單片機(jī)控制多普勒血流計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要：激光多普勒血流計(jì)是微循環(huán)研究中用于測(cè)定組織、微區(qū)血流灌注流量、微循環(huán)狀態(tài)的儀器。利用多普勒移動(dòng)分量來測(cè)定血細(xì)胞流量，是一種非損傷、快速、連續(xù)、直接測(cè)量組織微區(qū)灌流量的新方法，對(duì)醫(yī)學(xué)研究有重要意義。本文主要介紹了利用多普勒現(xiàn)象設(shè)計(jì)的激光多普勒血流計(jì)，論述了用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的新方法和新措施。
關(guān)鍵詞：多普勒血流計(jì)；微血管灌流量；數(shù)字濾波器；激光

0 引言
多普勒血流計(jì)的出現(xiàn)標(biāo)志著在微血管灌流方面取得重大進(jìn)步。本設(shè)計(jì)采取雙通道裝置拾取多普勒信號(hào)，有效地抑制噪聲信號(hào)，采用單片機(jī)來對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制及處理，既簡(jiǎn)化了電路，又有助于信號(hào)的處理及讀取。運(yùn)用12位的AD574A不但提高了信號(hào)精度，利用其雙極性，也省去了以往信號(hào)處理中復(fù)雜的乘方、開方電路或絕對(duì)值電路。通過四位LED顯示，直觀、準(zhǔn)確地讀取血細(xì)胞灌流量的瞬時(shí)相對(duì)定量值，可精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。并同時(shí)配有揚(yáng)聲器來形象表示信號(hào)的強(qiáng)弱和變化。還可通過繪圖儀，對(duì)信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)、記錄，以便研究和分析。

1 系統(tǒng)總體方案
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，從激光探頭發(fā)射出一束激光照射到組織上，并穿透組織形成一個(gè)半徑為1mm的半球，半球中心在探頭處。所有穿過該區(qū)域的血細(xì)胞會(huì)反射回部分光線，造成光線的多普勒移動(dòng)，移動(dòng)的強(qiáng)度和頻率與穿過該區(qū)域的血細(xì)胞數(shù)量和速度有關(guān)，與其方向無關(guān)(灌流量定義為：血細(xì)胞灌流量=測(cè)量區(qū)域的血細(xì)胞量×細(xì)胞的平均速度)。部分反射回來的光由雙路激光探頭拾取，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為反映血細(xì)胞灌流量大小的電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)一系列電學(xué)及數(shù)據(jù)處理后，利用51單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示血流灌流量相對(duì)量
的大小，驅(qū)動(dòng)繪圖儀描記灌流量，控制揚(yáng)聲器發(fā)出反映灌流量大小的聲音。



2．硬件技術(shù)方案
2．1 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)
信號(hào)處理電路是利用光纖將低功率激光傳到探頭，當(dāng)探頭放置在組織上時(shí)，被照射到的直徑約1mm的半球區(qū)中運(yùn)動(dòng)的血紅細(xì)胞將使光被重復(fù)的反射、折射，這些被反射、折射的復(fù)合光因血紅細(xì)胞的移動(dòng)發(fā)生了多普勒頻率移動(dòng)并有一部分散射回組織表面，進(jìn)入兩根對(duì)稱的接收光導(dǎo)纖維。通過這兩根對(duì)稱饋送光纖傳送給兩個(gè)光電三極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，就可以把可知頻率的多普勒信號(hào)展寬并檢測(cè)出來。再經(jīng)過放大、濾波、歸一化處理即可濾出低頻噪聲及直流成分。由于兩路多普勒信號(hào)是差模信號(hào)，所以經(jīng)過差分放大器后，環(huán)境噪聲、電網(wǎng)噪聲、激光噪聲將被大大抑制。再經(jīng)信號(hào)處理單元進(jìn)一步濾波、放大、補(bǔ)償平滑后即可提取出正比于血細(xì)胞灌流量的電壓信號(hào)。信號(hào)處理電路具體框圖見圖1的A／D轉(zhuǎn)換前面部分。
5G28是單片機(jī)相容輸入阻抗集成運(yùn)放，具有高輸入阻抗及高轉(zhuǎn)換速度的特點(diǎn)，廣泛用于微電流的放大。因此，前置放大器、2KHz高通濾波器和7KHz低通濾波器均采用5G28。
F007是單片機(jī)單增益運(yùn)算放大器，它不需要外圍頻率補(bǔ)償，有很高的共模和差模輸入電壓范圍，因此積分器選用這個(gè)放大器。積分器時(shí)間常數(shù)和增益的改變，采用4066由單片機(jī)控制。
由于傳感器經(jīng)光敏三極管轉(zhuǎn)換的信號(hào)比較弱而且其中包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大選用AD521。AD521具有高輸入阻抗，低失調(diào)電流，高共模抑制比特點(diǎn)，其增益可在O．1～1000之間調(diào)整，各種增益參數(shù)已進(jìn)行了內(nèi)部補(bǔ)償，具有輸入輸出保護(hù)功能，有較強(qiáng)的過載能力。在使用中采用變壓器耦合，通過調(diào)節(jié)外界電阻改變?cè)鲆妗?/span>