医学传感器范文（精选6篇）

医学传感器 第1篇

1 光纤传感器的基本原理

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器组成。其基本原理是将光源发出的光经入射光纤送入调制区, 在调制区内, 外界被测参数与进入调制区的光相互作用, 使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光, 再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测物理量。光纤传感器按测量对象分为[2] :光纤温度传感器、位置传感器、流量传感器、力传感器、速度传感器、磁场传感器、电流传感器、电压传感器、光纤图像传感器和医用光纤传感器。光纤传感器按其传感原理可分为两大类:一类是传光型传感器;另一类是传感型传感器。在传光型光纤传感器中, 光纤仅作为传播光的介质, 而对外界信息的“感觉”是依靠其他的功能元件来完成的。传光型传感器中的光纤是不连续的, 中间有敏感元件。目前在医学上应用的主要是传光型光纤传感器。

2 光纤传感器发展现状及趋势

由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场, 其研究和开发在世界范围内都引起了高度的重视, 各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家, 在军事和民用领域的应用进展都十分迅速。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。20世纪90年代, 由东芝、日本电气等公司和研究机构研究开发出具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争, 其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。我国在20世纪70年代末就开始了光纤传感器的研究, 其起步时间与国际相差不远。目前, 已有上百个单位在这一领域开展工作, 如清华大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究, 取得了上百项科研成果, 其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值, 有的达到世界先进水平。与发达国家相比, 我国的研究水平还有不小的差距, 主要表现在商品化和产业化方面, 大多数品种仍处于实验室研制阶段, 不能投入批量生产和工程化应用。

光纤传感技术及其相关技术的迅速发展, 满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求, 使得各领域的自动化程度越来越高。作为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究非常重要。目前, 光纤传感器技术发展方向主要集中于以下几方面[3] :1) 多用途。即一种光纤传感器要能够对多种物理量进行同时测量。2) 提高分布式传感器的空间分辨率及灵敏度, 降低其成本, 设计复杂的传感器网络工程。3) 新型传感材料、传感技术等的开发。4) 在恶劣条件下 (高温、高压、化学腐蚀等) 低成本传感器 (支架、连接、安装) 的开发和应用。5) 光纤连接器及与其他微技术 (微机械、微流态学、喷镀薄膜等) 结合的微光学技术。

3 光纤传感器在生物医学中的应用

如前所述, 目前在医学中应用的光纤传感器主要是传光型的, 以其小巧、绝缘、响应速度快、抗干扰能力强、测量精度高及与生物体亲合性好等一些常规传感器无可比拟的优点, 在生物医学中有着重要作用[4,5] 。随着医用光纤传感器的出现, 医生可以对诸如氧饱和、pH、PO2、PCO2及血液流动速度等血液特性进行实时连续测量, 改变了过去内科医生依赖间断时间检测病人, 从化验室取得结果的测量方法, 与传统测量方法不同的温度和压力光纤传感也投入到医学应用当中。

生物医学中光纤传感器主要应用于以下几个方面:1) 将光纤导管插入血管, 一部分光纤作为导光, 其余作为受光, 利用氧合血红蛋白与血红蛋白不同的吸收光谱, 用于测量血氧饱和度。2) 临床上的压力传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等。3) 利用发射光、透射光的强度随波长的分布光谱来测定活体组织和血液pH值的光纤光谱传感器等。4) 国内外用微波加温热疗新技术治疗癌症已取得了明显的疗效。但微波加温治疗癌症的温度难以控制, 温度过高会杀死人体的正常细胞, 过低则达不到治疗的目的, 还会使癌细胞进一步扩散。微波加温治疗癌症的有效温度为42.5~45℃, 在这个温度内能杀死癌细胞, 因此需要对这一温度进行监测, 光纤温度传感器能实现这个作用。5) 因为糖尿病越来越普遍以及常规方法测定葡萄糖较困难, 产生了葡萄糖光纤传感器。它采用免疫技术和光纤, 测量当过氧化氢存在时, 葡萄糖氧化所消耗的氧。其原理为葡萄糖与荧光素标记的葡聚糖同刀豆球蛋白的竞争性结合。6) 多普勒型光纤速度传感器利用多普勒效应可以测量皮下组织血流速度。7) 光纤近红外的光谱分光术能对健康活器官组织进行跟踪检查而获得有用信息。当血液中存在高浓度的脂蛋白时, 很容易发生血液通道的收缩或者变窄, 利用近红外分光术能够辨别不同种类的脂蛋白与油脂, 从而对血管粥样硬化进行分析。8) 生物体大多数组织成分中未染色和未使用荧光药物的组织能产生荧光, 这称为自体荧光或固有荧光、原发荧光。由于正常组织与肿瘤组织的光谱在总体强度与光谱分布方面有显著差异, 用激光作激发光源, 通过中心光纤传输作用于被测物, 产生自体荧光。另一根光纤收集这些荧光, 分析荧光光谱得到组织的健康状况, 可以对人体组织的癌变作早期诊断, 具有非侵入性、高灵敏性与内镜兼容及非电离辐射等特点。9) 医疗上的图像传输是传输型光纤传感器应用中很有特色的一部分。除此之外, 用光纤传感器也能连续检测胃中CO2气压, 诊断用光纤传感器为更好地治疗病人提供了崭新的医学方法。

