刘旖琦，刘忠富

(大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁 大连116600)

心脏是我们人体内输送血液的泵,那么心血管在人体中的作用就不言而喻。随着心血管疾病人数逐年快速增加且年龄呈明显年轻化态势,有效准确诊断心血管疾病的问题就显得的尤为重要。其实，实现这种生物信息检测的具体手段就是依靠各种各样的医用传感器。医用传感器是提取和捕捉生物体内各种生理信息并将其转换为易处理的电量的一种装置[1]。

随着提取和捕捉生理信息的不同,所用的传感器也各有不同。本文主要对医用传感器的发展以及位移传感器、压力传感器和振动传感器在检测心血管疾病上的应用进行综述。

人的身体是一个复杂的物理和化学组织。大概把经常需要测量的物理信息归纳为位移、压力、速度、流量、温度等，如表1所示[2]。根据测量信息的不同，又可以把医学传感器大致划分为两类，一类是物理传感器，另一类是化学、生物传感器。近几年，医学传感器的发展，可以说是围绕着物理型传感器发展的，也就是说是基于新的功能材料的研发。如利用压电效应制成的力传感器，利用霍尔效应制成的磁传感器等等。如果说物理传感器的应用是基于生理现象宏观的观测和分析，那么化学、生物传感器则是更趋向于微观。人体是一个复杂的有机体，利用化学和生物传感器来检测人体的各项生化指标，为从微观和分子层面获取信息提供了途径，更能加深对生命现象的理解。物理传感器与化学、生物传感器互相依存，缺一不可。

表1 医学信息的分类

在心血管的研究中,用位移传感器在动物体或离体血管上测量心脏大小和血管的直径及其变化。如测量心室的压力和体积的变化,可以了解心泵的功能。测得大血管的周长变化和血压变化之间关系,可以算出血管阻力和血管壁的弹性。因此用位移传感器测量人体的器官和组织的大小、形状、位置的变化对判断功能正常与否是很重要的[3]。具体位移传感器的分类如图1所示。

图1 位移传感器的分类

1) 电阻式位移传感器的分类及工作原理:电阻式位移传感器是一种将位移转换成电阻阻值变化的传感器。常用的可以分为电位器电阻式位移传感器、应变片式电阻式位移传感器和弹性应变计电阻式位移传感器。其中电位器式是最简单的一种电阻传感器，它与普通的电位器结构是相同的，都由电阻元件和可动触头组成；
它的工作原理也很简单，是位移的变化再带动机械结构从而带动滑臂移动使其位置发生变化，从而改变了电阻值，使输出量得到改变。应变片式位移传感器由弹性元件和应变片组成，它的工作原理是将弹性应变片粘贴在弹性元件上。当弹性元件上有位移的作用而发生形变时，它的电阻值将会发生变化，为了准确地观察电阻值的变化，后续还需要将它接入电桥，由电桥的输出量就可知道位移的大小。弹性应变计是一种利用可伸缩的弹性管中导电液体的电阻变化的位移传感器[3]。它是一根内置充满导电液体的有弹性的管子，并在管子的两端用电极密封，由于电阻的阻值跟截面积以及长度有关，所以当管子拉伸截面积变小时，会导致电阻值改变。用弹性应变计的时候要注意管子内部不能存在气泡。

2) 电感式位移传感器的分类及工作原理:电感式传感器是通过位移的改变从而改变线圈的自感和互感的传感器。电感式传感器通常有自感式、互感式和变压器式。自感式位移传感器的工作原理是当磁芯和线圈在一定的磁导率下相对运动时，自感应量就会改变。而互感式就是当两个线圈位置发生相对变化时，互感量发生变化。差动变压器式的原理还是基于互感式的原理，因为移动的磁芯会造成互感量的变化，所以它由一个初级线圈和两个对称放置、串联反接的相同次级线圈S1和S2组成。可动铁芯用来改变初级和次级之间的耦合[3]。

除上述电阻式,电感式位移传感器外,还有利用电容变化、压电原理的位移传感器,它们在医学上多用作二次元件,间接测量有关生理参数。近些年超声技术发展很快,利用超声方法从体外测定体内脏器的位移方便实用,但精度较差。

