Chapter 1 Introduction 1
1.1 The definition and composition of medical sensors 1
第一章 绪论 1
1．1 医用传感器的定义和组成 1
1．2 医用传感器的分类及生理信息检测特点 4
1.2 The category of medical sensors and characteristics in detecting physical signal 4
1.3.1 Static model 6
1.3 Mathematical model of medical sensors 6
1．3 医用传感器的数学模型 6
1．3．1 静态模型 6
1.3.2 Dynamic model 7
1．3．2 动态模型 7
1.4 Basic characteristics of medical sensors 8
1．4 医用传感器的基本特性 8
1.4.1 Static characteristics 9
1．4．1 静态特性 9
1．4．2 动态特性 13
1.4.2 Dynamic characteristics 13
2.2.1 Winston bridge 18
2.2 Canonical circuits used in analog interface with medical sensors 18
2.1 Several problems in design an analog interface subsystem 18
Chapter 2 Fundament in analog interface design 18
第二章 医用传感器模拟接口设计基础 18
2．2．1 电桥 18
2．2 医用传感器模拟接口常用电路 18
2．1 医用传感器模拟接口子系统设计要考虑处理的若干问题 18
2．2．2 仪器放大器 22
2.2.2 Instrumentation amplifier 22
2.2.3 Isolated amplifier 24
2．2．3 隔离放大器 24
2．3 接地的处理 27
2.3.1 Concepts of grounding 27
2.3 Deal with grounding 27
2．3．1 接地的概念与目的 27
2．3．2 接地的类型和地线处理原则 28
2.3.2 Category and principles of grounding 28
2.4 Noise restrain 32
2．4 噪声抑制 32
第三章 传感器与微机接口基础 34
3．1 PC机总线的结构特点及接口设计 34
3．1．1 PC机总线的结构 34
Chapter 3 Foundation of interfacing sensors to personal computer 34
3.1 Personal computer bus architecture and interface design 34
3.1.1 Personal computer bus architecture 34
3.1.2 Parallel I/O port design 35
3．1．2 并行I/O端口的设计 35
3.2 Principles of digital-analog conversion and analogdigital conversion 41
3.2.1 Digital-analog conversion 41
3．2 D/A转换与A/D转换原理 41
3．2．1 D/A转换 41
3．2．2 A/D转换器 44
3.2.2 Analog-digital conversion 44
3.3.2 Protocol in asynchronous communication 48
3．3．2 异步串行传输格式 48
3．3．1 异步传输的波特率 48
3．3 RS232串行接口 48
3.3 Serial RS232 interface 48
3.3.1 Baud rate in asynchronous communication 48
3.3.3 Standard of RS232 interface 49
3．3．3 RS—232C接口标准 49
3.3.4 Principles of UART in personal computer 52
3．34 PC计算机的UART单元工作原理 52
3.4 Interrupt and interrupt proeessing 58
3．4 中断和中断处理 58
3．4．1 PC系列计算机外部中断的硬件逻辑 59
3.4.1 External interrupt hardware logic of personal computer 59
3．4．2 CPU响应外部中断的特点 59
3.4.2 Characteristics of response external interrupts 59
3.4.3 Interrupt vectors table 60
3．4．3 中断向量表 60
3.4.4 Interrupt controller programming 61
3．4．4 中断控制器编程 61
3.5 Programmable logic device (PLD) 67
3．5 可编程逻辑器件（PLD） 67
3.5.1 Architecture of PLD 68
3．1．5 可编程逻辑器件的结构 68
3.5.2 Applications of PLD 71
3．5．2 可编程逻辑器件的应用 71
3.6 Example of a typical interface circuit design 75
3.6.1 Technical performance of GKD-ADC interface 75
3．6 典型接口电路板设计举例 75
3．6．1 GKD—ADC板的主要技术指标 75
3．6．2 GKD—ADC接口电路设计的要点 76
3.6.2 Main points of GKD-ADC interface design 76
3．6．3 ADC接口卡应用于GKD六导睡眠监测仪的数据采集处理接口软件设计 88
3.6.3 Programming of data acquisition processing software of ADC interface card in six channel slee 88
