医用传感器及其应用

医用传感器及其应用

医用传感器原理 及应用

医用传感器及其应用

内容提要1、医用传感器基础 2、生物电检测电极 3、常用医用物理传感器 4、化学传感器和生物传感器 5、传感器技术的发展与展望

医用传感器及其应用

§1 医用传感器基础对传感器的定义： 对传感器的定义： “传感器”在新韦式大词典中定义为: 传感器”在新韦式大词典中定义为 传感器 从一个系统接受功率， -“从一个系统接受功率，通常以另一种 形式将功率送到第二个系统中的器件” 形式将功率送到第二个系统中的器件”。 根据这个定义， 根据这个定义，传感器的作用是将一种能 量转换成另一种能量形式， 量转换成另一种能量形式，所以不少学者 也用“换能器- 来称谓“ 也用“换能器-Transducer”来称谓“传感 来称谓 器-Sensor”。 。

医用传感器及其应用

中华人民共和国国家标准(GB7665 87) 中华人民共和国国家标准(GB7665—87)对传 (GB7665 87)对传 感器下这样的定义： 感器下这样的定义： 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的 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， 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。 通常由敏感元件和转换元件组成。 国标中的定义强调了被测量按一定规律转换 成可用输出信号， 成可用输出信号，而且它给出了传感器的结 构信息， 构信息，即它通常由敏感元件和转换元件组 成。

医用传感器及其应用

按照国家标准对传感器的定义，传感器包括： 按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：输出 被测信息 敏感元件 转换元件 信号调节 转换电路 电信号

辅助电路

医用传感器及其应用

敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。 敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件。 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 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， 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。 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 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、 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。 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。 信号调理电路。

医用传感器及其应用

医用传感器( 医用传感器(Biomedical Sensors) Sensors)医用传感器，顾名思义，它是应用于生物医学领域的 医用传感器，顾名思义， 那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息， 那一部分传感器，它所拾取的信息是人体

的生理信息， 而它的输出常以电信号来表现，因此， 而它的输出常以电信号来表现，因此，医用传感器可 以定义为： 以定义为：把人体的生理信息转换成为与之有确定函 数关系的电信息的变换装置。 数关系的电信息的变换装置。 人体生理信息有电信息 非电信息两大类 电信息和 两大类， 人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来 说有体内的 如血压等各类压力),也有体表的 体内的( ),也有体表的( 说有体内的(如血压等各类压力),也有体表的(如 如红外、 心电等各类生物电)和体外的(如红外 生物磁等) 心电等各类生物电 和体外的 如红外、生物磁等)

医用传感器及其应用

医用学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 传感器的分类方法多种多样， 作原理分的，有按输入信息的类型分的， 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。 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、 往往按被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸 波传感器等。 波传感器等。 医用传感器按工作原理分类，大致可分为： 医用传感器按工作原理分类，大致可分为：

医用传感器及其应用

电 学 量 参 数机体的各种生物电(心 电、脑电、肌电、神经 元放电等)

生物电电极

生 理非 电 学 量 参 数

利用材料的物理变化

物理传感器 化 传感器

利用化 化 电 利用生物

理 、

物 生化物

生物传感器

医用传感器及其应用

电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器

物理传感器

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

医用传感器及其应用

生理信号检测的特点医用传感器用于人体生理信息检测时，具有以下主要特点： 医用传感器用于人体生理信息检测时，具有以下主要特点： 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。 uV mV 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。

医用传感器及其应用

医用传感器的数学模型传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感 传感器的设计、制造和应用， 器的输入与输出的关系特性。 器的输入与输出的关系特性。 描述传感器的输入一输出关系的数学表达式被 称为传感器的数学模型 传感器的数学模型， 称为传感器的数学模型，通常从传感器的静态 输入一输出和动态输入一输出关系两分面

建立 数学模型。 数学模型。

医用传感器及其应用

静态模型静态模型是指静态信号( 静态模型是指静态信号(输入信号不随时间 是指静态信号 变化或变化缓慢)情况下， 变化或变化缓慢)情况下，描述传感器的输出 与输入量间的函数关系。在实际工程应用中， 与输入量间的函数关系。在实际工程应用中， 忽略蠕动效应和迟滞持性、 忽略蠕动效应和迟滞持性、它可以用多项式来 表示为： 表示为：

y = a0 + a1 x + a2 x + L + an x

医用传感器及其应用

动态模型动态模型是指传感器在准动态或动态信号(即 动态模型是指传感器在准动态或动态信号( 是指传感器在准动态或动态信号 输入信号随时间变化)作用下， 输入信号随时间变化)作用下，描述其输出一 输入关系的数学表达式。 输入关系的数学表达式。 要精确地建立传感器的动态数学模型较困难， 要精确地建立传感器的动态数学模型较困难， 工程上常利用近似方法，忽略次要因素。 工程上常利用近似方法，忽略次要因素。来简 化动态模型的建立。 化动态模型的建立。

