生物医学传感与检测原理 课件 第3、4章 医用电极与生物电效应测量、生物力学效应的传感与生理信号检测

医用电极与生物电效应测量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三章01生物电效应概述我们的身体是由不同生物组织形成具有生理功能的器官和系统构成的，生物组织、器官、系统的生物活性和生理过程是生命活动的最重要表现。一方面，生理过程伴随着由细胞膜离子通道及其膜电位变化所引起的生物电活动；另一方面，生物组织作为一种特殊介质，与其他物理介质一样具有导电性能，内在生物电或外加电信号（电流、电压）也将在组织中进行传播。因此，生物体具有电生理活动、电信号耦合两种主要的生物电效应。生物电效应概述生物电的形成细胞水平的生物电现象主要有两种表现形式，即细胞在安静时具有的静息电位和细胞受到刺激时产生的动作电位，体内各种器官或组织所表现出各种形式的生物电现象，都可以根据这两种细胞电现象来解释。常见电生理信号心电图（electrocardiogram，ECG）指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记仪从体表引出多种形式的电位变化的图形。生物电效应概述生物电效应概述动作电位的产生（如图3-1）。生物电效应概述心电图如图3-2所示。生物电效应概述脑电图（electroencephalogram，EEG）是通过脑电图描记仪将脑自身微弱的生物电放大记录成为一种曲线图，以帮助诊断疾病的一种现代辅助检查方法，如图3-3所示。脑电图主要用于颅内器质性病变（如癫痫、脑炎、脑血管疾病及颅内占位性病变等）的检查。脑电图极易受各种因素干扰，应注意识别和排除。生物电效应概述生物电效应概述肌电图是采用肌电检测系统记录肌肉静止或收缩时的电活动，并应用电刺激检查神经、肌肉兴奋及传导功能的方法，可以确定周围神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态，如图3-4所示。肌电图通过测定运动单位电位的时限、波幅，安静情况下有无自发的电活动，以及肌肉大力收缩的波形及波幅，可区别神经原性损害和肌原性损害，诊断脊髓前角急、慢性损害，神经根及周围神经病变；对神经嵌压性病变、神经炎、遗传代谢障碍神经病、各种肌肉病也有诊断价值。此外，肌电图还用于在各种疾病的治疗过程中追踪疾病的恢复过程及疗效。生物电效应概述02生物电信号的医用电极测量原理医用检测电极医用检测电极是应用最广泛的医用电极，从测量方式上可分为体表电极、植入电极两种不同类别。以下将介绍其工作的电化学原理，以及不同类型的医用检测电极及其主要特点。医用检测电极的电化学原理生物电位测量在生物医学基础研究和临床应用中发挥着重要作用，它通过电极把待测部位组织或细胞的电位引导到检测系统加以测定，因此，电极是连接测量系统和生物体的关键元件。医用检测电极将生物电化学活动形成的离子电流（电位）转化为电子测量系统的电子电流（电位），通过测量电极将生物组织和测量仪器形成闭合回路，在电极生物组织界面上实现离子电流到电子电流的转换或电子电流到离子电流的转换。医用检测电极医用检测电极图3-5所示是生物电信号检测的生物组织电极测量电路的电流回路示意图。不同类型的医用检测电极医用检测电极按尺寸大小可分为宏电极和微电极。其中，宏电极（macroelectrode）是指外形较大的电极，主要用于测量生物体较大组织范围生物电位，常用于检测记录机体器官、组织整体的电活动，又分为体表电极和体内电极；微电极（microelectrode）用于测量局部组织的细胞外电位变化，其尖端细小，包括金属微电极、玻璃微电极。医用检测电极浮式电极。常用体表电极干电极。金属板电极。吸附电极。柔性电极。医用检测电极医用检测电极图3-6、图3-7给出了两种常见体表电极的样式。医用检测电极浮式电极，如图3-8所示。医用检测电极一种心电检测用的绝缘干电极如图3-9所示。医用检测电极柔性电极如图3-10所示。医用检测电极根据形态的不同，针电极可以分为不同的种类，如图3-11所示。