生物医学传感器复习资料

第一章传感器与生物医学测量（1）国家标准(GB7665—87)关于传感器的定义，传感器的组成部分及其作用。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。传感器的组成：敏感元件，转换元件，信号调节转换电路，辅助电源传感器的作用：将一种能力转化为另一种能量形式。（2）生物医学测量仪器的三个主要部分及其所起作用。传感器和电极放大器和测量电路数据处理和显示装置(现代生物医学测量仪器已包括治疗仪器组成完整的生物医学仪器，也包括基于网络的数据传输部分。)（3）常见生理参数的测量范围（心电，脑电，肌电）心电图ECG:（所用传感器）体表电极(幅值)50uv—5mv(频率)0.05—100Hz脑电图EEG:头皮电极2—200uv0.5—100Hz肌电图EMG:针电极20uv—1mv10Hz—20kHz（4）通过人体的低频电流（直流～1KHz）对人体的作用有三个方面。产生焦耳热；刺激神经、肌肉等细胞；使离子、大分子等振动、运动、取向。第二章生物电信号的特征（1）什么是膜电位？静息时细胞膜内外常见离子浓度情况如何？膜电位（membranepotential）：在可兴奋组织（如神经，肌肉或腺组织）的细胞膜内外，存在着不同的带电离子。膜外呈正电，膜内呈负电，存在着一定的电位差。平时呈现静息电位,细胞膜内介质的静息电位约为-50mV～-100mV，细胞内带负电,细胞外带正电。（静息电位（restingpotential）：是指细胞未受刺激时的膜电位，即处于静息状态下，细胞膜两侧存在的电位差。）静息时:K+的膜内浓度比膜外高30倍;Na+的膜外浓度比膜内高10-15倍;CL-的膜外浓度比膜内高4～7倍;Ca2+的膜外浓度比膜内高104倍;蛋白质阴离子的膜内浓度比膜外高等由此可知,膜内外的K+、Na+、CL-、Ca2+等离子之间各有一定的浓度差形成浓度梯度。（2）能斯特(Nernst)方程以及利用能斯特方程求静息时K+的平衡电位εk。（式中ε为扩散电位差，生理学上为膜两边的跨膜电位）例子：已知人体神经细胞内、外K+的有效浓度分别为[K+I]和[K+o]（单位为mol/L），则根据Nernst方程式计算出K+的平衡电位εk:k=1.38x10-23J·K-1)，T为绝对温度(K)，Z=+1，e=1.60x10-19C在人体体温(37℃)下，若将各项值代入，则Nernst方程式可化为:代入表2.1给出参数,得εk=-89mV,理论计算值与实测结果（－86mV）很接近。（3）细胞膜的模拟等效电路细胞膜等效电路为电容和电阻并联形式。例子：若细胞膜面积S=5x10-6cm2,厚度d=10-6cm,ε=3.26膜的电容值：dSC4=1.3pF=1.3×10-12F(法拉)若已知膜电位为V=-86mV，代入公式Q=CV,可求得应带的电量为Q=1.3×10-12×0.086=1.1×10-13库仑(C)。这些电量应是Q/e个K+离子所有,已知e=1.6×10-19库仑（即K+离子的电量）,得参与扩散的K+离子数应为：Q/e=6.9×105。已知典型的细胞体积为10-9cm3,K+离子的浓度约为0.14克分子/升,或每立方厘米约有0.14×6×1023/1000≈1020个离子。照此计算,每一细胞内就有：1020×10-9=1011个K+离子,其中只有6.9×105个K+离子向膜外扩散（4）什么是动作电位，动作电位在去极化和复极化过程中各个时期的特点（包括时程，电位幅度，K+、Na+、Ca2+离子运动情况）。心肌细胞受到窦房结发来的电脉冲剌激时(阈剌激),受剌激部位膜电位将发生短暂的电位变动，最初膜电位升高,接着慢慢恢复到原来静息电位水平。这个过程经历300ms时程,膜电位的变动,生理学上称为“动作电位”。1.去极化：去极化即除极,是动作电位的0期。（当可兴奋的细胞受到外界剌激,如给它以电剌激,剌激电流从膜内流向膜外,因此膜的极化状态减弱,称之为去极化。）