生物医学传感与检测原理 课件 ch05生物热效应的热电式生物医学传感与检测.pptx

生物热效应的热电式生物医学传感与检测教育部生物医学工程类专业教学指导委员会“十三五”规划教材生物医学传感与检测原理第五章 01生理热效应与体温概述 生理代谢的热效应机体内营养物质代谢释放出来的化学能，其中50%以上以热能的形式用于维持体温，其余不足50%的化学能则载荷于ATP，经过能量转化与利用，最终也变成热能，并与维持体温的热量一起，由循环血液传导到机体表层并散发于体外。生理热效应与体温概述因此，机体在体温调节机制的调控下，使产热过程和散热过程处于平衡，即体热平衡，维持正常的体温。如果机体的产热量大于散热量，体温就会升高；散热量大于产热量，体温就会下降，直到产热量与散热量重新取得平衡时才会使体温稳定在新的水平。 机体的总产热量主要包括基础代谢、食物特殊动力作用和肌肉活动所产生的热量。基础代谢是机体产热的基础，基础代谢高产热量多，基础代谢低产热量少，正常成年男子的基础代谢率约为170kJ/m2h， 而成年女子约为155kJ/m2·h。食物特殊动力作用可使机体进食后额外产生热量。骨骼肌的产热量变化很大，在安静时产热量很小，运动时产热量很大；轻度运动（如步行）时，其产热量可比安静时增加3~5倍，剧烈运动时，可增加10~20倍。生理热效应与体温概述 另外，人在寒冷环境中主要依靠寒战来增加产热量以维持体热平衡，寒战的特点是屈肌和伸肌同时收缩，所以基本上不做功，但产热量很高，发生寒战时，代谢率可增加4~5倍；内分泌激素也可影响产热，肾上腺素和去甲肾上腺素使产热量迅速增加但维持时间短，甲状腺激素则使产热缓慢增加但维持时间长。生理热效应与体温概述 生理热效应与体温概述如图5-1所示，在寒冷环境下，机体增加产热和减少散热；在炎热环境下，机体减少产热和增加散热，从而使体温保持相对稳定。 在疾病状态下，身体自身的保护性响应将引起体温改变。病理因素引起的温度改变正常情况下，人体体温是相对稳定的；当某种原因使体温异常升高或降低时，若超过某一界限，将危及生命。人体体温的变化范围生理热效应与体温概述体温在一昼夜之间存在周期性的波动，表现为体温在清晨2~6时最低，午后1~6时最高。体温的生理性调节 生理热效应与体温概述体温测量体温作为人体四大生命体征之一，临床上所指的体温为平均核心体温，而生活中所指体温为体表温度。核心体温（core bodytemperature）又称基础体温，被认为是身体深层结构的工作温度。核心体温的定义有两种：一种是人体内部胸腔、腹腔和中枢神经的温度；另一种是胸部、主要内部器官及离开心脏血液（肺动脉）的温度。 生理热效应与体温概述常见的非侵入式测量方法有红外测温法、微波辐射测温法、超声波测温法、磁共振测温法、热流法等。基础温度是人体健康的晴雨表，保持其相对稳定是保证新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。长期以来，基础温度作为临床判断与患者管理的关键参数而被广泛关注，特别是对于外伤性脑损伤或神经损伤患者。对基础温度进行连续的检测，可以对热应激进行检测，对女性的月经周期进行管理。另外，因为基础温度是公认描述昼夜节律的方法，因此在睡眠障碍治疗中可以被用于估计生物节律。 02温度传感器原理 金属热电阻传感器纯金属是热电阻的主要材料，虽然大多数金属都有一定的温度系数，但作为测温元件的材料必须具有良好的线性、稳定性和较高的电阻率。常用的金属热电阻材料有铂、镍、铜、铁，其中铂是最理想的金属热敏电阻材料。半导体热敏电阻传感器采用半导体材料制作温度传感器，由于其体积小、灵敏度高、长期稳定性好等优点，因而在生物医学的温度测量中被广泛使用。热电阻式温度测量原理 半导体热敏电阻分为三类：负温度系数（NTC）型（由锰、钴、镍、铁等两种或两种以上金属氧化物的混合物高温烧结而成），正温度系数（PTC）型（由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结而成），以及临界温度系数（CTR）型。热电阻式温度测量原理 热电偶温度测量原理热电效应两种不同导体A和B组成闭合回路，如图5-7所示。 如果热电偶两电极材料相同，则虽有温差，但输出电势为零。如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。热电势只与两结点温度点温度相关，与热电偶的尺寸、形状及沿金属的温度分布无关。中间导体定律。标准电极定律。热电偶温度测量原理 热电偶温度测量原理热电偶种类和特点构成热电偶的两导体A和B称为热电极，对热电极材料的要求如下：①热电势大，测温范围宽，线性好。②性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀。③电阻温度系数小，电阻率小。④易加工，材料复制性好。 热电偶温度测量原理几种常用热电偶的性能如表5-2所示。 热电偶温度测量原理热电偶温度传感器在生物医学测量中得到广泛应用，图5-9是常见的两种医用热电偶传感器。 热电偶温度测量原理为了提高热电偶的灵敏度，可采用图5-10所示的热电堆。 由半导体的物理原理知道，PN结