简易血液流速计系统设计（毕业设计38页、15455字）
摘要：人体生理信号的检测在当代医疗和医学研究中发挥着重要的作用。血液流速的检测有助于诊断血管硬化、狭窄或阻塞等血管类疾病。本系统是建立在超声的非侵入性测量的基础上，采用多普勒方法的原理，将提取浅表大血管的血液流速作为目标。这里发生相对运动的是血中的红细胞和超声换能器的声源。经红细胞反射后超声回波信号中含有多普勒频移信号 ，而 正比于血流速度。经过限幅保护，接收放大，检波和带通滤波后，将多普勒频移信号提取出来。再通过F/V变换和A/D变换得到数字量，最后进入单片机，并在它的控制下进一步完成诸如键盘，显示等功能。由于采用了单片机，系统在电路上大大简化，实现了便携的要求。同时本文对多普勒测量的算法进行了一些研究，且在Matlab软件上进行了仿真分析。
关键词： 血流速度；多普勒频移；F/V变换；A/D变换；Matlab仿真
The Design of Simple System of Blood Flow Velocity Instrument
Abstract: The detection of human physical signals play an important part in modern medical treatment and research. The detection of blood flow velocity can help diagnose vascular diseases such as angiosclerosis , angiostenosis or angiemphraxis. This design is based on the non-invasive measuring of the ultrasound with the theory of The Doppler Effect and takes it as the target to extract the blood flow velocity of the outer main blood vessels. Here the relative moving is between the RBC(red blood cell) in the blood and the source of the ultrasound transducer. The reflected ultrasound signal by the RBC contains doppler frequency shift ,which is proportional positive to the blood flow velocity. Then after amplitude limiting, to be preamplified, demodulated, bandpass filtered, the doppler frequency shift signal is extracted. Then after frequency-to-voltage convert(F/V) and analog-to-digital convert(A/D), a digital number is got and is sent to the single-chip-machine finally and further functions, such as key, display, etc., are carried out under its control. Because of the use of the single chip machine(SCM),the hardware circuits are greatly simplified ,and the demand to be portable is met. Meanwhile the paper does some study about the related doppler algorithm and finishes the simulation analysis on Matlab.
Key words：blood flow velocity, doppler frequency shift, F/V convert, A/D convert, Matlab simulation
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题的目的及意义 1
1.2 课题的发展状况 1
1.3 本系统的要求及方案简介 2
第2章 系统总体方案 4
2.1 血液流速的测量方法 4
2.2 血液流速计的多普勒方法 4
2.3 多普勒血液流速计的理论基础 4
2.3.1 超声的定义与特性 5
2.3.2 多普勒血液流速计的超声 5
2.3.3 多普勒效应 6
2.4 系统总方案的设计 7
2.5 系统的工作原理 7
第3章 系统硬件电路原理分析及设计 9
3.1 超声波换能器的结构及参数选择 9
3.1.1 压电晶片 9
3.1.2 入射角度的选择 10