表现：去极化达到一定临界水平,即阈电位,便产生兴奋。这时细胞膜的极化现象消除,出现膜内为正、膜外为负的反极化状态:在短时间内由-50mV—100mV变到+20mV—+40mV,构成动作电位上升支(去极相)。快钠通道“开放”，Na+通过快钠通道,向膜内迅速扩散,使膜电位升高得很快,最快变化率可达800v/s,上升幅度大(-80mV至＋30mV)。特点：对于心肌细胞,此期历时很短,仅1～2ms。2.复极化：是从去极化电位达到正峰值后开始,一直恢复到静息电位水平状态之间的过程。（动作电位的产生,取决于细胞膜两边的电压和膜对于Na+、K+随时间变化的通透性。）1期:亦称快速复极初期，Na+向内扩散减慢,而K+的向外扩散则缓慢地上升,两者达到动态平衡。膜外CL-浓度高于膜内4～7倍,而且此时膜内电位为正,高于膜外,故CL-借助于浓度差和电位差两者的作用而大量向内扩散,使细胞内的电位逐渐降低。1期占时平均约10ms。2期:缓慢复极期或平台期，胞外Ca2+浓度比细胞内高得多，此期慢钙通道‘早已开放’,并且开得很大，Ca2+在浓度梯度作用)(][][lg3.2mVKKeTOIk)(][][lg51.61mVKKOIk下经过慢通道而缓慢地向内扩散。少量Na+缓慢内流，使膜电位复极受阻。因而使复极过程停滞在0电位水平。2期占时约100ms。3期:“快速复极末期”，是复极化的主要过程。主要是由K+的外流而造成的。由于K+外流的增加和慢通道的失活,Ca2+和Na+内流减少,因而K+外流不再与Ca2+和Na+内流平衡,致使膜电位较快地下降而形成复极3期。此期历时约100～150ms。从0－3期,对应着心肌的收缩期。不需消耗外部能量,故称为被动传输过程。4期:“舒张期”或“静息期”，要依靠钾-钠泵的作用,将向外扩散的K+和向内扩散的Na+逆浓度梯度分别驱回膜内和膜外,恢复到静息期的极化状态。对应心肌的舒张期,使膜复极化完毕和膜电位恢复到静息水平。它需要外界供给能量才能维持,故称为“主动传输”过程。（5）动作电位的主要特征参量:动作电位幅度(APA)静息膜电位(RP)动作电位时程(APD):从去极化到复极化后静息电位的时间间隔。常用APD90（达到峰电位百分之九十的时间）。有效不应期(ERP):细胞膜从去极化开始后,必须经过一定时间。才能下一次去极化,产生可传播动作电位,该时间间隔称为有效不应期。（6）相对不应期与绝对不应期：绝对不应期是指动作电位去极化进程中，无论用如何强的刺激都不会引起新的动作电位。相对不应期是指绝对不应期以后的一段短时间，用很强阈上刺激可在该处引起动作电位，但其动作电位最大振幅变小，这个时期为相对不应期。连续刺激产生兴奋的最小时间间隔是取决于不应期大小。*（7）动作电位的特性：1.全反应或无反应；2.无衰减传导；3.兴奋响应的不应期。第三章生物医学传感器基础（1）生物医学传感器根据主要特点分为哪几类。（2）医用电极按工作性质可分为哪两类:分为检测电极和刺激电极两大类。检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。需用电极把这个部位的电位引导到电位测量仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的电极。剌激电极是个执行元件。（3）什么是电极电位，电极的极化和极化电位又是什么。电极电位:金属与溶液之间的界面电位差称为电极电位,又称半电池(half-cell)电势。电极的极化:是指电极与电解质溶液的双电层界面在有电流通过时,电极-电解质溶液界面电位从原有平衡电位变化为新电极电位，该极化电位与通过电流密度有关。极化电位:就是电极在通过电流后的电极电位，分阳极极化电位和阴极极化电位。极化现象:将有电流通过的电极电位与无电流的平衡电极电位的偏离现象称为极化现象。(4）制作Ag/AgCl电极的方法:电解法和烧结法1.电解法制作Ag/AgCl电极装置:由反应式可知，要镀AgC1层的银电极作为阳极:表面积较大的银板作为阴极，供给镀银:1.5V电池作为电源,串联电阻R用以限制峰值电流。