CN113261927B - 一种基于镓基液态合金的血压计及血压标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于镓基液态合金的血压计及血压标定方法，涉及医疗设备技术领域，具体为利用镓基液态合金柱作为血压测试的感压液，测量人体的血压；提出通过调整玻璃毛细管长度配合控压腔进行血压计压力控制的体系，实现对镓基液态合金柱的精确控制，在避免镓基液态合金被氧化的同时，提高测量精度、缩短玻璃毛细管长度；本发明血压计及血压标定方法的提出可以大幅度降低社会对有害汞金属的依赖，解决电子式体温计的测量精度不佳等问题，有望大幅推广应用。

Description

一种基于镓基液态合金的血压计及血压标定方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种基于镓基液态合金的血压计及血压标定方法。

背景技术

血压计是测量血压的仪器，又称血压仪。血压计主要有听诊法血压计和示波法血压计。1835年，尤利乌斯·埃里松发明了一个血压计，它把脉搏的搏动传递给一个狭窄的水银柱，当脉搏搏动时，水银会相应地上下跳动，医生能在不切开动脉的情况下测量脉搏和血压。血压计的主要原理是指空气加压压迫局部动脉，通过施加压力，阻止局部动脉的搏动，从而测量这一时期的血流压力的过程。调节袖带气体改变压力，用听诊器听搏动的声音，从而得到收缩压和舒张压。水银血压计有台式、立式两种，台式水银血压计结构合理、牢固可靠；立式血压计可任意调节高度，因其结果可靠而最为常用。

随着人们对水银的危害性理解不断加深，水银制品在民用领域被全面禁止，水银血压计也亟需替代。而目前常见的电子血压计存在着误差大的缺点，也需经常以标准水银柱式血压计为准加以校准。

环保无毒害的镓基液态合金已经被成功用于替代水银体温计中的感温液。但是在血压计应用过程中，由于液态金属在使用过程中与空气接触，因此，一旦使用镓基液态合金替代水银，则该液态合金容易被氧化，氧化物黏附于玻璃表面，导致器件失效。并且，由于镓基液态合金密度小于水银密度，因此在用镓基液态合金直接替代水银作为血压测量的感应液时，保持标准大气压下进行血压测试会导致所使用的玻璃毛细管的长度大大增加。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于镓基液态合金的血压计及血压标定方法，该血压计通过镓基液态合金柱高度检测这种物理式检测手段，检测人体的血压值，测试原理直观、简单、准确，避免各种环境因素的干扰，解决现有技术中水银血压计危害大、电子血压计误差大的问题，同时轻巧便携，无需维持玻璃毛细管中的压力恒定。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种基于镓基液态合金的血压计，包括：

一液态金属腔；

一臂环；

一玻璃毛细管；

一控压腔；

所述液态金属腔用于存放镓基液态合金，所述臂环内侧设置有气压包，所述气压包经通气管道连通于液态金属腔；所述液态金属腔、臂环和通气管道构成一封闭空间；

所述玻璃毛细管一端封闭、另一端连通于液态金属腔，所述玻璃毛细管内填充有第一惰性气体；

所述控压腔可控连通于封闭空间，控压腔内填充有第二惰性气体，并且控压腔使得封闭空间至少具有两种工作状态：充气加压状态和排气降压状态；

所述充气加压状态为第二惰性气体压入封闭空间，压迫镓基液态合金进入玻璃毛细管形成镓基液态合金柱；所述臂环内的气压包在充气加压状态下压合于伸入臂环内的手臂；

所述排气降压状态为第二惰性气体缓慢释放，封闭空间内压力与大气压保持平衡状态，臂环内气压降低，玻璃毛细管内镓基液态合金柱下降回流进入液态金属腔；所述排气降压状态用于测定人体血压；

定义充气加压状态下玻璃毛细管内形成的镓基液态合金柱的长度为L_Ga，则L_Ga满足：

其中，L₁表示充气加压状态下第一惰性气体被压缩后在玻璃毛细管内填充长度。

进一步的，所述玻璃毛细管靠近液态金属腔的端部设置为直线段，所述直线段的长度不小于L_Ga。

进一步的，所述非工作状态下玻璃毛细管内第一惰性气体的压力等于大气压。

进一步的，15cm≤L_Ga≤25cm。

进一步的，定义人体血压测定时充气加压状态下镓基液态合金进入玻璃毛细管形成的镓基液态合金柱的长度预设值为L₂，则所述液态金属腔内存储的镓基液态合金的量至少使得充气加压状态下玻璃毛细管内形成的镓基液态合金柱的高度达到预设值L₂。

