血流速度，是指紅細胞在血管中的流動速度，它是一個非常重要的生理參數，能夠反映很多機體功能，如心臟功能、血液循環系統功能及人體新陳代謝水平等；因此人體血液速度的檢測在臨床診斷、手術監護等方面都具有重大的生理意義和臨床價值。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用價值，是臨床上不可或缺的重要的診斷手段之一。

筆者設計了一個可以快速準確測量血流速度的系統，通過單片機將下位機測量的數據通過串口傳輸到電腦，可以在電腦上非常直觀的看到血流速度的變化曲線，并且得到準確的流量。基于AT89S52單片機的血流測量系統，可以擴展血壓測量模塊、脈搏測量模塊，這些模塊可以共用單片機作為下位機來處理測量速度，并且將處理后的數據發送到上位機中，克服了傳統測量方式的很多弊端。

1 多普勒測量血液流速的理論依據

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的作用下，通過逆壓電效應產生超聲波。超聲波透射到血管中的微小顆粒（主要是血液中的紅細胞）時，會發生散射。散射時，紅細胞將成為新的聲源，并向四周發射超聲波。接收端在紅細胞散射回波的作用下，因正壓電效應而轉換成高頻電壓信號。這個過程就產生了多普勒效應。



圖1 血液速度檢測原理圖

出現第一次多普勒頻移時，相當于波源靜止，觀察者在運動。有：



其中：

θ為超聲入射波和散射波對于血流方向的傾角；f為反射端發出的超聲波頻率；f’為紅細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’為紅細胞的運動速度，它在超聲波入射方向上的分量為v’cosθ。

出現第二次多普勒頻移時，相當于波源在運動，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，主動脈內血液的平均流速v’=0.18~0.22 m/s故v’和c相比可以忽略，（1）式分母項的v’cosθ可以忽略，于是有：



為獲得最大頻移信號，應使聲束與血流方向盡可能呈一個固定的夾角，θ等于50°左右，因為這時cosθ斜率很小，這時即使發送一定的抖動也可把它看作一個常數。在已知c和f的條件下，測出頻移△f,就可換算出相應的血流速度v’.上式中的v’,若取負值，表示血液背離探頭方向流動，相應的頻移△f為負值，因此根據△f的正負還可以判別血流的方向。

2 系統硬件設計

利用多普勒效應公式，可以計算出超聲探頭發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，多普勒頻移△f的大小，和血流速度、超聲波發射頻率、速度矢量和聲束軸線間的夾角的余弦值成正比。當保持θ為一個常數，f為常數時，血流速度僅僅與多普勒頻移有關。因此只要測量出頻移就能夠計算出血流速度。

因此我們的工作分為兩大部分，第一大部分就是測量頻移信號，第二大部分就是對頻移信號進行處理，包括放大、整形、音頻輸出、單片機進行頻率計數，在這之后單片機對血流的信號和其他的擴展模塊輸入的信號進行綜合，把結果通過串口通信送入到上位機中，其整體的框圖如圖2所示。



圖2 系統結構圖

要采集人體的多普勒頻移信號必須包括血流速度計探頭部分，它用于檢測頻移信號，在用多普勒進行血流的速度檢測的時候，首先向檢測的部位發出一定頻率的超聲波，利用多普勒效應進行接收反射波，再把多普勒頻移信號檢測出來，這是血流速度計探頭的工作。

采集后的頻移信號要送入單片機進行頻率統計必須先進行處理，首先要對微弱的多普勒頻移信號進行功率放大，之后分為兩部分，一部分送入揚聲器，因為頻移信號大約為1~2kHz之間，在人耳的聽覺范圍之內，因此送入多普勒信號之后，可從揚聲器聽到多普勒音，方便了醫生的診斷。同時，另一部分送入整形模塊，經過零檢測之后多普勒信號變為方波，即將頻移信號進行轉換為數字脈沖，方波接入單片機，單片機對頻移信號進行頻率記數，得到頻移△f,在這之后單片機通過串行通信，即單片機要和上位機通過串口進行通信，必須有串口通信電路。單片機把計算的多普勒頻移信號的頻率送到上位機，上位機計算出血流速度并且畫出血流速度圖像。

2.1 血流速度計探頭的整體設計

測量血流速度的關鍵是多普勒頻移信號的提取，多普勒頻移信號是血流速度的真實反映，血流速度計探頭的主要作用是獲得頻移信號，為血流速度的檢測提供最原始的數據。多普勒信號提取的硬件模塊如圖3所示，圖4是具體電路。下面將詳細的論述提取多普勒頻移信號的方法。



圖3 探頭模塊結構圖



圖4 探頭電路

振蕩電路產生一個8.2 MHz高頻的方波信號，把它進行功率放大后就可接超聲波發射環節，發射出8.2 MHz的周期信號。同時這個振蕩信號也是頻移信號的解調所需要的。