现代医用传感器技术已经摆脱了传统医用传感器体积大、性能差等技术缺点, 形成了智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等全新的发展方向, 可以预见, 随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高, 新型的光纤传感器系统将走进我们的生活, 它将在疾病诊断、生物信息学和基因检测分析等方面显示出广泛的应用前景[6] , 光纤传感器也必将会进一步推动临床医学的快速发展。

摘要：光纤是利用光的全反射原理制成的光传导工具, 它的发明彻底改变了人类通讯的模式, 为目前的信息高速公路奠定了基础。光纤传感器已成为光纤应用的一大领域, 它利用光纤作为信号的传输和传感媒质, 是构成现代医学仪器设备必不可少的关键部件。介绍了光纤传感器的基本原理、应用现状及其发展趋势, 重点介绍了光纤传感器在生物医学当中的应用。

关键词：光纤,光纤传感器,医学应用

参考文献

[1]夏荣民, 陈国平, 张关敦, 等.医学中的光纤干涉仪[J].北京生物医学工程, 2002, 21 (1) :49-51.

[2]孙素梅, 陈洪耀, 尹国盛.光纤传感器的基本原理及在医学上的应用[J].中国医学物理学, 2008, 25 (5) :846-850.

[3]何慧灵, 赵春梅, 陈丹, 等.光纤传感器现状[J].激光与光电子学进展, 2004, 41 (3) :39-41.

[4]许顺美, 蒋晓崎.光纤传感器在医学诊断领域中的应用[J].杭州师范学院学报 (自然科学版) , 2005, 11 (3) :232-233.

[5]侯正田, 理记涛, 侯承志.光纤及其在医学当中的应用[J].甘肃科技, 2010, 26 (15) :157-158.

医学传感器 第2篇

《生物医学传感器与测量技术》

考试大纲

一、考试内容

1.传感器基础知识：传感器的静态特性、动态特性，传感器的安全性及可靠性；

2.传感器敏感材料：半导体敏感材料、石英敏感材料、功能陶瓷材料、功能高分子材料等；

3.物理传感器的基本原理：光电式传感器、压电传感器与超声传感器压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器；

4.物理传感器的应用：压力传感器、心音传感器、血流传感器、呼吸传感器、温度传感器、运动信息的检测

5.化学传感器：离子传感器、气体传感器、生理电量测量电极、化学传感器在医学中的应用；

6.生物传感器： 生物敏感膜与固定化技术、酶传感器、微生物和组织及细胞器传感器；生物传感器在医学中的应用；

7.生物医学测量系统：测量电桥、传感器与微机接口、传感器生产信号的计算机处理、生物医学测量系统。

二、参考书目

传感器与医学工程课程教学初探 第3篇

对于生物医学工程专业的本科生教学来说, 《传感器与医学工程》 在生物医学工程专业的课程体系中起到承上启下的作用, 上承模拟电路、数字电路及生物医学电子学课程, 下接医学仪器设计课程。 传感器与医学工程不仅是对生物医学电子学课程的必要补充, 而且是生物医学工程设计实践课程的重要基础, 该课程的学习能够有效加深学生在医学电子系统设计中对传感器这一关键部件的理解。 学生通过生物医学电子学的学习, 掌握信号检测与处理的电路设计;通过嵌入式系统课程的学习, 提高信号处理的硬件编程能力;再经过传感器与医学工程课程学习, 学生具有从信号采集、检测、分析到处理等一系列系统设计与开发的能力。 因此, 作为一门重要的专业基础课程, 同时是一门能直接应用于工程实践的技术课程, 该课程的教学质量和效果直接决定该专业学生对传感器和现代医学检测概念的理解及新型医疗装备的使用与设计。

