1、1,医用传感器,天津医科大学生物医学工程学院,Medical Sensor,2,医用传感器作为生物医学工程专业的一 门专业基础课，是生物医学信息检测与分析的关 键课程。课程的目标：掌握医用传感器的基本概念、评价指标；掌握常见医用传感器的原理、特性与典型应 用；具备学习、分析与选用新型医用传感器的能力和实验动手能力。,3,教材： 医用传感器（陈安宇主编） 教学大纲 第一章 绪论 （3学时） 第二章 传感器基本特性（4学时） 第三九章 物理传感器（32学时） 第十章 化学传感器（学时） 第十一章 生物传感器（3学时） 课堂讨论（4学时）,4,主要参考书 1. 生物医学传感器原理及应用 彭承琳主编
2、高等教育出版社 2. 医用传感器姜远海等编著 科学技术出版社 3. 生物医学测量陈延航等编 人民卫生出版社 4. 医用传感器与人体信息检测 王明时主编 天津科学技术出版社 5. 生物传感器原理及应用 许春向等编著 科学技术出版社,5,学时安排及考核方式 总学时72 ： 理论课54学时 实验课18学时 考核方式： 平时作业 10% 实 验 25% 课堂讨论 10 % 期末考试 55%,6,传感器原理,检测技术,电阻传感器,电容传感器,电感传感器,磁电传感器,压电传感器,热电传感器,光电传感器,化学传感器,生物传感器,课程主要内容,传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用,7,实验装
3、置,8,超声 传感器,磁、气、力敏传感器,反射式光敏传感器,9,温度传感器,光敏传感器,CCD传感器,10,用于心音检测的磁电式传感器,11,用于脉搏测量的压阻型传感器,12,集成压电式脉搏计,13,14,常见热释电红外传感器的外形,15,16,各种不同结构、不同封装、 不同形状及不同用途的热敏电阻,17,传感器与微系统传感技术学报仪表技术与传感器仪器仪表与传感器传感器世界化学传感器测控技术,参考资料 科技期刊,18,1传感器课程 http:/ 2仪表技术与传感器 http:/www.i- 3传感器世界 http:/ 4中国传感器 http:/ 5传感器技术 http:/www.sensor-
4、 621IC中国电子网 http:/ 7传感器资讯 http:/,参考网站,19,第一章 绪论 Introduction 主要内容： 生物医学传感器的定义及作用 生物医学传感器的组成及分类 生物医学传感器的特殊性 生物医学传感器的发展,20,传感器是人类五官的延伸，称之为电五官。 它是获取信息的主要途径与手段。传感器是现代科研、生产与生活的技术基础。 没有传感器，现代化生产就失去了基础。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、 海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生 物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。,21,1.1 传感器的定义及作用 Definition and function of
5、 sensor 国家标准定义：“传感器是能感受规定的被测量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置”。传感器也称换能器或变送器（Transducer）。 生物医学传感器（Biomedical Sensor）将人体中某些物理、化学信息转换成与之有对应关系的、可以用常规电路处理的电信息提供表征人体生理状态可靠依据的装置或器件。,22,23,生理 信息 （非电量） （电量） （电量） 输出 图 医学测量系统的组成,传感器,信息处理,显示记录,24,生物医学传感器的作用拾取被测的生理参数并转换为与之相对应的电信息，以提供生物医学基础和临床研究与分析所需的数据。是医学测量系统中的“电五官”。 信息处理
6、的功能对传感器输出的电信息进行加工处理（如放大、衰减、调制、解调、滤波、A/D、D/A、运算等）以利于显示和记录。 显示、记录的功能显示、记录与被测信息有确定关系的电信息。,25,1.2生物医学传感器的组成和分类 Composing and class of sensor 1.2.1传感器的组成 图传感器的组成,被测量,电量,26,敏感元件预变换器，直接感受被测量并输 出与被测量有对应关系的其它量（一般为非量）； 转换器件变换器，它的作用是将输入的非 电量转换成电量，它是传感器重要的、不可缺少的 关键部件，是实现非电测量的核心元件； 转换电路将转换器件（变换元件）输出的 电量转换为能用常规电路
7、处理的电信号（电压、电 流、频率）。,27,人体信息,输出,图 被测信息分类及传感器的组成,28,直接变换型传感器不含敏感元件， 即不需要经过预变换就可以将被测信息直接转换成电量的传感器。也可认为敏感元件与转换元件二者合一。 间接变换型传感器含敏感元件，即被测信息需经预变换将其转换成中间量，再经传感元件将其转换成电量的传感器。,29,结构型传感器指利用机械结构几何形状变化作为中间量，进而通过传感元件转换成电参数的变化，如电阻、电容的变化等。结构型传感器多属于间接变换型传感器。 ； 物性型传感器是利用某些材料的物理特性直接将被测信息转换成电量的传感器，如光电式、热电式、压电式等传感器。物性型传感
8、器多属于直接变换型传感器。,30,1.2.2传感器的分类 按被测量性质分类，可分为三大类： 物理传感器 physical sensor 化学传感器 chemical sensor 生物传感器 biosensor,31,物理传感器用于测量人体信息中的物理量，如血压、血流、体温、心音、脉搏、血粘度、生物磁场及生物组织的吸收、散射等。它是利用某些物理定律或材料的物理性质将人体内的某些物理量转换成与之有对应关系的电量来实现测量的。,32,物理传感器,物理传感器,33,化学传感器 用于测量人体信息中的化学量，如人体体液中的离子成分或浓度(如Ca2+、K + 、 Na + 、 Cl -)、pH值、氧分压（
9、Po2）及葡萄糖含量等。 它是利用某些功能性膜对特定成分的选择作用，将人体内的某些化学量转换成与之有对应关系的电量来实现测量的。,34,按响应机理、膜的组成及结构的不同分为：,35,生物传感器用于测量人体信息中的生物化学量，如酶、抗体、抗原、受体、激素、DNA、RNA等。这种传感器是利用某些生物活性物质具有的选择性识别待测生物化学物质的能力与相应的转换器件组成并实现测量的。,36,按照生物活性物质的不同分类,37,按照转换器件不同分类,38,其它分类方法：按构成原理分类结构型传感器和物性型传感器按传感器使用电源与否分类有源传感器和无源传感器 按传感器输出信号分类模拟传感器和数字传感器 按传感器
