劉旖琦，劉忠富

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連116600)

0 引言

心臟是我們?nèi)梭w內(nèi)輸送血液的泵,那么心血管在人體中的作用就不言而喻。隨著心血管疾病人數(shù)逐年快速增加且年齡呈明顯年輕化態(tài)勢(shì),有效準(zhǔn)確診斷心血管疾病的問(wèn)題就顯得的尤為重要。其實(shí)，實(shí)現(xiàn)這種生物信息檢測(cè)的具體手段就是依靠各種各樣的醫(yī)用傳感器。醫(yī)用傳感器是提取和捕捉生物體內(nèi)各種生理信息并將其轉(zhuǎn)換為易處理的電量的一種裝置[1]。

隨著提取和捕捉生理信息的不同,所用的傳感器也各有不同。本文主要對(duì)醫(yī)用傳感器的發(fā)展以及位移傳感器、壓力傳感器和振動(dòng)傳感器在檢測(cè)心血管疾病上的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展

人的身體是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)組織。大概把經(jīng)常需要測(cè)量的物理信息歸納為位移、壓力、速度、流量、溫度等，如表1所示[2]。根據(jù)測(cè)量信息的不同，又可以把醫(yī)學(xué)傳感器大致劃分為兩類(lèi)，一類(lèi)是物理傳感器，另一類(lèi)是化學(xué)、生物傳感器。近幾年，醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展，可以說(shuō)是圍繞著物理型傳感器發(fā)展的，也就是說(shuō)是基于新的功能材料的研發(fā)。如利用壓電效應(yīng)制成的力傳感器，利用霍爾效應(yīng)制成的磁傳感器等等。如果說(shuō)物理傳感器的應(yīng)用是基于生理現(xiàn)象宏觀的觀測(cè)和分析，那么化學(xué)、生物傳感器則是更趨向于微觀。人體是一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體，利用化學(xué)和生物傳感器來(lái)檢測(cè)人體的各項(xiàng)生化指標(biāo)，為從微觀和分子層面獲取信息提供了途徑，更能加深對(duì)生命現(xiàn)象的理解。物理傳感器與化學(xué)、生物傳感器互相依存，缺一不可。

表1 醫(yī)學(xué)信息的分類(lèi)

2 位移傳感器

在心血管的研究中,用位移傳感器在動(dòng)物體或離體血管上測(cè)量心臟大小和血管的直徑及其變化。如測(cè)量心室的壓力和體積的變化,可以了解心泵的功能。測(cè)得大血管的周長(zhǎng)變化和血壓變化之間關(guān)系,可以算出血管阻力和血管壁的彈性。因此用位移傳感器測(cè)量人體的器官和組織的大小、形狀、位置的變化對(duì)判斷功能正常與否是很重要的[3]。具體位移傳感器的分類(lèi)如圖1所示。

圖1 位移傳感器的分類(lèi)

1) 電阻式位移傳感器的分類(lèi)及工作原理:電阻式位移傳感器是一種將位移轉(zhuǎn)換成電阻阻值變化的傳感器。常用的可以分為電位器電阻式位移傳感器、應(yīng)變片式電阻式位移傳感器和彈性應(yīng)變計(jì)電阻式位移傳感器。其中電位器式是最簡(jiǎn)單的一種電阻傳感器，它與普通的電位器結(jié)構(gòu)是相同的，都由電阻元件和可動(dòng)觸頭組成；它的工作原理也很簡(jiǎn)單，是位移的變化再帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)從而帶動(dòng)滑臂移動(dòng)使其位置發(fā)生變化，從而改變了電阻值，使輸出量得到改變。應(yīng)變片式位移傳感器由彈性元件和應(yīng)變片組成，它的工作原理是將彈性應(yīng)變片粘貼在彈性元件上。當(dāng)彈性元件上有位移的作用而發(fā)生形變時(shí)，它的電阻值將會(huì)發(fā)生變化，為了準(zhǔn)確地觀察電阻值的變化，后續(xù)還需要將它接入電橋，由電橋的輸出量就可知道位移的大小。彈性應(yīng)變計(jì)是一種利用可伸縮的彈性管中導(dǎo)電液體的電阻變化的位移傳感器[3]。它是一根內(nèi)置充滿(mǎn)導(dǎo)電液體的有彈性的管子，并在管子的兩端用電極密封，由于電阻的阻值跟截面積以及長(zhǎng)度有關(guān)，所以當(dāng)管子拉伸截面積變小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電阻值改變。用彈性應(yīng)變計(jì)的時(shí)候要注意管子內(nèi)部不能存在氣泡。

