醫用傳感器原理介紹

一、用硅壓力傳感器的電子血壓計
? 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，各個家庭中的血壓計的普及率和體溫計一樣高。本節敘述用硅壓力傳感器制作的電子血壓計。圖3-4是電子血壓計的簡圖。為了測量壓力差，硅壓力傳感器利用薄膜上形成的擴散層的壓電電阻組成電橋進行測量。最常見的測量血壓的方法是腕帶壓力在最高血壓和最低血壓之間會產生一種K音（特殊的聲音），由此可以聽到脈搏的跳動。利用微音器聽K音的開始和結束，測量這時腕帶內空氣壓力和大氣壓力的差作為血壓值。測量K音用的傳感器是小型微音器，抗噪音能力弱。心臟運動產生的P音（動脈壓波）也和K音一樣表現為硅傳感器的輸出。因此，電子血壓計將硅壓力傳感器P音的輸出作為晶體管的門信號來測量K音。通過測量P音產生的周期，可以測量1分鐘的脈搏次數。圖3-5表示在測量血壓時各種信號的變化狀態，圖中K音出現時，P1的壓力Y3為最高血壓；K音消失時，P2的壓力Y4為最低血壓。
三、采用熱敏電阻的電子體溫計
? 不但在醫院里要測患者的體溫，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，特意列舉已廣泛用于生活的電子體溫計。體溫計中最關鍵的是如何正確地測量和顯示加在傳感器上的體溫，大多數是利用熱敏電阻阻值的變化，以數字顯示體溫。用于體溫計的熱敏電阻的阻值與溫度的關系如下式：
RT=R0exp{B（1/T-1/T0）}
其中RT：溫度T時（用K表示）的電阻
??? R0：溫度T0時（用K表示）的電阻
??? B：熱敏電阻常數，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，電阻對溫度的依賴性表現在溫度上升1℃時，阻值平均變化2~5%。實現體溫計在32~42℃之間，B值的差異較小，電阻值的精度相當高。并不是把電阻值隨溫度變化的百分數，直接作為體溫計的刻度。需要一個把熱敏電阻的輸出信號數字化的A/D變換器。為了消除測量回路的誤差和溫度特性，RC振蕩器采用基準電路（RS）。圖3-8表示熱敏電阻測量電路的例子。在圖3-8中一開始開關的S側接入標準電阻RS，產生振蕩，測量計數到NS（定值）的時間ts。可用式ts=NS*C*RS*A（A為常數）來表示。然后將開關打到T側，接入熱敏電阻RT，在時間ts內的振蕩次數用式NT=ts/(C*RT*A)來表示。把ts代入此式，得NT=NS*RS/RT，電路參數的誤差被抵消。設標準電阻RS在37℃時的電阻值為R37，NT可表示為
NT=NS*exp{B*（1/T37-1/T）}??
因NS、B、T37為常數，測量NT值，就可求得溫度T。如把與NT對應的溫度值寫入ROM，可直接用數字顯示體溫。

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，對人體的穿透性很強。CT這個詞，是Couputer Tomography（計算機斷層檢查裝置）兩個英文詞的詞頭。當X射線通過人體后，利用傳感器檢查X射線的強度，作為輸出信號。然后，借助計算機，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，根據傳感器輸出的大小，可將人體內的異常情況（出血、腫瘤等），以圖象方式檢測出來。
?? 為了縮短攝影時間，提高分辨率，對原來的CT裝置進行了改進。現在的CT，只需X射線管和X射線檢測器作旋轉運動，便能進行高速掃描。
? 圖3-2（a）表示只有X射線管和傳感器部分旋轉的情形，圖3-2（b）表示實際得到的頭部斷層圖象的例子。檢測X射線用的光敏二極管的構造示于圖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。