生物电子学
第三章 生物（医学）信息的获取
生物（医学）电子学 2
3.1 工程技术对医学的影响
第一阶段：萌芽阶段
时间,17世纪 —19世纪
标志：出现了听诊器、体温计和血压计
第二阶段：渗入阶段
时间,19世纪末以后
标志：两件大事
1895年 11月 8日，伦琴发现了 X射线。 1895年 12月 22日，伦琴为
其夫人拍摄第一张 X光片
电技术出现，导致心电图、脑电图的测量和研究
1895年，荷兰医生 Einthoven首次得到心电图
1903年，用电流计记录了心电图
1947年，脑的 A型超声
1953年，二维超声实时成像
生物（医学）电子学 3
第三阶段：冲击阶段
时间,20世纪 60年代以后
动力：微电技术、计算机技术
例：心电的进展
1961年,Holter完成磁带记录 24小时监测、回放，准确
率 66%
70年代，计算机识别 QRS波，准确率 97%
例,CT技术
1971年,Hounsfield（英国工程师）
获得诺贝尔奖
目前，各种 CT，包括,X-CT，超高速 X-CT，单光子发射
CT，正电子发射 CT，核磁共振 CT等
生物（医学）电子学 4
第四阶段：融合
时间,20世纪 80年代以后
标志：医疗仪器的全面计算机化
医疗技术的 植入化, 远程化 和 介入治疗
例：植入化
心脏起博器,30年前 180克，现在 16克
胃电装置（减肥、食欲）
视网膜显示器：调节二极管发出的光子流，使其略过视网膜，
形成扫描，使振动色彩图像被大脑接收，可以使白内障患者
看见东西。
纳米技术：进入血管检查，把数据送回监视器
远程化：与网络通信技术相结合
计算机辅助治疗兴起
多功能医疗手段出现
临床信息系统
生物（医学）电子学 5
3.2 生物电位电极
生物电引导电极的概念
完成人体（或其它生物体）和测量系统之间
的界面作用，把离子电流变为电子电流。
在人体内，离子导电
在测量系统内，电子导电
生物（医学）电子学 6
1,电极的极化电压
构成：引导电极是经过一定处理的金属板、
金属丝或金属网；
与电极直接接触的是电解质溶液；（导电膏，
人体汗液、人体组织液、电极插入、埋藏式
等）
形成一个金属 —电解质溶液界面
生物（医学）电子学 7
电化学知识
当金属放入水溶液时，因
极性水分子的作用,
金属离子离开金属进入水
中，在金属上留下相应数
量的自由电子，金属呈负
电；
金属（带 -电）与水中的 +
离子相互吸引，导致动态
平衡；
金属与水溶液之间形成电
荷分布 —双电层。产生一
定的电位差。
+
+
+
-
生物（医学）电子学 8
电极的概念
电极,由金属浸在含有该金属离子溶液中所构
成的体系称为电极。
电极电位,金属与溶液之间的界面的电位差称
为电极电位。
电极电位的定义,
R— 气体常数,8.314J/mol.K; F— 法拉弟常数,96487库伦；
T— 绝对温度； n— 离子价数；
C— 金属离子的有效浓度 (mol/L); K— 与金属特性有关的常数
K
C
nF
RTE ln?
生物（医学）电子学 9
在室温下,
当 C=1时,
K
C
nE lg
0591.0?
k
n
TE lg102 4
0
????
生物（医学）电子学 10
电极的极化
电极的极化
指电极与电解质溶液界面形成双电层；
在有电流通过时，电极 — 电解质溶液界面的电位发生
变化（高度极化、不极化）
在生物医学工程领域，记录直流或缓慢变化的生物电
位，需用不极化的电极。
例：用双极导联记录心电、脑电，所记录的是信号两
点的电位差，若两电极本身电位不同，则造成伪差。
电极电位漂移的原因,
材料的细微差别
电极表面受到污染
移动
生物（医学）电子学 11
2,电极的电特性
电极 --电解质界面呈非线性 V-A特性，电极特性与
电流有关。
电极阻抗是频率的函数（有电容存在）
等效电路的参数与电极材料有关。
生物（医学）电子学 12
3,绝缘干电极
与上述的表面电极不同
采用电容耦合原理
生物电信号经过电容耦合到放大器，电极与人体之
间的电容 2500pF— 5000pF，输入阻抗, 800M欧 人
体
绝缘层
极板
Vcc
输出
屏蔽
生物（医学）电子学 13
4,金属微电极
用于提取单细胞或神经元一类微小单元的电位电极
尺寸,0.05um— 10nm
材料,
金属电极
填充电解液玻璃电极等
生物（医学）电子学 14
3.3 生物医学传感器
1,传感器的定义
传感器（ sensor）是能够感受规定的被测量，并按
照一定的规律将其转换为有用信号的器件或装置。 ]
是获取人体生理和病理信息的工具
是生物医学工程的重要分支
对化验、诊断、监护、控制、治疗等均有重要意义
传感器在测量系统中的位置
外界信息 传感器 测量电路
设备
显示
处理
生物（医学）电子学 15
2,生物医学传感器的主要用途
检测生物体信息
例
心脏病患者在手术前，需测量心内压力 — 血液传感器
普查乳腺癌 — 红外线探测器扫描 — 热分布图
监护,连续测定某些生理参数
例
心脏手术的患者，手术几天之内，要连续测量
体温，脉搏，动脉压，静脉压，呼吸，心电等
需要一系列的传感器
控制：利用检测到的参数，控制人体的胜利过程
例
在使用同步呼吸机抢救病人时，需检测病人的呼吸信号，
并控制呼吸器的动作，使之与人的呼吸同步。
生物（医学）电子学 16
“From Tanks to Tumors” State of the Art,Healthy Breasts (shown left)
and After 10 min,waiting (right) by one camera passive Thermal Scan
After 10 min,
生物（医学）电子学 17
State of the Art,Pathological Breasts Before (shown left) and After 10
min,waiting (right) by one camera passive Thermal Scan (IRI)
After 10 min,
DCIS
zero stage
requires
excess
heat supply
生物（医学）电子学 18
3,生物医学传感器的分类
物理传感器,
用于测量血压、体温、血流量、血粘度、生物组织对辐射
的吸收、反射或散射等。
化学传感器,
测量体液中的离子成分或浓度,PH值，氧分压，葡萄糖浓
度等。
测量生物电位的电极也可看作传感器，可以列入化学传感
器。因为电极与皮肤之间的界面是一个半电池（化学电
池）。
生物传感器
用于酶、抗原、抗体、激素,DNA（脱氧核糖核酸）等物
质的传感。
因上述分子的分子量较大，化学传感器难于识别，划为生
物传感器。
生物（医学）电子学 19
4,生物医学传感器的特殊性
距离问题,
在工业测量中，总是尽量使传感器接近被测点。在生物医
学测量中，要避免传感器干扰人的正常生理、生化状态，
避免给人的正常活动带来负担或痛苦。信号远离，使信号
变坏。
接触问题,
常采用非接触或无损测量（借助信号处理技术）
植入问题,
发展了植入式或部分插入式传感器（微型化、纳米技术）
噪声问题,
信号微弱，低频，噪声干扰大，随机性强，个体差异较大。
生物（医学）电子学 20
5,传感器的静态特性
几个概念
静态量：是指固定状态的信号或变化的极其缓慢的信号
（准静态量）；
动态量：周期信号，瞬态信号，说随机信号
静态特性：输入量为恒定值时，输入量与输出量之间的关
系称为静态特性。
一般表达式
其中,0偏
灵敏度，用 k表示
线性特性
奇对称性
n
n xaxaxaaY ????? ?
