智能传感器 医疗、健康和环境的关键应用PDF电子书下载

第1章 引言 1

1.1 本书的主要内容 2

1.2 传感器的历史概述 3

1.3 传感器应用的驱动力 5

1.3.1 健康与健身 5

1.3.2 人口老龄化 7

1.3.3 个性化医疗 7

1.3.4 公共卫生 8

1.3.5 技术交互 9

1.3.6 国家安全 10

1.3.7 物联网 10

1.3.8 水和食物 11

1.3.9 环境挑战 12

1.4 传感器应用面临的挑战 12

1.5 传感器实现创新 13

参考文献 14

第2章 传感技术与传感器基础 16

2.1 传感器和传感技术的定义 16

2.2 主要传感模式介绍 17

2.3 机械传感器 19

2.3.1 MEMS传感器 21

2.3.2 加速度计 21

2.3.3 陀螺仪 22

2.4 光学传感器 22

2.4.1 光电传感器 23

2.4.2 红外传感器 23

2.4.3 光纤传感器 24

2.4.4 干涉仪 25

2.5 半导体传感器 25

2.5.1 气体传感器 26

2.5.2 温度传感器 26

2.5.3 磁传感器 27

2.5.4 光学传感器 27

2.5.5 离子选择性场效应晶体管 28

2.6 电化学传感器 29

2.6.1 电位型传感器 29

2.6.2 电流型传感器 29

2.6.3 电量传感器 29

2.6.4 电导传感器 30

2.7 生物传感器 30

2.7.1 生物传感器的换能器 32

2.7.2 生物传感器的主要特性 33

2.8 应用领域 34

2.8.1 环境监测 34

2.8.2 医疗 37

2.8.3 保健 38

2.9 传感器特性 40

2.9.1 检测范围 40

2.9.2 传递函数 40

2.9.3 线性和非线性 42

2.9.4 灵敏度 42

2.9.5 环境影响 43

2.9.6 输入修正 43

2.9.7 输入干扰 43

2.9.8 迟滞 43

2.9.9 分辨率 44

2.9.10 准确度 44

2.9.11 精度 44

2.9.12 误差 45

2.9.13 统计特性 47

2.9.14 可重复性 47

2.9.15 公差 47

2.9.16 动态特性 47

2.10 小结 48

参考文献 48

第3章 传感器关键技术：硬件和软件概述 52

3.1 智能传感器 52

3.2 传感器系统 53

3.3 传感器平台 54

3.3.1 Arduino I/O板 54

3.3.2 Shimmer 55

3.3.3 智能手机和平板电脑 56

3.4 智能传感器的微控制器 57

3.4.1 CPU 58

3.4.2 常用微控制器 62

3.5 接口和嵌入式通信 63

3.5.1 嵌入式数字接口和协议 63

3.5.2 模拟接口 65

3.6 传感器通信 66

3.6.1 标准有线接口 66

3.6.2 中短距离无线通信标准 69

3.6.3 专有无线协议 71

3.7 电源管理和能量采集 72

3.7.1 电源管理 72

3.7.2 能量采集 73

3.8 微控制器的软件和调试 75

3.8.1 IDE 75

3.8.2 开发语言 76

3.8.3 测试代码 77

3.9 小结 77

参考文献 78

第4章 传感器网络拓扑理论及设计 80

4.1 传感器网络构成要素 80

4.1.1 传感器节点 82

4.1.2 信息汇聚器、基站及网关 82

4.2 传感器网络拓扑结构 85

4.3 传感器网络的应用 87

4.3.1 个人局域网络 87

4.3.2 家庭传感器网络 88

4.3.3 广域网 89

4.4 传感器网络的特征和挑战 90

4.4.1 安全 92

4.4.2 传感器网络面临的挑战 96

4.5 小结 97

参考文献 97

第5章 传感器数据处理和增强 98

5.1 数据认知 99

5.2 物联网 99

5.3 传感器和云 101

5.4 数据质量 102

5.4.1 解决数据质量问题 103

5.5 传感器数据融合 104

5.6 数据挖掘 105

5.7 数据可视化 108

5.8 大传感数据 111

5.9 小结 113

参考文献 113

第6章 法规与标准：传感器技术的注意事项 116

6.1 医疗设备法规 116

6.1.1 CE认证 117

6.1.2 美国食品药品监督管理局 118

6.1.3 其他医疗设备监管者 120

6.2 医疗设备的标准 121

6.2.1 行业标准和认证 121

6.2.2 质量管理体系标准 122

6.2.3 临床研究标准 123

6.2.4 数据互操作性标准 124

6.3 环境传感器的法规 124

6.3.1 环境噪声 125

6.3.2 环境空气质量 126

6.3.3 室内空气质量 128

6.3.4 饮用水 130

6.3.5 射频频谱的监管和分配 130

6.4 挑战 132

6.4.1 针对具体国家的监管程序 132

6.4.2 移动健康应用程序 133

6.4.3 个性化医疗 135

6.4.4 大众科学 135

6.5 小结 136

参考文献 136

第7章 生物传感器的数据经济 138

7.1 论证的基础 142

