12期2010年 12月 EXPLORATION LABORATORYVo.l 29 12Dec. 2010 气体压力传感器测量血压与心率的设计性实验 唐山师范学院物理系, 河北 唐山 063000) 采用气体压力传感器及外接放大器研制了一种新型血压、心率与脉搏波波形测量仪,利用该测 量仪、数字示波器和计算机, 对人体血压、心率与脉搏波波形进行了智能化的实时测量, 数据稳定可靠, 测量结果准确。对气体压力传感器特性进行了测量, 得到了其高线性度指标。新型血压、心率与脉搏波 波形测量仪应用于医学物理实验, 可引导学生掌握气体压力传感器特性与测量方法、运算放大器的使用 及组装人体数字血压计和定标等实验技能。该实验测量误差小, 教学内容丰富, 可在高校物理实验中推 广应用。 关键词: 气体压力传感器; 数字血压计; 心率; 脉搏波 中图分类号: 321文献标识码:A文章编号: 1006- 7167( 2010) 12- 0027- 04 DesignedExpermi ent BloodPressure HeartRate GasPressure Sensor YAO Jium ZHUYuhua, YANG Jinzhong,TIAN Guangzh LIJianhua Physics,Tangshan Teachers College, Tangshan 063000, Ch ina) Abstract: gaspressure sensor externalamplif ier were used newmeasuring monitor measureblood pressure, heartrate pulsewaveprofile. usingmon itor th digitaloscilloscope computerwemeasured intellegeutly humanbody blood pressure, heartrate pulsewave profile realtild. reliable. resultswere accurate. gaspressure sensor characterist ic ighlinearity target reached.New loodpressure, heartrate pulsewaveprofilemeasuring instrum ent can medicale physics tes,t which may guide experimentsk ills gaspressure sensor characteristic measuringtechn ique, operational amplifier igitalsphygmomanometer experimentedmeasurem ent has less errors contents university physics tabs. Key words: gas pressure sensor; digital sphygmomanometer; heart rate; pulse wave 收稿日期: 2010- 04- 23 基金项目: 河北省 十一五!规划项目( 08010137) 唐山师范学院科学研究基金项目( 09D10) 作者简介: 河北丰润人,高级实验师, 主要从 事物理实验教学及教学改革研究。

Te.l ;Emai:l yao jiumin@ 163. com 人体的心率、血压是人的重要生理参数,心跳的频 率、脉搏的波形和血压的高低是判断人身体健康的重 要依据, 故脉搏波形的观测、人体的心率和血压的测量 是医学院学生必须掌握的重要内容 着传感器及计算机技术的发展,血压、脉搏的测量不再 局限于人工操作。如用压阻式传感器检测的脉搏信 可通过单片机技术进行数据处理,实现智能化测 数字血压计则早已走进家庭。气体压力传感器技术不仅用于医学, 在工业测量、自动化控制、航空、航天、气 象和环境检测等方面也有广泛应用。据此, 笔者设计 1个用气体压力传感器测量血压与心率的新实验,通过此实验, 学生可以掌握气体压力传感器的原理及 其基本特性测量方法, 学习放大器的特点和作用, 学会 29卷自己组装一台数字式气体压力仪,用标准指针式压力 表对其进行定标气体压力传感器, 并且用其测量血压、心率和脉搏波波 进而掌握测量血压、心率和脉搏波波形等医学物理知识。 2实验原理 1集成压力传感器基本原理压力( 压强) 是一种非电量的物理量, 它可以用指 针式气体压力表来测量, 也可以用压力传感器把压强 转换成电量, 用数字电压表测量和监控。

集成压力传 感器是以硅为主要材料, 把用来感受压力的硅应变膜、 应变电阻和采集应变信号的桥式电路、放大输出电路 等集成于一个芯片上的器件。本实验所用气体压力传 感器基本结构( 外型) 如图 1所示, MPS3100气体压力 传感器是一种用压阻元件组成的桥, 其电原理图 部结构)如图2所示。气体压力传感器加上+ 工作电压,气体压强范围为 40kPa, 则它随着气体 压强的变化能输出约 75mV的电压。由于制造技 术的关系, 传感器在 kPa时,其输出有时不为零, 可以在1、5脚串接小电阻来进行调整。 2压力传感器特性及数字血压计若在压力传感器的输出端接一只数字电压表, 压力(压强) 输入端, 通过三通管接一只指针式压力 可从数字电压表读出与之相应的输出电压值 u。作图 可得气体压强与输出电压的线性关系。 因传感器的输出电压与气体压强有一一对应的关 所以可用标准指针式压力表来标定组装的数字式气体压强计, 即把压力传感器和数字电压表组合起来,构成一只数字血压计。 3血压与测量心脏工作时气体压力传感器, 血管内血液对血管壁的侧向压强称 为血压。心脏收缩时主动脉中血压的峰值称为收缩 也称高压;心脏舒张时主动脉中血压的谷值称为舒 床上通常测定上臂肱动脉血压,并以高出大气压的数 值表示。

