2.生物醫學傳感器及信號檢測（測量）2.1傳感器的認識2.2傳感器的特性2.3信號檢測2.4信號放大2.5生物醫學傳感器的特殊性2.6人體信息的檢測與傳感器2.7生物醫學傳感器的地位和用途2.8生物醫學傳感器的干擾和噪聲2.9醫用傳感器的安全性2.10傳感器的標定

2.1傳感器認識

傳感器(Sensor)曾稱為換能器或變送器(Transducer)。國家標準“傳感器通用術語”中的定義：“傳感器是能感受規定的被測量并按一定規律將其轉換為有用信號的器件或裝置”。又指出：“傳感器通常由敏感器件、轉換器件和電子線路組成”。生物醫學傳感器（BiomedicalSensors）是獲取人體或生物體的生理和病理信息的工具，是生物醫學工程學中的重要領域和分支，對于化驗、診斷、監護、控制、治療和保健等都有重要作用。

傳感器的作用，就是替代人的五種感覺(視、聽、觸、嗅、味)器官的裝置，如圖2.1所示。傳感器像人的五官那樣收集所需要的各種信息,這些信息輸入電腦或運算處理電路后,由電腦或運算處理電路進行判斷運算,并輸出各種控制信號去控制執行機構或顯示單元。

廣義傳感器的構成

廣義的傳感器（基本的測量儀器）一般如圖2.2所示。由信號檢出器(敏感器件和轉換器件)和信號處理(信息的運算處理或稱為信號的調理)兩部分組成。信號檢出器件的任務是檢測出測量環境下的被測信號。例如在測量烘烤箱(測量環境)的溫度(被測信號)時，將熱敏電阻(信號檢出器件)插入烤箱中，熱敏電阻的阻值便隨著溫度的變化而變化。這種能感應被測量的變化并將其轉換為其它參數變化的器件，是狹義的傳感器(Sensor)。也就是說信號檢出器就是傳感器。廣義的傳感器（測量儀器）所輸出的信號形式一般為直流電流、直流電壓和數字信號等標準形式；信號處理部分的作用就是將各種傳感器的不同輸出信號形式轉換成所希望的電信號形式。測量儀器也稱為檢測儀器，其輸出可用顯示器顯示或送至控制器用以調節控制，或送至計算機作進一步的信息處理。所以從廣義的角度來說，信號檢出器和信號處理部分總稱為傳感器。此處熱敏電阻傳感器的敏感器件和轉換器件是合二為一的，這是一種特例。在大多數狹義的傳感器中，敏感器件和轉換器件通常是由兩個器件構成的。

被測對象涉及的領域最初的測量對象是長度、體積、質量和時間。18世紀以來科學技術取得飛速發展．被測對象范圍迅速擴大，力學領域有速度、加速度、力、功和能量等．電磁學領域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場等，化學領域中有濃度、成分、pH值等．工業領域中除上所述之外，還有流量、壓力、溫度等被測量。在生物醫學工程領域，被測對象廣泛，有人體的心電、腦電波等體表電位的測量，有心音聲波的測量，有各種生理和病理信息的測量，還有生物體的斷面圖像的測量等等。

