ch05生物热效应的热电式生物医学传感与检测

生物热效应的热电式生物医学传感与检测教育部生物医学工程类专业教学指导委员会“十三五”规划教材生物医学传感与检测原理第五章01生理热效应与体温概述生理代谢的热效应机体内营养物质代谢释放出来的化学能，其中50%以上以热能的形式用于维持体温，其余不足50%的化学能则载荷于ATP，经过能量转化与利用，最终也变成热能，并与维持体温的热量一起，由循环血液传导到机体表层并散发于体外。生理热效应与体温概述因此，机体在体温调节机制的调控下，使产热过程和散热过程处于平衡，即体热平衡，维持正常的体温。如果机体的产热量大于散热量，体温就会升高；散热量大于产热量，体温就会下降，直到产热量与散热量重新取得平衡时才会使体温稳定在新的水平。机体的总产热量主要包括基础代谢、食物特殊动力作用和肌肉活动所产生的热量。基础代谢是机体产热的基础，基础代谢高产热量多，基础代谢低产热量少，正常成年男子的基础代谢率约为170kJ/m²h，而成年女子约为155kJ/m²·h。食物特殊动力作用可使机体进食后额外产生热量。骨骼肌的产热量变化很大，在安静时产热量很小，运动时产热量很大；轻度运动（如步行）时，其产热量可比安静时增加3~5倍，剧烈运动时，可增加10~20倍。生理热效应与体温概述另外，人在寒冷环境中主要依靠寒战来增加产热量以维持体热平衡，寒战的特点是屈肌和伸肌同时收缩，所以基本上不做功，但产热量很高，发生寒战时，代谢率可增加4~5倍；内分泌激素也可影响产热，肾上腺素和去甲肾上腺素使产热量迅速增加但维持时间短，甲状腺激素则使产热缓慢增加但维持时间长。生理热效应与体温概述生理热效应与体温概述如图5-1所示，在寒冷环境下，机体增加产热和减少散热；在炎热环境下，机体减少产热和增加散热，从而使体温保持相对稳定。在疾病状态下，身体自身的保护性响应将引起体温改变。病理因素引起的温度改变正常情况下，人体体温是相对稳定的；当某种原因使体温异常升高或降低时，若超过某一界限，将危及生命。人体体温的变化范围生理热效应与体温概述体温在一昼夜之间存在周期性的波动，表现为体温在清晨2~6时最低，午后1~6时最高。体温的生理性调节生理热效应与体温概述体温测量体温作为人体四大生命体征之一，临床上所指的体温为平均核心体温，而生活中所指体温为体表温度。核心体温（corebodytemperature）又称基础体温，被认为是身体深层结构的工作温度。核心体温的定义有两种：一种是人体内部胸腔、腹腔和中枢神经的温度；另一种是胸部、主要内部器官及离开心脏血液（肺动脉）的温度。生理热效应与体温概述常见的非侵入式测量方法有红外测温法、微波辐射测温法、超声波测温法、磁共振测温法、热流法等。基础温度是人体健康的晴雨表，保持其相对稳定是保证新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。长期以来，基础温度作为临床判断与患者管理的关键参数而被广泛关注，特别是对于外伤性脑损伤或神经损伤患者。对基础温度进行连续的检测，可以对热应激进行检测，对女性的月经周期进行管理。另外，因为基础温度是公认描述昼夜节律的方法，因此在睡眠障碍治疗中可以被用于估计生物节律。02温度传感器原理金属热电阻传感器纯金属是热电阻的主要材料，虽然大多数金属都有一定的温度系数，但作为测温元件的材料必须具有良好的线性、稳定性和较高的电阻率。常用的金属热电阻材料有铂、镍、铜、铁，其中铂是最理想的金属热敏电阻材料。半导体热敏电阻传感器采用半导体材料制作温度传感器，由于其体积小、灵敏度高、长期稳定性好等优点，因而在生物医学的温度测量中被广泛使用。热电阻式温度测量原理半导体热敏电阻分为三类：负温度系数（NTC）型（由锰、钴、镍、铁等两种或两种以上金属氧化物的混合物高温烧结而成），正温度系数（PTC）型（由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结而成），以及临界温度系数（CTR）型。