2) 電感式位移傳感器的分類(lèi)及工作原理:電感式傳感器是通過(guò)位移的改變從而改變線圈的自感和互感的傳感器。電感式傳感器通常有自感式、互感式和變壓器式。自感式位移傳感器的工作原理是當(dāng)磁芯和線圈在一定的磁導(dǎo)率下相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，自感應(yīng)量就會(huì)改變。而互感式就是當(dāng)兩個(gè)線圈位置發(fā)生相對(duì)變化時(shí)，互感量發(fā)生變化。差動(dòng)變壓器式的原理還是基于互感式的原理，因?yàn)橐苿?dòng)的磁芯會(huì)造成互感量的變化，所以它由一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)對(duì)稱(chēng)放置、串聯(lián)反接的相同次級(jí)線圈S1和S2組成?？蓜?dòng)鐵芯用來(lái)改變初級(jí)和次級(jí)之間的耦合[3]。

除上述電阻式,電感式位移傳感器外,還有利用電容變化、壓電原理的位移傳感器,它們?cè)卺t(yī)學(xué)上多用作二次元件,間接測(cè)量有關(guān)生理參數(shù)。近些年超聲技術(shù)發(fā)展很快,利用超聲方法從體外測(cè)定體內(nèi)臟器的位移方便實(shí)用,但精度較差。

3) 位移傳感器在檢測(cè)心血管疾病上的應(yīng)用:由于位移傳感器分類(lèi)較多，應(yīng)用較廣，所以具體應(yīng)用如表2所示。

表2 位移傳感器在檢測(cè)心血管疾病上的應(yīng)用

3 壓力傳感器

在醫(yī)學(xué)上需要測(cè)定壓力的地方是很多的,如測(cè)定血壓、心內(nèi)壓、眼內(nèi)和顱內(nèi)壓、胃內(nèi)壓、食道壓等等。各種生理壓力的精確測(cè)量,對(duì)于生理研究、診斷、手術(shù)都十分重要。如心室以及心臟瓣膜口的壓力測(cè)量,是診斷先天性心臟病的必要手段[4]。作為自動(dòng)數(shù)字血壓測(cè)量?jī)x電路中組成的一個(gè)最關(guān)鍵核心部件的壓力傳感器，則也是專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現(xiàn)將所測(cè)量得氣壓信號(hào)量自動(dòng)地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)血壓電信號(hào)量的又一類(lèi)傳感測(cè)量元件,其壓力傳感信號(hào)質(zhì)量及判定功能的正確性和好壞都將可能會(huì)直接或間接影響到血壓測(cè)量工作過(guò)程中的各種控制結(jié)果。

1) 壓力傳感器的分類(lèi)及工作原理:壓力傳感器大多由壓力彈性元件和位移傳感器一起構(gòu)成。其中壓力彈性元件主要用來(lái)感受將壓力轉(zhuǎn)換為位移，而位移傳感器再將壓力彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為點(diǎn)輸出量。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的測(cè)量系統(tǒng)中,常用到的壓力傳感器元件有膜片式的電阻、電感、電容壓力傳感器。其中電阻壓力傳感器又分為粘貼式和非粘貼式。由于非粘貼式測(cè)量的精度比粘貼式高，性能也很穩(wěn)定，所以醫(yī)學(xué)上測(cè)量多用非粘貼式。電感壓力傳感器主要結(jié)構(gòu)分為差動(dòng)電感式和差動(dòng)變壓器式。電容壓力傳感器分為壓力計(jì)和壓差計(jì)。壓力計(jì)和壓差計(jì)的共同點(diǎn)都是將膜片作為電容器的一個(gè)極板，改變其與電容固定極板之間的距離使其電容量發(fā)生改變。只不過(guò)壓力傳感器是利用壓力作用使膜片變形，將壓力計(jì)接入電橋電路時(shí)會(huì)使輸出電壓和頻率隨壓力而變，而壓差計(jì)是利用壓差是電容量變形，接入振蕩器輸出調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)頻率-電壓轉(zhuǎn)換器后，輸出電壓隨壓差而變。具體壓力傳感器的分類(lèi)如圖2所示。

圖2 壓力傳感器分類(lèi)