一、目前在课程的教学内容和教学体系方面存在的问题

1.生物医学工程是一个年轻的专业, 与传感器与医学工程相关的课程资源不够丰富, 现有的传感器与检测原理的相关教材对医用传感器的特色介绍不够突出, 不能满足传感器与医学工程课程的教学需求。 相关的网络资源方面, 大多只是对传统传感器的基本原理的介绍, 特别针对生物医学类传感器特点的内容比较欠缺;仅有的教学资源以文字讲解为主, 即使有的内容配备一定的图表, 也显得单一, 不利于给学生以更直观更深刻的理解。

2.对于本课程在内的任何一门课程的教学来说, 教师的教与学生的学都应当以教会和学会为目的;然而, 目前衡量教会和学会的程度一般都只能通过期末考试的成绩, 这种教学缺乏学生的日常反馈的环节, 不能使教师随时掌握学生的学习动态和学习当中遇到的困难, 以及时调整教学进度和方法, 势必影响授课质量。

3.该课程的教学方式仍以传统的课堂讲授为主, 偏重理论教学, 缺乏实践, 不利于充分调动学生的动手积极性;学生只能纸上谈兵, 不能更好地解决具体的实际问题, 因此教学与社会需求有所脱节, 造成学生的考试成绩很好, 但是不被用人单位认可。

二、解决问题的若干改革方法

1.改善教学资源, 提高授课对象兴趣。 充实和完善传感器与医学工程的教学资源, 具体可以从教师的课件制作及丰富的动画补充环节加以改善。 优秀的教学课件能够使教师以多种软件工具为载体, 围绕知识点展开形象生动的讲解, 开展以教师制作为主、学生为辅的课件制作方法的尝试, 既可以提高课件的多元化内容, 使学生更容易理解, 又可以充分调动学生的听课积极性, 深化学生对知识的记忆和应用。

2.改进教学方法, 注意效果反馈。 搭建网络平台, 方便学生学习, 并且将教师与学生的距离拉近, 随时随地展开提问与讨论, 教师可从中获知学生的学习动态和教学效果, 并找到教学方式的改进办法。 实时的教学反馈是教学过程中非常重要的一个环节, 以网络平台为媒介, 建立学生的反馈机制有利于教师实时地调整授课内容和授课进度。

3.加强实验环节, 提高动手能力。 加强实验环节, 例如动手设计试验箱。 目前市场上可购买的传感器试验箱很多, 但大多集成度较高, 不利于学生了解传感器的测试原理和尝试基本测量电路的搭建。 因此, 试验箱的设计和搭建既是对学生动手能力的培养和锻炼, 又是弥补上文所述现状分析中教学资源不足的一种重要手段。

三、结语

对于传感器与医学工程的授课过程, 通过提出如上的教学改进思路, 通过改善教学资源、改进教学方法、加强实验环节等途径保证课程的有效讲授, 使该课程在生物医学工程专业建设中发挥良好的作用。 在教学中要重视培养学生对人体生理信号特征和测量基础知识的理解, 解决实际问题的能力, 充分调动学生的学习积极性, 以增强整体教学效果。

参考文献

[1]张东, 程正富.《传感器原理》课程实验教学设计[J].重庆文理学院学报 (自然科学版) , 2006, 5 (1) :84-85.

[2]王平, 刘清君.生物医学传感与检测[M].浙江大学出版社.

[3]向丹.传感器原理及应用教改新探[J].广东技术师范学院学报, 2008, 6:89-91.

生物传感器在医学上的应用 第4篇

生物传感器是一门交叉学科的研究与应用,它涉及了现代生物技术、微电子学、化学等学科,是一种新兴的高科技产品。

在生物医学工程、发酵工业、环境监测、食品检验等多个领域,生物传感器都有着巨大的应用潜力。特别是随着生物医学工程的深入研究,传感器在医学上的应用也得到了迅速发展,在医学的发展中有着举足轻重的作用。

2、生物传感器的概念、组成及分类

生物传感器是采用生物活性物质(如酶、微生物、抗体等),用于检测与识别生物体内的化学成分的传感器。

生物传感器由生物敏感膜和信号转换器构成。

生物敏感膜又称分子识别元件,是利用生物体内具有奇特功能的物质制成的膜,是对目标物进行选择性作用的生物活性单元,它与被测物质接触时伴有物理、化学变化的生物化学反应,可以进行分子识别。

现被使用的生物敏感膜有:具有高度选择催化活性的酶、抗体、DNA聚合物、细胞受体和完整细胞等具有特异选择性作用功能的生物活性单元。

信号转换器是将发生生物化学反应后产生的生物学信息转化为可以定量处理的光信号或电信号。

生物传感器中,分子识别系统中所用的生物活性物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原/抗体等,根据所用的生物活性物质可将生物传感器分为:酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。