热电阻式温度测量原理热电偶温度测量原理热电效应两种不同导体A和B组成闭合回路，如图5-7所示。如果热电偶两电极材料相同，则虽有温差，但输出电势为零。如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。热电势只与两结点温度点温度相关，与热电偶的尺寸、形状及沿金属的温度分布无关。中间导体定律。标准电极定律。热电偶温度测量原理热电偶温度测量原理热电偶种类和特点构成热电偶的两导体A和B称为热电极，对热电极材料的要求如下：①热电势大，测温范围宽，线性好。②性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀。③电阻温度系数小，电阻率小。④易加工，材料复制性好。热电偶温度测量原理几种常用热电偶的性能如表5-2所示。热电偶温度测量原理热电偶温度传感器在生物医学测量中得到广泛应用，图5-9是常见的两种医用热电偶传感器。热电偶温度测量原理为了提高热电偶的灵敏度，可采用图5-10所示的热电堆。由半导体的物理原理知道，PN结的伏安特性与温度有关，利用PN结的这一特点，可以制成各种温度传感器，典型的PN结型温度传感器有二极管温度传感器、晶体管温度传感器和集成电路温度传感器。半导体温度传感器半导体温度传感器二极管温度传感器根据从由一个PN结构成的二极管的伏安特性曲线可知，当流过二极管的电流恒定时，随着温度的升高，二极管两端的电压近似线性地降低。温度每升高1℃，电压降低约2mV。半导体温度传感器在二极管测温中，用得最多的是恒流源激励电路，图5-13是一个典型的二极管测温及数码显示温度值的电路。半导体温度传感器晶体管温度传感器在一定的温度范围内，在小注入条件下，只要qVsg/kT≥1，则不管集电结是零偏还是反偏。半导体温度传感器常用的温敏晶体管测温电路如图5-14（a）所示。电容C的作用是防止寄生振荡，图5-14（b）给出了和T的关系。PN结测温探头随着集成电路工艺的不断完善，PN结测温探头不仅用于常规温度测量，还用于生物医学低温测量、植入式长期温度监测等。常见PN结测温探头有以下几种：（1）杆式测温探头；（2）小型测温探头；（3）针状测温探头和表面测温探头。半导体温度传感器集成温度传感器集成电路温度传感器是将作为感温器件的温敏晶体管（一般为差分对管）及其外围电路集成在同一芯片上的集成化PN结温度传感器。这种传感器线性好、精度高、互换性好，并且体积小，使用方便，其工作温度范围一般为-50~+150℃。半导体温度传感器半导体温度传感器图5-18是典型的感温部分电路。半导体温度传感器图5-26所示的AD7415是一种能达到±0.5℃测量精度的10位数字输出集成温度传感器，工作温度范围为-40~+70℃，I²C总线输出。液晶也称液态晶体（liquidcrystal），是一些有机化合物。在一定温度范围内，它既具有液体的特点，又具有晶体的某些特性，如有序性、光学各向异性等。在分子排列上，液晶的相可分为近晶相、向列相和胆甾相3种，温度测量中特别重要的是呈现胆甾相的液晶。液晶测温液晶测温由图5-28可见，胆甾相液晶的分子结构呈螺旋形排列。体表液晶测温膜利用胆甾相液晶材料制成的液晶测温膜，可以形象地反映出体表温度分布，安全可靠，分辨率可达0.1℃，已经在临床、体检中得到应用。它可以反映出皮肤表面的温度分布，可用于诊断体表浅层肿瘤、观察手术后是否有局部炎症、测定药理反映等。另外，临床上还用来测定浅表脉管位置、动脉血栓等。液晶测温液晶体温计某些液晶混合物的特征色随温度变化具有时间滞后的特点，可用来制作液晶体温计。在托板上排布一定数量的条孔，分别注入不同成分的液晶胆甾醇混合物，分别对应于不同的相变临界温度。