2.2傳感器的特性傳感器的輸入設為X（被測信號），傳感器的輸出設為Y，傳感器的靈敏度（比例系數）記為K；則它的特性用函數Y=f（X）的表達為Y﹦KX(2．1)這是理想的線性關系，只能近似成立。因為有避免不了的非線性(Y與X的關系為單調的遞增或遞減函數)和零位輸出(當X=0時：Y≠0)；傳感器在響應被測信號的同時，還受到各環境因素的影響。設各種環境因素以綜合變量N（干擾信號）表示，環境變量有時間、溫度、濕度、振動、加速度、空氣情況等。則傳感器的輸出可改寫為Y﹦f（X，N）(2．2)由于環境是變動的，因此這種變化將影響傳感器的輸出。變量N引起零位輸出的變化，稱為漂移（drift）。由于漂移與傳感器本身的輸出無法區分，因此應盡量抑制。傳感器的靈敏度，也隨環境而發生變化。環境變量中的時間是重要參數，它影響傳感器的穩定性(靈敏度的變化或漂移)。評估傳感器輸出隨時間變化的特性，可用小時穩定性或年穩定性表示；評估傳感器接近理想傳感器的特性，可用線性度表示。此外，還有響應速度、重復、滯后、動態范圍和準確度等的評估指標。應用或設計傳感器時要盡量減小環境變量的影響。2.3信號檢測傳感器的輸出有各種形式:如熱電偶、pH電極等輸出為直流電壓，光電二極管輸出為直流電流，熱敏電阻或應變計(電阻型)、半導體氣體傳感器輸出為電阻值，電感式位移傳感器輸出為電感量,電容式位移傳感器輸出為電容量。另一方面，廣義傳感器的輸出信號須轉化成電壓、電流或數字量。信號處理(signalconditioning)就是通過對信號進行轉換、放大等調理方法，得到輸出是可識別的電信號。這是在測量中使用的共同技術,稱為信號檢測。用電阻式傳感器為例來說明差動法的實現信號檢測的原理。電阻式傳感器的輸出假設為下列線性關系RX=kX+R0(2．4)式中，X為輸入信號，k為比例系數（靈敏度），RX為傳感輸出電阻；R0是當X為0時，Rx的初始電阻；X可以是心音信號,也可以是其它信號，如：力、壓力、加速度、溫度等各種不同的被測信號。需要注意的是對于各種各樣的被測信號，采用電阻式傳感器時，必須根據被測信號的不同種類，選用或設計制造與被測信號相對應結構的電阻式傳感器。電阻（RX=kX+R0）轉換為電壓的簡單電路如圖2.3(a)所示，輸出電壓由式(2．5)表示。

UO=ERX/(R1+RX)（2.5）圖2.3(a)所示的檢測方法：在輸入信號X=0時，由于RX=R0，因此，輸出就存在零位電壓：ER0／(R1+R0)；若增加抵消零位電壓的電路，如圖2．3(b)所示，輸出電壓由式(2．6)表示。

在輸入X=0時：由于RX=R0（

RX=kX+R0），要使零位電壓UO=0；只需取:R0＝R1＝R2＝R3,就可使下式成立，在X=0時零位電壓被抵消。當KX＜＜R0時，結合RX=kX+R0式，就可容易地證明(2．6)式可用下式替代。

上式描述了傳感器電路的輸出信號電壓U0與被測輸入信號X之間為線性關系。由于K，E，R0為已知量，故令：S＝KE/4R0，則(2．8)式變為U0＝S·X(2．9)式中，常數S稱為測量系統（廣義傳感器）的電壓靈敏度（比例系數）。2．4信號放大

傳感器的輸出電壓通常很小(毫伏級)，需要放大到伏級。傳感器的輸出電壓U0可以等效為信號源(電壓源)Us,作為放大器的輸入電壓信號。首先看看放大器輸入電壓信號，作為信號源(電壓源)Us的二種情況。圖2.4(a)為信號源與電阻相串聯的情況，前面的電阻式傳感器的輸出的等效電路屬于此種類型；放大器輸入電壓信號，通常還使用如圖2.4(b)所示的等效電路。這種等效電路有兩個電壓源，電壓信號US的“中間1/2處”對地有一電位UC。因為UC同時加在兩個輸出端故稱為共模(commonmode)電壓；對應的US稱為差模或常模(normalmode)電壓，且Rs1=Rs2。在人體的心電或腦電波的測量中，電極(傳感器)間的電壓信號就是這種情況。傳感器的輸出所產生的共模電壓UC，通常是環境干擾和器件本身造成的。

放大器的輸入電壓記為Us，輸出電壓記為U0，它的輸出和輸入為一元線性函數關系U0＝f（Us），其表達式如下U0＝G·Us（或：G＝U0/Us）；G為比例常數，稱為電壓放大倍數；G取正數或負數，由具體放大器所決定,下面用G≥1的放大器討論。

圖2.5所示，三角形符號表示集成運算放大器器件，具有“+，-”兩個輸入端，放大后的輸出電壓為U0，U0以地線“⊥”為參考點輸出。圖2.5（a）放大器，在R2≠0時：G＝U0/Us＝1+R1/R2；圖2.5（b）差動放大器，在R1≥R2，R2≠0時：G＝Uo/Us＝R1/R2；