电极极化在工作状态下，电极总是与生物组织之间建立了直接或间接联系，与电极直接接触的是人体汗液、组织液或导电膏等电解质溶液，因而形成了一个电极电解质溶液界面，电极与电解质溶液发生着电化学过程。电极极化对生物电位测量的影响在生物电位测量时，由于电极极化的影响，电极所拾取的电位信息与真实的生物电位之间可能存在差异。电极生物组织界面电极生物组织界面图3-12可模拟电极与生物组织之间的导电介质，这里以银电极板代表检测电极。极化电极和非极化电极不同材料制成的电极其极化特性可能不同，电极因此也可分为极化电极和非极化电极。1）极化电极在给电极施加电压或通过电流时，电极电解质溶液的界面上无自由电荷通过、但有位移电流通过的电极，称为极化电极。2）非极化电极不需要能量，电流能自动通过电极电解质溶液界面的电极，被称为非极化电极。电极生物组织界面医用电极的测量电路电极阻抗特性在以电极和测量系统对生物电进行测量时，电极自身阻抗、生物组织阻抗、电极-电解质溶液界面等处的阻抗特性都将影响回路响应特性，进而成为影响生物电测量的重要环节。医用电极的测量电路电极前置放大电路在生物电测量回路中，生物组织、电极及二者之间的电解质溶液（导电膏、组织液等）可看成整个测量系统的信号输出端，为测量电路提供了“信号源”。医用电极的测量电路有源电极及其调理电路一种静电型绝缘干电极，因其借助绝缘层检测皮肤表面的电位，不需要用导电膏，所以被称为绝缘干电极或绝缘电极。微电极金属微电极是一种除尖端外，其余部分用绝缘材料涂敷的高强度金属细针（见图3-18）。微电极玻璃微电极常用玻璃毛细管拉制而成，其结构如图3-19所示。MEMS微电极阵列微电极阵列是利用微加工技术构建的将多个微电极集成在一起，用于实现对生物组织进行多点同时检测或多点同时刺激的微型器械，它在神经电生理、脑机接口、感觉/运动神经功能恢复、药物缓释、人工电子耳蜗、生物芯片中有广泛应用。微电极电极-皮肤界面和运动伪迹在皮肤表面记录生物电信号时，常用富含Cl的导电膏在电极和皮肤之间进行物理耦合，这时有两个界面需要考虑，一个是前面提到的电极电解质溶液界面，另一个是导电膏与皮肤组织之间的界面。当一个可极化电极与电解质溶液接触时，在界面上形成双电层；如果电极相对于电解质溶液运动，则会扰乱界面处的电荷分布，使得半电池电势产生瞬间变化，直到重新建立新的状态。生物电检测的干扰生物电检测的干扰市电工频干扰生物电测量中的市电工频干扰包括差模干扰和共模干扰两种，其主要来源有三个方面：①市电与电极导线之间杂散电容引入的干扰；②由于身体一部分与仪器外壳接触时形成的直接进入人体的干扰；③分压效应所形成的干扰。生物电检测的干扰经电极导线引入的工频干扰如图3-25所示。03医用电极的电生理信号检测心脏在每个心动周期中，起搏点、心房、心室相继兴奋都会伴随着生物电的变化。心电信号的产生是由于心脏周围组织和液体都能导电，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表，进而在体表许多点之间形成电位差或等电位。心电信号（临床上常称为心电图）就是将这些电位差随着时间的变化记录下来。心电信号检测心电信号检测肢体导联I、II、III导联又称标准肢体导联，拾取的是体表心电在两肢体之间的电位差，肢体电极有左臂（LA）、右臂（RA）及左腿（LL）。但是标准肢体导联不能记录到单个电极处的电位变化。电极放置在远离心脏的肢体上，作为参考电极。心电信号检测胸导联探测心脏某一局部区域电位变化的过程，必须用单极导联系统，即一个电极安放在靠近心脏的胸壁处，称为探查电极，探查电极所在部位的电位变化即为心脏局部电位的变化，此时可以获得较大幅度的心电波形，有利于临床观察。胸前电极数目越多，就能获得越多的心电信息。头皮脑电EEG脑电（EEG）是指按照时间顺序，在头皮表层记录下的由大脑神经元自发性、节律性运动而产生的电位。脑神经电信号检测脑神经电信号检测国际脑电图学会制定了统一的10-20国际脑电记录系统（见图3-29）。脑神经电信号检测图3-30给出了不同尺度的脑神经信号的空间分辨示意图。人体中的每个肌细胞（又称肌纤维）都受到来自运动神经元轴突分支的支配，只有当支配肌肉的神经纤维兴奋时，动作电位通过神经传递给肌肉，才能引起肌肉的兴奋。