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12期2010年 12月 EXPLORATION LABORATORYVo.l 29 12Dec. 2010 氣體壓力傳感器測(cè)量血壓與心率的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 唐山師范學(xué)院物理系, 河北 唐山 063000) 采用氣體壓力傳感器及外接放大器研制了一種新型血壓、心率與脈搏波波形測(cè)量?jī)x,利用該測(cè) 量?jī)x、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī), 對(duì)人體血壓、心率與脈搏波波形進(jìn)行了智能化的實(shí)時(shí)測(cè)量, 數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠, 測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。對(duì)氣體壓力傳感器特性進(jìn)行了測(cè)量, 得到了其高線(xiàn)性度指標(biāo)。新型血壓、心率與脈搏波 波形測(cè)量?jī)x應(yīng)用于醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn), 可引導(dǎo)學(xué)生掌握氣體壓力傳感器特性與測(cè)量方法、運(yùn)算放大器的使用 及組裝人體數(shù)字血壓計(jì)和定標(biāo)等實(shí)驗(yàn)技能。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差小, 教學(xué)內(nèi)容豐富, 可在高校物理實(shí)驗(yàn)中推 廣應(yīng)用。 關(guān)鍵詞: 氣體壓力傳感器; 數(shù)字血壓計(jì); 心率; 脈搏波 中圖分類(lèi)號(hào): 321文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào): 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 基金項(xiàng)目: 河北省 十一五!規(guī)劃項(xiàng)目( 08010137) 唐山師范學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目( 09D10) 作者簡(jiǎn)介: 河北豐潤(rùn)人,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師, 主要從 事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及教學(xué)改革研究。

Te.l ;Emai:l yao jiumin@ 163. com 人體的心率、血壓是人的重要生理參數(shù),心跳的頻 率、脈搏的波形和血壓的高低是判斷人身體健康的重 要依據(jù), 故脈搏波形的觀測(cè)、人體的心率和血壓的測(cè)量 是醫(yī)學(xué)院學(xué)生必須掌握的重要內(nèi)容 著傳感器及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,血壓、脈搏的測(cè)量不再 局限于人工操作。如用壓阻式傳感器檢測(cè)的脈搏信 可通過(guò)單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)智能化測(cè) 數(shù)字血壓計(jì)則早已走進(jìn)家庭。氣體壓力傳感器技術(shù)不僅用于醫(yī)學(xué), 在工業(yè)測(cè)量、自動(dòng)化控制、航空、航天、氣 象和環(huán)境檢測(cè)等方面也有廣泛應(yīng)用。據(jù)此, 筆者設(shè)計(jì) 1個(gè)用氣體壓力傳感器測(cè)量血壓與心率的新實(shí)驗(yàn),通過(guò)此實(shí)驗(yàn), 學(xué)生可以掌握氣體壓力傳感器的原理及 其基本特性測(cè)量方法, 學(xué)習(xí)放大器的特點(diǎn)和作用, 學(xué)會(huì) 29卷自己組裝一臺(tái)數(shù)字式氣體壓力儀,用標(biāo)準(zhǔn)指針式壓力 表對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)氣體壓力傳感器, 并且用其測(cè)量血壓、心率和脈搏波波 進(jìn)而掌握測(cè)量血壓、心率和脈搏波波形等醫(yī)學(xué)物理知識(shí)。 2實(shí)驗(yàn)原理 1集成壓力傳感器基本原理壓力( 壓強(qiáng)) 是一種非電量的物理量, 它可以用指 針式氣體壓力表來(lái)測(cè)量, 也可以用壓力傳感器把壓強(qiáng) 轉(zhuǎn)換成電量, 用數(shù)字電壓表測(cè)量和監(jiān)控。