Chapter 4 Common sensors used in medicine 93
4.1 Resistive sensors of strain gauge 93
4.1.1 The principles of resistive strain gauge 93
4．1 电阻应变式传感器 93
4．1．1电阻应变片的工作原理 93
第四章 常见医用传感器 93
4.1.2 Kinds and parameters of resistive strain gauge 97
4．1．2 电阻应变片的种类和参数 97
4．1．3 电阻应变式传感器的信号调节电路 101
4.1.3 Signal conditioning circuit for resistive sensors of strain gauge 101
4.1.4 The common sensors of resistive sensors used in medicine 104
4．1．4 医学中常用的电阻应变式传感器 104
4.2 Capacitive sensors 106
4．2 电容式传感器 106
4．2．1 电容式传感器的工作原理及结构形式 107
4.2.1 The principles and structure of capacity sensors 107
4．2．2 电容式传感器的信号调节电路 112
4.2.2 Signal conditioning circuit for capacity sensors 112
4.2.3 The factors of affecting precision of capacity sensors and take steps to improve 118
4．2．3 影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 118
4.3 Inductive sensors 120
4．3 电感式传感器 120
4．3．1 变磁阻式传感器 121
4.3.1 Reluctance variation sensors 121
4.3.2 Eddy current sensors 125
4．3．2 涡流式传感器 125
4.4.1 The piezoelectric effect 128
4.4 Piezoelectric sensors 128
4．4．1 压电效应 128
4．4 压电式传感器 128
4.4.2 Piezoelectric constant and calculation of surface electric charge 131
4．4．2 压电常数和表面电荷的计算 131
4．4．3 压电式传感器的等效电路 133
4.4.3 Equivalent circuit of piezoelectric sensors 133
4．4．4 压电式传感器的信号调节电路 135
4.4.4 Signal conditioning circuit for piezoelectric sensors 135
4.5 Solid piezoresistance sensors 140
4.5.1 Piezoresistance effect of semiconductor) 140
4．5 固态压阻式传感器 140
4．5．1半导体的压阻效应 140
4.5.2 Solid Piczoresistance pressure sensors 143
4．5．2 固态压阻式压力传感器 143
4.5.3 The output characteristics of solid piczoresistance sensors and the compensated methods 145
4．5．3 固态压阻式传感器的输出特性及补偿方法 145
4.6.1 The Principles of thermoelectric sensors 150
4.6 Thermoelectric sensors 150
4．6 热敏式传感器 150
4．6．1 热敏式传感器的基本原理 150
4.6.2 Current temperature integrated sensors 152
4．6．2 电流型集成温度传感器 152
5．1．1 二极管测温原理 155
5.1.1 Principles of temperature measurement of diode 155
5.1 Design of diode thermometer transistor thermometer 155
Chapter 5 Design for application interface to common medical sensors 155
第五章 常见医用传感器应用接口设计 155
5．1 二极管和晶体管温度计设计 155
5．5．2 晶体管测温原理 157
5.1.2 Principles of temperature measurement of transistor 157
5.2 Breath sensors and its interface design 158
5．2 呼吸波传感器及应用接口设计 158
5．2．1 呼吸波传感器原理与结构 159
5.2.1 Principles and structure of breath sensors 159
5.2.2 Measurement circuit for strain gage breath sensors 160
5．2．2 应变计式呼吸波传感器的测量电路 160
5.3 Thermal sensitive sensors its application in sleep apnea monitor 161
5.3.1 Properties and parameters of thermal sensitive sensors 161
5．3 热敏电阻传感器及其在睡眠呼吸暂停检测中的应用 161
5．3．1 热敏电阻的性能和参数 161
5.3.2 Measuring circuit 162
5．3．2 测量电路 162
5．3．3 口鼻腔气流信号检测电路原理设计 163
