人體存在高度精密而復(fù)雜的生物信號(hào),每一種信號(hào)都在傳遞著身體的工作狀態(tài),器官機(jī)能是否正常,呼吸、循環(huán)系統(tǒng)是否健全,人體是否處于一種健康狀態(tài)……隨著信息科技的發(fā)展,在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域,產(chǎn)生了“高端”的醫(yī)生,它們通過(guò)接收人體信號(hào),對(duì)人體信息進(jìn)行檢測(cè),實(shí)現(xiàn)疾病的診斷和防治。
生物醫(yī)學(xué)傳感器好比人的五官,人通過(guò)五官,即眼(視覺(jué))、耳(聽(tīng)覺(jué))、鼻(嗅覺(jué))、舌(味覺(jué))和四肢(觸覺(jué))感知和接受外界信息,然后通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)的“電五官”,他感測(cè)到外界的信息,然后送給系統(tǒng)的處理器進(jìn)行加工處理。如果一個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有傳感器,就相當(dāng)于人沒(méi)有五官。
生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域,也是近年來(lái)迅速發(fā)展的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面,正是由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的緊密結(jié)合,才使得我們?cè)谏镝t(yī)學(xué)信號(hào)特征的檢測(cè)、提取及臨床應(yīng)用上有了新的手段,因而也幫助我們加深了對(duì)人體自身的認(rèn)識(shí)。
生物醫(yī)學(xué)傳感器的認(rèn)識(shí)
傳感器是能感受(或響應(yīng))規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路組成。也可把傳感器狹義地定義為:能把外界非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置。
生物醫(yī)學(xué)傳感器是一類特殊的電子器件,它能把各種被觀測(cè)的生物醫(yī)學(xué)中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測(cè)的電量,擴(kuò)大人地感官功能,是構(gòu)成各種醫(yī)療分析和診斷儀器與設(shè)備的關(guān)鍵部件。我們將生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)中常用的傳感器按被觀測(cè)的量劃分為以下三類:
(1)物理傳感器:用于測(cè)量和監(jiān)護(hù)生物體的血壓、呼吸、脈搏、體溫、心音、心電、血液的粘度、流速和流量等物理量的檢測(cè)。
(2)化學(xué)傳感器:用于生物體中氣味分子,體液(血液、汗液、尿液等)中的PH值,氧和二氧化碳含量(pO2、pCO2),Na+、K+、Ca2+、Cl-以及重金屬離子等化學(xué)量的檢測(cè)。
(3)生物傳感器:用于生物體中組織、細(xì)胞、酶、抗原、抗體、受體、激素、膽酸,乙酰膽堿、五羥色胺等神經(jīng)遞質(zhì),DNA與RNA以及蛋白質(zhì)等生物量的檢測(cè)。?傳感器按尺寸劃分有:常規(guī)傳感器(毫米級(jí),可用于組織檢測(cè)),微型傳感器(微米級(jí),可用于細(xì)胞檢測(cè))和納米傳感器(納米級(jí),可用于細(xì)胞內(nèi)檢測(cè))。
對(duì)傳感器的性能要求
(1)有較高的靈敏度和信噪比。靈敏度高時(shí),輸入較小的信號(hào)即可產(chǎn)生較大的輸出信號(hào)。傳感器輸出信號(hào)電壓與噪聲電壓之比稱為信噪比。信噪比越高,說(shuō)明獲得的有用的輸出信號(hào)就越大,信噪比越小,信號(hào)與噪聲越難分辨,嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)信號(hào)被噪聲淹沒(méi)的現(xiàn)象,無(wú)法獲得有用的信號(hào),測(cè)量無(wú)效。
(2)有良好的線性和較高的響應(yīng)速度?
線性好是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)在規(guī)定的工作范圍內(nèi)與輸出信號(hào)成比例關(guān)系,而不產(chǎn)生信號(hào)非線性失真。響應(yīng)速度快表明輸出和輸入的延遲時(shí)間短、實(shí)時(shí)性好。
(3)重復(fù)性、一致性和選擇性好?
重復(fù)性好是指?jìng)鞲衅鞣磸?fù)使用,其性能不變。一致性好是指?jìng)鞲衅鞯幕Q性強(qiáng),在生產(chǎn)與修理中尤為重要。選擇性好是指?jìng)鞲衅髦粚?duì)確定目標(biāo)的變量有響應(yīng),不受其他變量的影響。
(4)化學(xué)、物理性能好?