一个单独的运动神经能够支配多个肌纤维，一个运动神经元和它所控制的肌纤维组成的兴奋收缩耦联单位称为一个运动单元。虽然每个纤维产生并传导的电冲动十分微弱，但众多纤维同时传导，将在皮肤上产生足够大并可以被检测到的电位差，我们称之为肌电信号。肌电信号检测肌肉收缩时，中枢神经系统将运动指令以神经冲动的形式传递给运动神经元，使其控制肌肉收缩。双极性表面肌电记录肌内肌电是将针电极插入皮下骨骼肌肌腹内记录到的运动单元电位，通常是插入肌腹电极的针尖与较远处另一表面电极G2之间的电势差。植入式肌内肌电记录不论是双极性表面肌电还是植入式肌内肌电，传统的表面肌电记录方法只能获取电极所在位置肌电活动信息。阵列肌电记录肌电信号检测皮肤电测量常用皮肤电的测量位置包括：（1）在左手的食指和中指的中间部位擦拭导电膏，缠绕正负贴片传感器；（2）在左手的食指和中指的末梢部位擦拭导电膏，缠绕相反电极传感器：（3）在左手的鱼际和小鱼际部位擦拭导电膏，贴上相反电极贴片传感器。其他电生理信号的表面电极检测胃电信号测量胃是人体的主要消化器官，其功能的强弱直接影响着人体的健康。1921年美国Texas大学研究人员用线电流计在腹壁首次记录到胃电信号。可在体表检测到胃电图（electrogastrogram，EGG）。其他电生理信号的表面电极检测心阻抗测量心阻抗图（ImpedanceCardiogram，ICG）又称心阻抗血流图，是利用电生物阻抗技术测定心输出量，评判心脏功能的无创性检测方法。与心电图、心音图同步记录，还能测定心脏收缩和舒张时间间期、血管总外周阻力等。与有创性检测方法相比较，ICG具有无创、安全、简便、可连续动态观察等优点。其他电生理信号的表面电极检测生物力学效应的传感与生理信号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四章01生理活动的生物力学效应生命在于运动，生物力学效应是生命活动中普遍存在的一种与生理过程紧密相关的现象，它表现为细胞、组织、器官、系统等不同尺度的形变、运动。对人体而言，血液循环、呼吸、消化、肌肉收缩与肢体运动等几乎所有生理过程中都伴随着生物力学效应，生理活动的功能状态也体现在相应的生物力学参数的变化上。检测分析生理过程的生物力学参数，一方面可定量地认识生理过程及其生命活动规律，同时也能有效地评估生理状态，为疾病诊断和健康状态评估提供重要依据。因此，基于生物力学效应的传感检测技术是生物医学工程的重要组成部分。生理活动的生物力学效应肢体运动的生物力学效应运动功能是人体最基本的生理功能之一，人体运动是在神经、肌肉、骨骼、关节以及外在环境协同作用下的生理活动，由内控肌力作用到关节、骨骼并与环境对象进行力学交互。人体运动既表现为肢体、关节的运动学参数，也体现在肌肉作用于骨骼、身体作用于环境对象的动力学过程中，检测分析肢体运动的生物力学参数是认识运动生理功能、掌握运动功能状态、诊断运动功能障碍的重要医学工程途径。生理活动的生物力学效应广泛应用于运动功能障碍检测、运动损伤及康复评估、体育运动训练优化等。肢体关节运动学参数可用于评估睡眠过程、预测长期卧床可能形成的组织损伤（褥疮等）。肢体关节与环境对象的作用力可用于评价肌肉收缩状态，帕金森病会引起病理性震颤等。振动效应生理活动的生物力学效应生理活动的生物力学效应血液循环的生物力学效应血液循环是通过心脏、血管的收缩、舒张作用控制血液在全身流动，其生物力学效应一方面表现为心脏、血管及血液组织自身的应变、粘弹性等力学特性；另一方面也表现为心脏收缩、血液流动的动力学特性，二者相互影响，相互制约。测量血液循环的生物力学参数是诊断心脑血管疾病的重要临床手段。是指血液在血管内流动时作用于血管壁的侧压力，它是推动血液在血管内流动的动力。血压是指由心肌收缩、心脏瓣膜关闭和血液撞击心室壁、大动脉壁等引起的振动所产生的声音。心音是心脏周期性搏动（振动）沿动脉血管和血液向外周传播而形成的。脉搏波生理活动的生物力学效应消化、呼吸等生理过程的生物力学效应人体的消化、呼吸功能都依赖复杂的腔道系统，其中消化系统的主要力学效应是胃/肠蠕动、消化道内容物在其中的传送；呼吸系统的力学效应是气体在呼吸道的流动和容积动态变化等。