5.3.3 Airflow signal detection 163
5.4 Piezoreststance sensor interfaces and its application in noninvaded blood Pressure measurement 165
5.4.1 Principles of noninvaded blood pressure measurement 165
5．4．1 人体无创血压测量原理 165
5．4 压阻传感器接口及其在人体血压测量中的应用 165
5．4．2 集成压阻传感器 167
5.4.2 Integrated Piezoresistance sensors 167
5．4．3 无创血压测量系统的组成 170
5.4.3 Consist of noninvaded blood pressure measurement system 170
5．4．4 系统工作原理 171
5.4.4 Principles of the system 171
5．5 超声换能器及其医学应用 174
5.5 Ultrasonic transducer and its application in medicine 174
5．5．1 医用超声波的物理基础 174
5.5.1 Physical basis of ultrasonic wave in medicine 174
5.5.2 Ultrasonography ——model B ultrasonic diagnostic instrumentation 179
5．5．2 超声成像仪——B型超声诊断仪 179
5.5.3 Ultrasonic blood flow meter——ultrasonic Doppler diagnostic instrumentation 184
5．5．3 超声血流测量仪——超声多普勒诊断仪（简称D型超声诊断仪） 184
6.1 Optoelectric effect and optomultiplier 188
第六章 光电式传感器及应用接口设计 188
6．1 光电效应与光电倍增管 188
6．1．1 外光电效应 188
Chapter 6 Optoelectric sensors and design of its application interface 188
6.1.1 Optoelectric effect 188
6．1．2 光电倍增管 189
6.1.2 Optomultiplier 189
6.2.1 Optoconductive effect 192
6.2 Optoconductive effect and optoresistor 192
6．2．1 光电导效应 192
6．2 光电导效应与光敏电阻 192
6.2.2 Optoresistor 193
6．2．2 光敏电阻 193
6.3 Opto-volt effect and optocell 198
6．3 光生伏特效应与光电池 198
6．3．1 光生伏特效应 198
6.3.1 Opto-volt effect 198
6．3．2 光电池 199
6.3.2 Optocell 199
6．4 光敏二极管与光敏三极管 203
6．4．1 光敏二极管和光敏三极管的工作原理 203
6.4.1 The principles of optodiode and optotransistor 203
6.4 Optodiode and optotransistor 203
6.4.2 Basic characteristics of optosensors 204
6．4．2 光敏管的基本特性 204
6.4.3 Measurement circuit of optosensors 206
6．4．3 光敏管的测量电路 206
6.5 Optoelectric sensors on pulse and monitor of pulse wave 207
6．5 光电脉搏传感器和脉搏波监测仪设计 207
6.5.2 Design of micro-monitor relating to the pulse wave 208
6．5．2 袖珍式脉搏波监测仪的设计 208
6.5.1 Principles of optoelectric sensors on pulse 208
6．5．1 光电脉搏传感器的原理 208
6.6.1 Detective principles of oxygen saturation and pulse 212
6．6 脉搏血氧计的设计 212
6.6 Design of pulse and oximeter 212
6．6．1 脉搏血氧测量原理 212
6.6.3 Design of interface circuit relating to the sensors of oxygen saturation and pulse 215
6.6.2 Structure of sensors for pulse and oximeter 215
6．6．2 脉搏血氧传感器结构 215
6．6．3 脉搏血氧传感器接口电路设计 215
6.6.4 Design of interface circuit relating to HD64180 microprocessor communication with the personal 221
6．6．4 HD64180与PC机数据通信接口设计 221
7.1 Introduction to optical fibre sensors 226
Chapter 7 optical fibre sensors, image sensors and its interface circuit 226
第七章 光纤传感器与图像传感器及接口电路 226
7．1 光纤传感器概述 226
7.2.1 The transrnission principles of light in optical fibre 228
7.2 Principles of optical fibre sensors 228
7．2 光纤传感器的工作原理 228
7．2．1 光纤的导光原理 228