使用这种体温计时，凡是达到或超过临界温度的测温元件都变成无色透明，而另一些未达到临界温度的测温元件仍保持特征色。从体内取出后，因特征色有一定的滞后时间，用户有充足的时间（通常几分钟）去读取和记录体温。液晶测温03红外温度测量一切物体只要它的温度高于绝对零度，就会不断地发射红外辐射。当物体与周围温度失去平衡时，物体的这种辐射现象表现为发射或吸收红外线。物体红外辐射的强度和波长分布取决于物体的温度和辐射率，而人体的红外辐射波长范围为3~16μm。通过特定的红外探测器可以感受人体红外辐射能量，并获得与体表温度分布相关的热象图。虽然红外辐射的各种效应都可以用来制造红外探测器，但真正能够有实用价值的主要有红外光电探测器（也称量子探测器）和红外热探测器。表征红外探测器的重要指标有归一化探测率、敏感波长范围和响应时间。红外温度测量热探测器利用涂黑的元件，吸收所有的入射辐射，电极、元件的温度升高。所以这种热电转换包括两个主要过程：一是热探测器吸收红外辐射能量后温度升高，且随着辐射功率的变化其元件温度也发生相应变化；第二个过程是利用元件的某种温度敏感特性，将辐射能转变为相应电信号。医学中应用的热探测器主要有热释电探测器和热敏电阻探测器，前面介绍的集成化热电堆也是一种红外辐射温度计。这类探测器是依靠热传输和热平衡来工作的，因而响应比光电探测器要慢得多。红外温度测量热释电探测器热释电晶体的自发极化强度随温度变化（即热释电效应），这种晶体同时又是压电晶体（但压电晶体并不都具有热释电效应）。晶体的自发极化在与自发极化强度垂直的晶体的两个表面上产生符号不同的面束缚电荷，其电荷密度等于自发极化强度P，但平时这些电荷常被晶体内外的自由电荷中和，对外显中性，故不能在静态条件下测量自发极化。只有当晶体经受一定频率温度变化时，其体内和外部的电荷来不及中和变化着的面束缚电荷，才能测出自发极化。红外温度测量红外温度测量图5-30示出了热释电红外探测器的等效电路。红外温度测量图5-31是一种采用热释电元件作为温敏元件的红外探测器。红外温度测量热敏电阻探测器热敏电阻探测器探测率和响应时间均不如热释电探测器。在这里，有必要将光电探测器与热探测器进行比较。热探测器对各种波长都有响应，光电探测器只对它的波长限以下一段波长区间有响应；热探测器可工作在室温下，光电探测器多数需致冷；热探测器探测率一般低于光电探测器，响应时间一般比光电探测器长。另外，使用红外探测器时必须注意中间介质中含有的水蒸汽、CO，、臭氧对红外辐射的吸收影响，选择探测器工作波长时应避开上述几种气体的吸收光谱范围。红外温度测量热敏电阻探测器早期的红外线图像传感器是单元件检测器，用于实时热成像较困难。随着半导体技术的发展，相继出现了一维阵列红外探测器和二维阵列红外CCD热像传感器，使得红外热像传感器更加小型化并提高了性能。04热电式温度传感器的生物医学测量接触式体温测量，是指将热敏电阻、热电偶等传感器与被测部位直接接触，利用热传导作用在被测部位和热敏传感器之间建立热平衡，进而将被测温度转换为可量化的电信号或数据。接触式体温测量接触式体温测量表5-3是常用体温测量部位及其适用场景。热敏电阻R是电桥的一个测量臂，安放在呼吸气流通路上。呼吸气流流过热敏电阻时改变传热条件并使R的阻值随呼吸周期发生周期性变化。热敏电阻式呼吸频率测量上述热敏电阻传感器只能记录呼吸频率，但呼吸流量也是临床上常用的生理参数。差动热敏电阻式呼吸流量测量基于温度变化的血流、呼吸气流生理参数测量热源在血液中的热传导与血液的流速有一定关系，据此可测定血流量的大小。热式血流测量人体表面温度分布情况有着重要的临床价值，可以用于早期发现近表皮恶性肿瘤及转移情况（如皮肤癌、乳癌、甲状腺癌等），协助诊断各种炎症（如胆囊炎、关节炎等）及末梢血管疾病（如血管炎、血管闭塞），测定烧伤度和烧伤面积，观察某些药物疗效等。红外非接触式温度测量一切温度高于绝对零度的有生命和无