开袖带，致使血压不能无间断地连续测量，测量时操作也不够简便。如果发明一种能够直接在体表准确感受血压的传感器，将会带来血压计的根本变革。迄今为止，对于每搏输出量的体外测量还不够准确。对于疼痛这种常见的症状根本无法进行客观的、定量的检测，只能根据患者的表情和自述判断。这些问题都有待传感器的进一步发展来辅助解决。

 传感器不仅在医学领域中发挥着重要的作用，在其他领域也是不可或缺的重要部件。例如：普通汽车上大约装有上百个传感器，高级豪华汽车装载的传感器更多，这些传感器构成了安全气囊、防滑、灯光等控制系统以及刹车防抱死装置和电子变速系统等。传感器在汽车中充当着感官和触角，对车辆行驶速度、加速度、发动机转速、进气量、水温、燃料剩余量等工作状态信息进行实时监测，由车内微型计算机根据自身状态和各种外界环境实施自动控制和调节，使汽车随时随地都能处于*佳工作状态，为车辆的正常运行和人员安全提供了保障。在日常生活中，传感器也随处可见。全自动洗衣机水位到达设定高度时会自动关闭进水阀门，这一控制需要水位传感器才能完成。楼道照明灯的声控开关具有以下功能：白天光线明亮时保持关断状态，照明灯关闭；当夜晚来临，发出声音就能够开启照明灯。由此可见，照明灯声控开关电路中具有光敏传感器和声音传感器。电热水壶因装有温度传感器可加热至水沸腾后自动关断电源。从上述实例中可以看出，传感器的应用是十分广泛的，可谓无处不在，必不可少。传感器的作用就是将非电量（如速度、位移、光、声音、温度等）转换成电量（如电压、电流、电阻等）输出。所以，传感器是感知信息的关键器件，是进行信号检测的前提，是实现自动控制的基础。

 第二节医用传感器的定义、构成、用途及分类

 一、医用传感器的定义和构成

 根据国家标准GB/T7665—2005《传感器通用术语》，传感器（transducer/sensor）定义为：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置。

 传感器通常由敏感元件和转换元件两部分组成。敏感元件是指传感器中能直接感受和响应被测量的部分；转换元件则进一步将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和处理的电信号。例如，压力变化能够改变石英晶振的振荡频率，石英晶体与振荡电路可以组成压力传感器，石英晶体是敏感元件，振荡电路则属于转换元件。

 医用传感器是应用于医学领域的传感器，其敏感元件除具有一般传感器的共性外，为适应医学检测的需求，又具有其特点。一般传感器的敏感元件大多是没有生物活性的，如温度传感器的热敏电阻、压力传感器的金属应变计等。医用传感器同样可以采用这些敏感元件，在检测大分子有机物质时，还经常采用具有生物活性的物质作为敏感元件，如酶传感器。酶是由具有生物活性的蛋白质组成的，酶传感器一般是将某种酶膜固定在电极上，利用酶的专一、高效催化作用检测某种有机物质的存在，以电极电位或电流作为输出电信号。在这里，酶是敏感元件，电极是转换元件。另外，不是所有的传感器都能够清晰地分成敏感元件和转换元件两部分，如光敏电阻、热电偶传感器等，可以认为两部分的功能是合二为一的。

 二、医用传感器的用途

 医学领域有很多反映生命体征的信息量，常见的各种信息量如表1-1所示。

 反映生命体征的信息量多数属于非电量，对于非电量的放大和处理是很困难的。医用传感器的任务是检测到生命信息，并把非电量转换成电量。对于本身就是电量的生命体征信息，如心电、脑电、肌电等，一般采用医用电极将生物体内的离子导电方式转换成导联线中的电子导电方式，进而进行后续处理，可以认为医用电极是一种具有特定功能的医用传感器。