集成壓力傳 感器是以硅為主要材料, 把用來(lái)感受壓力的硅應(yīng)變膜、 應(yīng)變電阻和采集應(yīng)變信號(hào)的橋式電路、放大輸出電路 等集成于一個(gè)芯片上的器件。本實(shí)驗(yàn)所用氣體壓力傳 感器基本結(jié)構(gòu)( 外型) 如圖 1所示, MPS3100氣體壓力 傳感器是一種用壓阻元件組成的橋, 其電原理圖 部結(jié)構(gòu))如圖2所示。氣體壓力傳感器加上+ 工作電壓,氣體壓強(qiáng)范圍為 40kPa, 則它隨著氣體 壓強(qiáng)的變化能輸出約 75mV的電壓。由于制造技 術(shù)的關(guān)系, 傳感器在 kPa時(shí),其輸出有時(shí)不為零, 可以在1、5腳串接小電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)整。 2壓力傳感器特性及數(shù)字血壓計(jì)若在壓力傳感器的輸出端接一只數(shù)字電壓表, 壓力(壓強(qiáng)) 輸入端, 通過(guò)三通管接一只指針式壓力 可從數(shù)字電壓表讀出與之相應(yīng)的輸出電壓值 u。作圖 可得氣體壓強(qiáng)與輸出電壓的線(xiàn)性關(guān)系。 因傳感器的輸出電壓與氣體壓強(qiáng)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān) 所以可用標(biāo)準(zhǔn)指針式壓力表來(lái)標(biāo)定組裝的數(shù)字式氣體壓強(qiáng)計(jì), 即把壓力傳感器和數(shù)字電壓表組合起來(lái),構(gòu)成一只數(shù)字血壓計(jì)。 3血壓與測(cè)量心臟工作時(shí)氣體壓力傳感器, 血管內(nèi)血液對(duì)血管壁的側(cè)向壓強(qiáng)稱(chēng) 為血壓。心臟收縮時(shí)主動(dòng)脈中血壓的峰值稱(chēng)為收縮 也稱(chēng)高壓;心臟舒張時(shí)主動(dòng)脈中血壓的谷值稱(chēng)為舒 床上通常測(cè)定上臂肱動(dòng)脈血壓,并以高出大氣壓的數(shù) 值表示。

當(dāng)用數(shù)字血壓計(jì)測(cè)量時(shí), 把氣袋纏在肘關(guān)節(jié) 上部, 聽(tīng)診器置于肱動(dòng)脈處, 通過(guò)充氣壓擠血管, 首先 使血流完全阻斷, 這時(shí)用聽(tīng)診器聽(tīng)血管的波動(dòng)聲是沒(méi) 有的, 然后慢慢放氣, 當(dāng)袋內(nèi)空氣壓強(qiáng)等于主動(dòng)脈收縮 血流通過(guò),并聽(tīng)到第 1個(gè)脈動(dòng)湍流聲, 此時(shí)血壓 計(jì)顯示的數(shù)值即為收縮壓( 高壓 )。繼續(xù)放氣通過(guò)聽(tīng) 診器能聽(tīng)到強(qiáng)而有力的脈搏聲, 且慢慢變輕, 直至袋內(nèi) 空氣壓強(qiáng)等于主動(dòng)脈舒張壓時(shí), 脈動(dòng)湍流聲消失, 聽(tīng)到 很平穩(wěn)較正常的脈搏聲, 這時(shí)認(rèn)為血管完全未受擠壓, 此時(shí)血壓計(jì)顯示的數(shù)值即為舒張壓( 低壓 )。此種血 壓測(cè)量方法稱(chēng)柯氏音法, 由俄國(guó)醫(yī)生 Kopotkoc在 1905 年首先提出。至今柯氏音法仍是國(guó)際上通用方法 4脈搏波與測(cè)量當(dāng)心臟周期性地收縮和舒張時(shí), 左心室射入主動(dòng) 脈的血流沖擊主動(dòng)脈瓣和血管壁, 產(chǎn)生的振動(dòng)將以波 的形式自主動(dòng)脈根部發(fā)出, 沿動(dòng)脈樹(shù)向外周動(dòng)脈傳播, 此波稱(chēng)為向前波。當(dāng)向前波受到動(dòng)脈分支和外周動(dòng)脈 等因素的作用時(shí), 產(chǎn)生與之方向相反的反射波。反射 波沿動(dòng)脈樹(shù)向心臟方向傳播, 與向前波疊加后形成具 有不同波形特征的脈搏波。在血管處測(cè)出管壁應(yīng)力隨 時(shí)間的變化規(guī)律, 即可得到脈搏波。

在脈搏波強(qiáng)的血 用手指在體外就能感覺(jué)到脈搏波。在中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中, 脈診具有十分重要的地位, 有經(jīng)驗(yàn)的中醫(yī)師手 按脈搏, 根據(jù)脈搏波可以判斷一個(gè)人的病情。在現(xiàn)代 技術(shù)中, 可用傳感器對(duì)脈搏波進(jìn)行測(cè)量, 并用計(jì)算機(jī)顯 示脈搏波波形和記錄其數(shù)據(jù)。脈搏波( PPG) 不僅有頻 率、幅度等參數(shù), 還可以間接測(cè)量心率、血壓、血氧飽和 所以,脈搏波的觀測(cè)在醫(yī)學(xué)診斷中非常重要 3實(shí)驗(yàn)裝置及材料實(shí)驗(yàn)裝置由: 40kPa), 數(shù)字電壓表,%HK2000B型壓 阻脈搏傳感器 兩組直流穩(wěn)壓電源,100 mL 注射器氣體輸入裝置, )數(shù)字示波器,計(jì)算機(jī), 若干 導(dǎo)線(xiàn)等組成。實(shí)驗(yàn)裝置的連接布置示意圖如圖 32kPa) 要定標(biāo)后才 28 能用,分辨率為 4脈博波測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法 出端接數(shù)字電壓表,通過(guò)注射器改變管路內(nèi) 32kPa測(cè) 的關(guān)系曲線(xiàn),計(jì)算出氣體壓力傳 感器的靈敏度及相關(guān)系數(shù)。 將MPS3100的輸出與外接放大器的輸入端 連接, 再將放大器輸出端與數(shù)字電壓表連接。 4、32kPa時(shí)放大器的零點(diǎn)與 放大倍數(shù), 使放大器輸出電壓在氣體壓強(qiáng)為 40mV, 在氣體壓強(qiáng)為 32 kPa時(shí)為 320 mV。

