基于多普勒原理的血流速度計(jì)設(shè)計(jì)

摘要：血流速度對(duì)于檢測(cè)各種重大疾病有非常重要的參考意義?；?strong>多普勒原理，設(shè)計(jì)了一種血流速度檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)血流速度，檢測(cè)系統(tǒng)的最終結(jié)果可以直觀的顯示在電腦上，并且保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過實(shí)際應(yīng)用，證明該方法具有很多優(yōu)點(diǎn)；系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)、系統(tǒng)的穩(wěn)定性強(qiáng)、系統(tǒng)靈活、易于維護(hù)、技術(shù)兼容、簡(jiǎn)便易用、縮短開發(fā)周期、節(jié)約成本等。
關(guān)鍵詞：多普勒；血流速度；AT89S52；探頭

    血流速度，是指紅細(xì)胞在血管中的流動(dòng)速度，它是一個(gè)非常重要的生理參數(shù)，能夠反映很多機(jī)體功能，如心臟功能、血液循環(huán)系統(tǒng)功能及人體新陳代謝水平等；因此人體血液速度的檢測(cè)在臨床診斷、手術(shù)監(jiān)護(hù)等方面都具有重大的生理意義和臨床價(jià)值。它還可有助于診斷血管類疾病，如人體外周血管硬化、狹窄、阻塞、斑塊的評(píng)估，判斷斷肢再植和燒傷病人的血管完好性等許多方面都具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值，是臨床上不可或缺的重要的診斷手段之一。
    筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)可以快速準(zhǔn)確測(cè)量血流速度的系統(tǒng)，通過單片機(jī)將下位機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)诫娔X，可以在電腦上非常直觀的看到血流速度的變化曲線，并且得到準(zhǔn)確的流量。基于AT89S52單片機(jī)的血流測(cè)量系統(tǒng)，可以擴(kuò)展血壓測(cè)量模塊、脈搏測(cè)量模塊，這些模塊可以共用單片機(jī)作為下位機(jī)來(lái)處理測(cè)量速度，并且將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方式的很多弊端。

1 多普勒測(cè)量血液流速的理論依據(jù)
    如圖1所示，有兩塊平行放置的壓電晶體，分別作為反射端和接收端。反射端在高頻電壓信號(hào)的作用下，通過逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波。超聲波透射到血管中的微小顆粒(主要是血液中的紅細(xì)胞)時(shí)，會(huì)發(fā)生散射。散射時(shí)，紅細(xì)胞將成為新的聲源，并向四周發(fā)射超聲波。接收端在紅細(xì)胞散射回波的作用下，因正壓電效應(yīng)而轉(zhuǎn)換成高頻電壓信號(hào)。這個(gè)過程就產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)。

    出現(xiàn)第一次多普勒頻移時(shí)，相當(dāng)于波源靜止，觀察者在運(yùn)動(dòng)。有：
   
    其中：
    θ為超聲入射波和散射波對(duì)于血流方向的傾角；f為反射端發(fā)出的超聲波頻率；f'為紅細(xì)胞接收到的超聲波頻率；f"為接收端收到的散射回波的頻率；c為超聲波在血液中的傳播速度；v'為紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度，它在超聲波入射方向上的分量為v'cosθ。
    出現(xiàn)第二次多普勒頻移時(shí)，相當(dāng)于波源在運(yùn)動(dòng)，觀察者處于靜止的倩況，因此有：
   
    多普勒頻移為接收端接收頻率與反射端發(fā)射的頻率之差。即：
   
    超聲波在血液中的傳播速度較人c≈1 570 m／s，而血液的流速并不大，人體靜息時(shí)，主動(dòng)脈內(nèi)血液的平均流速v'=0．18～0．22 m／s故v'和c相比可以忽略，(1)式分母項(xiàng)的v'cosθ可以忽略，于是有：
   
    為獲得最大頻移信號(hào)，應(yīng)使聲束與血流方向盡可能呈一個(gè)固定的夾角，θ等于50°左右，因?yàn)檫@時(shí)cosθ斜率很小，這時(shí)即使發(fā)送一定的抖動(dòng)也可把它看作一個(gè)常數(shù)。在已知c和f的條件下，測(cè)出頻移△f，就可換算出相應(yīng)的血流速度v'。上式中的v'，若取負(fù)值，表示血液背離探頭方向流動(dòng)，相應(yīng)的頻移△f為負(fù)值，因此根據(jù)△f的正負(fù)還可以判別血流的方向。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    利用多普勒效應(yīng)公式，可以計(jì)算出超聲探頭發(fā)射超聲頻率和接收的回波頻率的差，即多普勒頻移。從(4)式可以看出來(lái)，多普勒頻移△f的大小，和血流速度、超聲波發(fā)射頻率、速度矢量和聲束軸線間的夾角的余弦值成正比。當(dāng)保持θ為一個(gè)常數(shù)，f為常數(shù)時(shí)，血流速度僅僅與多普勒頻移有關(guān)。因此只要測(cè)量出頻移就能夠計(jì)算出血流速度。
    因此我們的工作分為兩大部分，第一大部分就是測(cè)量頻移信號(hào)，第二大部分就是對(duì)頻移信號(hào)進(jìn)行處理，包括放大、整形、音頻輸出、單片機(jī)進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，在這之后單片機(jī)對(duì)血流的信號(hào)和其他的擴(kuò)展模塊輸入的信號(hào)進(jìn)行綜合，把結(jié)果通過串口通信送入到上位機(jī)中，其整體的框圖如圖2所示。