3、生物传感器的基本原理

生物传感器是具有高度选择性的检测器,即其专一性强,只对特定的底物起反应。它通过各种化学、物理信号转换器捕捉目标物与敏感膜之间的反应,然后将反应程度用连续的电信号表达出来,从而得出被检测样品的浓度。

生物传感器的工作原理可用图1表示:待测物经扩散作用进入分子识别元件,经分子识别,与分子识别元件特异性结合,发生生物化学反应,产生的生物学信息通过信号转换器转化为可以定量处理的光信号或电信号,再经仪表的放大和输出,以电极测定其电流值或电压值,从而换算出被测物质的量或浓度。

4、免疫传感器

以免疫传感器为例来说明生物传感器的工作原理。

当病原菌或其他异体蛋白质(即抗原)侵入生物体内,生物体内的免疫系统就会产生能识别抗原并将其从体内排除的物质(即抗体)。

抗原与抗体结合形成复合物(称为免疫反应),从而将抗原清除。人和动物正是因为有这种排除异物的免疫功能而维持着生命。

免疫传感器就是利用抗体对相应的抗原的识别和结合双重功能,将抗体或抗原与转换器组合而成的检测装置。

抗体能有选择地与抗原结合而不与其他物质结合,将抗原或抗体固定于膜上形成具有识别免疫反应的分子功能膜,根据抗体膜的膜电位的变化就可以测定抗原的吸附量。

免疫传感器选择性好,一种抗体只能识别一种毒剂,因此可以区分性质相似的同系物、同分异构体。在测量组成复杂的生物材料样品中的痕量物质,尤其干扰物浓度远大于待测浓度时就更体现其优越性。

5、生物传感器在医学上的应用

生物传感器具有专一性强(选择性好)、分析速度快、灵敏度高、稳定性强、成本低、能实现连续在线监测、操作简单等特点。

目前,生物传感器作为临床检验的一种新型手段,已引起检验医学界的关注。

(1)临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分,监测多种细菌、病毒及其毒素

抗体是一种具有很强选择性的分析试剂,现已利用动物体这种功能制备出抗激素、酶、病毒、癌抗原、细菌抗原和其它许多蛋白质的抗体,并利用抗体和抗原的特异反应测定这些微量物质。

(1)AFP免疫传感器用于诊断原发性肝癌

A F P(甲胎蛋白)是胚胎肝细胞所产生的一种特殊蛋白质,为胎儿血清的正常组成成分。健康成人,除孕妇和少数肝炎患者外,血清中测不出AFP,但在原发性肝癌和胚胎性肿瘤患者血清中可测出。因此近几年采用检测病人血清中AFP的方法来诊断原发性肝癌。

(2)SPR免疫传感器用于诊断糖尿病、肾病

用来测定糖尿病肾病患者尿样中的蛋白含量,灵敏度和精确度比现行临床方法都有很大提高,为疾病早期诊断及治疗提供了依据。

(3)HCG免疫传感器用于诊断早期妊娠。

H C G(人促绒毛膜性激素)是一种雌性激素,是诊断早期妊娠的重要指标。用HCG免疫传感器对尿中HCG的测定可用于妊娠诊断。

(2)生物传感器还可用于药物分析

它包含了制剂的药物分析和血中药物浓度的监测。

(3)生物传感器还可预知疾病发作

如美国田纳西大学研制出用一种荧光蛋白质细胞制作的生物指示器可以植入人体内。可用它检测与血凝块有关的酶的含量,预告是否有心脏病发作的危险。

(4)生物传感器在癌症药物的研制方面发挥了重要的作用

进行药物检测是DNA传感器的一大亮点。如将癌症患者的癌细胞取出培养,然后利用生物传感器准确地测试癌细胞对各种治癌药物的反应,经过这种试验就可以快速地筛选出一种最有效的治癌药物。

(5)生物传感器还能随时或连续监测

重症患者的病情易于发生急剧变化,如能用人工脏器生物传感器随时或连续监测体液成份的改变情况,则可及时采取相应的治疗措施。

6、结束语

现代和未来的信息社会中,信息处理系统要对自然和社会的各种变化做出反应,首先需要通过传感器将外界的各种信息提取出来并转换成信息系统中的信息处理单元(即计算机)能够接收和处理的信号。

传感器产业已是国内外公认具有发展前途的高技术产业。随着生物技术、微电子技术、电子计算机等的发展和实际应用领域的迫切需要,生物传感器的研制与应用将不断向前迈进。未来的生物传感器将趋向于微型化、智能化、仿生化、功能多样化,能进行体内、在线监测。

