基于多普勒原理的血流速度计设计

摘要：血流速度对于检测各种重大疾病有非常重要的参考意义。基于多普勒原理，设计了一种血流速度检测系统，检测血流速度，检测系统的最终结果可以直观的显示在电脑上，并且保存到数据库中。通过实际应用，证明该方法具有很多优点；系统可扩展性强、系统的稳定性强、系统灵活、易于维护、技术兼容、简便易用、缩短开发周期、节约成本等。
关键词：多普勒；血流速度；AT89S52；探头

    血流速度，是指红细胞在血管中的流动速度，它是一个非常重要的生理参数，能够反映很多机体功能，如心脏功能、血液循环系统功能及人体新陈代谢水平等；因此人体血液速度的检测在临床诊断、手术监护等方面都具有重大的生理意义和临床价值。它还可有助于诊断血管类疾病，如人体外周血管硬化、狭窄、阻塞、斑块的评估，判断断肢再植和烧伤病人的血管完好性等许多方面都具有重要的临床应用价值，是临床上不可或缺的重要的诊断手段之一。
    笔者设计了一个可以快速准确测量血流速度的系统，通过单片机将下位机测量的数据通过串口传输到电脑，可以在电脑上非常直观的看到血流速度的变化曲线，并且得到准确的流量。基于AT89S52单片机的血流测量系统，可以扩展血压测量模块、脉搏测量模块，这些模块可以共用单片机作为下位机来处理测量速度，并且将处理后的数据发送到上位机中，克服了传统测量方式的很多弊端。

1 多普勒测量血液流速的理论依据
    如图1所示，有两块平行放置的压电晶体，分别作为反射端和接收端。反射端在高频电压信号的作用下，通过逆压电效应产生超声波。超声波透射到血管中的微小颗粒(主要是血液中的红细胞)时，会发生散射。散射时，红细胞将成为新的声源，并向四周发射超声波。接收端在红细胞散射回波的作用下，因正压电效应而转换成高频电压信号。这个过程就产生了多普勒效应。

    出现第一次多普勒频移时，相当于波源静止，观察者在运动。有：
   

    其中：
    θ为超声入射波和散射波对于血流方向的倾角；f为反射端发出的超声波频率；f'为红细胞接收到的超声波频率；f"为接收端收到的散射回波的频率；c为超声波在血液中的传播速度；v'为红细胞的运动速度，它在超声波入射方向上的分量为v'cosθ。
    出现第二次多普勒频移时，相当于波源在运动，观察者处于静止的倩况，因此有：
   

    多普勒频移为接收端接收频率与反射端发射的频率之差。即：
   

    超声波在血液中的传播速度较人c≈1 570 m／s，而血液的流速并不大，人体静息时，主动脉内血液的平均流速v'=0．18～0．22 m／s故v'和c相比可以忽略，(1)式分母项的v'cosθ可以忽略，于是有：
   

    为获得最大频移信号，应使声束与血流方向尽可能呈一个固定的夹角，θ等于50°左右，因为这时cosθ斜率很小，这时即使发送一定的抖动也可把它看作一个常数。在已知c和f的条件下，测出频移△f，就可换算出相应的血流速度v'。上式中的v'，若取负值，表示血液背离探头方向流动，相应的频移△f为负值，因此根据△f的正负还可以判别血流的方向。

2 系统硬件设计
    利用多普勒效应公式，可以计算出超声探头发射超声频率和接收的回波频率的差，即多普勒频移。从(4)式可以看出来，多普勒频移△f的大小，和血流速度、超声波发射频率、速度矢量和声束轴线间的夹角的余弦值成正比。当保持θ为一个常数，f为常数时，血流速度仅仅与多普勒频移有关。因此只要测量出频移就能够计算出血流速度。
    因此我们的工作分为两大部分，第一大部分就是测量频移信号，第二大部分就是对频移信号进行处理，包括放大、整形、音频输出、单片机进行频率计数，在这之后单片机对血流的信号和其他的扩展模块输入的信号进行综合，把结果通过串口通信送入到上位机中，其整体的框图如图2所示。

    要采集人体的多普勒频移信号必须包括血流速度计探头部分，它用于检测频移信号，在用多普勒进行血流的速度检测的时候，首先向检测的部位发出一定频率的超声波，利用多普勒效应进行接收反射波，再把多普勒频移信号检测出来，这是血流速度计探头的工作。
    采集后的频移信号要送入单片机进行频率统计必须先进行处理，首先要对微弱的多普勒频移信号进行功率放大，之后分为两部分，一部分送入扬声器，因为频移信号大约为1～2kHz之间，在人耳的听觉范围之内，因此送入多普勒信号之后，可从扬声器听到多普勒音，方便了医生的诊断。同时，另一部分送入整形模块，经过零检测之后多普勒信号变为方波，即将频移信号进行转换为数字脉冲，方波接入单片机，单片机对频移信号进行频率记数，得到频移△f，在这之后单片机通过串行通信，即单片机要和上位机通过串口进行通信，必须有串口通信电路。单片机把计算的多普勒频移信号的频率送到上位机，上位机计算出血流速度并且画出血流速度图像。
2．1 血流速度计探头的整体设计
    测量血流速度的关键是多普勒频移信号的提取，多普勒频移信号是血流速度的真实反映，血流速度计探头的主要作用是获得频移信号，为血流速度的检测提供最原始的数据。多普勒信号提取的硬件模块如图3所示，图4是具体电路。下面将详细的论述提取多普勒频移信号的方法。