將放大器零點(diǎn)與放大倍數(shù)調(diào)整好后,組裝好 的數(shù)字式壓力表可用于人體血壓或氣體壓強(qiáng)的測(cè)量及 數(shù)字顯示, 其中數(shù)字電壓表顯示 10 mV表示氣體壓強(qiáng) 采用典型柯氏音法測(cè)量血壓,將測(cè)血壓袖套 綁在上手臂肱動(dòng)脈處,并把醫(yī)用聽(tīng)診器探頭插在袖套 內(nèi)肱動(dòng)脈處。 壓氣球向袖套壓氣至20 kPa氣體壓力傳感器, 打開(kāi)排氣口緩慢排氣, 記下數(shù)字血壓計(jì)的讀數(shù)為收縮壓,若排氣到聽(tīng)不到 那最后一次聽(tīng)到柯氏音時(shí)所對(duì)應(yīng)的數(shù)字血壓計(jì)讀數(shù)為舒張壓。 如果舒張壓讀數(shù)不太肯定時(shí),可以用壓氣球 補(bǔ)氣至舒張壓讀數(shù)之上, 再次緩慢排氣來(lái)讀出舒張壓。 個(gè)測(cè)量值并記錄。 采用水銀氣壓計(jì)測(cè)量5次并記錄, 與用數(shù)字 血壓計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行比較。 將壓阻式脈搏傳感器放在手臂脈搏最強(qiáng)處,插口與儀器脈搏傳感器插座連接, 接上電源( 綁上血壓袖套,稍加些壓力( 壓幾下壓氣球, 壓強(qiáng)以數(shù) 字示波器能看到清晰脈搏波形為準(zhǔn))。把脈搏波形信 號(hào)送到數(shù)字示波器觀測(cè)脈搏波形, 并把數(shù)字示波器與 計(jì)算機(jī)相聯(lián), 進(jìn)而保存記錄脈搏波形。 通過(guò)分析脈搏波,精確計(jì)算出心率。 5實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1MPS3100的特性測(cè)量數(shù)據(jù)及處理結(jié)果數(shù)據(jù)記錄如表 1所示, 29,相關(guān)系數(shù) 99995, 所以靈敏度A 69mV 2可以看到,用組裝的數(shù)字式血壓計(jì)和醫(yī)用 水銀血壓計(jì)相同時(shí)間測(cè)量同一人的血壓, 得到人的血 壓數(shù)值在極限誤差容許范圍內(nèi)一致, 而數(shù)字式血壓計(jì) 多次測(cè)量的隨機(jī)誤差 A類(lèi)不確定度uA 2種不同血壓計(jì)測(cè)量同一人體血壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果kPa 數(shù)字高壓 14. 低壓10. 水銀高壓 13. 3脈搏波的觀測(cè)、記錄和分析結(jié)果用組裝的儀器接數(shù)字示波器并通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄和 保存的脈搏波波形圖如圖 5所示, 圖中最左邊的實(shí)豎 線(xiàn)和最右邊的虛豎線(xiàn)是用數(shù)字示波器測(cè)量時(shí)間時(shí)選擇 區(qū)域產(chǎn)生的。