7.2.2 The amplitude modulation and phase modulation 231
7．2．2 光波的强度调制与相位调制 231
7．3 光纤传感器的应用 233
7．3．1 光纤测氧仪 233
7.3.1Optical fibre oximeter 233
7.3 Application of optical fibre sensors 233
7．3．2医用内窥镜 234
7.3.2 Medical speculum 234
7．4．1 固态图像传感器的分类 235
7．4 图像传感器概述 235
7.4.1 Classification of solid state image sensors 235
7.4 Introduction of image sensors 235
7．4．3 图像传感器的优点 237
7．4．2 图像传感器的发展 237
7.4.2 Development of image sensors 237
7．4．4 医学领域的应用对图像传感器的要求 238
7.4.4 Requisition for image sensors in medical application 238
7．5 图像传感器的工作原理 239
7.5.1 Operational principles of SSPD 239
7.5 Operational principles of image sensor 239
7．5．1 自扫描光电二极管阵列（SSPD）工作原理 239
7．5．2 CCD工作原理 240
7.5.2 Operational principles of CCD 240
7.5.4 Comparation among SSPD,CCD and CID 244
7．5．4 SSPD、CCD、CID 优缺点比较 244
7.5.3 Operational principles of CID 244
7.6 Interface drive circuit and read-out circuit of CCD sensors 247
7.6.1 Drive circuit of two phases 247
7．6 CCD传感器的接口驱动及读出电路 247
7．6．1 两相式驱动电路 247
7.6.2 Read-out and amplity circuit 249
7．6．2 读出放大电路 249
7.7 Interface between image sensor and microcomputer 252
7．7 图像传感器与微机的接口 252
7.7.1 Simple counter interface 253
7．7．1 简单计数型接口 253
7．7．2 按位二值化数字接口 254
7.7.2 Digital interface for binary conversion bit by bit 254
7.7.3 Interface of A/D conversion bit by bit 255
7．7．3 A/D转换接口 255
7.8.1 Measurement of dynamic response of one pupil 257
7.8 Medical application of image sensors 257
7．8 图像传感器在医学中的应用 257
7．8．1眼球瞳孔动态响应的测量 257
7．8．2 医用X光电视系统 258
7.8.2 Medical X-ray TV system 258
7．8．3 电子内窥镜 259
7.8.3 Medical electronic speculum 259
8．1 电化学传感器 261
第八章 电化学传感器和生物传感器及其接口电路 261
Chapter 8 Electrochemical sensors and biological sensors 261
8.1 Electrochemical Sensors 261
8.1.1 Foundation of energy transformation of electrode 261
8．1．1 电极换能的电化学基础 261
8．1．2 电极的作用与分类 264
8.1.2 Category and function of electrodes 264
8.1.3 Electrodes used of biopotential detection 266
8．1．3 生物电测量电极 266
8．2 生物电位检测电极在生物医学领域中的应用及其接口电路设计 272
8．2．1 心电信息检测原理及电极接口电路设计 272
8.2.1 Principles in appliance for ECG detection and electrode interface circuit design 272
8.2 Application of electrodes for biopotential detection in biomedical fields and its interface circ 272
7.4.3 Advantages of image sensors 273
8．2．2 微电极在生物医学工程中的应用 279
8.2.2 Microelectrode in biomedical 279
8．3 化学传感器 280
8．3．1 离子选择电极ISE 280
8.3 Chemical sensors 280
8.3.1 Iron selected electrode (ISE) 280
8.3.2 Iron sclected field effective transistor (ISFET) 282
8.3.3 Application of ISE ISFET in medicine 282
8．3．2 离子敏选择性场效应管ISFET 282
8．3．3 ISE和ISFET在生物医学中的应用 282
8．4 生物传感器 284
8.4 Biological Sensors 284
8．4．1 酶电极 285
8.4.1 Enzyme electrodes 285
8.4.2 Application of enzyme electrodes in medicine 286
8．4．2 酶电极的医学应用 286
Reference 290
参考文献 290