    要采集人體的多普勒頻移信號(hào)必須包括血流速度計(jì)探頭部分，它用于檢測(cè)頻移信號(hào)，在用多普勒進(jìn)行血流的速度檢測(cè)的時(shí)候，首先向檢測(cè)的部位發(fā)出一定頻率的超聲波，利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行接收反射波，再把多普勒頻移信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，這是血流速度計(jì)探頭的工作。
    采集后的頻移信號(hào)要送入單片機(jī)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)必須先進(jìn)行處理，首先要對(duì)微弱的多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行功率放大，之后分為兩部分，一部分送入揚(yáng)聲器，因?yàn)轭l移信號(hào)大約為1～2kHz之間，在人耳的聽覺范圍之內(nèi)，因此送入多普勒信號(hào)之后，可從揚(yáng)聲器聽到多普勒音，方便了醫(yī)生的診斷。同時(shí)，另一部分送入整形模塊，經(jīng)過零檢測(cè)之后多普勒信號(hào)變?yōu)榉讲ǎ磳㈩l移信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，方波接入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)頻移信號(hào)進(jìn)行頻率記數(shù)，得到頻移△f，在這之后單片機(jī)通過串行通信，即單片機(jī)要和上位機(jī)通過串口進(jìn)行通信，必須有串口通信電路。單片機(jī)把計(jì)算的多普勒頻移信號(hào)的頻率送到上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)算出血流速度并且畫出血流速度圖像。
2．1 血流速度計(jì)探頭的整體設(shè)計(jì)
    測(cè)量血流速度的關(guān)鍵是多普勒頻移信號(hào)的提取，多普勒頻移信號(hào)是血流速度的真實(shí)反映，血流速度計(jì)探頭的主要作用是獲得頻移信號(hào)，為血流速度的檢測(cè)提供最原始的數(shù)據(jù)。多普勒信號(hào)提取的硬件模塊如圖3所示，圖4是具體電路。下面將詳細(xì)的論述提取多普勒頻移信號(hào)的方法。

