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。