10、能量转换能量控制型和能量转换型传感器按传感器用途分类 位移、压力、振动、温度等传感器按工作原理分类应变、压阻、压电、热电、磁电、光电等传感器,39,其中： 按传感器用途分类有利于使用人员的选择； 按工作原理分类有利于研究人员进行归纳研究。 目前流行将上述两种分类法相结合来命名，如压电式血压传感器、热电偶式温度传感器、葡萄糖氧化酶电极、磁电式心音传感器、电磁血流量传感器、氟离子选择电极、氢离子敏场效应管、光电式脉搏传感器、光纤压力传感器等等。,40,1.3 生物医学传感器的特殊性 Biomedical sensor of particularity 医用传感器的用途： 检测检测正常或异常生理参数
11、，进行基础研究和帮助诊断。 比如先天性心脏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。,41,监护连续测定并监视某些生理参数是否处于正常范围，以了解病人的复原过程并在出现异常时及时报警。 如在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。 控制利用检测到的生理参数控制人体的生理过程。 如电子假肢利用检测到的肌电信号控制人工肢体的运动；同步呼吸器利用检测到的呼吸信号控制呼吸器与人体的呼吸同步。,42,1.3.1生理信息的特征及检测,43,生理信息检测的特点：生理参数均为低频或超低频信号，频率分布范围在直流300Hz。生理参数信号微弱，测量范围在uVmV数量级。信噪
12、比低，且噪声来源是多方面的。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，干扰检测。,44,1.3.2生物医学传感器的特殊性 医用传感器的设计与应用须考虑 人体的复杂性及生理信号的特殊性； 生物医学传感器与人体的生物相容性、可靠性、安全性等等。,45,一般要求： 具有较高的灵敏度和信噪比，以保证能检测出微小的有用信息； 具有良好的线性、较宽的动态范围及快速的响应，以保证信号转换后不失真并能使输出及时跟随输入的变化； 具有良好的稳定性和互换性，使输出信号受环境影响小而保持稳定，且同类型传感器性能基本相同。,46,特殊要求： 适应人体内的化学作用，置入体内时不受腐蚀且对人体无害
13、； 形状、结构、尺寸要适合待测部位解剖结构，使用时不能损伤组织且操作方便； 植入待测部位时不给生理活动带来负担，不干扰正常的生理功能； 有足够的牢固性，引入待测部位时不能损坏； 传感器要与人体有足够的电绝缘，在传感器万一损坏的情况下，身体受到的电压值要低于安全值。,47,1.4生物医学传感器的发展 Biomedical sensor of development 传感器技术与计算机技术、通信技术同属信息时代的支柱性技术，前者实现信号的提取和转换，后者完成信息的处理与传输。如果把计算机比作大脑，通信为神经网络，则传感器便是感官。,48,1.4.1传感器的发展方向 Sensor of develo
14、pment direction 1.集成化、多功能 将几种不同的传感器元件复合在一起作成集成块，可同时测量几种不同参数。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。 同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。 多功能一体化，将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。,49,2.智能化传感器与计算机的结合构成智能传感器的基 本框架。智能传感器对外界信息不仅能完成传感 和信号处理任务，还具有自诊断、自恢复及自适 应功能。这种传感器具有与主机互相对话功能，可 自行选择最佳方案，将已获得的大量数据进行分 割处理，实现远
15、距离、高速度、高精度传输等。,50,3.化学和生物传感器化学、生物传感器的发展使人体信息检测从宏观走向 微观。生物体是一个复杂的生物化学有机体，其生理现象 往往是生物化学变化的外在表现，使用化学、生物传感器 对人体生化参数进行测量，提供了从微观和分子水平上获 取信息的手段，使得从本质上认识生命现象成为可能，并 促进生物医学基础研究，临床诊断及环境医学的发展，对 早期诊断和治疗是非常重要的。 可以预见，随着化学、生物传感器的发展，在人体生 化信息的检测中将起很大的作用，对促进医学仪器和医学 现代化的进程具有相当重要的意义。,51,1.4.2传感器的发展途径 Sensor of developme
16、nt approach 1.开发新型传感器 利用新的物理效应、化学效应、生化效应研制新一代传感器。包括： 采用新原理； 填补传感器空白； 仿生传感器,52,2.开发新材料随着材料科学的巨大进步，新的功能材料的开 发将导致新型传感器的出现，促进了物性型传感器、 化学传感器、生物传感器的迅速发展。用复杂材料 来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之 一。如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器， 而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的 应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器 有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究， 引起国内外学者的极大兴趣。,53,3.采用新的加工技术在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。 新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传 感器联系特别密切的微细加工技术，是近年来随着 集成电路工艺发展起来的，目前已越来越多地用于 传感器领域。 现代微细加工技术已能把微传感器、微处理器 和微执行器集成在一块硅片上构成微系统。传感器将跳出原先的含义，以微型化、集成化 和智能化为特征，并朝实用化方向发展。,
