醫(yī)用傳感器原理介紹

醫(yī)用傳感器原理介紹

一、用硅壓力傳感器的電子血壓計(jì)
日本40歲以上的成年人中有三分之一的人患有高血壓病，可以說是一種國民病。因此，各個(gè)家庭中的血壓計(jì)的普及率和體溫計(jì)一樣高。本節(jié)敘述用硅壓力傳感器制作的電子血壓計(jì)。圖3-4是電子血壓計(jì)的簡圖。為了測(cè)量壓力差，硅壓力傳感器利用薄膜上形成的擴(kuò)散層的壓電電阻組成電橋進(jìn)行測(cè)量。最常見的測(cè)量血壓的方法是腕帶壓力在最高血壓和最低血壓之間會(huì)產(chǎn)生一種K音（特殊的聲音），由此可以聽到脈搏的跳動(dòng)。利用微音器聽K音的開始和結(jié)束，測(cè)量這時(shí)腕帶內(nèi)空氣壓力和大氣壓力的差作為血壓值。測(cè)量K音用的傳感器是小型微音器，抗噪音能力弱。心臟運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的P音（動(dòng)脈壓波）也和K音一樣表現(xiàn)為硅傳感器的輸出。因此，電子血壓計(jì)將硅壓力傳感器P音的輸出作為晶體管的門信號(hào)來測(cè)量K音。通過測(cè)量P音產(chǎn)生的周期，可以測(cè)量1分鐘的脈搏次數(shù)。圖3-5表示在測(cè)量血壓時(shí)各種信號(hào)的變化狀態(tài)，圖中K音出現(xiàn)時(shí)，P1的壓力Y3為最高血壓；K音消失時(shí)，P2的壓力Y4為最低血壓。
三、采用熱敏電阻的電子體溫計(jì)
不但在醫(yī)院里要測(cè)患者的體溫，而且在家庭里要正確了解體溫從健康管理方面來說也是很重要的。在本節(jié)，特意列舉已廣泛用于生活的電子體溫計(jì)。體溫計(jì)中最關(guān)鍵的是如何正確地測(cè)量和顯示加在傳感器上的體溫，大多數(shù)是利用熱敏電阻阻值的變化，以數(shù)字顯示體溫。用于體溫計(jì)的熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系如下式：
RT=R0exp{B（1/T-1/T0）}
其中RT：溫度T時(shí)（用K表示）的電阻
R0：溫度T0時(shí)（用K表示）的電阻
B：熱敏電阻常數(shù)，2000~4000
如圖3-7所示，熱敏電阻的阻值隨著溫度的上升而減少，電阻對(duì)溫度的依賴性表現(xiàn)在溫度上升1℃時(shí)，阻值平均變化2~5%。實(shí)現(xiàn)體溫計(jì)在32~42℃之間，B值的差異較小，電阻值的精度相當(dāng)高。并不是把電阻值隨溫度變化的百分?jǐn)?shù)，直接作為體溫計(jì)的刻度。需要一個(gè)把熱敏電阻的輸出信號(hào)數(shù)字化的A/D變換器。為了消除測(cè)量回路的誤差和溫度特性，RC振蕩器采用基準(zhǔn)電路（RS）。圖3-8表示熱敏電阻測(cè)量電路的例子。在圖3-8中一開始開關(guān)的S側(cè)接入標(biāo)準(zhǔn)電阻RS，產(chǎn)生振蕩，測(cè)量計(jì)數(shù)到NS（定值）的時(shí)間ts。可用式ts=NS*C*RS*A（A為常數(shù)）來表示。然后將開關(guān)打到T側(cè)，接入熱敏電阻RT，在時(shí)間ts內(nèi)的振蕩次數(shù)用式NT=ts/(C*RT*A)來表示。把ts代入此式，得NT=NS*RS/RT，電路參數(shù)的誤差被抵消。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電阻RS在37℃時(shí)的電阻值為R37，NT可表示為
NT=NS*exp{B*（1/T37-1/T）}
因NS、B、T37為常數(shù)，測(cè)量NT值，就可求得溫度T。如把與NT對(duì)應(yīng)的溫度值寫入ROM，可直接用數(shù)字顯示體溫。

二、X射線CT傳感器
從傳感器的名字，馬上就想到“人體斷層圖象”。X射線的波長比電磁波、光波的波長更短，能量更大，對(duì)人體的穿透性很強(qiáng)。CT這個(gè)詞，是Couputer Tomography（計(jì)算機(jī)斷層檢查裝置）兩個(gè)英文詞的詞頭。當(dāng)X射線通過人體后，利用傳感器檢查X射線的強(qiáng)度，作為輸出信號(hào)。然后，借助計(jì)算機(jī)，作成人體切片圖象。圖3-1是X射線CT的簡圖。用X射線CT照射，若X射線在人體組織某部分被吸收，根據(jù)傳感器輸出的大小，可將人體內(nèi)的異常情況（出血、腫瘤等），以圖象方式檢測(cè)出來。
為了縮短攝影時(shí)間，提高分辨率，對(duì)原來的CT裝置進(jìn)行了改進(jìn)。現(xiàn)在的CT，只需X射線管和X射線檢測(cè)器作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，便能進(jìn)行高速掃描。
圖3-2（a）表示只有X射線管和傳感器部分旋轉(zhuǎn)的情形，圖3-2（b）表示實(shí)際得到的頭部斷層圖象的例子。檢測(cè)X射線用的光敏二極管的構(gòu)造示于圖3-3。在硅的Pin光電二極管的表面，密布將X射線變成光的閃爍體。