进一步的，所述液态金属腔体与臂环之间设置有一开关，所述开关在血压计非应用状态下始终处于闭合状态；所述控压腔与臂环之间设置有一气体闸阀，所述气体闸阀在血压计非工作状态下始终处于闭合状态。

进一步的，所述排气降压状态下玻璃毛细管内镓基液态合金柱的下降速率为1～5mm/min。

进一步的，所述镓基液态合金为镓铟二元合金、镓锡二元合金、镓铟锡三元合金或掺杂合金材料；所述掺杂合金材料为以镓铟锡三种元素为主体元素，且在室温下为液体的合金材料。

进一步的，定义玻璃毛细管的直径为D1，臂环的直径为D2，则1mm≤D1≤5mm，60mm≤D2≤300mm。

本发明还提供一种血压标定方法，该方法为上述的血压计在排气降压状态下根据其玻璃毛细管内镓基液态合金柱运动规律标定血压。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案获得了如下有益效果：

本发明公开的基于镓基液态合金的血压计，包括液态金属腔、臂环、玻璃毛细管和控压腔；利用压力控制玻璃毛细管内的镓基液态合金柱作为血压测试的感压液，测量人体的血压。该方案一方面通过在玻璃毛细管和控压腔填充惰性气体，使得血压计内镓基液态合金始终处于惰性气体氛围工作，避免镓基液态合金被氧化；另一方面通过控制玻璃毛细管的长度和采用控压腔对封闭玻璃毛细管内镓基液态合金柱进行压力精确控制的方式，提高测量精度，解决标准大气压下镓基液态合金和水银密度相差大导致的需要采用较长玻璃毛细管的技术问题，产品安全便携。

本发明血压计采用类似水银血压计的测试原理，通过液态金属柱高度这种物理式检测手段，检测人体的血压值，测试原理直观、简单、准确，避免各种环境因素的干扰，是水俣公约下水银禁用之后，血压计产品领域的有益补充，大幅度降低社会对有害汞金属的依赖，解决电子式体温计的测量精度不佳等问题。

另外，采用本发明公开的血压计可引入新的血压标定方法，即血压计在排气降压状态下根据镓基液态合金柱的运动规律进行血压标定，大幅降低原来水银血压计标定的难度，提高读取精度，能在全社会更好的推广和普及。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明实施例血压计示意图；

图2为示意图中玻璃毛细管的放大图。

图中，各标记的具体意义为：

1-液态金属腔，2-臂环，3-玻璃毛细管，4-控压腔，5-镓基液态合金。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

基于现有技术中水银血压计具有对环境不友好危害性大的问题，而当前普遍采用的电子血压计存在着误差大，需要采用水银血压计校准的现象；本发明旨在提出一种基于镓基液态合金的血压计，该血压计采用镓基液态合金柱替代汞柱作为血压测试的感压液，通过选择玻璃毛细管的长度结合控压腔实现血压计压力的精确控制，使得血压计环境友好、便携，并且测量精度高。

下面结合附图及具体实施例对本发明基于镓基液态合金的血压计及血压标定方法作进一步具体介绍。

结合图1所示的基于镓基液态合金的血压计，包括：一液态金属腔1、一臂环2、一玻璃毛细管3和一控压腔4；如图示，镓基液态合金5存放在液态金属腔1内，设置控压腔4以及精准选择玻璃毛细管3的长度，可实现对液态金属腔1、臂环2和玻璃毛细管3内压力的精确控制；控压腔4控制压入液态金属腔1内第二惰性气体的量，使得镓基液态合金5在玻璃毛细管3内逐渐形成镓基液态合金柱，在血压计的标定方法下镓基液态合金柱的高度可直接读取，获得血压数值。