当用数字血压计测量时, 把气袋缠在肘关节 上部, 听诊器置于肱动脉处, 通过充气压挤血管, 首先 使血流完全阻断, 这时用听诊器听血管的波动声是没 有的, 然后慢慢放气, 当袋内空气压强等于主动脉收缩 血流通过,并听到第 1个脉动湍流声, 此时血压 计显示的数值即为收缩压( 高压 )。继续放气通过听 诊器能听到强而有力的脉搏声, 且慢慢变轻, 直至袋内 空气压强等于主动脉舒张压时, 脉动湍流声消失, 听到 很平稳较正常的脉搏声, 这时认为血管完全未受挤压, 此时血压计显示的数值即为舒张压( 低压 )。此种血 压测量方法称柯氏音法, 由俄国医生 Kopotkoc在 1905 年首先提出。至今柯氏音法仍是国际上通用方法 4脉搏波与测量当心脏周期性地收缩和舒张时, 左心室射入主动 脉的血流冲击主动脉瓣和血管壁, 产生的振动将以波 的形式自主动脉根部发出, 沿动脉树向外周动脉传播, 此波称为向前波。当向前波受到动脉分支和外周动脉 等因素的作用时, 产生与之方向相反的反射波。反射 波沿动脉树向心脏方向传播, 与向前波叠加后形成具 有不同波形特征的脉搏波。在血管处测出管壁应力随 时间的变化规律, 即可得到脉搏波。

在脉搏波强的血 用手指在体外就能感觉到脉搏波。在中国传统医学中, 脉诊具有十分重要的地位, 有经验的中医师手 按脉搏, 根据脉搏波可以判断一个人的病情。在现代 技术中, 可用传感器对脉搏波进行测量, 并用计算机显 示脉搏波波形和记录其数据。脉搏波( PPG) 不仅有频 率、幅度等参数, 还可以间接测量心率、血压、血氧饱和 所以,脉搏波的观测在医学诊断中非常重要 3实验装置及材料实验装置由: 40kPa), 数字电压表,%HK2000B型压 阻脉搏传感器 两组直流稳压电源,100 mL 注射器气体输入装置, )数字示波器,计算机, 若干 导线等组成。实验装置的连接布置示意图如图 32kPa) 要定标后才 28 能用,分辨率为 4脉博波测量装置简图4实验内容和实验方法 出端接数字电压表,通过注射器改变管路内 32kPa测 的关系曲线,计算出气体压力传 感器的灵敏度及相关系数。 将MPS3100的输出与外接放大器的输入端 连接, 再将放大器输出端与数字电压表连接。 4、32kPa时放大器的零点与 放大倍数, 使放大器输出电压在气体压强为 40mV, 在气体压强为 32 kPa时为 320 mV。

将放大器零点与放大倍数调整好后,组装好 的数字式压力表可用于人体血压或气体压强的测量及 数字显示, 其中数字电压表显示 10 mV表示气体压强 采用典型柯氏音法测量血压,将测血压袖套 绑在上手臂肱动脉处,并把医用听诊器探头插在袖套 内肱动脉处。 压气球向袖套压气至20 kPa气体压力传感器, 打开排气口缓慢排气, 记下数字血压计的读数为收缩压,若排气到听不到 那最后一次听到柯氏音时所对应的数字血压计读数为舒张压。 如果舒张压读数不太肯定时,可以用压气球 补气至舒张压读数之上, 再次缓慢排气来读出舒张压。 个测量值并记录。 采用水银气压计测量5次并记录, 与用数字 血压计的测量值进行比较。 将压阻式脉搏传感器放在手臂脉搏最强处,插口与仪器脉搏传感器插座连接, 接上电源( 绑上血压袖套,稍加些压力( 压几下压气球, 压强以数 字示波器能看到清晰脉搏波形为准)。把脉搏波形信 号送到数字示波器观测脉搏波形, 并把数字示波器与 计算机相联, 进而保存记录脉搏波形。 通过分析脉搏波,精确计算出心率。 5实验结果 1MPS3100的特性测量数据及处理结果数据记录如表 1所示, 29,相关系数 99995, 所以灵敏度A 69mV 2可以看到,用组装的数字式血压计和医用 水银血压计相同时间测量同一人的血压, 得到人的血 压数值在极限误差容许范围内一致, 而数字式血压计 多次测量的随机误差 A类不确定度uA 2种不同血压计测量同一人体血压的实验结果kPa 数字高压 14. 低压10. 水银高压 13. 3脉搏波的观测、记录和分析结果用组装的仪器接数字示波器并通过计算机记录和 保存的脉搏波波形图如图 5所示, 图中最左边的实竖 线和最右边的虚竖线是用数字示波器测量时间时选择 区域产生的。