2) 壓力傳感器在檢測(cè)心血管疾病上的應(yīng)用:測(cè)量生物力學(xué)壓力時(shí)，通常使用一條細(xì)長(zhǎng)的心室導(dǎo)管，一端插入體腔內(nèi)，一端與壓力傳感器相連，使壓力從體內(nèi)排出。它一般用于測(cè)定心內(nèi)壓，也可用做測(cè)定顱內(nèi)壓、胸腔內(nèi)壓、髓腔體腔內(nèi)壓。但是在實(shí)際測(cè)量中，一般不使用它，因?yàn)閴毫鞲衅鹘由蠈?dǎo)管后，會(huì)導(dǎo)致其頻率響應(yīng)降低，從而產(chǎn)生誤差和波形失真。為了克服這一問(wèn)題，近幾年來(lái)又發(fā)展了一些新型傳感器，例如導(dǎo)管端壓力傳感器等。

4 振動(dòng)傳感器

振動(dòng)傳感器通常是通過(guò)測(cè)量人體內(nèi)各種細(xì)微振動(dòng)的大小變化來(lái)判斷人體各個(gè)重要器官的功能狀態(tài)。比如，通過(guò)心跳、主動(dòng)脈的機(jī)械震動(dòng)，傳遞到人體胸壁表面的聽(tīng)覺(jué)區(qū)域，來(lái)判定心臟的機(jī)能。又比如身體的震動(dòng)[5]。

1) 振動(dòng)傳感器的分類(lèi)以及工作原理:振動(dòng)傳感器工作形式大致可以按所測(cè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)類(lèi)型和力學(xué)原理分為兩大類(lèi)，其中所測(cè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)類(lèi)型又可分為位移計(jì)、速度計(jì)、加速度計(jì)。根據(jù)力學(xué)原理可分機(jī)械式、機(jī)電式和光學(xué)式，其中機(jī)電式又可分為壓電式、壓阻式、可變電容式和伺服式這四種[6]，具體分類(lèi)如圖3所示。

圖3 振動(dòng)傳感器分類(lèi)

因?yàn)檎駝?dòng)傳感器類(lèi)型多種多樣，工作原理也是各不相同，所以就在具體介紹應(yīng)用的時(shí)候介紹原理。

2) 振動(dòng)傳感器在檢測(cè)心血管疾病上的應(yīng)用:振動(dòng)傳感器的一個(gè)具體的應(yīng)用可以做成心音傳感器。心音傳感器是指一個(gè)可將人體心音(振動(dòng))轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的裝置,根據(jù)檢測(cè)人體聲音信息的傳遞方式又可以進(jìn)一步分為空氣傳導(dǎo)型和直接電傳導(dǎo)型?？諝鈧鲗?dǎo)型心音傳感器的原理是胸壁的振動(dòng)在空氣室中產(chǎn)生音壓,推動(dòng)揚(yáng)聲器受壓膜，使活動(dòng)線圈在一定磁場(chǎng)內(nèi)以相應(yīng)速度運(yùn)動(dòng)，切割磁力線在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)[7]。而直接傳導(dǎo)型心音傳感器又可分為懸吊型和加速度型。它們的工作原理各不相同。懸吊型是通過(guò)將可動(dòng)質(zhì)量的活動(dòng)桿直接與人體接觸,外殼和可動(dòng)質(zhì)量之間用彈簧和傳感元件相連接,這樣就可以把胸壁的振動(dòng)直接通過(guò)傳感元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。而加速度型傳感器則都是根據(jù)慣性原理直接測(cè)量物體振動(dòng)大小的,當(dāng)加速度心音傳感器上、下放置在人體的胸壁上時(shí)，心音傳感器會(huì)感覺(jué)到與心音振幅成正比的振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)通過(guò)慣性質(zhì)量對(duì)壓電陶瓷施加一周的壓力，使壓電陶瓷板產(chǎn)生電荷，或者在傳感器內(nèi)部的電路輸出上產(chǎn)生一個(gè)電壓，從而將心音的胸壁振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

生物科學(xué)原理和醫(yī)學(xué)工程技術(shù)之間相互融合滲透應(yīng)用已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展階段的另外一個(gè)巨大特點(diǎn)，醫(yī)用生物傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用類(lèi)似于使人體有了一個(gè)靈敏的五官。近幾年在國(guó)內(nèi)外,傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用愈來(lái)愈廣。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)我們可以更快、更好地了解、應(yīng)用，使之為生命科學(xué)服務(wù)。