具体的，臂环2内侧设置有气压包，气压包经通气管道连通于液态金属腔1，液态金属腔1、臂环2和通气管道构成一封闭空间；玻璃毛细管3一端封闭、另一端连通于液态金属腔1，玻璃毛细管3内填充有第一惰性气体；该封闭空间与一端封闭且填充第一惰性气体的玻璃毛细管3确保镓基液态合金5不与空气接触，充分避免镓基液态合金5被氧化黏附在液态金属腔1表面。为了维持血压计内部压力平衡，便于调控非工作状态下玻璃毛细管3内第一惰性气体的压力一般等于大气压。

控压腔4可控连通于封闭空间，一般在控压腔4与臂环2之间设置有一气体闸阀，该气体闸阀在血压计非工作状态下始终处于闭合状态，实现控压腔4的可控连通。控压腔4内填充有第二惰性气体，控压腔4使得封闭空间至少具有两种工作状态：充气加压状态和排气降压状态；充气加压状态为第二惰性气体压入封闭空间，压迫镓基液态合金5进入玻璃毛细管3形成镓基液态合金柱；臂环2内的气压包在充气加压状态下压合于伸入臂环2内的手臂；排气降压状态为第二惰性气体缓慢释放，封闭空间内压力与大气压保持平衡状态，臂环2内气压降低，玻璃毛细管3内镓基液态合金柱下降回流进入液态金属腔1；排气降压状态根据镓基液态合金柱的下降规律用于测定人体血压。第一惰性气体和第二惰性气体一般选择氮气或氩气。

基于镓基液态合金密度小于水银密度，因此在用镓基液态合金直接替代水银作为血压测量的感应液时，一方面会出现防止镓基液态合金柱在持续压迫升高过程中，玻璃毛细管3内压力出现显著升高、影响测量精度的现象，另一方面会如控制压力稳定在大气压就会导致所使用的玻璃毛细管3的长度大大增加。因此，本发明为解决上述问题，本发明一方面采用设置控压腔4精准控制封闭空间的压力使得镓基液态合金柱在玻璃毛细管3内的稳定上升和下降回流，本发明另一方面设计选择玻璃毛细管3的长度。

结合图1和图2所示的血压计的结构，对玻璃毛细管3的长度计算如下：

当控压腔4增压时，玻璃毛细管3内镓基液态合金柱上升，同时会压缩玻璃毛细管3内的第一惰性气体；定义玻璃毛细管3的长度为L₀，充气加压状态下玻璃毛细管3内形成的镓基液态合金柱的长度为L_Ga，充气加压状态下第一惰性气体被压缩后在玻璃毛细管3内填充长度位L₁；则第一惰性气体的压力值的变化可根据公式计算：

考虑在外界大气环境下，玻璃毛细管3内温度变化可以忽略不计，则压力值与体积成反比；其中，P₀和V₀分别为第一惰性气体在玻璃毛细管3中原始状态下的气压和体积，P₁和V₁分别为充气加压状态下第一惰性气体压缩后的气压和体积；实际操作过程中，P₀为标准大气压。

玻璃毛细管3内体积压缩导致的第一惰性气体的压力增加量记为ΔP：

与开放式水银血压计的血压测试点相比，在实际测试过程中，基于力的相对性，第一惰性气体压力增加反作用于镓基液态合金柱实现对镓基液态合金5相较于水银密度降低而导致的镓基液态合金柱体压力缺失的补偿，即血压测试点的压力P由

变为

其中，

表示水银血压计在血压测试点的压力，

表示本发明镓基液态合金血压计在血压测试点的压力。

已知实际血压测试过程中，经血压计反应的真实液压变化范围不超过1/5个标准大气压。

因此设计时，只需考虑玻璃毛细管3内的压力变化范围为：

若当玻璃毛细管3直径不变，将水银血压计的压力值转换为镓基液态合金柱高度进行计算，一个标准大气压为76cm汞柱、等于约150cm镓基液态合金柱，则：

L₀＝L₁+L_Ga (式6)

进一步换算得到下式：

即表明，在通过控压腔4精准控制压力的前提下，想要进一步减小玻璃毛细管3的长度以适应镓基液态合金血压计便携的要求，其进行血压测试时玻璃毛细管3内镓基液态合金柱的长度和第一惰性气体被压缩后的长度只要满足(式7)即可。