从图中可以看出, 该区域共包含的心脏 跳动周期个数 图中右上方方框中的数据给出了该区域的时间间隔 为心脏跳动周期, 所以, 据此可精确计算出心率 58.252次 利用该实验方法,计算机还可以记录脉搏波的数 据列表环氧乙烷检测仪, 根据数据列表可以对脉搏波进行其他各种严 29 29卷格的复杂分析和研究 。特别是近些年来,为了发 展无创伤诊断技术和降低医疗费用, 美、英、日、韩和加 拿大等国的学者对人体脉搏信息和中医脉诊理论的研 究也发生了浓厚的兴趣, 这已成为发展无创伤诊断技 术的前沿课题之一 5人体脉博波波形(2009年 气体压力传感器在工业、医学和物理实验中有广泛的用途 。医用的电子血压计不仅在临床监护中大量应用, 现已为一般家庭常用测量人体血压。本文 对气体压力传感器的特性测量进行研究, 自己组装了 1只人体电子血压计, 并用于了人体血压和心率等的 测量实验。该实验不仅可以用于医学类专业学生基础 物理实验 而且可用于一般理工科学校的设计性与研究性物理实验, 值得推广。 参考文献( References): 美国心脏学会.更新血压测量的建议[ 中国介入心脏病学杂志, 2005, 13( 实验技术与管理, 1985, 诸葛毅.人体血压测量的质量控制与技术偏差的纠正[ 实验技术与管理, 2007, 24( 高血压杂志,2005, 13 蔡启明,吴海燕. XL 实验技术与管理, 1994, 11( 京工业大学学报,1996, 22( 脉搏波:沟通中医和西医的桥梁[ 中西医结合学报, 2008, 压力传感器特性研究实验的ANSYS辅助教学 实验室研究与探索,2010, 29( 物理实验,2005, 26( 12) 11]梁路光,赵大源. 医用物理学 北京:高等教育出版社, 2004: 55. (上接第 12页) 其他所有激素组合都好, 且大多数根具有典型的毛状 根特征, 具有白色根毛, 分支多, 沿培养基平长, 失去向 )。

培养基中分裂素6BA浓度较低 时对苗生长的促进作用较小, 而浓度较高时则促进其 长成丛苗,且小苗生长健壮( 见表 综上分析液化气报警器,美洲商陆诱导根生成只需较低浓度的生长 素即可实现, 而不需多加分裂素来诱导。 4影响植物组培成功的因素影响植物组培成功因素有很多, 一般来说, 主要 培养基成分及pH 值、供体植物基因型、外源激素 种类及浓度、外植体的选择等 12]。本实验选择茎尖作 为外植体来培养, 相对于其他组织( 容易诱导成功,因为茎尖的再生能力更强。除了上述 因素对植物组织培养中诱导脱分化有重要影响外, 他诸如培养时间、材料处理、接种方式以及实验人员的经验等因素也在不同程度上也影响到培养时愈伤组织 的发生频率和质量。因此, 关于美洲商陆不同外植体 组培技术的实验研究还有待于进一步完善。 参考文献( References): 中国医学文摘,2003, 17( 吴元华.美洲商陆抗病毒蛋白及其在植物病害 防治中的应用[ 中国植保杂刊,2006, 26( 生态环境,2006, 15( 农业环境科学学报,2005, 24( 国野生动物资源,2004, 23( 实验室研究与探索,2010, 29( 张海燕,张铁汉, 北京师范大学学报,2004, 40( 徽章!月季丛生芽诱导与增殖条件的筛选[ 福建林业科技,2006, 北方园艺,2006, 10]霍丽华.植物生长调节物质对组织培养中不定芽不定根的作用 辽宁师专学报,2002, 第二军医大学学报,2003, 24( 10) 植物组培与多倍休育种相结台的研究进展[ 北方园艺2009( 111113.30

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