电流表I用来观察电流以便控制电极反应速度。电流密度约以5mA/cm2为宜。2.烧结法制作Ag/AgCl电极：将净化的纯银丝放在模具内,再填满银和氯化银粉末的混合物,用扳压机加压,压成圆柱体,然后再从模具中取出,在400℃的温度下烘几个小时,便制成一个银导线四周包围着烧结的Ag和AgCl圆柱体的Ag/AgCl电极。这种方法制作的Ag/AgCl电极不怕磨损,便于保存,成本低。Ag/AgCl电极称为可逆变电极（5）传感器静态特性表征的重要指标：静态特性——当传感器输入、输出不随时间而变化时，其输出-输入特性。指标有：1.灵敏度：传感器输出量的变化和输入量的变化之比。xyS2.线性度（非线性误差）：测量系统的标定曲线对理论拟合直线的最大偏差与满量程之比。3.回程误差（迟滞性）：回程误差表明的是在正反行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度4.重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。5.精度：指传感器输出结果的可靠程度。此外，传感器的静态参数指标还有分辨力、零点漂移、温度漂移，测量范围等。第四章物理传感器与检测技术（1）电阻应变效应。拉伸金属导体产生应变,在拉伸比例极限内,金属导体电阻相对变化率与轴向应变成正比,即：其中，R：无应变电阻值;dR：产生应变时电阻变化量;ε:轴向应变(ε=dL/L);k0:金属材料的灵敏系数。（2）电阻式传感器按材料不同分为两大类:金属电阻应变式传感器,半导体压阻传感器。金属材料和半导体材料的灵敏系数k0受哪两个因素影响，占主导地位的分别是哪个因素（尺寸效应，压阻效应）？金属材料和半导体材料的灵敏系数k0它受两个因素影响：1.是受力后材料几何尺寸变化所引起，即(1＋2)项；2.是受力后材料电阻率变化所引起的，即(d/)/项。金属：电阻率变化是因材料发生变化时，其自由电子活动能力和数量均发生了变化的缘故，实际上也是因体积变化而造成的，即尺寸效应是占主导地位的因素。半导体：半导体材料在机械应力的作用下,使得材料本身的电阻率发生了较大的变化,这种现象叫做压阻效应。占主导。（3）电阻应变片的结构种类。应变片的灵敏系数与金属材料的灵敏系数哪个更大，为什么？（a）丝式应变计；（b）短接式应变计；(c)箔式应变计。应变片的灵敏系数:应变片灵敏系数是k值小于线材灵敏系数k0。k又称为标称灵敏系数。即，金属材料的灵敏系数更大。（4）应变片电阻随温度变化必造成误差,称这种误差为应变片的温度误差。在测量中应进行温度补偿。补偿的方法有哪两种？(a)同步补偿：把受力的应变片贴在受力件上,把补偿片贴在不受力但环境温度相同的材料上,然后接入电桥线路相邻的桥臂上,因而相互补偿。电桥输出将只反映应变的大小,而与温度无关。(b)差动补偿：将工作应变片贴在上表面,把补偿片贴在对应的下表面上,弯曲时,工作应变片电阻值减小,补偿片电阻值增大,两个电阻接在电桥的相邻两臂。其结果:使电桥的输出增加一倍,提高了输出灵敏度,上下温度一致，补偿了环境温度造成的误差。（5）电阻应变片传感器的测量电路（电桥原理，计算，非线性误差的讨论等）。电阻应变传感器采用直流电桥。（单臂直流电桥）1.输出负载为RL时：根据戴维南定理,将直流电桥电桥等效为开路电压Uo和等效电阻R0。分别为：(如上）接有负载电阻RL,则负载电流IL为:为直流电桥的特性方程。2.输出负载为∞时:当RL＝∞时，电桥输出开路，则输出电压为直流电桥使用时，初始条件是电桥保持平衡，即Uo＝0,可以得到电桥平衡条件:R1R4=R2R3.平衡电桥桥路相邻两臂阻值之比相等使输出电流为零。桥臂比为1灵敏度最大。，单臂电桥灵敏度最大为电源E的四分之一。3．非线性误差讨论：以单臂工作为例讨论非线性误差，上述公式推导的条件是基于ΔR1R1,将公式分母中ΔR1/R1忽略。实际上，忽略ΔR1/R1将带来误差。对于单臂工作，假设未忽略ΔR1