 医用传感器的主要用途如下：

 1.提供信息如心音、血压、脉搏、体温、血流量等，可作为重要的生理参数，供临床诊断和基础研究。

 2.监护长时间连续检测某些生理参数，监视其是否超出正常范围，以便随时掌握患者的状况，出现异常及时报警。

 3.生化检验利用医用传感器的分子识别能力，检测各种体液、溶液中的成分及含量。

 4.自动控制根据医用传感器提供的生理信息，调节执行机构作出反应，实现自动控制。例如：注射泵根据流量传感器的信息调节推进量，实现单位时间注射量的自动控制。

 5.参与治疗医用电极经常既用于检测信号，又用于实施治疗。例如：按需型植入式心脏起搏器的电极既可以作为自主心电的检测电极，又可以作为无自主心电时起搏器发放脉冲的刺激电极，此时所起的就是治疗作用。

 三、医用传感器的分类

 医用传感器的种类很多，分类方法也有多种，可以根据传感器的工作原理、被测量的种类以及与人体感官相对应的功能进行分类。

 1.物理传感器是指利用物理性质和物理效应制成的传感器。属于这种类型的传感器*多，如位移传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器等。

 2.化学传感器是指利用化学性质和化学效应制成的传感器。这种传感器一般是通过离子选择性敏感膜将某些化学成分、含量、浓度等非电量转换成与之有对应关系的电量，如不同种类的离子敏感电极、离子选择场效应晶体管、气体传感器等。

 3.生物传感器是指采用具有生物活性的物质作为敏感元件的传感器。这种传感器一般是利用酶催化某种生化反应或者通过某种特异性的结合，检测大分子有机物质的种类及含量，是近半个世纪发展起来的新型传感器，如酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、脱氧核糖核酸（DNA）传感器等。

 这是根据被测量的种类对传感器进行分类的方法。例如：压力传感器，包括金属应变计压力传感器、半导体压力传感器、电容压力传感器等所有能够检测压力的传感器；温度传感器，包括热敏电阻、热电偶传感器、PN结温度传感器等所有能够检测温度的传感器。

 这是根据传感器所能替代的人体感官对传感器进行分类的方法。例如：视觉传感器，包括各种光学传感器以及其他能够替代视觉功能的传感器；听觉传感器，包括各种拾音器、压电式传感器、电容式传感器以及其他能够替代听觉功能的传感器；嗅觉传感器，包括各种气体传感器以及其他能够替代嗅觉功能的传感器。这种分类方法有利于仿生传感器的开发及其仿生学的研究。

 除了上述列举的常见传感器分类方法外，还有根据传感器材料、传感器结构、能量转换方式等分类方法，各种分类方法都具有长处和局限性。

 第三节医用传感器应具有的性能和特殊要求

 医用传感器主要是用来检测人体生物信号的，针对人体生物信号特点应具备特殊的性能，以满足医用的要求。生物体是一个有机的整体，各个系统和器官都有各自的功能和特点，但又彼此依赖，相互制约。从体外或体内检测到的信号，既表现了被测系统和器官的特征，又含有其他系统和器官的影响，往往是多种物理量、化学量和生物量的综合。医用传感器要从这些综合信息中提取特定的待测信息，并把这种信息转换成电学量。例如：将心音传感器放在胸壁检测心音，胸壁上除了有来自体内的心音外，还有呼吸时胸廓的运动、躯体活动产生的振动和外界的噪声干扰，这就对心音传感器提出了很高的要求。因此，医用传感器应具有以下性能：①足够高的灵敏度，能够检测出微弱的生物信号；②尽可能高的信噪比，以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息；③良好的精确性，以保证检测出的信息准确、可靠；④足够快的响应速度，能够跟随生物体信息量的变化；⑤良好的稳定性，长时间检测漂移很小，保持输出稳定；⑥较好的互换性，调试、维修方便。另外，医用传感器主要是用于人体的，与一般传感器相比，还必须满足以下特殊要求：①与人体接触，特别是置入体内的传感器材料必须是无毒的，并且与生物体组织具有良好的相容性，长期接触不会引起排异、炎症等不良反应。②传感器在进行检测时，不能影响或者尽可能少影响正常的生理活动，否则检测的信息将不准确。③传感器应具有良好的电气安全性，特别是与体内接触的传感器应按照防止微电击的电气安全标准具有良好的绝缘性能。微电击是指电流不经体表直接进入体内引起的电击，由于体内电阻小，对与体内接触的传感器的绝缘性能要求很高。④传感器在结构上和使用性能上要便于清洁和消毒，防