基于多普勒原理的血流速度計設計

摘要：血流速度對于檢測各種重大疾病有非常重要的參考意義。基于多普勒原理，設計了一種血流速度檢測系統，檢測血流速度，檢測系統的最終結果可以直觀的顯示在電腦上，并且保存到數據庫中。通過實際應用，證明該方法具有很多優點；系統可擴展性強、系統的穩定性強、系統靈活、易于維護、技術兼容、簡便易用、縮短開發周期、節約成本等。
關鍵詞：多普勒；血流速度；AT89S52；探頭

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。

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。