壓力抗血栓裝置血流檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尚昆 廖躍華 李曉歐 史清清 樊亮

(1.上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院，上海 201318；2.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

深靜脈血栓(deep venous thrombosis,DVT)是一種臨床常見疾病，是急性心肌梗死和卒中后第三種主要的血管疾病[1]，處理不當(dāng)甚至?xí)＜吧黐2]。壓力抗血栓裝置作為預(yù)防DVT的重要手段，在臨床上得到廣泛應(yīng)用。自上世紀(jì)90年代壓力抗血栓裝置出現(xiàn)以來，其治療方法一直以固定壓力對(duì)患肢進(jìn)行周期性加壓[3]，因無法得到血流數(shù)值的反饋，實(shí)際效果并不理想[4]。2017年謝煜等[5]分析了2005年至2015年間壓力抗血栓裝置相關(guān)文獻(xiàn)，提出包括壓力設(shè)置、加壓時(shí)間等參數(shù)仍無具體標(biāo)準(zhǔn)。固定不變的加壓方式并不適合臨床上復(fù)雜多變的血流狀況，需要根據(jù)血流情況做出適時(shí)調(diào)整。因此，對(duì)壓力抗血栓裝置添加血流流速檢測功能十分必要。目前，僅有美國柯惠公司生產(chǎn)的Kendall SCD壓力抗血栓裝置能檢測靜脈充盈時(shí)間，調(diào)整加壓頻率。針對(duì)市場上壓力抗血栓裝置普遍缺乏血流檢測功能這一問題，設(shè)計(jì)了一種低成本、便捷式的血流檢測系統(tǒng)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

基于STM32的多普勒血流檢測系統(tǒng)，由STM32最小系統(tǒng)和與之相連接的超聲信號(hào)發(fā)射電路、超聲回波接收電路、音頻發(fā)生電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源模塊組成，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

血流速度測量系統(tǒng)以STM32微控制器作為控制核心，系統(tǒng)搭建完成，配置好各模塊功能并初始化后，用戶可通過上位機(jī)讀取血流速度。系統(tǒng)正常工作時(shí)，超聲信號(hào)發(fā)射電路連續(xù)發(fā)射超聲信號(hào)，經(jīng)人體組織反射后，由回波接收電路接收超聲信號(hào)，經(jīng)過放大、解調(diào)和濾波后[6,7]，一方面將數(shù)據(jù)傳送至音頻輸出模塊，通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生多普勒音，另一方面通過STM32的A/D轉(zhuǎn)換端轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)中[8]。系統(tǒng)使用CH340G芯片實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，可以直接與PC機(jī)相連，方便用戶對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器最小系統(tǒng)電路

微控制器最小系統(tǒng)電路選用片內(nèi)資源豐富的STM32F407VET6芯片來進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作頻率為168MHz，具有外圍電路簡單、功耗低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，且擁有片內(nèi)ADC[9]。微控制器最小系統(tǒng)電路由STM32F407VET6芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、BOOT電路和電源電路組成，其電路組成框圖如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)電路框圖

2.2 超聲信號(hào)發(fā)射電路

超聲發(fā)射電路由振蕩電路和超聲波發(fā)射頭的驅(qū)動(dòng)電路兩部分構(gòu)成，其電路原理圖如圖3所示。SN74HC04和晶振做晶體振蕩電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，頻率與并聯(lián)的7.5M晶振頻率相同。R3作為反饋電阻取值應(yīng)大于1MΩ，使反相器的輸出端電壓偏置到直流電源的一半。C3、C4作為負(fù)載電容連接反相器的正負(fù)兩端，R4作為驅(qū)動(dòng)電阻，保證電路的持續(xù)震蕩。震蕩信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)放大后，激勵(lì)壓電晶體發(fā)出7.5MHz超聲波。

2.3 超聲信號(hào)接收電路

人體的超聲回波信號(hào)十分微弱，且混有大量雜波信號(hào)，為了抑制噪聲前置放大器必須具有高輸入阻抗，同時(shí)考慮到阻抗匹配問題，因此該系統(tǒng)采用變壓器進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換[10,11]。超聲探頭接收到的信號(hào)相當(dāng)于載波為7.5MHz的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過前置放大器放大后，與引入的本振信號(hào)幅度相當(dāng)，此時(shí)混頻可分別得到高頻發(fā)射信號(hào)與低頻多普勒頻移信號(hào)，通過帶通濾波濾除高頻信號(hào)后即得多普勒頻移信號(hào)[12]。電路原理如圖4所示。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