生理活动的生物力学效应肠鸣音当肠管蠕动时，肠腔内气体和液体随之流动，产生一种断续的气过水声（或咕噜声），称为肠鸣音。肺部哕音听诊呼吸音时，当空气通过含有分泌物的气管或因痉挛、肿胀而狭窄的支气管时，在呼吸音的基础上，又听到一种附加的呼吸杂音，即哕音。生理活动的生物力学效应02电阻式传感器及其生物力学效应的生理参数测量电阻式传感器是把非电量（如位移、力、振动和加速度等）转换为电阻变化的一种传感器。电阻式传感器在生物医学测量中应用非常广泛，可用于测量血压、脉搏等生理参数。按其工作原理可将电阻式传感器分为电位器式、电阻应变式和固态压阻式传感器。电阻式传感器原理电位器式传感器是将位移或其他能够形成位移变化的物理量转换为电阻分压比和电阻变化的传感器。其特点是结构简单，稳定性和线性较好，受环境影响小，输出信号大，可作任意函数特性输出，适用于较大位移量的测量。电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种用途很广的传感器，它由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成，当弹性元件受力变形时，粘贴在其表面的电阻应变片也随之变形，并产生相应的电阻变化，从而实现测量。电阻式传感器原理固态压阻式传感器1）压阻效应与压阻式传感器；2）扩散型压阻式传感器。电阻式传感器的测量电路测量电路的作用是将电阻式传感器的电阻变化转换为电压或电流的变化，以便显示和记录。有时电阻式传感器的电阻变化很小，因此测量电路中必须有放大器，才能观察到微弱的电阻变化。将电阻变化转换为电压变化的常用电路有两种：一种是电位计式电路，另一种是电桥电路。电阻式传感器的测量电路电位计式电路如图4-19所示。电阻式传感器的测量电路（1）恒压源电桥是用得最普遍的一种电路，如图4-20所示。电阻式传感器的测量电路（2）恒流源供电的电桥如图4-22所示。上下肢对外作用力的测量利用电阻式传感器测量人体对外作用力时，人体对外作用力通过一定介质耦合到传感器的敏感元件上，相应的作用力将引起传感器的电阻变化，进而得到与作用力参数（大小、方向）所对应的电信号。常见的人体对外作用力测量包括以下两种。（1）足底压力测量；（2）手指抓握力测量。电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量2.（1）直接测量血压时，采用导管经皮插入体内待测的血管或心脏部位，通过导管内的液体将血管或心脏压力耦合到体外的测量系统（见图4-25、图4-26）。电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量（2）间接测量间接测量血压是指在体外对动脉血管施加压力，通过传感器测量出血管内血流与外部压力之间的对应关系，从而得到血压数值。电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量临床上长期使用的水银血压计就是利用这种血压测量原理制成的，如图4-28所示。（3）自动血压间接测量虽然水银血压计能得到准确的血压值，但其更适合有专业知识的医护人员使用。于是出现了使用便捷、适用范围广泛、自动化程度高的电子血压计，包括上臂式电子血压计和腕式电子血压计，其充气和放气过程由传感器、控制电路及充气腕共同配合自动完成。电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量其中气体压力传感器能将血管在袖带压力变化过程中的压力信号转换为电信号。呼吸频率通常用于监测、评估大运动量后运动员的呼吸系统的适应能力、呼吸功能障碍患者在正常和患病状态下呼吸频率的变化。呼吸频率测量当呼吸气流从缝隙流过时，弹簧片因受力而发生形变，引起应变电阻丝的阻值变化。呼吸流量测量电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量图4-32是临床上用到的一种应变式呼吸流量传感器结构图，其敏感元件是固定在圆形边框上的8个金属弹簧片，每个弹簧片上贴有应变电阻丝（4个贴在正面，4个贴在反面）。