生物医学传感与检测原理 课件 ch04生物力学效应的传感与生理信号检测.pptx

生物力学效应的传感与生理信号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四章 01生理活动的生物力学效应 生命在于运动，生物力学效应是生命活动中普遍存在的一种与生理过程紧密相关的现象，它表现为细胞、组织、器官、系统等不同尺度的形变、运动。对人体而言，血液循环、呼吸、消化、肌肉收缩与肢体运动等几乎所有生理过程中都伴随着生物力学效应，生理活动的功能状态也体现在相应的生物力学参数的变化上。检测分析生理过程的生物力学参数，一方面可定量地认识生理过程及其生命活动规律，同时也能有效地评估生理状态，为疾病诊断和健康状态评估提供重要依据。因此，基于生物力学效应的传感检测技术是生物医学工程的重要组成部分。生理活动的生物力学效应 肢体运动的生物力学效应运动功能是人体最基本的生理功能之一，人体运动是在神经、肌肉、骨骼、关节以及外在环境协同作用下的生理活动，由内控肌力作用到关节、骨骼并与环境对象进行力学交互。人体运动既表现为肢体、关节的运动学参数，也体现在肌肉作用于骨骼、身体作用于环境对象的动力学过程中，检测分析肢体运动的生物力学参数是认识运动生理功能、掌握运动功能状态、诊断运动功能障碍的重要医学工程途径。生理活动的生物力学效应 广泛应用于运动功能障碍检测、运动损伤及康复评估、体育运动训练优化等。肢体关节运动学参数可用于评估睡眠过程、预测长期卧床可能形成的组织损伤（褥疮等）。肢体关节与环境对象的作用力可用于评价肌肉收缩状态，帕金森病会引起病理性震颤等。振动效应生理活动的生物力学效应 生理活动的生物力学效应血液循环的生物力学效应血液循环是通过心脏、血管的收缩、舒张作用控制血液在全身流动，其生物力学效应一方面表现为心脏、血管及血液组织自身的应变、粘弹性等力学特性；另一方面也表现为心脏收缩、血液流动的动力学特性，二者相互影响，相互制约。测量血液循环的生物力学参数是诊断心脑血管疾病的重要临床手段。 是指血液在血管内流动时作用于血管壁的侧压力，它是推动血液在血管内流动的动力。血压是指由心肌收缩、心脏瓣膜关闭和血液撞击心室壁、大动脉壁等引起的振动所产生的声音。心音是心脏周期性搏动（振动）沿动脉血管和血液向外周传播而形成的。脉搏波生理活动的生物力学效应 消化、呼吸等生理过程的生物力学效应人体的消化、呼吸功能都依赖复杂的腔道系统，其中消化系统的主要力学效应是胃/肠蠕动、消化道内容物在其中的传送；呼吸系统的力学效应是气体在呼吸道的流动和容积动态变化等。生理活动的生物力学效应 肠鸣音当肠管蠕动时，肠腔内气体和液体随之流动，产生一种断续的气过水声（或咕噜声），称为肠鸣音。肺部哕音听诊呼吸音时，当空气通过含有分泌物的气管或因痉挛、肿胀而狭窄的支气管时，在呼吸音的基础上，又听到一种附加的呼吸杂音，即哕音。生理活动的生物力学效应 02电阻式传感器及其生物力学效应的生理参数测量 电阻式传感器是把非电量（如位移、力、振动和加速度等）转换为电阻变化的一种传感器。电阻式传感器在生物医学测量中应用非常广泛，可用于测量血压、脉搏等生理参数。按其工作原理可将电阻式传感器分为电位器式、电阻应变式和固态压阻式传感器。电阻式传感器原理电位器式传感器是将位移或其他能够形成位移变化的物理量转换为电阻分压比和电阻变化的传感器。其特点是结构简单，稳定性和线性较好，受环境影响小，输出信号大，可作任意函数特性输出，适用于较大位移量的测量。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种用途很广的传感器，它由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成，当弹性元件受力变形时，粘贴在其表面的电阻应变片也随之变形，并产生相应的电阻变化，从而实现测量。电阻式传感器原理固态压阻式传感器1）压阻效应与压阻式传感器；2）扩散型压阻式传感器。 电阻式传感器的测量电路测量电路的作用是将电阻式传感器的电阻变化转换为电压或电流的变化，以便显示和记录。有时电阻式传感器的电阻变化很小，因此测量电路中必须有放大器，才能观察到微弱的电阻变化。将电阻变化转换为电压变化的常用电路有两种：一种是电位计式电路，另一种是电桥电路。 电阻式传感器的测量电路电位计式电路如图4-19所示。 电阻式传感器的测量电路（1）恒压源电桥是用得最普遍的一种电路，如图4-20所示。 电阻式传感器的测量电路（2）恒流源供电的电桥如图4-22所示。 上下肢对外作用力的测量利用电阻式传感器测量人体对外作用力时，人体对外作用力通过一定介质耦合到传感器的敏感元件上，相应的作用力将引起传感器的电阻变化，进而得到与作用力参数（大小、方向）所对应的电信号。常见的人体对外作用力测量包括以下两种。（1）足底压力测量；（2）手指抓握力测量。电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量 电阻式传感器的生物力学效应生理参数测量2.（1）直接测量血压时，采用导管经皮插入体内待测