2
210
0a
1a
X
Y
X
Y
生物（医学）电子学 21
衡量静态特性的指标
线性度,传感器的特性曲线的非线性误差
其中,
%1 00
.
m a x ?
??
?
?
??
?
? ?
??
SF
L Y
L
?
值传感器满量程输出平均
最大误差
校准曲线与拟合直线间
线性度
SF
L
Y
L
.
m a x
?
?
Xmax
(Xo,Yo)
m a x
L?
Ymax
被校准曲线
拟合曲线
生物（医学）电子学 22
迟滞
描述传感器的正向（输入量由小到大）和反向（输
入量由大变小）特性的不一致程度
其中
%1 0 0
.
m a x ?
???
?
???
? ?
??
SF
H Y
H?
行程的最大偏差
输出值在正反向m a xH?
Ymax
m a x
H?
SF
X
.
SF
Y
.
生物（医学）电子学 23
重复性
在同一工作条件下，输入朝同一方向做全量程的连
续多次变动时所得到的特性曲线不一致的程度。
其中,
%1 0 0]/)3~2[(, ??? SFR Y??
相应行程的标准偏差?
Ymax
SF
X
.
SF
Y
.
m a x
1?
m a x
2?
生物（医学）电子学 24
灵敏度
在稳态下输出变化对输入变化的比值
dX
dYK
X
YK ?
?
?? 或 dY
dX
x
y
0
生物（医学）电子学 25
准确度
又称为精度，表示被测量的测量结果与固定真值间
的一致程度。
灵敏限
指输入量的变化不一致引起输出量有任何可见变化
的量值范围
6,传感器的动态特性
动态特性：指传感器对于随时间变化的输入量的响
应特性，可以用传递函数来描述。
0
1
1
0
1
1
)(
)(
)(
asasa
bsbsb
sX
sY
sH n
n
n
n
m
m
m
m
???
???
?? ?
?
?
?
?
?
生物（医学）电子学 26
3.3 物理传感器及其应用
1,光电传感器及其应用
光电传感器,
概念：把光信号转换成电信号的传感器。可以直接测量来
自人体的辐射信息，也可以把人体的其它信息转换成光 /
电信号。
优点：结构简单，非接触，可靠性高，精度高，反应迅速
常用元件：光电管，光电导，光电势元件，光敏管
原理：光电效应 —指光照射到物质上引起其电特性发生变
化的现象。
外光电效应：光电发射效应
内光电效应：光导效应，光生伏特效应
生物（医学）电子学 27
外光电效应
金属表面受光照射，其表面和内部的电子吸收光能
后溢出金属表面的现象，称为外光电效应。
两条定律,
斯托克夫定律,当
入射光频率不变时,
饱和光电流与入射光
强度成正比。
爱因斯坦定律,光
电子的最大动能与入
射光的频率成线性关
系，而与入射光的强
度无关。
)Hz(
( H z )
SJ10626.6,
)J(
)m / s(
)kg(
)J(,w h e r e
2
1
0
34
0
m a x
00
2
m a xm a x
率金属产生发射的极限频
入射频率
普郎克常数
金属逸出功
光电子逸出速度
光电子质量
光电子最大动能
?
?
????
?
?
?
?
?????
?
?
?
???
hh
A
v
m
E
AhhhmvE
生物（医学）电子学 28
二次电子发射和电子倍增现象
二次电子发射,具有足够动能的电子（ 一次电子 ）
轰击任何物体，使该物体发射电子（ 二次电子 ）的
现象,
光电倍增管
把微弱的光输入转换成电子流并使电子获得放大的
真空电子器件。
A 阳 极
????
-HV
光子
L
R
输出信号
1
D
2
D
n
D
聚焦电极
K 阴 极
光电子
生物（医学）电子学 29
光电倍增管的工作原理
各电极电位从阴极开始逐级升高，相邻电极电位差
为 100V左右。
微弱光入射的的光电子打到光阴极上，引起光电子
发射。
经过静电聚焦和加速，飞向第一倍增阳极 D1，并引
起二次电子发射。 …
最后，电子到达阳极被聚焦，在电阻上形成约 1uA
的电流。
电流放大倍数约为 10^6—10^8。
生物（医学）电子学 30
光电倍增管的应用
放射性同位素（ RI）测量和成像，用光电倍增管作
为检测器。
方法：静脉注射 /口服放射性同位素示踪药物，同位素分
布于人体特定部位，可检测其分布或图像，从而测定生理
机能的变化，或功能障碍。
伽马照相机 /单光子发射断层成像（ SPECT）
采用光电倍增管检测伽马射线，激起的闪烁晶体发出光信
号。
生物（医学）电子学 31
半导体光电器件
光导效应和光敏电阻
光导效应,光照射到绝大多数高电阻率半导体材料引起其
电阻率下降而易于导电的现象。
光敏电阻,利用光导效应制成的电阻。
光生伏特和光电池
光生伏特效应,半导体受光照射产生电势的现象，称为光
生伏特效应。
光电池,
金属 —半导体型
PN结硅光电池
光敏二极管（三极管）
是具有 PN结、具有光电转换功能的二极管（三极管）。
生物（医学）电子学 32
3,压电传感器及其应用
压电原理
概念,某些介质（晶体、高分子聚合物），当在适当的方
向施加作用力时，内部会产生电极化状态，导致电介质带
电，称为压电效应。
可逆性,压电效应是可逆的，在电极上加电动势，也会产
生应变，称为逆压电效应。
工作原理
受力
+ -
生物（医学）电子学 33
压电传感器的等效电路
测量电路
电荷源 电压源
测量电路示意图
生物（医学）电子学 34
应用实例
血压测量：动脉波形
生物（医学）电子学 35
热电式传感器
金属热电偶传感器
原理,两种不同的金属组成回路时，若两个接触点温度不
同，则回路中就有电流通过，称为温差电现象（贝塞尔效
应）
温差电现象的热电势
热电偶温度计
度第二接触点上的参考温
度第一接触点上的被测温
?
