080章.医学仪器的基本原理

1第80章医学仪器的基本原理第1节医学仪器的基本结构一、医用传感器件二、信号处理系统三、显示系统第2节医用传感器件一、医用电极二、医用传感器第3节信号处理系统一、信号放大原理二、脉冲信号的放大三、放大器的幅频特性四、干扰及其抑制第4节输出显示系统一、数字式显示二、荧屏显示三、记录仪器2第80章医学仪器的基本原理一切疾病的诊断均以正确获得人体信息为基础，实现这种生物信息检测的手段之一就是各种各样的临床医学仪器。现代的医学仪器大都可以把病人各种生理信息变成能观察到的形式，已成为临床诊断、监护的重要工具。在本章中将介绍它们的基本结构和原理。第1节医学仪器的基本结构一般医学仪器主要由传感器件、信号处理系统与显示系统组成。图80-1就是这类测量系统的示意图。传感器件从生物体上获得电信号传给信号处理系统。信号处理系统把信号进行放大、处理和分析。经过处理后的信号由显示系统显示为图象、数字或记录。一、医用传感器件医用传感器件是提取和捕捉生物体内各种信息并将其转换为电信号的装置，它是医学测量系统的重要组成部分。临床医学常需要测量的一些量列于表80-1。表80－1医学上需要测量的一些量类别医学上需要测量的一些量时间位移力压力振动(加速度)速度流量温度放射线化学成分生物电呼吸时间、眼球运动间隔时间、眨眼时间、脉搏时间、反应时间、知觉时间……血管直径的变化、皮肤的厚度、皮下脂肪厚度、肿瘤的位置、结石的位置、心脏的位移……心肌力、肌肉力、骨骼负载力……血压、心内压、脑腔内压、胸腔压力、脊髓压、骨内压、血管内压、眼球内压、肌肉内压、直肠压力……声音、呼吸音、心音、血管音、柯氏音、振颤……血流速度、出血速度、排尿速度、发汗速度……呼吸气体流量、血流量、出血量、尿流量……口腔温度、皮肤温度、血液温度、脏器温度、呼吸温度、直肠温度、心内温度、胃内温度……同位素剂量、X射线剂量……O2、CO2、N2、CO、H2O、NH3、He、O3、Na、K、……生化检查……心电、脑电、骨电、肌电……从上表可以看出这些被测量可归纳为两类：一类是生物电，另一类是非电图80-13物理量和化学量。测量生物电及化学量的传感器件是电极，它的作用是把生物体内介质中的离子电流转换成电子电路中的电子流。用于非电物理量测量的传感器件称为传感器，作用是把被测量转换为相应的电量，又称为换能器。传感器件的作用类似于人获得信息的五官，其性能好坏直接影响仪器的整体性能。二、信号处理系统一个传感器件输出的电信号一般比较微弱，不足以推动显示装置，它须有一个放大处理过程。信号处理系统的作用就是对传感器件输送来的信号进行放大、识别（滤波）、变换、运算等各种处理和分析。仪器性能的优劣，功能的多少主要决定于如稳定性、可靠性、重复性；精度的高低等。信号处理系统是一台医学仪器的核心，现代计算机技术在信号处理中的应用，更推动医学仪器向着自动化、智能化方向发展。三、显示系统被测量的生物信息经过放大处理，最后还要用显示系统定量地表示出来，成为人们能观察和测量的形式。信号显示有数字式显示和荧屏式显示。数字式显示器件是数码管，它可以将信号以数字形式显示出来。荧屏式显示目前普遍使用的是以示波管、显像管为代表的荧光屏显示器。为了得到信号随时间变化的永久性记录，则利用描记仪器。常用的描记仪器有描笔偏转式记录器，自动平衡记录器和磁记录装置。第2节医用传感器件传感器件包括电极和传感器。电极的用途是从生物体中直接取出电信号；传感器的作用则是把非电生理量，如温度、压力、血流量等转换为相应的电信号。下面分别介绍这两类传感器件。4一、医用电极应用电极在生物体上获取电信号时，被测对象的特点不同，采用的电极结构也不一样。在探测单个细胞或组织深部的电位时，采用微电极；测量组织局部区域的电活动时，采用针电极；测量生物体表的电位时，可采用体表电极。(一)微电极1、金属微电极金属微电极可用不锈铜丝，铂铱合金丝或碳化钨丝等制成。