V法声道超声流量技术在智慧医疗中的应用

马鹏飞，张宾，陈新准，邱国财，郑晓银

（广州奥松电子有限公司，广东 广州 510700）

0 引言

随着科学技术的进步，高生活质量越来越成为人们关注的重点，相应的健康问题也成为了人们关注焦点。《健康中国2030规划纲要》指出，中国各医疗企业，要致力于探索健康服务的新模式，践行“健康中国”的重要战略。就目前而言，我国在智慧医疗领域的探索与国际先进水平仍有一定的差距，现有医护资源难以满足人口繁多的就医需求。在大数据、物联网飞速发展的今天，新一代信息技术与传统医疗融合，为解决医疗资源供给不足、医生专业水平良莠不齐的现状创造了条件[1]。

1 智慧医疗简介

智慧医疗是指通过大数据、物联网等技术在医疗环节中对数据进行收集处理，将传统的“望、闻、问、切”通过人工智能的方式体现，实现患者与医生在线联动，患者身体异常的信息实时发送给医务人员进行监控分析。大数据提医疗信息平台，对不同年龄段，不同区域，不同病例进行大数据归纳整理与智能计算，对相同发病机理的病人提供专业的医疗问诊服务。物联网对现场医疗设备进行升级换代，医疗设备通过数据模块将采集的到病人信息实时传输到医疗信息平台，建立医疗信息平台与病人的沟通平台。随着科学技术水平不断发展，传统的医疗行业必将在时代发展的潮流中进行革新换代，医疗资源整合、大数据分析等将成为未来医疗的主流[2]。

2 V法声道超声流量技术的发展

超声流量技术最早起源于1931年德国学者发表的《关于利用超声波测量管道流体流量》，文章中论证了超声波在管道中测量流量的可行性，数十年的时代变迁，超声流量测量已成为了完备的学术体系。时差法、相关法和多普勒法是目前超声波流量的主要测量方法[3]；气体浓度测量主要采用速度方法。V法声道超声流量技术为现有超声流量技术的其中一种，其具有高精度、高稳定性和宽量程比等特点同时，其形成的流量产品具有非接触、拆卸便捷及耐腐蚀等优点。超声波流量技术是新一代流量监控测量技术，被广泛地认定为法定计量技术。

V法声道超声流量技术已为许多国家做出贡献，但其核心技术仍牢牢掌握在日本、美国、荷兰等发达国家，其流量公司实力雄厚，研发起步早，为世界流量行业标准的建立者[4]。V法声道超声流量技术在国内刚刚起步，产品的各方面实力与国外仍有很大的差距，随着科技的发展，流量行业对微型化，非接触化的需求与日俱增，其中超声流量产品在医疗器械领域中蓬勃发展，其体积小，无污染的特性满足了对易污染的血液、药液、氧气、麻醉气体等进行非接触式数据实时监控，将病人的数据信息实时发送到医疗信息平台进行处理和监控，实现病人与医务人员的紧密配合[5]。

3 V法声道超声流量计设计方案探讨

3.1 技术方案结构

V法声道超声流量计设计方案由三大部分组成：①V法声道超声流量传感部分；②集成超声采样芯片，集成DDS、信号放大器、超声驱动、回波接收、波形解调、温度采集等功能；③CPU处理器，对采集到的数据进行算法计算，存储流量信息，与外部设备进行通信。整体方案结构如图1。

3.2 V法声道超声探头工作原理

V法声道超声流量技术采用多普勒超声流量测量原理。普勒超声流量测量原理是以物理学中声波的多普勒效应为基础，当声源与观测者之间存在相对运动时，声源发出的声波频率与观测者所感受到的频率会有频率差，也就是说声波的频率会根据相对运动发生变化，该频率变化量与声源和观测者之间的相对运动速度成正比，即多普勒效应[6]。

V法声道超声流量测量技术具有零压损、超声探头与流体非接触、不影响流体自身的运动状态、传感器自身结构利于装配等显著优点。例如，V法声道超声流量测量技术的测量值与流体中声速没有关系，其采用对称式结构，抵消了声速对测量信号会产生的影响，进而导致V法声道超声流量测量技术对流体密度、压力、温度粘度等多种因素的变化不敏感。如果流体处于静止状态，就不会产生多普勒频移，因而流量传感器自身不会有零点漂移问题。V法声道超声流量声道距离长，分辨率高，流经声道的时间长，对流体的变化响应快，适合于微小流量的精密测量。

3.3 TDC-GP22集成超声采样芯片的应用

TDC-GP21的升级产品就是TDC-GP22。TDC-GP22芯片可以做到与TDC-GP21芯片100%管脚和功能兼容，并且具有更为强大的功能。TDC-GP22芯片具有的最新第一波检测功能使得它可以应用于高动态范围的超声波流量计。可编程的比较器offset调整范围也增加至±35mV，该比较器offset可以在第一波检测后自动回到零点比较。通过测量第一个回波脉冲的相对宽，用户可以得到关于接收信号强度的提示，该提示可以帮助用户判断系统的长期覆盖物的信号减弱情况，也有利于气泡检测。相比于TDC-GP21的功能，TDC-GP22多个测量脉冲的数据处理和读出功能会更简单，是紧凑型超声波流量计设计的非常重要的革命性的升级[7]。

TDC—GP22具有两种测量模式，测量时间的范围不同是其主要特点。对于超声波流量计来说，更适用于超声波流量测量的是测量范围2，主要技术参数为：单通道典型分辨率为90ps，测量范围500ns到4ms，四精度模式最高分辨率可达22ps等。芯片内部集成DDS、信号放大器、超声驱动、回波接收、波形解调、温度采集等功能，作为高度集成的IC，适用于V法声道超声流量的整机开发方案，可以实现流量计电路高度集成。

3.4 V法声道超声流量计硬件电路设计

V法声道超声流量计硬件电路设计主要由两部分构成：即V法声道超声流量计超声采集电路与CPU主控电路。①V法声道超声流量计超声采集电路。根据超声流量计集成芯片TDC-GP22的典型电路进行方案设计，其中U2为集成超声流量采集芯片，集成超声采样芯片，集成DDS、信号放大器、超声驱动、回波接收、波形解调、温度采集等功能。P1，P2分别为两个超声探头，用来发射接收超声波信号，映射主管道内的流量变化。其余零件均为芯片外围电路，为芯片工作提供基准电压，供电电源，工作晶振频率与信号滤波等功能。②CPU主控电路。主控CPU采用ST厂家的芯片STM32G031型号，为流量计提供算法、显示、数据存储与外围通信的运算支持，其余零件为其余零件均为芯片外围电路，为芯片工作提供基准电压，供电电源，信号滤波等功能。传感器算法集成在CPU中[8]，在流量计出厂时将传感器信号进行校准，校准数据写入到内存中，在用户使用时，可以通过读取校准数据来检测管道内的流量数值。

4 结论

V法声道超声流量技术可以监测病人的输液状态，输液的瞬时流量与累积流量可以同时进行监控，采集到的数据上传到医疗云平台中，可以对病人的治疗过程进行数据化的分析，以此为医生治疗提供可靠的数据保障。在智慧医疗体系中，V法声道超声流量技术结合可视化、数字化、大数据、云计算等技术一起为病人的治疗提供技术支持以及术后恢复保障。