    振荡电路产生一个8.2 MHz高频的方波信号，把它进行功率放大后就可接超声波发射环节，发射出8．2 MHz的周期信号。同时这个振荡信号也是频移信号的解调所需要的。
    超声信号的发射器中，发射器是一个压电晶体，即超声波传感器，振荡信号激励发射晶片发射超声波，超声信号发射系统发射出8.2 MHz的超声波，发射的频率是振荡电路的频率所决定的，但是只有它和晶体的固有频移相一致时发射出的超声波才是最强的。
    在超声信号传感器中，接收晶片是与发射晶片分开的。当发射超声波遇到红细胞时就产生有多普勒频移信号的回声信号。对于接收到的信号需要选频，以去掉不需要的信号，并且激励需要的信号。
    在经过选频、放大环节之后，就进入了解调部分。解调部分就是利用混频器的原理，进行混频，得到需要的低频差分信号和不需要的高频信号。
    对于带通滤波环节，其目的就是采用滤波器输出含有多普勒频移频率的信号，滤波器的作用是提取纯多普勒频移信号，把高频的发射信号滤掉，此时的信号中含有2倍的声波主频信号。由于多普勒信号一般在4 500 Hz以下，且由于血管壁的影响，信号中含有200Hz以下的血管壁回波信号，要得到多普勒频移信号需经带通滤波器。即得到了(4)式中的△f。
    联系调频广播，可以人为地认为血流速度计探头就是一个特殊的调频系统，可以认为超声波发射出的高频信号相当于一个载波信号，人体血流的频率信号相当于是FM的调制信号，而人体就相当于一个调频电路的调制器，反射之后的信号就是以及经过调制的信号，提取频移信号就是对调频信号进行解调。
2．2 多普勒频移信号的放大、整形
    经过以上处理的多普勒信号仍然是不规则的波动信号，本设计需要对频率信号进行计数，就是把信号送入单片机的外部中断口。单片机采用AT89s51，对于单片机而言，用来触发外部中断的信号必须是高低电平信号，只有这样的信号才能对其进行频率检测，而上面的设计得到的多普勒信号是连续的模拟信号，没有严格的电平跃变，很难进行采样计数，如果直接把这些模拟信号输入单片机，会使单片机产生混乱。这正是需要对多普勒频移信号进行整形的原因。只有经过整形，多普勒频移信号才能变为高低电平，从而正确的触发单片机进行频率测定。
    在实验中发现简单的零电压比较器存在很多的问题，抗干扰能力差。为了克服简单比较器存在的问题，对电路做了一些改变，加入了门限电平从而提高比较器的抗干扰能力。
2．3 单片机信号处理、通信电路
    单片机可以对整形过的多普勒频移信号进行计数，进而得到频移信号；另外利用单片机的作为下位机，计算机作为上位机，进行数据传输与通信，促进了系统的灵活性；脉搏测量模块、血压测量模块可以通过单片机，得到很好的扩展，提高了系统的可扩展性。单片机采用AT89S52，单片机信号处理电路、通信电路，及相关模块的电路，如图5所示。

    其中，P3．2是外部中断信号，用来接收多普勒信号并进行频率计数；XTAL1和XTAL2连接晶振；单片机复位方式采用的是上电自动复位；P3．0和P3.1用来和MAX232芯片连接使用其第二功能用作串口通讯。在单片机跟主机进行串行通信的电路连接之中，因为计算机串口是12VTTL电平，单片机是5 V的CMOS电平，如两者需通信就必须使用诸如MAX232之类的电平转换芯片，不能直接把串口接到单片机上。

3 软件设计
    本章主要论述单片机与PC机硬件连接和软件设计，软件又分为两个部分：单片机软件部分和上位机软件部分。
    在血流速度的检测中单片机有两个功能：一充当频率计，测量多普勒频移信号的频率，二与上位机进行通信，即进行串行通信。经过以上处理，多普勒频移信号已经变化为仅仅有高低电平两个值的数字信号，单片机需要对其进行计数，计数的原理是多普勒频移信号接单片机的外部中断，每当出现一个高低电平变化时，单片机会加1，不断进行累加，同时单片机进行计时，当计到一定时间时得出这时的有多少个外部中断，外部中断的个数和时间的比值就是频率，之后把这个频率送到计算机，单片机一直对这个过程进行不断的循环。
    在上位机软件部分，主要工作是对下位机送来的生理信号(脉搏信号，多普勒血流信号等)进行处理和显示，并将相应的结果存入数据库以备查询，同时还设计打印的功能。整个系统中，数据的显示、处理、保存、打印，以及各种参数的计算和设置都是由软件控制和实现的。

4 结束语
    血流速度是反映人体健康的重要参数，本文完成了基于多普勒原理的血流速度计系统的设计，对人体的血流信号进行了检测。系统具有良好的扩展性，可以很好的扩展其他检测模块，组合为一个检查人体生理信号的综合性的一个大系统。