超聲信號的發射器中，發射器是一個壓電晶體，即超聲波傳感器，振蕩信號激勵發射晶片發射超聲波，超聲信號發射系統發射出8.2 MHz的超聲波，發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發射出的超聲波才是最強的。

在超聲信號傳感器中，接收晶片是與發射晶片分開的。當發射超聲波遇到紅細胞時就產生有多普勒頻移信號的回聲信號。對于接收到的信號需要選頻，以去掉不需要的信號，并且激勵需要的信號。

在經過選頻、放大環節之后，就進入了解調部分。解調部分就是利用混頻器的原理，進行混頻，得到需要的低頻差分信號和不需要的高頻信號。

對于帶通濾波環節，其目的就是采用濾波器輸出含有多普勒頻移頻率的信號，濾波器的作用是提取純多普勒頻移信號，把高頻的發射信號濾掉，此時的信號中含有2倍的聲波主頻信號。由于多普勒信號一般在4 500 Hz以下，且由于血管壁的影響，信號中含有200Hz以下的血管壁回波信號，要得到多普勒頻移信號需經帶通濾波器。即得到了（4）式中的△f.

聯系調頻廣播，可以人為地認為血流速度計探頭就是一個特殊的調頻系統，可以認為超聲波發射出的高頻信號相當于一個載波信號，人體血流的頻率信號相當于是FM的調制信號，而人體就相當于一個調頻電路的調制器，反射之后的信號就是以及經過調制的信號，提取頻移信號就是對調頻信號進行解調。

2.2 多普勒頻移信號的放大、整形

經過以上處理的多普勒信號仍然是不規則的波動信號，本設計需要對頻率信號進行計數，就是把信號送入單片機的外部中斷口。單片機采用AT89s51,對于單片機而言，用來觸發外部中斷的信號必須是高低電平信號，只有這樣的信號才能對其進行頻率檢測，而上面的設計得到的多普勒信號是連續的模擬信號，沒有嚴格的電平躍變，很難進行采樣計數，如果直接把這些模擬信號輸入單片機，會使單片機產生混亂。這正是需要對多普勒頻移信號進行整形的原因。只有經過整形，多普勒頻移信號才能變為高低電平，從而正確的觸發單片機進行頻率測定。

在實驗中發現簡單的零電壓比較器存在很多的問題，抗干擾能力差。為了克服簡單比較器存在的問題，對電路做了一些改變，加入了門限電平從而提高比較器的抗干擾能力。

2.3 單片機信號處理、通信電路

單片機可以對整形過的多普勒頻移信號進行計數，進而得到頻移信號；另外利用單片機的作為下位機，計算機作為上位機，進行數據傳輸與通信，促進了系統的靈活性；脈搏測量模塊、血壓測量模塊可以通過單片機，得到很好的擴展，提高了系統的可擴展性。單片機采用AT89S52,單片機信號處理電路、通信電路，及相關模塊的電路，如圖5所示。



圖5 系統電路

其中，P3.2是外部中斷信號，用來接收多普勒信號并進行頻率計數；XTAL1和XTAL2連接晶振；單片機復位方式采用的是上電自動復位；P3.0和P3.1用來和MAX232芯片連接使用其第二功能用作串口通訊。在單片機跟主機進行串行通信的電路連接之中，因為計算機串口是12VTTL電平，單片機是5 V的CMOS電平，如兩者需通信就必須使用諸如MAX232之類的電平轉換芯片，不能直接把串口接到單片機上。

3 軟件設計

本章主要論述單片機與PC機硬件連接和軟件設計，軟件又分為兩個部分：單片機軟件部分和上位機軟件部分。

在血流速度的檢測中單片機有兩個功能：一充當頻率計，測量多普勒頻移信號的頻率，二與上位機進行通信，即進行串行通信。經過以上處理，多普勒頻移信號已經變化為僅僅有高低電平兩個值的數字信號，單片機需要對其進行計數，計數的原理是多普勒頻移信號接單片機的外部中斷，每當出現一個高低電平變化時，單片機會加1,不斷進行累加，同時單片機進行計時，當計到一定時間時得出這時的有多少個外部中斷，外部中斷的個數和時間的比值就是頻率，之后把這個頻率送到計算機，單片機一直對這個過程進行不斷的循環。

在上位機軟件部分，主要工作是對下位機送來的生理信號（脈搏信號，多普勒血流信號等）進行處理和顯示，并將相應的結果存入數據庫以備查詢，同時還設計打印的功能。整個系統中，數據的顯示、處理、保存、打印，以及各種參數的計算和設置都是由軟件控制和實現的。

4 結束語

血流速度是反映人體健康的重要參數，本文完成了基于多普勒原理的血流速度計系統的設計，對人體的血流信號進行了檢測。系統具有良好的擴展性，可以很好的擴展其他檢測模塊，組合為一個檢查人體生理信號的綜合性的一個大系統。