7.2 为什么基于“应该”的技术开发难有成效 144

7.3 基于“应该”设计的后果 152

7.4 为什么设计需要考虑种种“可能因素” 153

7.5 “可能因素”数据经济的要求 157

7.6 小结 160

参考文献 160

第8章 家庭与社区传感器的使用 162

8.1 医疗领域的挑战 162

8.2 研究设计 163

8.2.1 提出研究问题 164

8.2.2 临床群体特征 165

8.3 家庭使用传感器 166

8.3.1 家用与社区使用的传感技术 166

8.3.2 穿戴式传感器的评估应用 167

8.3.3 周围环境监测传感技术 168

8.3.4 用户设备入口 168

8.3.5 用户反馈 170

8.4 家用传感器的管理 170

8.5 远程使用传感器结构 171

8.6 样机设计过程 172

8.6.1 与用户共同设计 172

8.6.2 与多学科团队成员共同设计 173

8.7 数据分析与智能数据处理 174

8.8 案例研究 175

8.8.1 案例一：量化计时起走（QTUG）测试 175

8.8.2 案例二：日常活动和步态速度的环境监测评估 179

8.8.3 案例三：专注生活训练 180

8.9 经验总结 181

8.9.1 安装过程 181

8.9.2 关键传感器的隐藏 181

8.9.3 数据质量 183

8.9.4 用户参与 183

8.10 小结 184

参考文献 184

第9章 医疗应用的穿戴式、周围环境监测与用户使用的传感技术 186

9.1 改变我们医疗工作的方式 186

9.2 传感器检测的背景信息在医疗中的应用 189

9.3 基于医院和社区的传感技术用于评估和诊断 190

9.3.1 监测生命体征 190

9.3.2 心率 191

9.3.3 血压 191

9.3.4 体温 193

9.3.5 呼吸速率 195

9.3.6 血氧的监测 195

9.4 社区应用的传感技术 196

9.5 基于家庭的临床应用 197

9.5.1 慢性疾病管理 200

9.5.2 用于研究的不定期监测 201

9.5.3 活动和行为的监测 202

9.5.4 生物力学康复 205

9.5.5 聚合与管理 206

9.5.6 智能手机作为医疗平台 207

9.6 自我护理诊断试剂盒 209

9.6.1 酶／免疫学检测 210

9.6.2 酶试纸 211

9.6.3 色谱湿法化学 212

9.6.4 家庭检测市场 212

9.6.5 家庭基因测试 215

9.7 关键驱动因素和挑战 215

9.7.1 医疗系统方面的驱动因素和挑战 216

9.7.2 技术驱动因素和挑战 216

9.7.3 消费者驱动因素和挑战 217

9.8 基于传感器医疗应用的未来 218

9.9 小结 220

参考文献 220

第10章 保健、健身及生活方式传感技术的应用 223

10.1 驱动力与阻力：运动与健身传感技术 224

10.1.1 运动与健身传感技术的驱动力 224

10.1.2 运动与健身传感技术的障碍 226

10.2 运动与健身传感技术的应用 227

10.2.1 支持无线技术 228

10.2.2 健身传感技术 229

10.2.3 服装传感技术 232

10.2.4 运动装备传感技术 234

10.2.5 运动和健身的统计数据 238

10.3 活动与保健 239

10.3.1 肥胖与体重管理 241

10.3.2 睡眠 242

10.3.3 姿态监测 247

10.3.4 人身安全 248

10.4 保健、健身和生活方式中传感应用的未来 252

10.5 小结 253

参考文献 254

第11章 对人类健康的环境监测 257

11.1 环境监测传感技术发展的驱动力 258

11.1.1 产品成本 259

11.1.2 智能手机 259

11.1.3 市民认知 259

11.1.4 采样 259

11.1.5 环境传感技术与网络通信技术 260

11.2 应用瓶颈 260

11.2.1 功耗 260

11.2.2 稳定性和成本 261

11.2.3 技术限制 262

11.2.4 安全问题 262

11.2.5 可用性和可拓展性 262

11.2.6 兼容性 263

11.2.7 数据质量和所有权 263

11.3 环境监测参数 263

11.3.1 空气质量和大气条件 263

11.3.2 环境天气 272

11.3.3 UVA/UVB检测 274

11.4 水质监测 276

11.4.1 水质物理参数检测传感技术 278

11.4.2 水质化学性质传感技术 278

11.4.3 水质生物病原体传感技术 279

11.4.4 移动式水质检测传感技术 280

11.4.5 环境噪声污染 281

11.5 辐射检测 282

11.6 环境对食品的影响 283

11.7 环境监测的未来方向 284

11.8 小结 285

参考文献 286

第12章 总结与展望 289

12.1 现状 289

12.2 展望 291

12.2.1 普遍性 292

12.2.2 技术 293

12.2.3 个性化医疗 296

12.2.4 众包 297

12.2.5 传感技术交互 298

参考文献 299