以(式7)为玻璃毛细管8的设计基础，例如当L_Ga＝20cm时，L₁≥300cm，则总体毛细管需超过320cm即可血压测试要求满足要求。本发明具体实施时，可根据水银血压计，设计玻璃毛细管3的长度，即取血压测试时镓基液态合金柱的长度为15cm≤L_Ga≤25cm。

为进一步减少玻璃毛细管3在血压计产品中的长度，如附图所示，将玻璃毛细管3靠近液态金属腔1的端部设置为直线段，该直线段的长度不小于L_Ga，即保证血压测定时读数准确，用于填充第一惰性气体的部分空间形状不限，可以采用如附图所示的弧形或其它折叠结构，例如将毛细管尾端填充第一惰性气体的部分盘成圆饼结构。

本发明的血压计产品在具体应用时需要进一步的设置各结构的参数，包括镓基液态合金5组成、玻璃毛细管3的直径、臂环2直径、镓基液态合金5的量和排气降压状态下镓基液态合金柱在玻璃毛细管3内的下降速率，确保产品具有最优的性能比。

具体的，如镓基液态合金5选择镓铟二元合金、镓锡二元合金、镓铟锡三元合金或掺杂合金材料，掺杂合金材料为以镓铟锡三种元素为主体元素，且在室温下为液体的合金材料。

设置玻璃毛细管3的直径为D1，1mm≤D1≤5mm；其中，玻璃毛细管3的直径对测量精度的影响显著，因为过低的直径会导致毛细效应凸显，影响测量精度，直径过大则会导致镓基液态合金5的浪费，产品整体体积过大；而玻璃毛细管3的长度根据(式7)血压测试所需的镓基液态合金柱高度范围选定。另外，一些实施例中，为了确保充气加压状态下被压缩的第一惰性气体不会造成玻璃毛细管3损坏，该部分被第一惰性气体填充的玻璃毛细管3外壁可进行加粗。

设置臂环2的直径为D2，60mm≤D2≤300mm，适应不同手臂直径；测试人体血压时，将受测人体手臂插入臂环2，臂环2内侧的气压包在充气状态下与手臂紧密压合，感知人体血管压力。

设置液态金属腔1内镓基液态合金5的量，定义人体血压测定时充气加压状态下镓基液态合金进入玻璃毛细管3形成的镓基液态合金柱的长度预设值为L₂，则液态金属腔1内存储的镓基液态合金的量至少使得充气加压状态下玻璃毛细管3内形成的镓基液态合金柱的高度达到预设值L₂，否则测量时无法获得准确的血压值。如图1所示，液态金属腔1和臂环2之间处于直接连通状态，一些实施例中为了防止控压腔4出现压力失控倒吸现象，直接在液态金属腔体1与臂环2之间设置一开关，开关在血压计非应用状态下始终处于闭合状态，例如在液态金属腔体1与臂环2管路连接一侧设置开关，确保安全。

设置排气降压状态下玻璃毛细管3内镓基液态合金柱的下降速率为1～5mm/min，排气降压状态测试人体血压，以镓基液态合金柱的下降速率为指标指示降压速率，缓慢的下降速率才能明确捕捉人体血压波动。

另外，设置控压腔4，某些实施例在具体操作时，直接将封闭空间与惰性气瓶连接实现气压控制，由受控的惰性气瓶直接作为控压腔4。

本发明血压计对血压的标定可以采取多种方式，例如根据声音判定、根据镓基液态合金柱的运动规律判定，通过声音、影像等新的传感技术，将检测信号直接转换为数字形式，便于检测人员的数据读取；本发明不限于上述举例的各标定方式。例如，传统的水银血压计是通过听诊器听取测试对象的脉搏，在受压压力值变化过程中的特殊声音开始和结束来判断舒张压和收缩压的，要求测试人员具有较为丰富的经验。本发明还公开了一种血压标定方法，该方法即为基于镓基液态合金的血压计根据镓基液态合金柱的运动规律判定血压，实施中，尽管控压腔4控制压力线性稳定下降，但是镓基液态合金柱会在下降过程中出现抖动现象，抖动开始对应压力表现为收缩压、抖动结束对应压力表现为舒张压。

