生物医学传感器原理及应用第一章 绪论

,生物医学传感器及应用,主讲教师简介,张新宇19952002年 西安交通大学 生物医学工程专业，本科-硕士20022006年 香港中文大学 电子工程系，博士2007年 深圳大学 讲师2012年至今 深圳大学 医学院，副教授主要研究方向医学超声，超声弹性成像，生理信号的测量与生理系统建模 教学课程生物医学传感器及应用、模拟电路、线性代数联系方式电 话：646781（M）, 86671915E-MAIL：办公地点：医学院516,学习要求,课堂要求考勤作业要求作业和实验报告要按时提交有作业，求独立完成作业，抄写作业且还不会者，成绩0分。考核要求闭卷考试，覆盖课堂及实验内容考核：作业讨论，成绩占10实验，成绩占30 中考试：开卷，成绩占10；期末考试：闭卷（含实验设计），成绩占50%。,课程类型 生物医学工程专业基础课学时学分 共54学时，36学时理论，18学时实验；2.5学分课程时间 第118周理论教学，实验课从第五周开始先修课程 高等数学、普通物理、电路基础、模拟与数字电子技术,课程简介,研究对象 传感器技术的基本概念和理论、常用传感器的工作原理和应用技术。,课程性质 课程属于专业基础课，提高学生相关专业基础理论的认知能力、增强学生从事生物医学传感与检测技术研究与应用工作的适应能力和开发创新能力。,课程简介,学习目的与要求 （1）建立传感器技术的整体概念； （2）掌握传感器技术的基本理论、常用传感器的工作原理和应用技术； （3）获得传感器设计、传感器选型，组建测控系统（医学仪器）的基本技能； （4）培养学生进一步学习、研究和应用传感器技术的兴趣； （5）为学习后续课程和独立解决实际问题打下必要的基础。,课程简介,主要考核目标（包括重点及难点）（1）掌握传感器的基本概念和基本特性；（2）掌握常用传感器的工作原理；（3）掌握常用传感器的基本应用；（4）了解应用传感器设计、组建测控系统的基本方法；（5）了解传感器技术的发展前沿和趋势。,重点：传感器的工作原理难点：传感器的应用，性能的评估和优化； 内容涉及知识面广，理论性、综合性和实践性强。,课程简介,第一章 绪论,提 纲,传感器技术简介生物医学传感器技术简介生物医学传感器的基本概念生物医学传感器的技术特点,在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。 “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。,物联网,大数据,智能终端,传感器技术简介,传感器技术简介,传感器技术的应用领域,传感器技术简介,汽车与传感器,传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量。安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、汽车“黑匣子”。 环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置。,生物医学传感与检测 （生物医学测量学）是以人体及其他生物体为对象，研究对各种生命现象、状态、性质和成分进行测量的原理和技术。旨在提供认识生命奥秘，了解生物体的结构、功能和疾病状态的方法和仪器，以促进生理学、诊断学及医学各领域的进步，并带动各种医疗仪器的研究与开发。,生物医学传感器简介,1895年德国物理学家伦琴 (W.K.Roentgen)发现X射线，获得首届（1901）诺贝尔奖。,1903年荷兰生理学家爱因多芬(W.Einthoven记录心电图(ECG)，获得1924年诺贝尔生理学与医学奖。,1972年X-CT（X-ray computed tomograhy scaner）,获1979年诺贝尔医学奖,1973年美国科学家劳特伯(P.C.Lauterbur)和英国科学家曼斯菲尔德(P.Mansfield)研制临床磁共振仪（MRI），获得2003年诺贝尔生理学与医学奖。,生物医学测量学是物理、化学、生物、医学、电子技术和信息科学相结合的产物。生物医学传感器是生物医学测量系统的最前端，是生物医学测量系统与被测对象（人体）之间的接口。以此为基础，又发展出医学影像技术、生命信息监护技术、临床检验技术等。,生物医学测量学是BME学科的核心，而传感器又是生物医学测量的核心。,生物医学传感器简介,生物医学传感器的基本概念,中华人民共和国国家标准(GB7665-87)对传感器下这样的定义：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。,信号调节转换电路,敏感元件,转换元件,辅助电路,被测信息,输出电信号,微弱电信号,指能直接感测或响应被测量的部件。,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。,生物医学传感器的基本概念,医用传感器（Biomedical Sensors），是应用于生物医学领域的那一部分传感器，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，医用传感器：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。