?
?????
2
1
2
2
2
121 )()(
T
T
TTTTV ???
测温接点
绝缘材料 热电偶
保护管
生物（医学）电子学 36
PN结温度传感器
当恒定电流正向流过 PN结二极管时，二极管端电压随温度
的改变做线性变化。
电流和电压的关系
是温度的函数饱和电流
电子电荷
二极管端电压
温度
玻尔兹曼常数其中
,
106022.1,
)(
,
]
2
e x p [
0
19
0
?
???
?
?
?
?
I
Cqq
V
KT
k
kT
qV
II
生物（医学）电子学 37
热敏电阻温度传感器
热敏电阻
非线性特性
玻璃涂层
热敏电阻材料
铂 - - 铱 引 线
参考温度
材料常数
时的电阻温度式中
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
0
0
0
B
,
)
11
(e x p
T
TR
TT
BRR
T
T
25C
1
温度
比电阻
生物（医学）电子学 38
一般希望得到线性电阻 — 温度特性
补偿（恒流源供电）
补偿（恒压源供电）
pR TR
处的热敏电阻位置在温度变量的中间标度 mTm
m
m
Tmp
TR
TB
TB
RR
?
?
?
?
2
2
sG rG
m
m
Tm
s
s TB
TBG
RG 2
21
?
???
生物（医学）电子学 39
测量电路
测量两个器官或同一器官不同部位的微小温差
直流放大 输出
0
t
0t
R
R
RR
V
生物（医学）电子学 40
电容式传感器
工作原理
电容式传感器是基于被测量改变传感器的电容量再转换成
输出电量的结构型传感器。
平板式电容
灵敏度
极板间距
极板面积
绝缘体相对介电常数
自由空间介电常数式中
?
?
?
?
?
x
A
xAC
r
r
,
/
0
0
?
?
??
x
dx
C
dC
xA
x
C
K r
??
??
?
?
? 20 /??
生物（医学）电子学 41
4,光导纤维传感器
光导纤维原理
当
此时的 称为临界角
凡大于临界角的均能发生全反射,
传输光线
保护层
包层
芯子
1
n
2
n
1122 s i ns i n ?? nn ?
.1s i n 2 时发生全反射??
1?
生物（医学）电子学 42
光纤传感器的应用
把被测对象的状态转换成光纤中传输的光信号来进
行检测的光学传感器
例,光纤血液流速传感器（图）
激光器
偏振棱镜 透镜
光纤
血管
红血球
血流
频率分析
前置放大
光敏器件
ff ?? f
生物（医学）电子学 43
说明,
光纤刺入血管
血管中红血球直径 7um，速度为 V。
激光器发出直线偏振光（频率为 f），经偏光镜后进
入光纤，直至血管。
部分光反射回始端。
另一部分被红血球散射，频率偏移，再返回始端。
偏振棱镜只把返回始端的两束光波总的特定偏振成
分反射到色散器件。
光敏器件检出差频后，可根据多普勒公式计算红血
球移动速度。
生物（医学）电子学 44
3.4 物理传感器应用举例
1,血压测量
直接法
采用导管经皮肤插入人体内部待测位置，通过导管内的液
体将体内的压力耦合到体外的压力测量系统中进行测量。
准确可靠，可；连续监测，有创伤，有安全问题。
插入部位：臂静脉过锁骨下大静脉
导管：不透 X光的聚乙烯导管。
图（见下页）
生物（医学）电子学 45
直接法血压测量图
冲洗液
采样
峰值检测反相
峰值检测
积分
压力传感器
收缩压
舒张压
平均压
生物（医学）电子学 46
间接法
在体外对动脉血管加以变化的压力，通过体表检测出脉管
内血流与外部压力之间相对应的关系，从而测出脉管内的
血压值。
简便，误差较大。
科氏音法
用袖带充气，阻断动脉血流，然后缓慢放气。在阻断点的
下游监听是否出现血流。当开始听到科氏音时，即开始有
血流通过时，袖带内的压力为动脉内的收缩压。当血流完
全恢复时，袖带内的压力为动脉内的舒张压。
方法,
水银血压计
电子血压计
生物（医学）电子学 47
电子血压计框图
音频
放大器
脉搏
科氏音
传感器输入
定时器
工作周
期选择
三角波
发生器
比较器
控制阀
功率放大
泵功率
放大器
泵
压力
控制阀
压力
传感器
压力
放大器
压力声音
放大器
生理量输出
压力声音输出
到袖带
生物（医学）电子学 48
2,血流测量
阻抗血流图
血流在血管中脉动时回造成血管截面的弹性变形，从而造
成血管两端间的阻抗的脉动变化。
稀释法
通过测量心输出量或心搏出量来测量
指示剂吸收法：在血流中注入一定量的指示剂（染料），
当心脏搏出血液后，检测血液中的指示剂浓度，可以计算
心搏出量。
热稀释法：在右心房入口处注入一定量（ 5-10ml）的冷水
（ 0.5-5C），让其进入右心室，与血液充分混合后，然后
在肺动脉处测量血液温度。根据温差，可知多少血液参加
了混合，即测出了心输出量的大小。
生物（医学）电子学 49
稀释法的图示
充气气球
热敏电阻
末端管腔
带测压及采血内腔
注射针
( 充 气 用 )
抽取血样腔
热敏电阻
引出线腔
远侧肺动脉测压腔
近侧右心房注入冷却盐水腔
生物（医学）电子学 50
说明
前端有可充气的气球
将导管插入静脉，充以适量的气体
导管随气球顺血流漂入右心房内，并嵌入在肺动脉
内
第二腔注入稀释剂（或无菌冷盐水）
第三腔可以测量压力
第四腔用于引出测量电路的导线。
生物（医学）电子学 51
超声血流计
两个超声探头成 角安置在血管两侧，距离为 d。
超声在血液中的速度为 Vs。
血液的流速为 Vf，夹角 。
则超声波在两传感器间的实际速度为
超声波在两探头间的渡越时间
顺流逆流的时间差
逆流顺流 ???,c o s ?fs VV
?
?c o sfs VV
dt
?
?
2222)()(
c o s2
c o s
c o s2
s
f
fs
f
V
dV
VV
dV
ttt
?
?
?
?
?
???? ??
?
生物（医学）电子学 52
得到血流速度为
即只要测准了时间差，就可以得到 Vf
?c os2
2
d
tVV s
f
??
?
d
A
B
f
V
生物（医学）电子学 53
3,呼吸测量
热敏电阻测量呼吸率
把热敏电阻夹在鼻子上
呼吸气流从较高温的热敏电阻表面流过，则热敏电阻的阻
值发生变化
可以测出呼吸波形
周期
呼气
吸气
生物（医学）电子学 54
4,红外线测温
红外线的波长范围,0.76—1000um
人体辐射能量的波长范围,3-16um
人体组织病变，体表温度变异，红外辐射的能量改
变
红外线热像仪
7
10
? 6
10
? 5
10
? 4
10
? 3
10
? 2
10
? 1
10
?