摘要：生物传感器是一门交叉学科的研究与应用,在医学的发展中有着举足轻重的作用。文章介绍了生物传感器的概念、组成、分类、基本原理,并详述了其在医学上的应用。

关键词：生物传感器,基本原理,应用

参考文献

[1]罗宏等.生物传感器在医学中的应用现状和发展前景[J].医疗设备信息.2006,11

[2]佟巍等.生物传感器在医药领域中的应用研究[J].中国临床康复.2006,2

加速度传感器在生物医学领域的应用 第5篇

关键词：加速度传感器,生物医学工程,动作识别

加速度传感器凭借其体积小、成本低、功耗低、灵敏度高的优势被越来越多的应用于可穿戴式设备中。加速度传感器主要分为角加速度传感器和线加速度传感器两种,线加速度传感器可以分为单轴、双轴以及三轴加速度传感器,应用较多的是三轴加速度传感器。三轴加速度传感器可以感应三个轴(垂直轴、矢状轴、冠状轴)上的加速度[1]。常见加速度传感器类型及其在生物医学领域的应用,见表1。

1运动检测

1.1运动识别

相对于基于图像的运动识别,基于加速度信号的运动识别设备简单、对光线等环境要求低。基于加速度信号的人体运动识别算法已有大量研究,运动识别算法可以大致分为以下3步:特征的提取、特征的选择、分类器的选择。研究者提取速度信号的时域特征[1(]均值、方差、相关系数)、频域特征[2](FFT系数、DCT系数)、以及时频特征[3](小波能量)对运动经行分类。现阶段研究中,学者们主要使用多种特征融合,此方法中特征之间可以互补,提高识别率。邢秀玉等[4]使用样本熵和小波能量相结合的方法对走路以及上下楼分类。特征的选择也是研究的重点之一,特征选择可以提高识别的效率,尤其是对实时性要求高的情况下,薛洋[5]在对上下楼经行分类时使用Wrapper特征子集选择方法对特征进行了降维。在模式传统的识别方法中,决策树、贝叶斯是常见的方法。李月香[6]在研究基于加速度信号的走路模式使用决策树经行分类,最终获得了96.1%的整体识别率。近年来,很多研究人员使用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)、神经网络等分类器。Sun等[7]使用概率神经网络对步行、站立、和其它动作区分,使用标准差、频域熵、能量作为特征值,识别准确率在83.1%以上。

在基于加速度传感器的运动识别研究中,不仅同一种动作可以被识别,运动的强度也可以被识别。徐川龙[8]提出了一种基于多种时域统计特征的5种走路模式(站立、走路、跑步、上楼和下楼)的识别算法。进而针对3种相似的走路模式难以区分的问题,提出了基于小波能量和四分位间距的走路模式识别算法,细分了3种走路模式(正常走、慢走和快走),准确率在93%左右。

由于加速度传感器的个数、位置、种类、采样点、需要识别的运动以及采集人员的不同,基于加速度信号的运动识别效果不能较为客观的比较。Plötz等[9]提出了一套评估方法,可以较为客观的比较识别效果。

1.2建立跌倒模型

跌倒是我国65岁以上老年人受伤死亡的首位原因[10]。发现老年人跌倒并及时进行有效的处理,对减少伤害有重要的意义。Bourke等[11]提出一种新颖、简便的算法:直接使用加速度信号的极值点作为特征提出跌倒预测算法建立跌倒模型,对于跌倒判断的准确率为100%。曹玉珍等[12]提出了基于SVM和网格自适应的直接搜索(Mesh Adaptive Direct Search,MADS)的三级摔倒检测算法,具有96%的检测精度。刘鹏等[13]使用微机电系统(Microelectro Mechanical Systems,MEMS)三轴加速度传感器采集人体活动加速度信号,提出了一种基于固定阈值的信号幅度向量滑动平均法SVMSA。通过对8人的实验,该算法实现了94.4%的精确度。

1.3手势识别

手势识别在手持移动设备中应用前景较大,对于一些语言障碍人士,手势识别技术可以使其生活更加便利。从20世纪90年代起,国外一些研究机构开始对手势识别技术进行研究。Baek等[14]通过分析加速度数值识别手机的运动状态,并通过测量手机平面和竖直方向的夹角来估计手机的姿态,借此识别用户连续的动作和姿势。Ferscha等[15]将手势分为原子手势和复杂手势两种,并建立了手势库Glib,可供基于加速度传感器的系统使用。相对于国外的研究,国内的研究起步较晚[16,17]。孔俊其等[18]研究了基于加速度传感器的手势识别方法,并建立了支持手势输入同时具有及时信息反馈能力的交互模型,对其进行了验证,实验要求被试者书写特定的数字串,对较简单数字串如“567”的识别率为80.6%,对较为复杂的数字串如“139628”识别率为70.4%。