Sensor 或Transducer的区别,生物医学传感器的基本概念,生物医学测量系统的基本结构,生物医学传感器的基本概念,被测量（Measurand)被测量来自人体。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、血流速度、心输出量等），也有体表的（如心电、脑电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）。分类：生物电、压力、流量、空间、位移（速度、加速度、力）、阻抗、温度、离子浓度等。,生物信号很多是非电量信号，必须经过传感器感知才能转换成电信号。生物信号十分微弱，分布在uVmV的数量级上。生物信号变化频率比较低，主要在直流300Hz频段上，容易受到50Hz电源和其他生理活动的干扰。生物信号信噪比很低。生物信号易受生理、病理、心理和环境因素的影响。生物信号存在个体差异。无创伤的检测，乐于接受。,传感器决定着检测的可能性和检测仪器的准确性、可靠性及其应用范围。,生物医学传感器的技术特点,生物医学被测量的特点,生物医学传感器的基本要求,具有足够高的灵敏度，能够检测出微弱的生物信号。尽可能高的信噪比，以便在干扰和噪声背景中提取有用信息。良好的准确性，以便检测出的信息准确、可靠。具有良好的响应速度，以便跟随生物信号的变化。良好的稳定性，保证长时间检测漂移很小，输出稳定。良好的互换性，便于调试和维修。,生物医学传感器的技术特点,生物医学传感器的特殊要求,与人体接触、特别是植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。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，否则检测的信息将是不准确的。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。传感器在结构和性能上要便于清洁和消毒，防止有害物质交叉感染。,生物医学传感器的技术特点,生物传感器利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质，用于生物体中组织、细胞、酶、抗原、抗体、受体、激素、胆酸、乙酰胆碱和五羟色胺等神经递质、DNA、RNA及蛋白质等生物量的检测。,物理传感器利用材料的物理变化，用于测量和监护生物体的血压、脉搏、体温、心音、血液的粘度、流量和流速等物理量。,生物电电极将生物体中的离子电流转换为电极上的电子电流，用于测量和监护生物体的各种生物电（心电、脑电、肌电、神经元放电等）。,化学传感器利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号，用于生物体液（血液、尿液和汗液）的pH值，氧气和二氧化碳的含量（pO2和pCO2），K+，Na+,Ca2+,Cl-,及其重金属离子等化学量的检测。,生物医学传感器的分类,按照工作原理分类,按照被测量的种类分类位移传感器流量传感器温度传感器 热敏电阻、热电偶、PN结温度传感器速度传感器压力传感器 金属应变片压力传感器、半导体压力传感器、电容压力传感器,按照与人体感官相对应的功能分类视觉传感器 包括光学传感器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、压电传感器、电容传感器及其他能够替代听觉功能的传感器嗅觉传感器 包括各种气体敏感传感器及其他能够替代嗅觉功能的传感器,常用测量方法分类 有创测量、无创测量 无线测量、有线测量 直接测量、间接测量 在体测量、离体测量 体表测量、体内测量 单维测量、多维测量； 接触式测量、非接触式测量； 生物电测量、非生物电测量； 形态测量、功能测量,生物医学传感器的技术特点,按照测量过程是否直接在生物活体上进行：离体测量和在体测量。离体测量（in vitro） ：对离体的体液、尿、血、活体组织和病理标本之类的生物样品进行的测量。离体测量的特点：离体测量检测条件稳定性和准确度高，已广泛用于病理检查和生化分析中。在体测量（in vivo） ：在人体和实验动物活体的原位对机体的结构与功能状态进行的测量。,生物医学传感器的技术特点,按照测量系统是否侵入机体内部，在体测量可分为有创测量和无创测量两类。有创测量（Invasive Measurement）: 传感器插入体内，通常采用直接测量的方法。对机体会造成一定程度的创伤，给患者带来一定的痛苦，但其原理明确、方法可靠、测量数据精确，因此也可用于手术过程及术后的监测，以及作为无创测量方法的对照评估。无创测量（Non-invasive Measurement）：体表测量，通常采用间接测量的方式特点：不会造成机体的创伤，易被受试者接受，但大部分方法的准确度和稳定性较差。,生物医学传感器的技术特点,动脉血压的有创测量,动脉血压的无创测量,植入式测量：测量装置埋入人体内部。测量时人体可在无拘束的自然状态，测量结果准确，可进行实时、动态、长期监测，是生物医学测量发展的方向