把金属丝剪成适用的长度，用电解方法把一端腐蚀成极细的尖端，其余部分用绝缘漆涂上一层薄膜，另一端接上导线，然后固定在塑料手柄上[如图80-2]。这种电极阻抗较低，但由于电极的极化作用，电极特性不够稳定。为此应设法在金属表面镀上一层铂黑，使具有较大的有效表面，减小电流密度，降低噪声电平。图80-3所示的电极是为了防止电极插入组织时碰到障碍物发生损坏的装置。这种电极把电极丝固定在支承杆的弹簧上,当电极向组织深部推进时，如遇到不正常的阻力会把弹簧压弯,所以,只要注意弹簧状况就不会损坏电极。2、玻璃微电极玻璃微电极是用玻璃毛细管拉制成颈缩形后，折断成为吸管状，在管腔内填充金属或电解液的电极（如图80-4）。最常用的玻璃微电极是在玻璃微吸管内填充电解液，其尖端与生物体组织液之间形成液体接界。在接界两面由于离子迁移率和浓度的不同会产生电位差。所以，选择适当填充微电极的电解液是极其重要的。例如，在NaCl溶图80-2图80-3图80-45液中Cl－比Na+扩散快，因而产生电位差，当两种NaCl溶液的浓度比为1:10时，可产生3mV以上的电位差。对KCl溶液来说，因为K+与Cl－的迁移率相近，故在浓度比为1:10的情况下，只产生0.4mV的电位差。因此通常要用浓度较大的3mmol/LKCl溶液作为玻璃电极的填充物。3、半导体微电极由于集成电路技术可以精密地控制尺寸，制造的重复性也好。因此，已采用集成电路的生产技术制作微电极。其基本结构如图4－80－5所示。它是先在硅基片上生长一层SiO2，然后用照相浸蚀法沉积上窄的金带，再在上面蒸镀SiO2绝缘膜，最后把SiO2从金带的最顶端蚀刻掉，露出电极的接触表面。(二)针电极图80-6所示为几种常用针电极。(1)图所示为基本针电极，其结构是，电极端有一个尖锐的针尖，针身涂一层绝缘漆，针尖裸露，另一端焊接一根导线。这种电极通常用来测量肌电图。(2)图所示为同铀针电极。在针管中心穿一根绝缘金属细丝，针管内充填满绝缘材料(如环氧树脂)，再用锉刀锉针的顶部，以使中心金属丝露出作为触点，细丝另端接同轴电缆的芯线，针身接到同轴电缆的屏蔽线上。这种电极具有屏蔽作用，亦称之为屏蔽针电极。当对正在进行外科手术的病人作心电图监视时，常常用它插入病人四肢皮下。(3)图为双针电极。它是在一个针管内放入两根相互绝缘的金属丝而构成的。其制作方法与同轴针电极类似。(三)体表电极体表电极结构如图80-7所示，它由一金属片及塑料罩组成(或仅用一金属图80-6图80-56片)，在金属片和皮肤之间涂有电解糊，如氯化钠－甘油混合物。常用于心电图测量。二、医用传感器传感器又称换能器，它的作用是把生物体内各种非电生理量转换为相应的电信号。由于被测量的生理参数不同，因而有各种不同的专用传感器。近几年来传感器发展很快，种类繁多，分类方法亦各异。但如从是否需要外加驱动电源作为能源，则简单地分为有源型传感器和无源型传感器两类，现择其常用者介绍如下。(一)有源型传感器有源型传感器又称直接型传感器，它可以把生物体的非电生理信号直接转换为电压信号输出，也就是输出信号的能量主要来源于输入信号本身，不需要外加驱动电源作为能源。常用的有光电式传感器、热电式传感器、压电式传感器、电磁感应式传感器等。1、光电式传感器把光能直接变换为电压(或电流)信号的装置(或器件)称为光电式传感器。例如光电池、光电管、光电倍增管等，这里仅介绍光电池。光电池的结构如图80-8所示。光电池的本质是一个PN结，通常是在一块P型硅片上利用热扩散方法生长一层极薄的N型扩散层，形成一个PN结(PN结阻挡层的内电场方向由N指向P)，在硅片的上下两面制作一对电极，就构成一个硅光电池单体。当光照射到光电池上时，其中一部分被光电池吸收，使半导体中的电子空穴对随着光强相应增加，致使N区少数载流子空穴显著增多，在内电场作用下，N区少数载流子空穴可跃过阻挡层到P区，而N区图80-77的电子在内电场作用下不能越过阻挡层。至于P区少数载流子电子的漂移方向，则与上述过程相反。