生物非电量测量

生物非电量测量是指对生物电量以外的各种非电量进行检测和量化的过程。生物非电量种类繁多，基本可分为力学量(如血压、血流、脉搏、呼吸、心音和运动等)、热学量（如体温）、化学量及生化成分(如血气、血液电解质、血液pH值、葡萄糖和蛋白质等)，它们是反映人体生物电现象以外的复杂生命现象的重要参数。生物非电量测量是生理研究、临床诊断、病人监护、治疗控制、人工辅助系统监控、以及健康检查等医学的各领域中不可缺少的技术手段。
生物非电量与生物电量相比，检测和量化过程均较复杂，特别是常需先将某些不易直接测量的一次量转换为易于测量的二次量，经加工处理后再按一次量的特征校准，然后才能记录或显示。与生物电测量中以电极为信号的耦合传递环节不同(参见“生物电测量电极”条)，在非电量测量中以传感器为信号的检集和转换环节。传感器是生物非电量测量系统的关键部分。
传感器 又称为输入换能器，是将某一非电量输入变换成电量输出的装置。传感器常由耦合、敏感和换能三部分组成。耦合部分用以从受试者处有选择地检集所需的非电量信号，并将其传送至敏感元件。耦合部分有的是传感器本体的一部分（如压力传感器的压力触头或感压膜），有的是传感器本体之外的一些附件(如直接式血压测量系统中的导管、光电式容积脉搏传感器的光纤)，还有的并无单独可分的实体，而是与敏感部分合为一体（如体温传感器中的热敏电阻）。敏感元件用以感知被测非电量，并对其表达形式进行初步转换，使之能适应换能元件工作的需要(如测力传感器的应变梁、酶传感器的固相酶膜)。换能元件则是运用其自身固有的某些物理特性或结构特点，实现非电量至电量的转换(如压阻电桥、离子敏感电极)。敏感元件与换能元件常常合为一体，在结构上不能明显区分（如压电晶体）。传感器对被测量所进行的由非电量至电量的转换可以直接一次完成，如光-电转换、压-电转换； 亦可以经过几次中间变换后完成，如生物传感器中生物成分——化学-电转换。
生物非电量传感器的换能原理多种多样，较为常见的如表所示。不论传感器原理及结构多么不同，其被测非电量与所转换的电量之间均应严格保持确定的函数关系，并且，这种关系最好是线性的； 传感器应有符合测量需要的量程和灵敏度；传感器的灵敏度应有特异性，即只对某一输入量敏感，而对其他量及环境变化无明显反应。
生物非电量测量的特点 生物非电量与一般非电量的测量之间，在原理上是相同的，其本质是将物理量或化学量转换为电量，进而测量和记录。但是，由于生物非电量测量以人体为对象，而人的生命现象和活动环境极为复杂多变，故生物非电量测量中存在一些不同于一般非电量测量的显著特点。

生物非电量测量中常见的换能原理表

非电量	换能原理	换能元件举例
力	力-位移变换 弹性应变 压电效应	各种位移测量元件 各种应变片 压电晶体
位移	电容变化 电感变化 电阻变化 光学干涉与反射	电容式位移探头 可动电感、差动变压器 可变电阻器 光纤式位移探头
流量	电磁感应 多普勒效应 热传导	电磁式血流探头 超声血流探头、激光血流探头 热膜速度探头
温度	热电效应 热电阻效应 热膨胀 热辐射 热化学反应	热电偶 热敏电阻 玻璃水银温度计 红外光电探测器 液晶
生物化学量	电化学反应	离子敏感电极 离子敏感、场效应晶体管
	生物识别—— 物理化学反应	酶传感器、免疫传感器等

(1) 非电量的检集或耦合受到生物体条件的限制：生物量的测量过程与生物体之间，存在复杂的物理、生化、生理甚至心理的作用，对非电量的检集和耦合系统应尽可能地减小这种相互作用，对有创测量，进入机体内的耦合部分（如导管）应当不显著影响受试者的生理与病理状态，并严格保证人体的安全；为避免耦合传送距离长造成的测量误差和失真，可直接将敏感与换能元件置于体内，但这会遇到容许尺寸过小和难以确保安全的问题。对无创测量，由躯体表面耦合非电量（如无创式血压测量和体表温度测量）必然产生信号衰减，并存在难以选择检测位置和传感器难以固定的问题； 若测量中要求受试者能正常活动，则更会产生运动伪迹，导致检测无法进行。为克服非电量检集和耦合中受到的生物体条件的限制，除不断改善和开发无创测量技术外，应发展无接触测量方法。
(2)生物非电量测量方法与评定标准难以统一： 生命现象常是多种物理量与化学量变化的综合过程，采用某种原理或结构的传感器，常常是从某一侧面反映被测生命现象的特征，而对同一生命现象，往往可用不同种类的传感器从不同的侧面测量。例如，常见的心尖搏动或脉管搏动，采用压力型、容积型、位移型、速度型或加速度型传感器，均可分别得到相应的记录波形和测量结果；然而，由于传感器原理不同，所得到的波形和数据互有差异，常造成测量结果难以公认，评定标准难以统一。为促进生物非电量测量技术的发展和利于其在临床上的推广应用，应当注重和有组织地推进统一生物非电量测量方法和评定标准的工作。
(3)生物非电量测量技术的发展应与建模估计相结合：对于生物非电量的检测，应充分重视对被测对象的性质、功能及各种生物量之间关系的认识和了解，分清哪些量是必要而又可能实测的，哪些量不易实测，但可通过建模，由可测得的数据，利用模型去估算系统的动态参量，间接估算这些量。在发展非电量测量技术中，应当用测量去了解对象，而在了解对象的基础上去指导和改进测量。
与生物电测量技术相比，生物非电量测量技术的发展较缓慢。自二十世纪六十年代起，随着医用传感器工业的逐渐兴起，生物非电量检测技术开始广泛用于病人监护系统和多导生理记录仪中，从而逐渐深入到临床医学和基础医学等应用领域。今后生物非电量检测技术的发展方向是：加深对生物非电量的了解；开发小型化、多功能化、智能化和数字化传感器；发展无创式特别是非接触式检测方法；发展实时连续监测及测量-治疗一体化系统；探索和开发能选择性检测生物成分的生物传感器。