1 10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10 )( m??
0.01 0.39 0.76 1000
G a m m a 射 线
X 射 线
紫外线 可见光 红外线 无线电波
微波
生物（医学）电子学 55
红外线热像仪
红外辐射
待测目标
扫描聚
光滤光
红外
检测器
信号处理
显示
同步控制
温度补偿
生物（医学）电子学 56
3.5 化学传感器及其应用
化学传感器
指基于化学原理的、以物质成分为检测对象的一类
传感器
利用敏感材料与被测物质中的离子、分子或生物物
质相互接触而产生的 电极电位变化, 表面化学反应
或引起的 材料表面电势变化,并将这些反应或变化
直接或间接地转换为电信号。
生物（医学）电子学 57
待测的化学参量
血液 PH值
氧分压（ Pa）
二氧化碳分压（ Pco2)
血红蛋白总数（ Hb）
各种离子
传统的方法（化验）
从血样采集到得出完整的化验报告，需 30分钟或更
长
现代方法（生化分析仪）
快速、方便、可靠、连续
生物（医学）电子学 58
1,电化学的基本概念
活度：溶液中能够表现出离子性质和行为并能发挥
作用的那部分离子的浓度，称为有效浓度，用活度
a表示。
活度系数,
标准氢电极：以标准氢电极为标准，规定其电极电
位为 0V，作为比较基准
浓度
活度
活度系数其中
?
?
?
?
c
a
ca
,
/
?
?
生物（医学）电子学 59
参比电极：为二级标准电极，其电极电位不为 0，
但重复性、稳定性好。常用的有甘汞电极，
Ag/AgCl电极等。
指示电极：用于测定过程中主体浓度不发生变化的
情况。
工作电极：用于测定过程中主体浓度会发生变化的
情况。
生物（医学）电子学 60
2,几种不同类型的化学传感器
离子传感器,用于测量人体内各种必须和非必须的
离子含量。
常用的离子传感器
选择离子电极：其电位对溶液中给定的离子活度呈线性关
系
离子敏感场效应管
是 MOSFET与电极的结合
用电解液代替 MOSFET的栅极
电解质的活度影响 FET沟道电阻，从而影响输出信号。
生物（医学）电子学 61
离子敏感场效应管
D
V
G
V
参比电极
被测溶液
源极漏极
栅极
S
G
D
生物（医学）电子学 62
气体敏感传感器
电化学气体传感器
原理,当气体处在电极和电解质组成的电池中时，气体与
电解质反应或在电极表面发生氧化（失去电子） —还原
（得到电子）反应，而在两个电极间输出电压或电流。检
测该电压或电流，可以得到气体的浓度。
半导体气体传感器
利用表面电阻变化来检测气体（表面吸附气体分子，使电
导变化）
光纤气体传感器
原理,利用红血球中的血红蛋白的两个状态（过氧状态，
无氧状态）的光谱特性不一致来检测含氧量。
生物（医学）电子学 63
血氧饱和度
为常数
处的光强和在光强其中
YX
nmnmI
I
YI
XS
O
,
805660,,,
)(
)(
21
2
1
2
??
??
??
?
?
双波长发射光纤
660,805nm
光纤传感器
血管
近端光纤
远端光纤
计算机
生物（医学）电子学 64
化学传感器在医学中的应用
血液 PH值的检测
在正常状态下，血液的 PH值在 7.36~7.44之间。超出会出
现中毒症状。
典型的 PH值测量，由 PH玻璃电极和甘汞电极组成测量电
池。
体外循环中体液成分的连续测量
A-泵； B-人工肺； C-切换阀； D-标准液； E-空气泵； F-离
子电极； G-蠕动泵； H-参比电极溶液； J-信号输出
生物（医学）电子学 65
A
B - 人 工 肺 装 置
C
D
E
F
GH
JG
生物（医学）电子学 66
3.6 生物传感器及其应用
生物传感器的定义
由生物活性材料与相应的转换器构成，能测定特定
化学物质（主要是生物物质）的传感器。
1,生物活性物质的特定识别功能
生物传感器框图
被测物质
生
物
敏
感
膜
传感
元件
二次仪表
电信号生物学
反应信息
物理、
化学变化
生物（医学）电子学 67
生物识别元件（生物敏感膜）, 是生物传感器的关
键部分
酶（ Enzyme）,是生物体产生的具有催化能力的
蛋白质，它能催化特定分子的化学反应。 特点,
催化进程,使底物（被酶作用的物质）与酶相结合，并转
化为生成物。酶具有分子识别，分子转化的双重功能。
催化效率极高,每分钟每个酶分子转换 10^3~10^6个底
物分子，其效率为常规催化剂的 10^7~10^13倍。
具有专一性,特定的酶对特定的底物起作用,
底物浓度影响反应速度
抗原与抗体
抗原 — 是能够刺激动物机体产生免疫反应的物质。可能为
生物体（微生物），也可能为非生物（多糖等）。
抗体 — 是由抗原刺激机体产生的具有特异免疫功能的球蛋
白，又称为免疫球蛋白。
生物（医学）电子学 68
生物学反应中的有关信息
热敏生物传感器 —检测酶促反应和微生物反应释放的热量。
光生物传感器 —检测生物光和颜色反应及光吸收情况。
阻抗生物传感器 —检测微生物反应中培养液阻抗与细菌生
长的函数关系。
2,酶传感器
组成
固定化酶 —不溶于水的酶膜。
传感元件
酶电极
是一种比较实用的酶传感器。
将酶膜设置在转换电极附近，被测物质在酶膜上。
发生催化反应后，生成电极活性物质（ O2,H2O2,NH3）
由电极测定反应中生成或消耗的电极活性物质，转成电信
号。
生物（医学）电子学 69
1-Pt电极； 2-聚四氟乙烯膜； 3-固定化酶膜； 4-非对称半透膜
多孔层； 5-半透膜致密层
1
2
3
4
5
A
生物（医学）电子学 70
工作原理
敏感膜为葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯胺凝胶上
转换电极为极谱式氧电极，其 Pt阴极上有一层聚四
氟乙烯膜
当酶电极插入被测葡萄糖溶液时，溶液中的糖被酶
氧化（消耗氧气、生成 H2O2）
电极还原电流下降，通过测量此电流，可知葡萄糖
溶液的浓度及变化。
其它生物传感器
组织传感器：以动植物组织薄片作为生物敏感膜；
微生物传感器：是酶电极的衍生电极，结构和原理相似；
细胞传感器：是组织传感器的衍生型
谢谢大家！
第三章 生物（医学）信息的获取
生物（医学）电子学 2
3.1 工程技术对医学的影响
第一阶段：萌芽阶段
时间,17世纪 —19世纪
标志：出现了听诊器、体温计和血压计
第二阶段：渗入阶段
时间,19世纪末以后
标志：两件大事
1895年 11月 8日，伦琴发现了 X射线。 1895年 12月 22日，伦琴为
其夫人拍摄第一张 X光片
电技术出现，导致心电图、脑电图的测量和研究
1895年，荷兰医生 Einthoven首次得到心电图
1903年，用电流计记录了心电图
1947年，脑的 A型超声
1953年，二维超声实时成像
生物（医学）电子学 3
第三阶段：冲击阶段