1.4睡眠体位监测方法的研究

良好的睡眠质量是保证身体健康的重要因素,姬军等[19]利用加速度传感器监测睡眠时周期性腿动事件发生的频率,可用于辅助监测睡眠质量。胡弢等[20]使用加速度传感器对静态体位和身体位置的快速变化进行检测,查全率达到98.9%以上,查准率超过93%。冯晓明等[21]设计含有加速度传感器模块的手环,可以评估睡眠过程中的状态、睡眠时间、睡眠质量。上述研究为睡眠监测提供了新的思路和方法。

1.5运动动作标准判断

游泳的技术对于成绩的影响显著,有研究者利用加速度传感器进行了相关研究。Anderson等[22]利用加速度传感器提取游泳时的划动的信息。Chan[23]使用加速度传感器识别游泳中手臂摆动的次数。Bӓchlin等[24]利用加速度传感器获得运动者游泳的姿势信息,获取游泳的速度、体平衡、每次摆臂所移动的距离、手臂的摆动、身体转动等5个信息,从而评估运动的技术性,其中游泳速度的误差在1%左右。

2 其他应用

除了用于动作识别之外,加速度传感器被广泛应用于人体运动中能量消耗、计步的应用。在人睡眠时,加速度传感器可以检测人体的体位变化。研究者们使用加速度传感器去除噪声和其他生理信号,对人体进行健康监护。

2.1 计步

步行是一种常见的体力活动,计步器可以记录行走的步数,使人们更加了解自身的运动健康情况。目前,计步器主要有机械式和电子式两种。机械式的计步器利用人体行走时的振动引起计步器内部簧片的振动来产生电子脉冲,内部处理器通过判断电子脉冲的方法来达到计步的功能。这种计步器的优点是成本较低,但是计步准确率与内部簧片的灵敏度关系较大,研究表明步行速度较慢时,计步器计数和实际计数相差较大[25]。人体步行信号是准周期性信号,有研究者据此提出使用加速度传感器信号达到计步的功能。宋浩然等[26]设计出基于加速度传感器ADXL330的高精度计步器,通过动态阈值算法计步,此计步器的精度达到了98%。韩文正等[27]使用LIS3DH传感器,设计的计步器精度在98%以上。

2.2 能量评估

能量消耗的评估方法主要有:双标水法、间接热量测定法、心率表、计步器、加速度传感器、复合型运动传感器。其中人体能量消耗的金标准是双标水法,但是此方法测量成本较高,并且无法测量短时间内人体能量代谢。利用加速度传感器的输出估计人体的能量消耗,已经被广泛接受。张文杰[28]以双标水为测量标准,使用心率结合加速度模式对9~11岁女生活动进行能量评估,准确性比单一使用心率表提高了25%。邱俊等[29]以间接热量测定法为标准建立Actigraph GT3X三轴加速度计法能量消耗的预测方程,得出结论:三轴加速度计可以预测运动员能量消耗,所建分段加速度能耗预测方程适用于与研究相类似的跑台运动。相对其他方法,基于加速度传感器信号的能量消耗计算成本低、操作简单。

2.3 起搏频率自适应系统的设计及实现

频率自适应功能是生理性起搏器的一项重要功能,它可以感知人体在不同运动或生理状况下的代谢水平,并据此调整起搏频率进而调整患者的心输出量。人体不同的运动和生理情况下由生理参数传感器和运动传感器获取。加速度传感器属于运动传感器。黄煜洲[30]提出一种基于加速度传感器的频率自适应算法,研究表明加速度传感器和生理传感器共同作用更符合生理和代谢需求的起搏频率。

2.4 辅助其他生理信号去除噪声

脉搏波是人体重要的生理参数,血氧饱和度、心率、呼吸率等都可以从脉搏波信号中提取。脉搏波信号具有信号弱、频率低、易变异的特点。对脉搏波信号去除噪声常见的方法有:相干平均、小波法、EMD。这些方法对于去除静止的脉搏波噪声的效果较好,但在运动情况下效果较差。使用加速度信号作为噪声的参考源可以有效去除运动干扰。自适应滤波器可以根据外界环境噪声的变化,自动调节滤波器的参数,使滤波效果达到最佳状态,因此被广泛应用于自适应信号处理领域。Stetson和Kim等[31,32]通过在血氧饱和度测量探头中加入运动加速度传感器,获取被测者的运动信号,对于运动状态下脉搏波信号去噪效果明显。

