激光多普勒血流計是微循環(huán)研究中用于測定組織,、微區(qū)血流灌注流量、微循環(huán)狀態(tài)的儀器,。利用多普勒移動分量來測定血細胞流量,，是一種非損傷、快速,、連續(xù),、直 接測量組織微區(qū)灌流量的新方法，對醫(yī)學研究有重要意義,。本文主要介紹了利用多普勒現(xiàn)象設(shè)計的激光多普勒血流計,，論述了用51單片機實現(xiàn)的新方法和新措施。
多普勒血流計的出現(xiàn)標志著在微血管灌流方面取得重大進步,。本設(shè)計采取雙通道裝置拾取多普勒信號,，有效地抑制噪聲信號，采用單片機來對信號進行控制及處理,，既簡化了電路,，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(fù)雜的乘方、開方電路或絕對值電路,。通過四位LED顯示,，直觀、準確地讀取血細胞灌流量的瞬時相對定量值，可精確到小數(shù)點后兩位,。并同時配有揚聲器來形象表示信號的強弱和變化,。還可通過繪圖儀，對信號進行長時間檢測,、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,，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)域的血細胞會反射回部分光線，造成光線的多普勒移動,，移動的強度和頻率與穿過該區(qū)域的血細胞數(shù)量和速度有關(guān),，與其方向無關(guān)(灌流量定義為：血細胞灌流量=測量區(qū)域的血細胞量×細胞的平均速度)。部分反射回來的光由雙路激光探頭拾取,，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換為反映血細胞灌流量大小的電信號,。該電信號經(jīng)一系列電學及數(shù)據(jù)處理后，利用51單片機控制數(shù)碼管顯示血流灌流量相對量
的大小,，驅(qū)動繪圖儀描記灌流量,，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(shè)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,，被照射到的直徑約1mm的半球區(qū)中運動的血紅細胞將使光被重復(fù)的反射、折射,，這些被反射、折射的復(fù)合光因血紅細胞的移動發(fā)生了多普勒頻率移動并有一部分散射回組織表面,，進入兩根對稱的接收光導(dǎo)纖維,。通過這兩根對稱饋送光纖傳送給兩個光電三極管進行光電轉(zhuǎn)換，就可以把可知頻率的多普勒信號展寬并檢測出來,。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是差模信號,，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)信號處理單元進一步濾波,、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圖1的A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速度的特點,，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放大器,。積分器時間常數(shù)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(zhuǎn)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(diào)電流,，高共模抑制比特點，其增益可在O．1～1000之間調(diào)整,，各種增益參數(shù)已進行了內(nèi)部補償,，具有輸入輸出保護功能，有較強的過載能力,。在使用中采用變壓器耦合,，通過調(diào)節(jié)外界電阻改變增益。
2．2 單片機控制電路部分硬件的設(shè)計
綜合考慮系統(tǒng)的實際功能和要求,，本系統(tǒng)選用AT89S52作為控制器,。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,，具有8K在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器,。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容,。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。
根據(jù)設(shè)計指標的精度要求,，采用12位逐次逼近型快速AD574A轉(zhuǎn)換器,，其轉(zhuǎn)換精度≤0．05％，可滿足0．5％的設(shè)計精度要求,。其轉(zhuǎn)換速度最大為 35us,，因為血細胞流量速度約為0．1ms，所以信號變換緩慢,，并加有積分器,，無須再加其它采樣保持器。根據(jù)采樣原理,，每個信號周期采樣十次即可,，這里采用中速轉(zhuǎn)換器就能滿足要求。綜合考慮速度,、精度及性能價格比,，A／D轉(zhuǎn)換器采用AD574A，實現(xiàn)由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,，以便于采用微機去控制顯示,、驅(qū)動打印。
D／A轉(zhuǎn)換器,，采用DAC0832,。在本系統(tǒng)中DAC0832構(gòu)成程控增益放大器，通過改變數(shù)字量來改變模擬量的輸出,，實現(xiàn)對揚聲器聲音的多級控制,。
由于系統(tǒng)中擴展了繪圖儀進行長時間監(jiān)測，而繪圖儀的打印速度與需打印的數(shù)據(jù)的輸出速度不匹配,。因此,，采用RAM6264來儲存這些數(shù)據(jù)。
采用74LS164作為鍵盤的串行接口,，利用各個鍵的不同功能實現(xiàn)對儀器的總體控制,，使操作一目了然。
顯示控制驅(qū)動接口電路使用MC14499,，該芯片為20位移位寄存器。實現(xiàn)控制信號輸出并實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,，保證有足夠的信號驅(qū)動能力,。使用MC14499對數(shù)碼管進行動態(tài)掃描，使用硬件少,、占用CPU時間短,、電路簡單、耗電少。
PP40繪圖儀,，用于繪制循環(huán)的相對灌流量曲線,，采用74LS373作為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，解決打印與微機的不同步,。
為了便于觀察信號變化,，對信號采用不同時間常數(shù)的積分以及不同的增益。為了切換這些不同的積分增益,，該系統(tǒng)中采用了雙四路模擬開關(guān)4066,，并外接74LS373鎖存輸入數(shù)據(jù)。不同的開關(guān)閉合時,，接通不同的電阻,，形成不同的積分常數(shù)和增益倍數(shù)。
3 軟件設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)功能和硬件實際情況,，軟件要實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)采集及對采集量進行A／D轉(zhuǎn)換,、數(shù)字濾波、鍵盤掃描和處理,、控制模擬開關(guān)進行積分時間和增益的選擇,、打印控制、音量控制和數(shù)據(jù)顯示控制等,。軟件采用模塊化設(shè)計思路,，從整體到局部，從上到下進行設(shè)計,。主程序流程圖如圖3．1所示,。
4 結(jié)束語
采用多普勒現(xiàn)象測定組織微區(qū)血流灌流量在基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用中具有很高的實用價值。本文給出了采用單片機控制,，利用多普勒現(xiàn)象測定組織微區(qū)血流灌流量的方法,。該系統(tǒng)通過測定組織微區(qū)血流灌流量，衡量微循環(huán)狀態(tài),，判斷肌體生理功能變化,，為外科手術(shù)提供了方便，對內(nèi)科,、醫(yī)理學,、麻醉學、骨科,、兒科都有一定幫助,。