时间,20世纪 60年代以后
动力：微电技术、计算机技术
例：心电的进展
1961年,Holter完成磁带记录 24小时监测、回放，准确
率 66%
70年代，计算机识别 QRS波，准确率 97%
例,CT技术
1971年,Hounsfield（英国工程师）
获得诺贝尔奖
目前，各种 CT，包括,X-CT，超高速 X-CT，单光子发射
CT，正电子发射 CT，核磁共振 CT等
生物（医学）电子学 4
第四阶段：融合
时间,20世纪 80年代以后
标志：医疗仪器的全面计算机化
医疗技术的 植入化, 远程化 和 介入治疗
例：植入化
心脏起博器,30年前 180克，现在 16克
胃电装置（减肥、食欲）
视网膜显示器：调节二极管发出的光子流，使其略过视网膜，
形成扫描，使振动色彩图像被大脑接收，可以使白内障患者
看见东西。
纳米技术：进入血管检查，把数据送回监视器
远程化：与网络通信技术相结合
计算机辅助治疗兴起
多功能医疗手段出现
临床信息系统
生物（医学）电子学 5
3.2 生物电位电极
生物电引导电极的概念
完成人体（或其它生物体）和测量系统之间
的界面作用，把离子电流变为电子电流。
在人体内，离子导电
在测量系统内，电子导电
生物（医学）电子学 6
1,电极的极化电压
构成：引导电极是经过一定处理的金属板、
金属丝或金属网；
与电极直接接触的是电解质溶液；（导电膏，
人体汗液、人体组织液、电极插入、埋藏式
等）
形成一个金属 —电解质溶液界面
生物（医学）电子学 7
电化学知识
当金属放入水溶液时，因
极性水分子的作用,
金属离子离开金属进入水
中，在金属上留下相应数
量的自由电子，金属呈负
电；
金属（带 -电）与水中的 +
离子相互吸引，导致动态
平衡；
金属与水溶液之间形成电
荷分布 —双电层。产生一
定的电位差。
+
+
+
-
生物（医学）电子学 8
电极的概念
电极,由金属浸在含有该金属离子溶液中所构
成的体系称为电极。
电极电位,金属与溶液之间的界面的电位差称
为电极电位。
电极电位的定义,
R— 气体常数,8.314J/mol.K; F— 法拉弟常数,96487库伦；
T— 绝对温度； n— 离子价数；
C— 金属离子的有效浓度 (mol/L); K— 与金属特性有关的常数
K
C
nF
RTE ln?
生物（医学）电子学 9
在室温下,
当 C=1时,
K
C
nE lg
0591.0?
k
n
TE lg102 4
0
????
生物（医学）电子学 10
电极的极化
电极的极化
指电极与电解质溶液界面形成双电层；
在有电流通过时，电极 — 电解质溶液界面的电位发生
变化（高度极化、不极化）
在生物医学工程领域，记录直流或缓慢变化的生物电
位，需用不极化的电极。
例：用双极导联记录心电、脑电，所记录的是信号两
点的电位差，若两电极本身电位不同，则造成伪差。
电极电位漂移的原因,
材料的细微差别
电极表面受到污染
移动
生物（医学）电子学 11
2,电极的电特性
电极 --电解质界面呈非线性 V-A特性，电极特性与
电流有关。
电极阻抗是频率的函数（有电容存在）
等效电路的参数与电极材料有关。
生物（医学）电子学 12
3,绝缘干电极
与上述的表面电极不同
采用电容耦合原理
生物电信号经过电容耦合到放大器，电极与人体之
间的电容 2500pF— 5000pF，输入阻抗, 800M欧 人
体
绝缘层
极板
Vcc
输出
屏蔽
生物（医学）电子学 13
4,金属微电极
用于提取单细胞或神经元一类微小单元的电位电极
尺寸,0.05um— 10nm
材料,
金属电极
填充电解液玻璃电极等
生物（医学）电子学 14
3.3 生物医学传感器
1,传感器的定义
传感器（ sensor）是能够感受规定的被测量，并按
照一定的规律将其转换为有用信号的器件或装置。 ]
是获取人体生理和病理信息的工具
是生物医学工程的重要分支
对化验、诊断、监护、控制、治疗等均有重要意义
传感器在测量系统中的位置
外界信息 传感器 测量电路
设备
显示
处理
生物（医学）电子学 15
2,生物医学传感器的主要用途
检测生物体信息
例
心脏病患者在手术前，需测量心内压力 — 血液传感器
普查乳腺癌 — 红外线探测器扫描 — 热分布图
监护,连续测定某些生理参数
例
心脏手术的患者，手术几天之内，要连续测量
体温，脉搏，动脉压，静脉压，呼吸，心电等
需要一系列的传感器
控制：利用检测到的参数，控制人体的胜利过程
例
在使用同步呼吸机抢救病人时，需检测病人的呼吸信号，
并控制呼吸器的动作，使之与人的呼吸同步。
生物（医学）电子学 16
“From Tanks to Tumors” State of the Art,Healthy Breasts (shown left)
and After 10 min,waiting (right) by one camera passive Thermal Scan
After 10 min,
生物（医学）电子学 17
State of the Art,Pathological Breasts Before (shown left) and After 10
min,waiting (right) by one camera passive Thermal Scan (IRI)
After 10 min,
DCIS
zero stage
requires
excess
heat supply
生物（医学）电子学 18
3,生物医学传感器的分类
物理传感器,
用于测量血压、体温、血流量、血粘度、生物组织对辐射
的吸收、反射或散射等。
化学传感器,
测量体液中的离子成分或浓度,PH值，氧分压，葡萄糖浓
度等。
测量生物电位的电极也可看作传感器，可以列入化学传感
器。因为电极与皮肤之间的界面是一个半电池（化学电
池）。
生物传感器
用于酶、抗原、抗体、激素,DNA（脱氧核糖核酸）等物
质的传感。
因上述分子的分子量较大，化学传感器难于识别，划为生
物传感器。
生物（医学）电子学 19
4,生物医学传感器的特殊性
距离问题,
在工业测量中，总是尽量使传感器接近被测点。在生物医
学测量中，要避免传感器干扰人的正常生理、生化状态，
避免给人的正常活动带来负担或痛苦。信号远离，使信号
变坏。
接触问题,
常采用非接触或无损测量（借助信号处理技术）
植入问题,
发展了植入式或部分插入式传感器（微型化、纳米技术）
噪声问题,
信号微弱，低频，噪声干扰大，随机性强，个体差异较大。
生物（医学）电子学 20
5,传感器的静态特性
几个概念
静态量：是指固定状态的信号或变化的极其缓慢的信号
（准静态量）；
动态量：周期信号，瞬态信号，说随机信号
静态特性：输入量为恒定值时，输入量与输出量之间的关
系称为静态特性。
一般表达式
其中,0偏
灵敏度，用 k表示
线性特性
奇对称性
n
n xaxaxaaY ????? ?