2.5 睡眠呼吸暂停检测

睡眠呼吸暂停检测是研究者们一直关注问题,目前检测的金标准是多参数睡眠仪。Morillo等[33]使用多参数睡眠仪获取人体睡眠的心肺信息、扬声器检测人睡眠时的鼾声信号、加速度信号检测胸腔起伏,对患者的呼吸暂停状态进行评估。加速度信号所得信息和多参数睡眠仪以及扬声器信号相关性高,各种参数的相关系数均达到0.7以上。相对而言,加入加速度传感器之后比仅适用单一的血氧参数对睡眠呼吸暂停的检测特异性有所改善。

3 总结

随着计算机技术的发展,加速度传感器作为一种成熟技术在体力活动测量方面的研究日趋深入和广泛,新的测量技术也不断出现。加速度传感器由于其小型、准确的特点可以用在移动医疗中。同时还需要注意以下的问题:

(1)运动识别方面,使用识别率说明算法的可行性,但是加速度传感器采集的信号受到采样率、佩戴位置等因素影响。

(2)能量消耗、睡眠监测方面,研究者们使用的标准不一也对算法、系统的适应性有所影响,这就需要较为统一的标准判定。

(3)大样本数据库的建立也亟待解决。虽然已经有学者建立了数据库,但是,研究者处于实验室环境中,被试的数量也相对较少,这对于算法的适用性和日后产品的量化都是不利的。

医学传感器 第6篇

本案例针对当前实验教学现状, 选择相关的教学内容确定探究性教学主题, 进行探究性教学的尝试。

1 教学背景

教学时间:2008年10月16日, 星期四, 2课时。

教学地点:徐州医学院医学工程实验教学中心 (教学主楼627室) 。

教学对象:徐州医学院2008级临床一系7班甲组学生。

教学内容:用硅压阻力敏传感器测液体表面张力系数。

教学目标:理解拉脱法测液体表面张力的原理, 测量纯水和其他液体的表面张力系数;引导学生体验科学探究过程, 掌握科学探究的方法;培养学生实事求是、勇于质疑的科学态度。

教学重点、难点:液体表面张力的相关知识, 拉脱法测液体表面张力的原理。

徐州医学院是江苏省独立设置的医学类本科院校。根据社会对医学人才的要求和医学生的培养目标, 学生除掌握基础医学、临床医学基本理论知识以外, 还应掌握临床诊疗工作的辩证思维方式和分析、判断、解决问题的方法, 并具有一定的科学素养和实际工作能力。但是长期以来, 学生在医学物理学实验课中过多地注重实验操作和数据处理, 对实验原理缺乏主动思考, 理解不够深刻;设计思想不够开放, 思维定式严重;对实验过程也缺乏充分体验。这都在一定程度上限制了学生创新思维和实践能力的发展。

教材选用第二军医大学出版社2008年出版的《物理实验》, 本教材由基本实验、提高型实验 (综合性、设计性、应用性) 、研究创新型实验等多种形式实验组成, 注重发挥物理实验在培养学生创新思维能力和实践能力方面的作用。

本次课的教学内容为提高型实验“用硅压阻力敏传感器测液体的表面张力系数”, 本实验具有2个特点:首先, 用硅压阻力敏传感器测量表面张力, 该传感器灵敏度高, 线性和稳定性好;其次, 该实验采用的新的吊环不易变形, 直接测量时一般不需校正, 结果准确可靠。实验共分成2部分, 第1部分:对硅压阻力敏传感器进行定标, 为精确测量表面张力系数奠定基础;第2部分:观察拉脱法测表面张力的物理现象, 并用物理学基本概念和定律进行分析研究, 测定水的表面张力系数。本节课的重点是实验的第2部分。

2 教学主题

本次实验课将以“用硅压阻力敏传感器测液体的表面张力系数”为例, 尝试在医学物理学实验教学中发挥实验教学的探究性功能, 培养和锻炼学生的创新精神和实践能力, 培养其科学品质。

3 教学过程

3.1 复习引入

提问:液体表面张力的性质?它具有什么样的作用?如何计算其大小?使学生结合理论课中液体表面张力相关知识的学习, 重点掌握液体表面张力的性质 (大小、方向) 、液体表面张力的应用和与之相关的医学现象。

3.2 情境设计

本实验基于表面张力系数的定义式f=αL, 对实验中吊环受到的水的表面张力的表达式进行分析推导。吊环从水中拉脱出来某瞬间的水膜形成情况见图1, 吊环剖面的受力情况见图2。

吊环从水中脱离时, 会从水中带出一个水的薄膜, 水的表面张力 (竖直向下的f1和f2) 的作用成为吊环拉脱过程中的阻力。

3.3 提出问题

如何测量表面张力系数α?

