單片機控制多普勒血流計系統的設計和實(shí)現

摘要：激光多普勒血流計是微循環(huán)研究中用于測定組織、微區血流灌注流量、微循環(huán)狀態(tài)的儀器。利用多普勒移動(dòng)分量來(lái)測定血細胞流量，是一種非損傷、快速、連續、直接測量組織微區灌流量的新方法，對醫學(xué)研究有重要意義。本文主要介紹了利用多普勒現象設計的激光多普勒血流計，論述了用51單片機實(shí)現的新方法和新措施。
關(guān)鍵詞：多普勒血流計；微血管灌流量；數字濾波器；激光

0 引言
多普勒血流計的出現標志著(zhù)在微血管灌流方面取得重大進(jìn)步。本設計采取雙通道裝置拾取多普勒信號，有效地抑制噪聲信號，采用單片機來(lái)對信號進(jìn)行控制及處理，既簡(jiǎn)化了電路，又有助于信號的處理及讀取。運用12位的AD574A不但提高了信號精度，利用其雙極性，也省去了以往信號處理中復雜的乘方、開(kāi)方電路或絕對值電路。通過(guò)四位LED顯示，直觀(guān)、準確地讀取血細胞灌流量的瞬時(shí)相對定量值，可精確到小數點(diǎn)后兩位。并同時(shí)配有揚聲器來(lái)形象表示信號的強弱和變化。還可通過(guò)繪圖儀，對信號進(jìn)行長(cháng)時(shí)間檢測、記錄，以便研究和分析。

1 系統總體方案
系統組成框圖如圖1所示。系統工作時(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(guò)該區域的血細胞會(huì )反射回部分光線(xiàn)，造成光線(xiàn)的多普勒移動(dòng)，移動(dòng)的強度和頻率與穿過(guò)該區域的血細胞數量和速度有關(guān)，與其方向無(wú)關(guān)(灌流量定義為：血細胞灌流量=測量區域的血細胞量×細胞的平均速度)。部分反射回來(lái)的光由雙路激光探頭拾取，經(jīng)光電轉換器將光信號轉換為反映血細胞灌流量大小的電信號。該電信號經(jīng)一系列電學(xué)及數據處理后，利用51單片機控制數碼管顯示血流灌流量相對量
的大小，驅動(dòng)繪圖儀描記灌流量，控制揚聲器發(fā)出反映灌流量大小的聲音。



2．硬件技術(shù)方案
2．1 信號處理電路的設計
信號處理電路是利用光纖將低功率激光傳到探頭，當探頭放置在組織上時(shí)，被照射到的直徑約1mm的半球區中運動(dòng)的血紅細胞將使光被重復的反射、折射，這些被反射、折射的復合光因血紅細胞的移動(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)入兩根對稱(chēng)的接收光導纖維。通過(guò)這兩根對稱(chēng)饋送光纖傳送給兩個(gè)光電三極管進(jìn)行光電轉換，就可以把可知頻率的多普勒信號展寬并檢測出來(lái)。再經(jīng)過(guò)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是差模信號，所以經(jīng)過(guò)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)信號處理單元進(jìn)一步濾波、放大、補償平滑后即可提取出正比于血細胞灌流量的電壓信號。信號處理電路具體框圖見(jiàn)圖1的A／D轉換前面部分。
5G28是單片機相容輸入阻抗集成運放，具有高輸入阻抗及高轉換速度的特點(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是單片機單增益運算放大器，它不需要外圍頻率補償，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)間常數和增益的改變，采用4066由單片機控制。
由于傳感器經(jīng)光敏三極管轉換的信號比較弱而且其中包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大選用AD521。AD521具有高輸入阻抗，低失調電流，高共模抑制比特點(diǎn)，其增益可在O．1～1000之間調整，各種增益參數已進(jìn)行了內部補償，具有輸入輸出保護功能，有較強的過(guò)載能力。在使用中采用變壓器耦合，通過(guò)調節外界電阻改變增益。