    振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)8.2 MHz高頻的方波信號(hào)，把它進(jìn)行功率放大后就可接超聲波發(fā)射環(huán)節(jié)，發(fā)射出8．2 MHz的周期信號(hào)。同時(shí)這個(gè)振蕩信號(hào)也是頻移信號(hào)的解調(diào)所需要的。
    超聲信號(hào)的發(fā)射器中，發(fā)射器是一個(gè)壓電晶體，即超聲波傳感器，振蕩信號(hào)激勵(lì)發(fā)射晶片發(fā)射超聲波，超聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出8.2 MHz的超聲波，發(fā)射的頻率是振蕩電路的頻率所決定的，但是只有它和晶體的固有頻移相一致時(shí)發(fā)射出的超聲波才是最強(qiáng)的。
    在超聲信號(hào)傳感器中，接收晶片是與發(fā)射晶片分開的。當(dāng)發(fā)射超聲波遇到紅細(xì)胞時(shí)就產(chǎn)生有多普勒頻移信號(hào)的回聲信號(hào)。對(duì)于接收到的信號(hào)需要選頻，以去掉不需要的信號(hào)，并且激勵(lì)需要的信號(hào)。
    在經(jīng)過選頻、放大環(huán)節(jié)之后，就進(jìn)入了解調(diào)部分。解調(diào)部分就是利用混頻器的原理，進(jìn)行混頻，得到需要的低頻差分信號(hào)和不需要的高頻信號(hào)。
    對(duì)于帶通濾波環(huán)節(jié)，其目的就是采用濾波器輸出含有多普勒頻移頻率的信號(hào)，濾波器的作用是提取純多普勒頻移信號(hào)，把高頻的發(fā)射信號(hào)濾掉，此時(shí)的信號(hào)中含有2倍的聲波主頻信號(hào)。由于多普勒信號(hào)一般在4 500 Hz以下，且由于血管壁的影響，信號(hào)中含有200Hz以下的血管壁回波信號(hào)，要得到多普勒頻移信號(hào)需經(jīng)帶通濾波器。即得到了(4)式中的△f。
    聯(lián)系調(diào)頻廣播，可以人為地認(rèn)為血流速度計(jì)探頭就是一個(gè)特殊的調(diào)頻系統(tǒng)，可以認(rèn)為超聲波發(fā)射出的高頻信號(hào)相當(dāng)于一個(gè)載波信號(hào)，人體血流的頻率信號(hào)相當(dāng)于是FM的調(diào)制信號(hào)，而人體就相當(dāng)于一個(gè)調(diào)頻電路的調(diào)制器，反射之后的信號(hào)就是以及經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)，提取頻移信號(hào)就是對(duì)調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
2．2 多普勒頻移信號(hào)的放大、整形
    經(jīng)過以上處理的多普勒信號(hào)仍然是不規(guī)則的波動(dòng)信號(hào)，本設(shè)計(jì)需要對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就是把信號(hào)送入單片機(jī)的外部中斷口。單片機(jī)采用AT89s51，對(duì)于單片機(jī)而言，用來(lái)觸發(fā)外部中斷的信號(hào)必須是高低電平信號(hào)，只有這樣的信號(hào)才能對(duì)其進(jìn)行頻率檢測(cè)，而上面的設(shè)計(jì)得到的多普勒信號(hào)是連續(xù)的模擬信號(hào)，沒有嚴(yán)格的電平躍變，很難進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，如果直接把這些模擬信號(hào)輸入單片機(jī)，會(huì)使單片機(jī)產(chǎn)生混亂。這正是需要對(duì)多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行整形的原因。只有經(jīng)過整形，多普勒頻移信號(hào)才能變?yōu)楦叩碗娖?，從而正確的觸發(fā)單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)定。
    在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的零電壓比較器存在很多的問題，抗干擾能力差。為了克服簡(jiǎn)單比較器存在的問題，對(duì)電路做了一些改變，加入了門限電平從而提高比較器的抗干擾能力。
2．3 單片機(jī)信號(hào)處理、通信電路
    單片機(jī)可以對(duì)整形過的多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而得到頻移信號(hào)；另外利用單片機(jī)的作為下位機(jī)，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與通信，促進(jìn)了系統(tǒng)的靈活性；脈搏測(cè)量模塊、血壓測(cè)量模塊可以通過單片機(jī)，得到很好的擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。單片機(jī)采用AT89S52，單片機(jī)信號(hào)處理電路、通信電路，及相關(guān)模塊的電路，如圖5所示。

    其中，P3．2是外部中斷信號(hào)，用來(lái)接收多普勒信號(hào)并進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)；XTAL1和XTAL2連接晶振；單片機(jī)復(fù)位方式采用的是上電自動(dòng)復(fù)位；P3．0和P3.1用來(lái)和MAX232芯片連接使用其第二功能用作串口通訊。在單片機(jī)跟主機(jī)進(jìn)行串行通信的電路連接之中，因?yàn)橛?jì)算機(jī)串口是12VTTL電平，單片機(jī)是5 V的CMOS電平，如兩者需通信就必須使用諸如MAX232之類的電平轉(zhuǎn)換芯片，不能直接把串口接到單片機(jī)上。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本章主要論述單片機(jī)與PC機(jī)硬件連接和軟件設(shè)計(jì)，軟件又分為兩個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)軟件部分和上位機(jī)軟件部分。
    在血流速度的檢測(cè)中單片機(jī)有兩個(gè)功能：一充當(dāng)頻率計(jì)，測(cè)量多普勒頻移信號(hào)的頻率，二與上位機(jī)進(jìn)行通信，即進(jìn)行串行通信。經(jīng)過以上處理，多普勒頻移信號(hào)已經(jīng)變化為僅僅有高低電平兩個(gè)值的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)需要對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的原理是多普勒頻移信號(hào)接單片機(jī)的外部中斷，每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)高低電平變化時(shí)，單片機(jī)會(huì)加1，不斷進(jìn)行累加，同時(shí)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)到一定時(shí)間時(shí)得出這時(shí)的有多少個(gè)外部中斷，外部中斷的個(gè)數(shù)和時(shí)間的比值就是頻率，之后把這個(gè)頻率送到計(jì)算機(jī)，單片機(jī)一直對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行不斷的循環(huán)。
    在上位機(jī)軟件部分，主要工作是對(duì)下位機(jī)送來(lái)的生理信號(hào)(脈搏信號(hào)，多普勒血流信號(hào)等)進(jìn)行處理和顯示，并將相應(yīng)的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)以備查詢，同時(shí)還設(shè)計(jì)打印的功能。整個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的顯示、處理、保存、打印，以及各種參數(shù)的計(jì)算和設(shè)置都是由軟件控制和實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)束語(yǔ)
    血流速度是反映人體健康的重要參數(shù)，本文完成了基于多普勒原理的血流速度計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)人體的血流信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)。系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，可以很好的擴(kuò)展其他檢測(cè)模塊，組合為一個(gè)檢查人體生理信號(hào)的綜合性的一個(gè)大系統(tǒng)。