3.4 分析讨论

由图1分析可知:f1=απD1, f2=απD2, 所以:f表=πα (D1+D2) 。

式中D1、D2为已知条件, 要测出表面张力系数α, 只需测量f表。但f表是一个很小的量, 无法用弹簧测力计进行直接测量。本次实验采用硅压阻力敏传感器进行测量, 它可以把较小的力信号转变为相对较大的电信号。

由第一部分实验可知, 力敏传感器的力信号和电信号之间具有简单的线性关系U=Bf+b, 我们可以通过读取电信号U, 再利用公式f= (U-b) /B把f表计算出来。但是, 这种方法测f表的前提必须是f表和f具有相同的物理意义。请学生思考:在本实验中, f表和f意义是否相同?

3.5 猜想假设

假设f表和f具有相同的物理意义, 即f=f表, 根据公式f表=πα (D1+D2) , 表面张力的大小f表应该在拉脱过程中不发生变化, 因此数字电压表输出的电信号应该为一个恒量 (学生要注意观察实验过程中出现的情况) 。

3.6 设计实验

学生根据所给实验器材设计实验, 连接好电路;通过升降平台控制水面和水膜, 实现拉脱过程。

3.7 采集数据

学生根据实验数据, 可以绘得图3, 而根据f=f表的假设, 数字电压表输出的电信号应该为一个恒量。所做假设与实验曲线显然不符, 说明假设是错误的。

3.8 分析论证

根据实验数据, 学生意识到表面张力f表并非公式U=Bf+b中的f。那么f究竟由哪些因素构成呢?

考虑到吊环本身的重力, 师生猜想f中应该包含吊环的重力, 即f=f表+G环。但G环也是一个恒量, 应该不会引起电信号的变化。引导学生思考:是否可以取消G环这一项?在第1部分学生实验的基础上, 学生能够找到解决问题的方法:通过调零, 认为G环=0。学生对图3做出修正, 可得图4 (学生再次采集数据进行验证) 。

显然表达式f=f表+G环与图4仍然不符。

图4显示:在拉脱过程中, 电信号呈现出变化的趋势, 因此我们推断在f的表达式中应该包含有一个变化的量。在拉脱过程中, 有什么物理量是变化的呢?经过分析, 学生能判断出在拉脱过程中的变量:水膜所包含的水的重力。因此师生再次对f的表达式做出修正, 即f=f表+G环+G水。

表达式f=f表+G环+G水能否解释电信号的变化?引导学生思考讨论: (1) 在拉脱的最初阶段, 水膜刚刚形成, 竖直高度很小, 水膜中所包含的水的质量比较小, G水很小, 因此输出的电信号很小; (2) 在拉脱进行过程中, 水膜逐渐增高, 水膜中所包含的水的质量也越来越大, 因此G水增加, 导致电信号增加; (3) 拉脱过程继续进行, 因而水膜高度持续增加, 当水膜高度超越一定值以后, 水膜会越来越薄、越来越脆弱 (直至断裂) , 水膜中的水会部分回流至水面, 导致G水减少, 电信号减小; (4) 在水膜断裂前的瞬间, 水膜已经相当脆弱, G水非常小, 水膜断裂时, G水和电信号都急剧减小至零。

引导学生区分U1和U2的意义, 即U1对应G水最大的时刻, U2对应G水最小 (约等于零) 的时刻, 并讨论实验中读取的输出电压应该为U1还是U2?为什么?

3.9 形成结论

以上分析可知: (1) 表达式f=f表+G环+G水能够从理论、实践方面很好地解释实验现象; (2) 实验中读取并代入公式U=Bf+b进行运算的输出电压应该为U2。

4 教学评析

在本次实验课中, 师生历经提出问题、猜想假设、分析论证等各环节, 其思维过程蕴涵了科学探究程序的多个要素, 从而将科学探究的思想纳入了整个教学过程。这使学生从被动接受知识向主动获取知识转化, 这对培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神是极其有益的。

本次实验课中, 学生勇于质疑, 大胆猜测, 思维活跃, 兴趣盎然。本次实验课的合格率100%, 优秀率达到92%, 较好地完成了教学目标, 获得同行与专家的好评。

5 课后反思

医学物理实验课程在体现探究性要素方面具有比理论课程更多的有利条件。实验的探究性功能不仅有利于学生理论知识的学习, 更有利于学生体验理论知识的产生和发展, 有利于感受知识形成的过程和方法。我们应该重视发挥医学物理学实验教学的探究性教育功能, 尤其当实验现象与理论知识预期的结果出现差异的时候, 恰恰是引导学生实施探究性学习的有利时机。

参考文献

[1]韦钰.探究式科学教育教学指导[M].北京:教育科学出版社, 2005.