医用传感器及其应用

医用传感器的基本特性医用传感器的基本特性是指传感器的输出与输 入的关系特性，它是传感器应用的外部特性， 入的关系特性，它是传感器应用的外部特性， 但是传感器不同的内部结构参数影响或决定着 它具有不同的外部特性。 它具有不同的外部特性。 医用传感器检测的生理信息， 医用传感器检测的生理信息，基本上有两种类 即静态量和动态量。 型，即静态量和动态量。静态量是指不随时间 变化或变化甚为缓慢的量(如体温 如体温), 变化或变化甚为缓慢的量 如体温 ，动态量通 常是周期性信号、瞬变或随机的信号(如心电 如心电、 常是周期性信号、瞬变或随机的信号 如心电、 血压等)。 血压等 。

医用传感器及其应用

静态特性静态特性表示传感器在被测生理量处于稳定状 静态特性表示传感器在被测生理量处于稳定状 态时的输出与输入之间的关系特性， 态时的输出与输入之间的关系特性，一般情况 它呈现非线性关系。工程应用中， 下，它呈现非线性关系。工程应用中，要求静 态特性尽可能呈线性。 态特性尽可能呈线性。 衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、 衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵 敏度、迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、 敏度、迟滞、重复性、分辨力、零点漂移、温 度漂移等。 度漂移等。

医用传感器及其应用

线性度指传感器输出随输入变化的线性程度， 线性度指传感器输出随输入变化的线性程度，它用输 指传感器输出随输入变化的线性程度 出量一输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。 出量一输入量的实际关系曲线偏离直线的程度

来表示。 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比 值。 迟滞特性是指传感器在正 输入量增大)反 输入量减小 是指传感器在正(输入量增大 输入量减小) 迟滞特性是指传感器在正 输入量增大 反(输入量减小 行程期间输出一输入曲线的不重合程度。 行程期间输出一输入曲线的不重合程度。迟滞是由传 感器材料固有特性和机械上的不可避免的缺陷等原因 产生的。 产生的。 重复性是指传感器在同一工作条件下输入量按同一方 重复性是指传感器在同一工作条件下输入量按同一方 向作全量程连续多次变动所得到特性曲线的不一致程 度。产生重复性误差的原因同样是传感器内机械缺陷 引起的，如材料内的摩擦、间隙、积尘等。 引起的，如材料内的摩擦、间隙、积尘等。

医用传感器及其应用

分辨力是表述传感器可能检测出被测信号最小变化的 分辨力是表述传感器可能检测出被测信号最小变化的 能力。 能力。 零点漂移指传感器无输入时 输出值随时间而偏移， 指传感器无输入时， 零点漂移指传感器无输入时，输出值随时间而偏移， 偏移零值的偏移量。 偏移零值的偏移量。 温度漂移表示温度变化时 传感器输出值的漂离程度， 表示温度变化时， 温度漂移表示温度变化时，传感器输出值的漂离程度， 通常以温度变化1℃ 通常以温度变化 ℃时，输出最大偏差与满量程值之比 表示。 表示。

医用传感器及其应用

动态特性传感器的动态特性是指传感器对激励 输入 传感器的动态特性是指传感器对激励(输入 的 是指传感器对激励 输入)的 响应(输出 特性。 输出)特性 响应 输出 特性。具有良好的动态特性的传感 在动态(快速变换 的输入信号作用下， 快速变换)的输入信号作用下 器，在动态 快速变换 的输入信号作用下，不 仅能精确地测量信号的帕值大小， 仅能精确地测量信号的帕值大小，而且能迅速 准确地响应信号幅度变化和无失真地再现被测 量信号随时间变化的波形。 量信号随时间变化的波形。

医用传感器及其应用

对医用传感器的基本要求医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设 医用传感器作为传感器的一个重要分支， 计与应用必须考虑人体因素的影响， 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， 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。 的生物相容性、可靠性、安全性。

医用传感器及其应用

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。 3.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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8awe.html