傳感器在檢測(cè)心血管疾病上的應(yīng)用*

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，一類是物理傳感器，另一類是化學(xué)、生物傳感器。近幾年，醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展，可以說是圍繞著物理型傳感器發(fā)展的，也就是說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

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如圖1所示。

圖1 位移傳感器的分類

1) 電阻式位移傳感器的分類及工作原理: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及工作原理:電感式傳感器是通過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，則也是專門用于實(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)量工作過程中的各種控制結(jié)果。

1) 壓力傳感器的分類及工作原理: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如圖2所示。

圖2 壓力傳感器分類

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。為了克服這一問題，近幾年來又發(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)傳感器通常是通過測(cè)量人體內(nèi)各種細(xì)微振動(dòng)的大小變化來判斷人體各個(gè)重要器官的功能狀態(tài)。比如，通過心跳、主動(dòng)脈的機(jī)械震動(dòng)，傳遞到人體胸壁表面的聽覺區(qū)域，來判定心臟的機(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)類型和力學(xué)原理分為兩大類，其中所測(cè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)類型又可分為位移計(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]，具體分類如圖3所示。

圖3 振動(dòng)傳感器分類

因?yàn)檎駝?dòng)傳感器類型多種多樣，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)感覺到與心音振幅成正比的振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)通過慣性質(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

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)用愈來愈廣。相信在不遠(yuǎn)的將來我們可以更快、更好地了解、應(yīng)用，使之為生命科學(xué)服務(wù)。