2
210
0a
1a
X
Y
X
Y
生物（医学）电子学 21
衡量静态特性的指标
线性度,传感器的特性曲线的非线性误差
其中,
%1 00
.
m a x ?
??
?
?
??
?
? ?
??
SF
L Y
L
?
值传感器满量程输出平均
最大误差
校准曲线与拟合直线间
线性度
SF
L
Y
L
.
m a x
?
?
Xmax
(Xo,Yo)
m a x
L?
Ymax
被校准曲线
拟合曲线
生物（医学）电子学 22
迟滞
描述传感器的正向（输入量由小到大）和反向（输
入量由大变小）特性的不一致程度
其中
%1 0 0
.
m a x ?
???
?
???
? ?
??
SF
H Y
H?
行程的最大偏差
输出值在正反向m a xH?
Ymax
m a x
H?
SF
X
.
SF
Y
.
生物（医学）电子学 23
重复性
在同一工作条件下，输入朝同一方向做全量程的连
续多次变动时所得到的特性曲线不一致的程度。
其中,
%1 0 0]/)3~2[(, ??? SFR Y??
相应行程的标准偏差?
Ymax
SF
X
.
SF
Y
.
m a x
1?
m a x
2?
生物（医学）电子学 24
灵敏度
在稳态下输出变化对输入变化的比值
dX
dYK
X
YK ?
?
?? 或 dY
dX
x
y
0
生物（医学）电子学 25
准确度
又称为精度，表示被测量的测量结果与固定真值间
的一致程度。
灵敏限
指输入量的变化不一致引起输出量有任何可见变化
的量值范围
6,传感器的动态特性
动态特性：指传感器对于随时间变化的输入量的响
应特性，可以用传递函数来描述。
0
1
1
0
1
1
)(
)(
)(
asasa
bsbsb
sX
sY
sH n
n
n
n
m
m
m
m
???
???
?? ?
?
?
?
?
?
生物（医学）电子学 26
3.3 物理传感器及其应用
1,光电传感器及其应用
光电传感器,
概念：把光信号转换成电信号的传感器。可以直接测量来
自人体的辐射信息，也可以把人体的其它信息转换成光 /
电信号。
优点：结构简单，非接触，可靠性高，精度高，反应迅速
常用元件：光电管，光电导，光电势元件，光敏管
原理：光电效应 —指光照射到物质上引起其电特性发生变
化的现象。
外光电效应：光电发射效应
内光电效应：光导效应，光生伏特效应
生物（医学）电子学 27
外光电效应
金属表面受光照射，其表面和内部的电子吸收光能
后溢出金属表面的现象，称为外光电效应。
两条定律,
斯托克夫定律,当
入射光频率不变时,
饱和光电流与入射光
强度成正比。
爱因斯坦定律,光
电子的最大动能与入
射光的频率成线性关
系，而与入射光的强
度无关。
)Hz(
( H z )
SJ10626.6,
)J(
)m / s(
)kg(
)J(,w h e r e
2
1
0
34
0
m a x
00
2
m a xm a x
率金属产生发射的极限频
入射频率
普郎克常数
金属逸出功
光电子逸出速度
光电子质量
光电子最大动能
?
?
????
?
?
?
?
?????
?
?
?
???
hh
A
v
m
E
AhhhmvE
生物（医学）电子学 28
二次电子发射和电子倍增现象
二次电子发射,具有足够动能的电子（ 一次电子 ）
轰击任何物体，使该物体发射电子（ 二次电子 ）的
现象,
光电倍增管
把微弱的光输入转换成电子流并使电子获得放大的
真空电子器件。
A 阳 极
????
-HV
光子
L
R
输出信号
1
D
2
D
n
D
聚焦电极
K 阴 极
光电子
生物（医学）电子学 29
光电倍增管的工作原理
各电极电位从阴极开始逐级升高，相邻电极电位差
为 100V左右。
微弱光入射的的光电子打到光阴极上，引起光电子
发射。
经过静电聚焦和加速，飞向第一倍增阳极 D1，并引
起二次电子发射。 …
最后，电子到达阳极被聚焦，在电阻上形成约 1uA
的电流。
电流放大倍数约为 10^6—10^8。
生物（医学）电子学 30
光电倍增管的应用
放射性同位素（ RI）测量和成像，用光电倍增管作
为检测器。
方法：静脉注射 /口服放射性同位素示踪药物，同位素分
布于人体特定部位，可检测其分布或图像，从而测定生理
机能的变化，或功能障碍。
伽马照相机 /单光子发射断层成像（ SPECT）
采用光电倍增管检测伽马射线，激起的闪烁晶体发出光信
号。
生物（医学）电子学 31
半导体光电器件
光导效应和光敏电阻
光导效应,光照射到绝大多数高电阻率半导体材料引起其
电阻率下降而易于导电的现象。
光敏电阻,利用光导效应制成的电阻。
光生伏特和光电池
光生伏特效应,半导体受光照射产生电势的现象，称为光
生伏特效应。
光电池,
金属 —半导体型
PN结硅光电池
光敏二极管（三极管）
是具有 PN结、具有光电转换功能的二极管（三极管）。
生物（医学）电子学 32
3,压电传感器及其应用
压电原理
概念,某些介质（晶体、高分子聚合物），当在适当的方
向施加作用力时，内部会产生电极化状态，导致电介质带
电，称为压电效应。
可逆性,压电效应是可逆的，在电极上加电动势，也会产
生应变，称为逆压电效应。
工作原理
受力
+ -
生物（医学）电子学 33
压电传感器的等效电路
测量电路
电荷源 电压源
测量电路示意图
生物（医学）电子学 34
应用实例
血压测量：动脉波形
生物（医学）电子学 35
热电式传感器
金属热电偶传感器
原理,两种不同的金属组成回路时，若两个接触点温度不
同，则回路中就有电流通过，称为温差电现象（贝塞尔效
应）
温差电现象的热电势
热电偶温度计
度第二接触点上的参考温
度第一接触点上的被测温
?