3) 位移传感器在检测心血管疾病上的应用:由于位移传感器分类较多，应用较广，所以具体应用如表2所示。

表2 位移传感器在检测心血管疾病上的应用

在医学上需要测定压力的地方是很多的,如测定血压、心内压、眼内和颅内压、胃内压、食道压等等。各种生理压力的精确测量,对于生理研究、诊断、手术都十分重要。如心室以及心脏瓣膜口的压力测量,是诊断先天性心脏病的必要手段[4]。作为自动数字血压测量仪电路中组成的一个最关键核心部件的压力传感器，则也是专门用于实现将所测量得气压信号量自动地转换成相应血压电信号量的又一类传感测量元件,其压力传感信号质量及判定功能的正确性和好坏都将可能会直接或间接影响到血压测量工作过程中的各种控制结果。

1) 压力传感器的分类及工作原理:压力传感器大多由压力弹性元件和位移传感器一起构成。其中压力弹性元件主要用来感受将压力转换为位移，而位移传感器再将压力弹性元件的位移转换为点输出量。在现代医学的测量系统中,常用到的压力传感器元件有膜片式的电阻、电感、电容压力传感器。其中电阻压力传感器又分为粘贴式和非粘贴式。由于非粘贴式测量的精度比粘贴式高，性能也很稳定，所以医学上测量多用非粘贴式。电感压力传感器主要结构分为差动电感式和差动变压器式。电容压力传感器分为压力计和压差计。压力计和压差计的共同点都是将膜片作为电容器的一个极板，改变其与电容固定极板之间的距离使其电容量发生改变。只不过压力传感器是利用压力作用使膜片变形，将压力计接入电桥电路时会使输出电压和频率随压力而变，而压差计是利用压差是电容量变形，接入振荡器输出调频信号，经过频率-电压转换器后，输出电压随压差而变。具体压力传感器的分类如图2所示。

图2 压力传感器分类

2) 压力传感器在检测心血管疾病上的应用:测量生物力学压力时，通常使用一条细长的心室导管，一端插入体腔内，一端与压力传感器相连，使压力从体内排出。它一般用于测定心内压，也可用做测定颅内压、胸腔内压、髓腔体腔内压。但是在实际测量中，一般不使用它，因为压力传感器接上导管后，会导致其频率响应降低，从而产生误差和波形失真。为了克服这一问题，近几年来又发展了一些新型传感器，例如导管端压力传感器等。

振动传感器通常是通过测量人体内各种细微振动的大小变化来判断人体各个重要器官的功能状态。比如，通过心跳、主动脉的机械震动，传递到人体胸壁表面的听觉区域，来判定心脏的机能。又比如身体的震动[5]。

1) 振动传感器的分类以及工作原理:振动传感器工作形式大致可以按所测运动参数类型和力学原理分为两大类，其中所测运动参数类型又可分为位移计、速度计、加速度计。根据力学原理可分机械式、机电式和光学式，其中机电式又可分为压电式、压阻式、可变电容式和伺服式这四种[6]，具体分类如图3所示。

图3 振动传感器分类

因为振动传感器类型多种多样，工作原理也是各不相同，所以就在具体介绍应用的时候介绍原理。

2) 振动传感器在检测心血管疾病上的应用:振动传感器的一个具体的应用可以做成心音传感器。心音传感器是指一个可将人体心音(振动)转化成电信号的装置,根据检测人体声音信息的传递方式又可以进一步分为空气传导型和直接电传导型。空气传导型心音传感器的原理是胸壁的振动在空气室中产生音压,推动扬声器受压膜，使活动线圈在一定磁场内以相应速度运动，切割磁力线在线圈中产生感应电势[7]。而直接传导型心音传感器又可分为悬吊型和加速度型。它们的工作原理各不相同。悬吊型是通过将可动质量的活动杆直接与人体接触,外壳和可动质量之间用弹簧和传感元件相连接,这样就可以把胸壁的振动直接通过传感元件转换成电信号。而加速度型传感器则都是根据惯性原理直接测量物体振动大小的,当加速度心音传感器上、下放置在人体的胸壁上时，心音传感器会感觉到与心音振幅成正比的振动，这种振动会通过惯性质量对压电陶瓷施加一周的压力，使压电陶瓷板产生电荷，或者在传感器内部的电路输出上产生一个电压，从而将心音的胸壁振动转化为电信号。

生物科学原理和医学工程技术之间相互融合渗透应用已经成为我国现代医药卫生科学技术高速发展阶段的另外一个巨大特点，医用生物传感器技术的广泛应用类似于使人体有了一个灵敏的五官。近几年在国内外,传感器在医学领域中应用愈来愈广。相信在不远的将来我们可以更快、更好地了解、应用，使之为生命科学服务。

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