3.1.3 超声探头振荡频率的选择 10
3.2 超声波产生和功率放大电路设计 10
3.2.1 超声波产生的电路原理 10
3.2.2 超声波功率放大电路设计 11
3.3 限幅保护电路设计 11
3.4 接收放大电路分析设计 12
3.5 检波电路设计 13
3.6 带通滤波器设计 14
3.7 F/V变换的实现 15
3.7.1 LM331简介 15
3.7.2 电容电阻选择原则 16
3.8 A/D转换电路设计 16
3.9 显示电路设计 17
3.10 键盘接口电路设计 18
3.11 电源电路设计 19
3.12 硬件抗干扰 20
3.12.1 干扰来源分析 20
3.12.2 硬件抗干扰措施 20
第4章 算法分析及仿真 22
4.1 超声血流多普勒系统的算法 22
4.1.1 血流多普勒测量公式推导 22
4.1.2 接收信号分析 23
4.1.3 回波信号的解调法 24
4.2 MATLAB仿真 26
4.2.1 超声信号仿真 26
4.2.2 换能器接收信号的仿真 27
4.2.3 多普勒检波的仿真 30
第5章 总结分析 31
结论 32
致谢 33
参考文献 34
第1章 绪论
1.1 课题的目的及意义
随着生活水平的日益提高及一些不健康的生活方式的影响，人们患心血管疾病的比例逐渐增加且有年轻化的趋势，与此同时，人们的自主健康意识也越来越高；而近年来，医患矛盾较为突出，看病难看病贵仍是一个长期的问题。因此，自主诊治及家庭医疗正在或已经成为一种导向。本系统的设计就是基于此而提出的，旨在设计一个体积小，便携式的血液流速检测系统，方便人们日常家庭测量所用，以便及早发现身体的异常，从而节省医疗开支，保证身体健康，同时可为基层医疗机构增添设备，缓减经费不足，满足乡村看病的需要。人体血液速度的检测在临床诊断、手术监护等方面都具有重大的生理意义和临床价值。人体血流速度能够反映很多机体功能，如心脏功能、血液循环系统功能及人体新陈代谢水平等，还可有助于诊断血管类疾病，如人体外周血管硬化、狭窄、阻塞、斑块的评估，判断断肢再植和烧伤病人的血管完好性等许多方面都具有重要的临床应用价值，是临床上不可或缺的重要的诊断手段之一。
1.2 课题的发展状况
总体来讲，血流速度的检测主要有植入式的（有创性）和体表式的（无创性的）。前者的测量精度很高，主要用于重症病人的监护和手术，而它的缺点就是有创性；体表检测没有创性，但它的检测精度相对低，主要反映人体某部位血液的平均流速。在现有的心血管疾病诊断方法中，心导管术和X线血管造影是最准确和有效的方法，但这两种方法存在着以下的问题：①在检查中对人体有电离辐射、有创伤; ②由于设备复杂、检查费用高而不能用作常规检查; ③X线检查所提供的结果都是基于解剖形态的图像，对脏器功能或组织性质的判断缺乏敏感性。与之形成鲜明对照的是，将超声血流测量方法用作血管疾病的研究，具有对人体无创伤、敏感性高、重复性好等突出特点。它不仅能提供血管解剖形态的图像，而且其所提供的血液动力学方面的参数还能有效的反映脏器的功能。同时它还具有检查费用低、设备价格相对便宜等优势。因此，超声血流测量具有很好的实用价值和广阔的发展前景。传统的血流计，由于硬件条件的限制，阻碍了血流检测的准确度和抗干扰等性能的提升，而现在随着PC机的普及，单片机的更新，DSP技术的发展和数字集成电路的广泛应用，系统设计的复杂算法可较容易地通过软件和编程的方式实现，这既保证了测量精度，又降低了仪器成本，缩短了系统开发周期，大大提升其整体性能，实现了仪器的数字化和智能化，这是超声检测仪器的发展趋势。
目前国外，包括多普勒血流仪在内的各种仪器大量采用数字信号处理和单片机，使其产品具有很大的竞争力；而我国目前在这方面的自主产品比较少，高端产品市场多为国外垄断。
1.3 本系统的要求及方案简介
超声检测技术经过几十年的发展，已经日趋成熟，检测仪器多种多样，但很多仍采用模拟的方法，有些全数字超声检测仪精度做的不高，体积较大，功耗又高，不便随身携带使用。本研究的主要目的在于设计一套无创的血液流速测量系统，并且尽可能使其满足造价低、耗能少，便携式的要求；
据此种血流流速计的要求可以看出它有以下的特点：
1、测量无创安全 2、有较为简化的电路 3、体积小，便于携带
根据以上的要求，再比较目前常用的血液流速检测方法，如Fick稀释法、电磁流量计法和超声波多普勒法和同位素示踪法等。Fick稀释法、电磁流量计法，尽管测量精度很高，但均为有创性检查，且对操作的要求也较高；同位素示踪法是通过口服或注入到一定部位的示踪剂，再经过X光显影，从而显示血液的流动，这种方法可动态显示血液流动，但对设备配置及操作人员的要求比较高，费用也较高，且示踪剂可对人体造成或多或少的伤害，故不予采用。而超声多普勒法，现作为临床上检测血流的主流方法，其优势不言而喻。其首要特点就是其无创性，安全，重复性好；设备简单，易于操作；随着当今单片机、DSP技术及集成电路的高度发展，多普勒血流计的性能有了很大的提升且仍在不断发展中。现在国内这方面研究相对较少，本系统可作为一种设计上的尝试。
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