?
?????
2
1
2
2
2
121 )()(
T
T
TTTTV ???
测温接点
绝缘材料 热电偶
保护管
生物（医学）电子学 36
PN结温度传感器
当恒定电流正向流过 PN结二极管时，二极管端电压随温度
的改变做线性变化。
电流和电压的关系
是温度的函数饱和电流
电子电荷
二极管端电压
温度
玻尔兹曼常数其中
,
106022.1,
)(
,
]
2
e x p [
0
19
0
?
???
?
?
?
?
I
Cqq
V
KT
k
kT
qV
II
生物（医学）电子学 37
热敏电阻温度传感器
热敏电阻
非线性特性
玻璃涂层
热敏电阻材料
铂 - - 铱 引 线
参考温度
材料常数
时的电阻温度式中
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
0
0
0
B
,
)
11
(e x p
T
TR
TT
BRR
T
T
25C
1
温度
比电阻
生物（医学）电子学 38
一般希望得到线性电阻 — 温度特性
补偿（恒流源供电）
补偿（恒压源供电）
pR TR
处的热敏电阻位置在温度变量的中间标度 mTm
m
m
Tmp
TR
TB
TB
RR
?
?
?
?
2
2
sG rG
m
m
Tm
s
s TB
TBG
RG 2
21
?
???
生物（医学）电子学 39
测量电路
测量两个器官或同一器官不同部位的微小温差
直流放大 输出
0
t
0t
R
R
RR
V
生物（医学）电子学 40
电容式传感器
工作原理
电容式传感器是基于被测量改变传感器的电容量再转换成
输出电量的结构型传感器。
平板式电容
灵敏度
极板间距
极板面积
绝缘体相对介电常数
自由空间介电常数式中
?
?
?
?
?
x
A
xAC
r
r
,
/
0
0
?
?
??
x
dx
C
dC
xA
x
C
K r
??
??
?
?
? 20 /??
生物（医学）电子学 41
4,光导纤维传感器
光导纤维原理
当
此时的 称为临界角
凡大于临界角的均能发生全反射,
传输光线
保护层
包层
芯子
1
n
2
n
1122 s i ns i n ?? nn ?
.1s i n 2 时发生全反射??
1?
生物（医学）电子学 42
光纤传感器的应用
把被测对象的状态转换成光纤中传输的光信号来进
行检测的光学传感器
例,光纤血液流速传感器（图）
激光器
偏振棱镜 透镜
光纤
血管
红血球
血流
频率分析
前置放大
光敏器件
ff ?? f
生物（医学）电子学 43
说明,
光纤刺入血管
血管中红血球直径 7um，速度为 V。
激光器发出直线偏振光（频率为 f），经偏光镜后进
入光纤，直至血管。
部分光反射回始端。
另一部分被红血球散射，频率偏移，再返回始端。
偏振棱镜只把返回始端的两束光波总的特定偏振成
分反射到色散器件。
光敏器件检出差频后，可根据多普勒公式计算红血
球移动速度。
生物（医学）电子学 44
3.4 物理传感器应用举例
1,血压测量
直接法
采用导管经皮肤插入人体内部待测位置，通过导管内的液
体将体内的压力耦合到体外的压力测量系统中进行测量。
准确可靠，可；连续监测，有创伤，有安全问题。
插入部位：臂静脉过锁骨下大静脉
导管：不透 X光的聚乙烯导管。
图（见下页）
生物（医学）电子学 45
直接法血压测量图
冲洗液
采样
峰值检测反相
峰值检测
积分
压力传感器
收缩压
舒张压
平均压
生物（医学）电子学 46
间接法
在体外对动脉血管加以变化的压力，通过体表检测出脉管
内血流与外部压力之间相对应的关系，从而测出脉管内的
血压值。
简便，误差较大。
科氏音法
用袖带充气，阻断动脉血流，然后缓慢放气。在阻断点的
下游监听是否出现血流。当开始听到科氏音时，即开始有
血流通过时，袖带内的压力为动脉内的收缩压。当血流完
全恢复时，袖带内的压力为动脉内的舒张压。
方法,
水银血压计
电子血压计
生物（医学）电子学 47
电子血压计框图
音频
放大器
脉搏
科氏音
传感器输入
定时器
工作周
期选择
三角波
发生器
比较器
控制阀
功率放大
泵功率
放大器
泵
压力
控制阀
压力
传感器
压力
放大器
压力声音
放大器
生理量输出
压力声音输出
到袖带
生物（医学）电子学 48
2,血流测量
阻抗血流图
血流在血管中脉动时回造成血管截面的弹性变形，从而造
成血管两端间的阻抗的脉动变化。
稀释法
通过测量心输出量或心搏出量来测量
指示剂吸收法：在血流中注入一定量的指示剂（染料），
当心脏搏出血液后，检测血液中的指示剂浓度，可以计算
心搏出量。
热稀释法：在右心房入口处注入一定量（ 5-10ml）的冷水
（ 0.5-5C），让其进入右心室，与血液充分混合后，然后
在肺动脉处测量血液温度。根据温差，可知多少血液参加
了混合，即测出了心输出量的大小。
生物（医学）电子学 49
稀释法的图示
充气气球
热敏电阻
末端管腔
带测压及采血内腔
注射针
( 充 气 用 )
抽取血样腔
热敏电阻
引出线腔
远侧肺动脉测压腔
近侧右心房注入冷却盐水腔
生物（医学）电子学 50
说明
前端有可充气的气球
将导管插入静脉，充以适量的气体
导管随气球顺血流漂入右心房内，并嵌入在肺动脉
内
第二腔注入稀释剂（或无菌冷盐水）
第三腔可以测量压力
第四腔用于引出测量电路的导线。
生物（医学）电子学 51
超声血流计
两个超声探头成 角安置在血管两侧，距离为 d。
超声在血液中的速度为 Vs。
血液的流速为 Vf，夹角 。
则超声波在两传感器间的实际速度为
超声波在两探头间的渡越时间
顺流逆流的时间差
逆流顺流 ???,c o s ?fs VV
?
?c o sfs VV
dt
?
?
2222)()(
c o s2
c o s
c o s2
s
f
fs
f
V
dV
VV
dV
ttt
?
?
?
?
?
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?
生物（医学）电子学 52
得到血流速度为
即只要测准了时间差，就可以得到 Vf
?c os2
2
d
tVV s
f
??
?
d
A
B
f
V
生物（医学）电子学 53
3,呼吸测量
热敏电阻测量呼吸率
把热敏电阻夹在鼻子上
呼吸气流从较高温的热敏电阻表面流过，则热敏电阻的阻
值发生变化
可以测出呼吸波形
周期
呼气
吸气
生物（医学）电子学 54
4,红外线测温
红外线的波长范围,0.76—1000um
人体辐射能量的波长范围,3-16um
人体组织病变，体表温度变异，红外辐射的能量改
变
红外线热像仪
7
10
? 6
10
? 5
10
? 4
10
? 3
10
? 2
10
? 1
10
?
