气体压力传感器特性及人体心率、血压测量实验

学生：李崇凯
指导教师:冀敏

了解气体压力传感器并组装数字式压力表，通过数字式压力表来验证boyle定律。
了解人体心率、血压的测量原理，利用压阻脉搏传感器测量脉搏波形、心跳频率，用组装的数字压力表采用柯氏音法测量人体血压。
用慢扫描长余晖示波器观察人体脉搏波形，分析心脏跳动情况，估算心率、血压等参数。

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。本实验所用气体压力传感器为MPS3100，它是一种用压阻元件组成的桥，其电原理图如下：

给气体压力传感器加上+5V的工作电压，气体压强范围为0-40kPa，则它随着气体压强的变化能输出0-75mV（典型值）的电压，在40kPa时输出40mV（min）；100mV（max）。由于制造技术的关系，传感器在0kPa时，其输出不为零（典型值±25mV），故可以在1，6脚串接小电阻来进行调整。MPS3100传感器的线性度极好（典型值为0.3%F.S.）。

1. 理想气体定律
气体的状态可用如下三个量来确定：体积V，压强P，温度T。在通常大气环境（气体压强不太大、温度不太低）的条件下，气体可视为理想气体，理想气体遵守如下定律：
（1）波意耳（Boyle）定律：对于一定量的气体，假定气体的温度T保持不变，则其压强P和体积V的乘积是一常数C1。
= =……= = C1 （1）
（2）气体定律：任何一定量气体的压强和气体的体积V的乘积除以自身的热力学温度T为一个常数C2，即：
= =……= = C2 （2）

2. 心率和血压的测量

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体健康的重要依据。故测量人体的心率、血压是医学院学生必须掌握的重要内容。

（1）心率、脉搏波与测量：
心脏跳动的频率称为心率（次/分钟），心脏在周期性波动中挤压血管引起动脉管壁的弹性形变，在血管处测量此应力波得到的就是脉搏波。因为心脏通过动脉血管、毛细血管向全身供血，所以离心脏越近测得的脉搏波强度越大，反之则相反。在脉搏波最强的血管处，用手指在体外就能感应到脉搏波。随着电子技术与计算机技术的发展，脉搏测量不再局限于传统的人工测量法或听诊器测量法。利用压阻传感器对脉搏信号进行检测，并通过单片机技术进行数据处理，实现智能化的脉搏测试，同时可通过示波器对检测到的脉搏波进行观察，通过脉搏波形的对比来进行心脏的健康诊断。这种技术具有先进性、实用性和稳定性，同时也是生物医学工程领域的发展方向。考虑到脉搏波（PPG）不仅有脉搏频率参数，其中更有间接的血压、血氧饱和度等等参数，所以脉搏波的观察在医学诊断中非常重要。

（2）血压与测量：
人体血压指的是动脉血管中脉动的血流对血管壁产生的侧向垂直于血管壁的压力。主动脉血管中垂直于管壁的压力峰值为收缩压，谷值为舒张压。血压是反映心血管系统状态的重要生理参数。特别是近年来，高血压在中老年人群中的发病率不断上升（据统计已达15%~20%），而且常常是引起心血管系统一些疾病的重要因素，因此血压的准确检测在临床和保健工作中变得越来越重要。临床上血压测量技术可分为直接法和间接法两种。间接法测量血压不需要外科手术，测量简便，因此在临床上得到广泛的应用。血压间接测量方法中，目前常用的有两种，即听诊法（柯氏音法Auscultatory method）和示波法（Oscillometric method）。听诊法由俄国医生Kopotkoc在1905年提出，迄今仍在临床中广泛应用。但听诊法存在其固有缺点：一是在舒张压对应于第四相还是第五相问题上一直存在争论，由此引起的判别误差很大。二是通过听柯氏声来判别收缩压、舒张压，其读数受使用者听力影响，易引入主观误差，难以标准化。近年来许多血压监护仪和自动电子血压计大都采用了示波法间接测量血压。示波法测量血压的过程与柯氏音法是一致的。都是将袖带加压至阻断动脉血流，然后缓慢减压，其间手臂中会传出声音及压力小脉冲。柯氏音法是靠人工识别手臂中传出的声音，并判读出收缩压和舒张压。而示波法则是靠传感器识别从手臂中传到袖带中的小脉冲，从而得出血压值。考虑到目前医院常规血压测量还是用柯氏音法，所以本实验要求掌握的也是用柯氏音法测量人体血压。

（3）脉搏波的波形及其意义
人体的脉搏波可用特制的脉搏描记器记录下来。每个脉搏波描记曲线都由升支A和降支K构成。升支反映心室快速射血内动脉的被动扩张，降支反映射血后期的回缩。随后心室舒张，心室内压低于主动脉血压，于是动脉血倒流，导致主动脉瓣关闭，在曲线上形成降支切迹N,也叫降中峡或重波谷；由于主动脉瓣的关闭遂使倒流的血液继续向前流去,并在切迹之后又出现上升的小波,称降中波或重脉波。降支的形状与外周阻力的大小有关；如阻力大则降支坡度较缓，其切迹的位置较高；反之，切迹的位置较低。

本实验所用仪器如下图所示，它主要由8个部分组成：1.指针式压力表（量程为0~40kPa），2.MPS3100气体压力传感器，3.数字电压表，4.100ml医用注射器，5.压阻脉搏传感器，6.智能脉搏计数器，7.血压袖套和听诊器，8.实验接插线若干。
在使用实验仪器时应注意：
（1）开机后，应至少预热5分钟，待仪器稳定后才进行实验。
（2）本实验仪器所用气体压力表为精密微压表，测量仪器范围应在全范围的4/5，即32kPa。微压表的0~4kPa为精度不确定范围，故实际可测量范围为4~32kPa。
（3）实验时压气球只能在测量血压时使用，不能直接接入进气口，测量压力传感器特性时必须用定量输气装置（注射器）。
严禁实验时加压超过36kPa（瞬态）。瞬态超过40kPa，微压表可能损坏！