圖5 串口電路原理圖

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用CH340G芯片實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口傳輸血流數(shù)據(jù)的功能，其電路原理如圖5所示[13]。通過RTS#和DTR#兩個(gè)輸出信號(hào)來控制STM32的BOOT0和BOOT1兩引腳來選擇啟動(dòng)模式。UD+和UD-引腳與USB總線相連，通過配置UD+和UD-電平即可實(shí)現(xiàn)USB總線協(xié)議傳輸[14]。

2.5 電源管理模塊

該系統(tǒng)選用MPD-45AMPD-45A電源模塊為信號(hào)采集與音頻輸出模塊供電。微控制器端選用輸出電壓為3.3V的AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器。AMS1117的片上微調(diào)將基準(zhǔn)電壓誤差控制在1.5%以內(nèi)，且具有低漏失電壓的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)基于uVision5的開發(fā)環(huán)境，用C語言編寫設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序、按鍵程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，串口通訊程序等。系統(tǒng)上電后先對(duì)血流信號(hào)采集模塊、音頻輸出模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及其內(nèi)部資源進(jìn)行初始化，配置完畢后按設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行工作，處理并存儲(chǔ)血流數(shù)據(jù)[15]。當(dāng)系統(tǒng)接收到上位機(jī)傳輸命令時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸模塊工作，將采集處理后存儲(chǔ)的血流信號(hào)送PC上進(jìn)行顯示。系統(tǒng)軟件主要流程如圖6所示。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的程序設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)能在脫機(jī)狀態(tài)下工作[16]，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用FATFS作為文件管理系統(tǒng)，使用SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并開啟DMA方式。系統(tǒng)完成初始化后，等待血流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)，接收到信號(hào)后自動(dòng)觸發(fā)DMA，并通過FATFS系統(tǒng)將所采集接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊的程序設(shè)計(jì)

STM32F407內(nèi)部集成了12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，系統(tǒng)采用ADC1實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，ADC1完成初始化后，系統(tǒng)開始采集并轉(zhuǎn)換血流速度數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到預(yù)期采樣時(shí)間時(shí)，關(guān)閉采集通道使其進(jìn)入空閑狀態(tài)，采樣完成。過程如圖7所示。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊的程序設(shè)計(jì)

圖6 程序流程圖

圖7 血流信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖

圖8 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

Matlab作為數(shù)據(jù)處理與圖像輸出軟件，不能直接訪問串口。因此，需要調(diào)用serial函數(shù)將串口創(chuàng)建為對(duì)象，配置串口參數(shù)為波特率9600bit/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位l位，校驗(yàn)位0位。接收緩沖區(qū)滿后，使用中斷回調(diào)函數(shù)讀取數(shù)據(jù)并繪圖，實(shí)現(xiàn)波形的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)清空緩沖區(qū)為下一次數(shù)據(jù)的到來做準(zhǔn)備。整個(gè)通信流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證血流檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，連接好各電路模塊并測試系統(tǒng)可以正常運(yùn)行后，以邁瑞DC-8彩超的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)的多普勒血流測量系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)測驗(yàn)。選取12例志愿參加實(shí)驗(yàn)人員為研究對(duì)象，年齡18～28歲，平均(23.53±2.19)歲。志愿者俯臥床上，靜息5min后，用DC-8彩超儀和該檢測系統(tǒng)分別測量連續(xù)30個(gè)心動(dòng)周期的腘靜脈血流速度，記錄其平均血流速度與峰值平均血流速度，記錄數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量最大誤差在10.00%以內(nèi)，作為一種對(duì)精度要求較低的便捷式血流測量系統(tǒng)，其能滿足壓力抗血栓裝置的相關(guān)要求。血流測量結(jié)果在上位機(jī)上的實(shí)時(shí)顯示如圖9所示。

5 結(jié)語

基于超聲多普勒原理，在實(shí)驗(yàn)室原有壓力抗血栓裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了便捷式血流檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在進(jìn)行壓力抗血栓治療的同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測血流流速的功能，為醫(yī)護(hù)人員對(duì)裝置的治療參數(shù)選擇提供有效的數(shù)據(jù)參考。該文詳細(xì)介紹了血流檢測系統(tǒng)的組成原理和軟硬件實(shí)現(xiàn)的方法，并進(jìn)行制作與實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該血流流速測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)血流流速的實(shí)時(shí)測量，具有低延遲、低成本的特點(diǎn)，測量精度也足以滿足壓力抗血栓裝置的需要，在壓力抗血栓裝置上具有良好的應(yīng)用前景。

表2 峰值平均血流速度

圖9 血流速度測量界面