本发明提出的基于镓基液态合金的血压计采用类似水银血压计的测试原理，通过选择玻璃毛细管3的长度和设置控压腔4进行压力的精准控制获得以镓基液态合金5作为感应液、环境友好、且便携的血压计；该血压计有望在水俣公约约束下，直接替代原有的水银血压计；本发明采用镓基液态合金柱高度与汞柱进行换算的方式获得准确数值，结果对比表明镓基液态合金柱测定精确度可以保证，因此在进行标定后可直接使用。另外，本发明的血压计体系为密闭的第一惰性气体和第二惰性气体环境，充分避免了镓基液态合金5的氧化，可以长期保证压力控制下镓基液态合金5在玻璃毛细管3内自由流动，确保测试的精确性。同时，本发明也引入新的血压标定方法，集取电子血压计的读数便捷性和水银血压计的高精度，有望更好的获得普及。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种基于镓基液态合金的血压计，其特征在于，包括：

一液态金属腔；

一臂环；

一玻璃毛细管；

一控压腔；

所述液态金属腔用于存放镓基液态合金，所述臂环内侧设置有气压包，所述气压包经通气管道连通于液态金属腔；所述液态金属腔、臂环和通气管道构成一封闭空间；

所述玻璃毛细管一端封闭、另一端连通于液态金属腔，所述玻璃毛细管内填充有第一惰性气体；

所述控压腔可控连通于封闭空间，控压腔内填充有第二惰性气体，并且控压腔使得封闭空间至少具有两种工作状态：充气加压状态和排气降压状态；

所述充气加压状态为第二惰性气体压入封闭空间，压迫镓基液态合金进入玻璃毛细管形成镓基液态合金柱；所述臂环内的气压包在充气加压状态下压合于伸入臂环内的手臂；

所述排气降压状态为第二惰性气体缓慢释放，封闭空间内压力与大气压保持平衡状态，臂环内气压降低，玻璃毛细管内镓基液态合金柱下降回流进入液态金属腔；所述排气降压状态用于测定人体血压；

定义充气加压状态下玻璃毛细管内形成的镓基液态合金柱的长度为L_Ga，则L_Ga满足：

其中，L₁表示充气加压状态下第一惰性气体被压缩后在玻璃毛细管内填充长度。

2.根据权利要求1所述的基于镓基液态合金的血压计，其特征在于，所述玻璃毛细管靠近液态金属腔的端部设置为直线段，所述直线段的长度不小于L_Ga。

3.根据权利要求1所述的基于镓基液态合金的血压计，其特征在于，所述血压计非工作状态下玻璃毛细管内第一惰性气体的压力等于大气压。

4.根据权利要求1所述的基于镓基液态合金的血压计，其特征在于，15cm≤L_Ga≤25cm。

5.根据权利要求1所述的基于镓基液态合金的血压计，其特征在于，定义人体血压测定时充气加压状态下镓基液态合金进入玻璃毛细管形成的镓基液态合金柱的长度预设值为L₂，则所述液态金属腔内存储的镓基液态合金的量至少使得充气加压状态下玻璃毛细管内形成的镓基液态合金柱的高度达到预设值L₂。

6.根据权利要求1所述的基于镓基液态合金的血压计，其特征在于，所述液态金属腔体与臂环之间设置有一开关，所述开关在血压计非应用状态下始终处于闭合状态；所述控压腔与臂环之间设置有一气体闸阀，所述气体闸阀在血压计非工作状态下始终处于闭合状态。

7.根据权利要求1所述的基于镓基液态合金的血压计，其特征在于，所述排气降压状态下玻璃毛细管内镓基液态合金柱的下降速率为1～5mm/min。

8.根据权利要求1所述的基于镓基液态合金的血压计，其特征在于，所述镓基液态合金为镓铟二元合金、镓锡二元合金、镓铟锡三元合金或掺杂合金材料；所述掺杂合金材料为以镓铟锡三种元素为主体元素，且在室温下为液体的合金材料。

9.根据权利要求1所述的基于镓基液态合金的血压计，其特征在于，定义玻璃毛细管的直径为D1，臂环的直径为D2，则1mm≤D1≤5mm，60mm≤D2≤300mm。

10.一种血压标定方法，其特征在于，所述方法为权利要求1至9任一项所述的血压计在排气降压状态下根据其玻璃毛细管内镓基液态合金柱运动规律标定血压。

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