03电容式传感器及其生物力学效应生理参数测量电容式传感器原理极距变化型电容式传感器的结构可用图4-33简单描述。电容式传感器原理改变极板间相对有效面积的电容式传感器，其原理结构如图4-34所示。电容式传感器原理介质变化型电容式传感器的原理结构图如图4-35所示。电容式传感器测量电路交流电桥测量电路这种测量电路实际上是一种调幅电路，在电路的输出端取出幅度被调制了的正弦信号，其幅度的变化量正比于被测非电量，再使调幅信号通过检波器，就可得到相应的电压信号。电容式传感器测量电路图4-36是交流电桥测量电路的一种形式。电容式传感器测量电路谐振法测量电路谐振法是一种简单的测量方法，利用LC谐振电路在谐振点附近的电压电容特性来检测出电容增量。电容式传感器测量电路其基本原理如图4-37（a）所示（一般采用松耦合）。图4-37（b）为次级端的等效电路。电容式传感器测量电路调频鉴频法测量电路是目前性能较好、较常用的测量电路，它的工作原理如图4-39所示。电容式传感器测量电路脉冲调制测量电路的一种常用形式是差动脉冲调宽电路，其原理如图4-43所示。电容式传感器的生物力学效应生理参数测量1.电容式微音器的结构原理如图4-45所示。电容式电子听诊器听诊器作为医生常用的医疗工具，是诊断心血管系统疾病、呼吸系统疾病的重要手段之一。传统声学听诊器已有200多年的历史，其声学性能不断提高，使之成为不可或缺的医疗器械。传统听诊器需要医护人员依靠临床经验捕捉特定的心肺音声音特征，难以定量评估；近年来出现了电子听诊器，其基本原理是利用传感器将心肺音的机械振动转换为电信号，经调理、放大电路对信号进行处理，再转换为数字信号，从而提取心肺音信号特征。电容式传感器的生物力学效应生理参数测量电容式传感器的生物力学效应生理参数测量2.图4-48所示是在体外循环血泵中，根据电容量变换原理测定心输出量的装置。电容式传感器的生物力学效应生理参数测量图4-49所示为一种可用于血压测量的电容式传感器结构。04压电式传感器及其生物力学效应生理参数测量压电材料及其压电效应某些电介质，在沿一定方向上受到外力的作用而产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当去掉外力后，又重新回到不带电的状态。这种将机械能转换为电能的现象，称为“顺压电效应”。压电式传感器原理相反，在电介质的极化方向上施加电场，使其产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。转换性能：要求具有较大的压电常数。机械性能：压电材料作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适用性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。压电式传感器原理压电式传感器原理从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它的晶面分别平行于x轴、Y轴、Z轴，如图4-50所示。压电式传感器原理钛酸钡压电陶瓷的电畴结构示意图如图4-52所示。压电式传感器设计1）压电式压力传感器利用压电元件做成力-电转换元件的关键是选取合适的压电材料、变形方式、机械串联或并联的晶片数、晶片的几何形状和合理的传力机构。压电式传感器原理2）压电式加速度传感器如前所述，压电式传感器的高频响应性好；若配备合适的电荷放大器，低频段可低至0.3Hz，所以常用来测量动态参数，如振动、加速度等。压电式传感器原理图4-53是测量均布压力的传感器结构图。3）压电阻抗头上文分别介绍了压电式压力和加速度传感器。在机械阻抗的测量中，力和运动的响应是用压电阻抗头测得的，它是把压电式力和加速度传感器组合为一体的传感器。电容式传感器的生物力学效应生理参数测量3.聚偏二氟乙烯（PVDF）压电式传感器前面介绍的石英和压电陶瓷等压电材料具有转换效率高、刚性好的特点，但这些材料脆，不能构成大面积阵列器件。作为一种新型高分子传感材料，聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜能克服这一缺点。1969年Kawai发现其具有