1 10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10 )( m??
0.01 0.39 0.76 1000
G a m m a 射 线
X 射 线
紫外线 可见光 红外线 无线电波
微波
生物（医学）电子学 55
红外线热像仪
红外辐射
待测目标
扫描聚
光滤光
红外
检测器
信号处理
显示
同步控制
温度补偿
生物（医学）电子学 56
3.5 化学传感器及其应用
化学传感器
指基于化学原理的、以物质成分为检测对象的一类
传感器
利用敏感材料与被测物质中的离子、分子或生物物
质相互接触而产生的 电极电位变化, 表面化学反应
或引起的 材料表面电势变化,并将这些反应或变化
直接或间接地转换为电信号。
生物（医学）电子学 57
待测的化学参量
血液 PH值
氧分压（ Pa）
二氧化碳分压（ Pco2)
血红蛋白总数（ Hb）
各种离子
传统的方法（化验）
从血样采集到得出完整的化验报告，需 30分钟或更
长
现代方法（生化分析仪）
快速、方便、可靠、连续
生物（医学）电子学 58
1,电化学的基本概念
活度：溶液中能够表现出离子性质和行为并能发挥
作用的那部分离子的浓度，称为有效浓度，用活度
a表示。
活度系数,
标准氢电极：以标准氢电极为标准，规定其电极电
位为 0V，作为比较基准
浓度
活度
活度系数其中
?
?
?
?
c
a
ca
,
/
?
?
生物（医学）电子学 59
参比电极：为二级标准电极，其电极电位不为 0，
但重复性、稳定性好。常用的有甘汞电极，
Ag/AgCl电极等。
指示电极：用于测定过程中主体浓度不发生变化的
情况。
工作电极：用于测定过程中主体浓度会发生变化的
情况。
生物（医学）电子学 60
2,几种不同类型的化学传感器
离子传感器,用于测量人体内各种必须和非必须的
离子含量。
常用的离子传感器
选择离子电极：其电位对溶液中给定的离子活度呈线性关
系
离子敏感场效应管
是 MOSFET与电极的结合
用电解液代替 MOSFET的栅极
电解质的活度影响 FET沟道电阻，从而影响输出信号。
生物（医学）电子学 61
离子敏感场效应管
D
V
G
V
参比电极
被测溶液
源极漏极
栅极
S
G
D
生物（医学）电子学 62
气体敏感传感器
电化学气体传感器
原理,当气体处在电极和电解质组成的电池中时，气体与
电解质反应或在电极表面发生氧化（失去电子） —还原
（得到电子）反应，而在两个电极间输出电压或电流。检
测该电压或电流，可以得到气体的浓度。
半导体气体传感器
利用表面电阻变化来检测气体（表面吸附气体分子，使电
导变化）
光纤气体传感器
原理,利用红血球中的血红蛋白的两个状态（过氧状态，
无氧状态）的光谱特性不一致来检测含氧量。
生物（医学）电子学 63
血氧饱和度
为常数
处的光强和在光强其中
YX
nmnmI
I
YI
XS
O
,
805660,,,
)(
)(
21
2
1
2
??
??
??
?
?
双波长发射光纤
660,805nm
光纤传感器
血管
近端光纤
远端光纤
计算机
生物（医学）电子学 64
化学传感器在医学中的应用
血液 PH值的检测
在正常状态下，血液的 PH值在 7.36~7.44之间。超出会出
现中毒症状。
典型的 PH值测量，由 PH玻璃电极和甘汞电极组成测量电
池。
体外循环中体液成分的连续测量
A-泵； B-人工肺； C-切换阀； D-标准液； E-空气泵； F-离
子电极； G-蠕动泵； H-参比电极溶液； J-信号输出
生物（医学）电子学 65
A
B - 人 工 肺 装 置
C
D
E
F
GH
JG
生物（医学）电子学 66
3.6 生物传感器及其应用
生物传感器的定义
由生物活性材料与相应的转换器构成，能测定特定
化学物质（主要是生物物质）的传感器。
1,生物活性物质的特定识别功能
生物传感器框图
被测物质
生
物
敏
感
膜
传感
元件
二次仪表
电信号生物学
反应信息
物理、
化学变化
生物（医学）电子学 67
生物识别元件（生物敏感膜）, 是生物传感器的关
键部分
酶（ Enzyme）,是生物体产生的具有催化能力的
蛋白质，它能催化特定分子的化学反应。 特点,
催化进程,使底物（被酶作用的物质）与酶相结合，并转
化为生成物。酶具有分子识别，分子转化的双重功能。
催化效率极高,每分钟每个酶分子转换 10^3~10^6个底
物分子，其效率为常规催化剂的 10^7~10^13倍。
具有专一性,特定的酶对特定的底物起作用,
底物浓度影响反应速度
抗原与抗体
抗原 — 是能够刺激动物机体产生免疫反应的物质。可能为
生物体（微生物），也可能为非生物（多糖等）。
抗体 — 是由抗原刺激机体产生的具有特异免疫功能的球蛋
白，又称为免疫球蛋白。
生物（医学）电子学 68
生物学反应中的有关信息
热敏生物传感器 —检测酶促反应和微生物反应释放的热量。
光生物传感器 —检测生物光和颜色反应及光吸收情况。
阻抗生物传感器 —检测微生物反应中培养液阻抗与细菌生
长的函数关系。
2,酶传感器
组成
固定化酶 —不溶于水的酶膜。
传感元件
酶电极
是一种比较实用的酶传感器。
将酶膜设置在转换电极附近，被测物质在酶膜上。
发生催化反应后，生成电极活性物质（ O2,H2O2,NH3）
由电极测定反应中生成或消耗的电极活性物质，转成电信
号。
生物（医学）电子学 69
1-Pt电极； 2-聚四氟乙烯膜； 3-固定化酶膜； 4-非对称半透膜
多孔层； 5-半透膜致密层
1
2
3
4
5
A
生物（医学）电子学 70
工作原理
敏感膜为葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯胺凝胶上
转换电极为极谱式氧电极，其 Pt阴极上有一层聚四
氟乙烯膜
当酶电极插入被测葡萄糖溶液时，溶液中的糖被酶
氧化（消耗氧气、生成 H2O2）
电极还原电流下降，通过测量此电流，可知葡萄糖
溶液的浓度及变化。
其它生物传感器
组织传感器：以动植物组织薄片作为生物敏感膜；
微生物传感器：是酶电极的衍生电极，结构和原理相似；
细胞传感器：是组织传感器的衍生型
谢谢大家！