從圖中可以看出, 該區(qū)域共包含的心臟 跳動(dòng)周期個(gè)數(shù) 圖中右上方方框中的數(shù)據(jù)給出了該區(qū)域的時(shí)間間隔 為心臟跳動(dòng)周期, 所以, 據(jù)此可精確計(jì)算出心率 58.252次 利用該實(shí)驗(yàn)方法,計(jì)算機(jī)還可以記錄脈搏波的數(shù) 據(jù)列表環(huán)氧乙烷檢測(cè)儀, 根據(jù)數(shù)據(jù)列表可以對(duì)脈搏波進(jìn)行其他各種嚴(yán) 29 29卷格的復(fù)雜分析和研究 。特別是近些年來(lái),為了發(fā) 展無(wú)創(chuàng)傷診斷技術(shù)和降低醫(yī)療費(fèi)用, 美、英、日、韓和加 拿大等國(guó)的學(xué)者對(duì)人體脈搏信息和中醫(yī)脈診理論的研 究也發(fā)生了濃厚的興趣, 這已成為發(fā)展無(wú)創(chuàng)傷診斷技 術(shù)的前沿課題之一 5人體脈博波波形(2009年 氣體壓力傳感器在工業(yè)、醫(yī)學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)中有廣泛的用途 。醫(yī)用的電子血壓計(jì)不僅在臨床監(jiān)護(hù)中大量應(yīng)用, 現(xiàn)已為一般家庭常用測(cè)量人體血壓。本文 對(duì)氣體壓力傳感器的特性測(cè)量進(jìn)行研究, 自己組裝了 1只人體電子血壓計(jì), 并用于了人體血壓和心率等的 測(cè)量實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)不僅可以用于醫(yī)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生基礎(chǔ) 物理實(shí)驗(yàn) 而且可用于一般理工科學(xué)校的設(shè)計(jì)性與研究性物理實(shí)驗(yàn), 值得推廣。 參考文獻(xiàn)( References): 美國(guó)心臟學(xué)會(huì).更新血壓測(cè)量的建議[ 中國(guó)介入心臟病學(xué)雜志, 2005, 13( 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 1985, 諸葛毅.人體血壓測(cè)量的質(zhì)量控制與技術(shù)偏差的糾正[ 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2007, 24( 高血壓雜志,2005, 13 蔡啟明,吳海燕. XL 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 1994, 11( 京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996, 22( 脈搏波:溝通中醫(yī)和西醫(yī)的橋梁[ 中西醫(yī)結(jié)合學(xué)報(bào), 2008, 壓力傳感器特性研究實(shí)驗(yàn)的ANSYS輔助教學(xué) 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010, 29( 物理實(shí)驗(yàn),2005, 26( 12) 11]梁路光,趙大源. 醫(yī)用物理學(xué) 北京:高等教育出版社, 2004: 55. (上接第 12頁(yè)) 其他所有激素組合都好, 且大多數(shù)根具有典型的毛狀 根特征, 具有白色根毛, 分支多, 沿培養(yǎng)基平長(zhǎng), 失去向 )。

培養(yǎng)基中分裂素6BA濃度較低 時(shí)對(duì)苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用較小, 而濃度較高時(shí)則促進(jìn)其 長(zhǎng)成叢苗,且小苗生長(zhǎng)健壯( 見(jiàn)表 綜上分析液化氣報(bào)警器,美洲商陸誘導(dǎo)根生成只需較低濃度的生長(zhǎng) 素即可實(shí)現(xiàn), 而不需多加分裂素來(lái)誘導(dǎo)。 4影響植物組培成功的因素影響植物組培成功因素有很多, 一般來(lái)說(shuō), 主要 培養(yǎng)基成分及pH 值、供體植物基因型、外源激素 種類(lèi)及濃度、外植體的選擇等 12]。本實(shí)驗(yàn)選擇莖尖作 為外植體來(lái)培養(yǎng), 相對(duì)于其他組織( 容易誘導(dǎo)成功,因?yàn)榍o尖的再生能力更強(qiáng)。除了上述 因素對(duì)植物組織培養(yǎng)中誘導(dǎo)脫分化有重要影響外, 他諸如培養(yǎng)時(shí)間、材料處理、接種方式以及實(shí)驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)等因素也在不同程度上也影響到培養(yǎng)時(shí)愈傷組織 的發(fā)生頻率和質(zhì)量。因此, 關(guān)于美洲商陸不同外植體 組培技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究還有待于進(jìn)一步完善。 參考文獻(xiàn)( References): 中國(guó)醫(yī)學(xué)文摘,2003, 17( 吳元華.美洲商陸抗病毒蛋白及其在植物病害 防治中的應(yīng)用[ 中國(guó)植保雜刊,2006, 26( 生態(tài)環(huán)境,2006, 15( 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005, 24( 國(guó)野生動(dòng)物資源,2004, 23( 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010, 29( 張海燕,張鐵漢, 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào),2004, 40( 徽章!月季叢生芽誘導(dǎo)與增殖條件的篩選[ 福建林業(yè)科技,2006, 北方園藝,2006, 10]霍麗華.植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)組織培養(yǎng)中不定芽不定根的作用 遼寧師專(zhuān)學(xué)報(bào),2002, 第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),2003, 24( 10) 植物組培與多倍休育種相結(jié)臺(tái)的研究進(jìn)展[ 北方園藝2009( 111113.30

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