圖2.5(a)是簡單的電壓放大器,它適用于輸入沒有共模電壓的電壓信號源的情況。圖2.5(b)是差動放大器的基本電路，當輸入信號存在共模電壓時，差動放大器僅對差模電壓進行放大，由于U1=Uc+Us/2,U2=Uc-Us/2,電路的結構有U1-U2=Us，可見共模電壓被消掉了，僅有差模電壓Us得到放大，因此它廣泛用于輸入電壓信號源存在共模電壓時，對差模電壓信號的放大。

2.5生物醫學傳感器的特殊性

生物醫學傳感器是在工程學與生物醫學相結合的基礎上發展起來的。生物醫學傳感器的設計與應用必須考慮人體因素的影響及生物信號的特殊性；必須考慮生物醫學傳感器的生物相容性(植入人體內材料與生物體相互作用問題)、可靠性、安全性；必須考慮使用對象的特殊性及復雜性等，這是生物醫學傳感器與工業傳感器的顯著區別。生物醫學傳感器的使用對象極為廣泛，有醫生、護士、患者，從男到女，從少到老。使用環境亦是多種多樣，體內、體外、醫院、家庭、野外，甚至太空等等。這就要求生物醫學傳感器的設計應能分別適應各種對象和環境。例如，對少兒用傳感器，應更多地考慮如何使測量變得安全、簡單而易于接受，如何避免意外情況發生，如兒童誤食或摔打傳感器等；對家庭用傳感器則應考慮使用成本及質量等。總的說來，和一般工業用傳感器相比生物醫學傳感器應更注重使用方便、舒適、穩定、可靠、安全、耐用、快捷。

2.6人體信息的檢測與傳感器

最身邊的測量對象就是我們人類，傳感器可取得人的多種狀況和數據，人就能以更自然的方式使用計算機。這種系統利用網絡可實現遠程醫療和遠程會議。2.7生物醫學傳感器的地位和用途

生物醫學傳感器的作用是將被測的生理參數轉換為與之相對應的電學量輸出，以提供生物醫學基礎和臨床診斷的研究與分析所需的數據。隨著科學的發展和其他學科的滲透以及生物醫學學科的進步，使醫學科學進入到一個定量醫學新階段。從定性醫學到定量醫學的發展過程中，傳感器起了重要的作用。它延伸了醫生的感覺器官，擴大了醫生的觀察范圍，并把定性的感覺擴展為定量的測量。2.8生物醫學傳感器的干擾和噪聲

生物醫學信號大都是很微弱的低頻信號，如果傳感器沒有任何干擾和噪聲存在，則不管信號多么微弱，總可以用適當的傳感器和高倍數的放大器將信號檢測出來。實際上傳感器總是存在著一定噪聲的，外界干擾也是普遍存在的，對于微弱的生物醫學信號的測量，各種干擾和噪聲尤其容易串入，且其幅度常常超過了被測信號。因此，干擾和噪聲的抑制和消除是傳感器設計時要解決的一項關鍵問題。這方面的創新有可能導致新的測量方法與技術的誕生。

在研制和使用醫學電子儀器時，既要考慮到電子儀器在診斷或治療中的有效性，又要考慮到對人體的安全性。由于醫療儀器使用的對象是人體，并且主要是病人，而病人往往處于脆弱狀態，甚至處于失去知覺狀態，因而儀器的安全性就具有重要的意義，因為涉及到生命安全。

生物醫學傳感器是用于生物體的，除了一般測量對傳感器的電氣安全（絕緣性能）要求高外，還必須考慮到生物體的解剖結構和生理功能，尤其是材料的安全性問題更應特別重視。2．9醫用傳感器的安全性傳感器的標定是指一個傳感器裝配完成后，要用精度足夠高的基準設備對傳感器的輸入—輸出信號的函數關系進行校驗的過程，從而得出輸入與輸出函數關系的具體表達式。傳感器的標定通常采用靜態的標定方法，將基準設備產生的已知被測量作為傳感器的輸入，然后測量傳感器的輸出，如果傳感器的輸入—輸出信號的函數關系是線性的，則單點標定就足夠了；如果傳感器的輸入—輸出信號的函數關系是非線性的，則需要進行多點標定，以獲得一組標定曲線，建立輸入—輸出信號的非線性的函數關系。2．10傳感器的標定9、青少年是一個美好而又是一去不可再得的時