结果使P区显正电极性，N区显负电极性，在PN结两侧产生的电动势称光生电动势，当连成闭合电路时就产生光生电流(80-9)。光生电流的大小与被侧光的照度成正比。在光电变换中，就是利用它的这种特性。光电池的种类很多，常用的有硅光电池和硒光电池两种，例如在光电容积脉搏计中常使用的就是硅光电池如图80-10。由于生物体组织对波长大于600nm的红光和近红外线吸收较少，血液却极易吸收这种光线，特别是对波长700－800nm范围的光线，氧合血红蛋白和还原血红蛋白都能大量地吸收。利用灯光(红光)照射手指尖部，因指尖血管中血液的容积变化，体现出心脏搏动情况，当血液充盈时，容积变大，红光透过的少，反之则透过的多。利用光电池把透过指尖的光强变化变换为相应的电压信号，经过放大器放大后记录下来，其波形图就是光电容积脉搏图。2、热电式传感器热电偶是一种典型的热电式传感器。其构成原理如图80－11所示，在康铜丝的两端分别用铜导线作电极，就组成了一个热电偶。当两种金属丝的两个接头处(1、2)有温差时，在其两极就能产生温差电动势。接成闭合电路则形成电流。温差电动势与两接触点处的温度T1与T2的关系近似为E＝α(T1－T2)(80－1)式中，α为热电偶常数，由两种金属材料特性决定。实验证明，(80－1)式在温差(T1－T2)不太大的情况下才近似成立，例如在T1－T2＝0－50℃的测量范图80-8图80-9图80-108围内，可以认为温差电动势与温差成正比。如果定T1为标准温度(例如取0℃)，在测出温差电动势E值后，由(80－1)式就可算出待测温度T2的值。热电偶在生物医学研究中的应用较多，由于制造简单，长期稳定性好，可做得很小，便于插到导管内或注射针头中送入体内，测量某些部位的温度。也便于测量口腔内与内体表的温度差。特别是用它测量红外线辐射具有独特的优点，因为它能较好地排除周围温度对测量的影响，故测量精度较高。3、压电式传感器用压电材料制成的传感器称为压电式传感器。用作压电传感器的压电材料，通常有石英晶体、锆钛酸铅陶瓷、钛酸钡陶瓷、硫酸锂晶体等。因为这些晶体在受到机械压缩或拉伸发生形迹时，受力的两表面上将产生异种电荷，形成电位差，这种效应称为压电效应，如图80-12。压电效应是由于材料的电荷不对称分布产生的，当受到机械力作用时，由于晶体空间点阵变形使内部电荷发生相对位移，导致晶体的表面电荷发生变化形成电位差。压电效应是可逆的，如在压电材料两表面间加一定的电压，会使晶体产生伸长和缩短的形变，这种效应称为电致伸缩效应或逆压电效应。人工合成陶瓷材料具有很多优点，它可以制成任意形状、压电系数大、机械性能稳定的压电材料。在生理学上适合于在等长条件下研究各种刺激产生的力。压电材料表面产生的电荷变化量ΔQ与受力的变化量ΔF存在线性关系，即ΔQ＝DΔF(80－2)式中，D是材料常数，它表示材料的电荷灵敏度。图80-11图80-129如果把压电材料两个相对表面的极板看成是平行板电容器，则两极板间的输出电压变化量ΔU与施加的变力ΔF之间的关系可以表示为(80－3)式中，S为极板面积，d为极板间的距离，ε为压电材料的介电系数。可见，对于一定大小的压电材料和电极，因为D、ε、S、d、各量都是常数，所以两极间的电压变化量ΔU与所施外力的变化量ΔF成线性关系。但必须指出，这种线性关系只是在一定的频率范围内成立。压电式传感器，在医学上广泛用于测量血压、眼压、心内压、颅内压、心音和超声诊断等方面，具有频率响应好、方向性强等特点，并且可以抑制体内外的噪声。例如，超声诊断仪使用的压电式传感器(又称超声探头)，一方面利用压电材料的逆压电效应，把高频电振荡信号变换为高频机械振动(超声波)，另一方面利用压电效应还可以把高频机械振动(超声波)变换为电压信号，即用于发射和接收超声信号，是超声诊断仪的重要组成方面。(二)无源型传感器无源型传感器为间接型传感器。这种传感器可以把生物体上的被测非电量变换为电阻、电容、电感等电学量。这些电学量的变化可用驱动电源(或称辅助电源)经适当电路变换为电压(或电流)信号。所以，这种传感器最后