压力抗血栓装置血流检测系统的设计与实现

尚昆 廖跃华 李晓欧 史清清 樊亮

(1.上海健康医学院医疗器械学院，上海 201318；2.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093)

深静脉血栓(deep venous thrombosis,DVT)是一种临床常见疾病，是急性心肌梗死和卒中后第三种主要的血管疾病[1]，处理不当甚至会危及生命[2]。压力抗血栓装置作为预防DVT的重要手段，在临床上得到广泛应用。自上世纪90年代压力抗血栓装置出现以来，其治疗方法一直以固定压力对患肢进行周期性加压[3]，因无法得到血流数值的反馈，实际效果并不理想[4]。2017年谢煜等[5]分析了2005年至2015年间压力抗血栓装置相关文献，提出包括压力设置、加压时间等参数仍无具体标准。固定不变的加压方式并不适合临床上复杂多变的血流状况，需要根据血流情况做出适时调整。因此，对压力抗血栓装置添加血流流速检测功能十分必要。目前，仅有美国柯惠公司生产的Kendall SCD压力抗血栓装置能检测静脉充盈时间，调整加压频率。针对市场上压力抗血栓装置普遍缺乏血流检测功能这一问题，设计了一种低成本、便捷式的血流检测系统。

1 整体方案设计

基于STM32的多普勒血流检测系统，由STM32最小系统和与之相连接的超声信号发射电路、超声回波接收电路、音频发生电路、数据存储模块、数据传输模块和电源模块组成，其系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

血流速度测量系统以STM32微控制器作为控制核心，系统搭建完成，配置好各模块功能并初始化后，用户可通过上位机读取血流速度。系统正常工作时，超声信号发射电路连续发射超声信号，经人体组织反射后，由回波接收电路接收超声信号，经过放大、解调和滤波后[6,7]，一方面将数据传送至音频输出模块，通过扬声器产生多普勒音，另一方面通过STM32的A/D转换端转换成数字信息存储到内部存储中[8]。系统使用CH340G芯片实现USB转串口，可以直接与PC机相连，方便用户对测量数据进行处理。

2 系统硬件电路设计

2.1 微控制器最小系统电路

微控制器最小系统电路选用片内资源丰富的STM32F407VET6芯片来进行设计，工作频率为168MHz，具有外围电路简单、功耗低、性价比高等优点，且拥有片内ADC[9]。微控制器最小系统电路由STM32F407VET6芯片、时钟电路、复位电路、BOOT电路和电源电路组成，其电路组成框图如图2所示。

图2 最小系统电路框图

2.2 超声信号发射电路

超声发射电路由振荡电路和超声波发射头的驱动电路两部分构成，其电路原理图如图3所示。SN74HC04和晶振做晶体振荡电路产生时钟信号，频率与并联的7.5M晶振频率相同。R3作为反馈电阻取值应大于1MΩ，使反相器的输出端电压偏置到直流电源的一半。C3、C4作为负载电容连接反相器的正负两端，R4作为驱动电阻，保证电路的持续震荡。震荡信号经过两级放大后，激励压电晶体发出7.5MHz超声波。

2.3 超声信号接收电路

人体的超声回波信号十分微弱，且混有大量杂波信号，为了抑制噪声前置放大器必须具有高输入阻抗，同时考虑到阻抗匹配问题，因此该系统采用变压器进行阻抗转换[10,11]。超声探头接收到的信号相当于载波为7.5MHz的调制信号，经过前置放大器放大后，与引入的本振信号幅度相当，此时混频可分别得到高频发射信号与低频多普勒频移信号，通过带通滤波滤除高频信号后即得多普勒频移信号[12]。电路原理如图4所示。

2.4 数据传输模块

图5 串口电路原理图

数据传输模块采用CH340G芯片实现USB转串口传输血流数据的功能，其电路原理如图5所示[13]。通过RTS#和DTR#两个输出信号来控制STM32的BOOT0和BOOT1两引脚来选择启动模式。UD+和UD-引脚与USB总线相连，通过配置UD+和UD-电平即可实现USB总线协议传输[14]。

2.5 电源管理模块

该系统选用MPD-45AMPD-45A电源模块为信号采集与音频输出模块供电。微控制器端选用输出电压为3.3V的AMS1117-3.3正向低压降稳压器。AMS1117的片上微调将基准电压误差控制在1.5%以内，且具有低漏失电压的特点。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

该系统基于uVision5的开发环境，用C语言编写设计系统主程序、按键程序、数据存储程序，串口通讯程序等。系统上电后先对血流信号采集模块、音频输出模块、AD转换模块、数据存储模块及其内部资源进行初始化，配置完毕后按设置的参数进行工作，处理并存储血流数据[15]。当系统接收到上位机传输命令时，数据传输模块工作，将采集处理后存储的血流信号送PC上进行显示。系统软件主要流程如图6所示。

3.2 数据存储模块的程序设计

为了使系统能在脱机状态下工作[16]，数据存储模块采用FATFS作为文件管理系统，使用SD卡存储数据并开启DMA方式。系统完成初始化后，等待血流数据转换触发信号，接收到信号后自动触发DMA，并通过FATFS系统将所采集接收到的数据存储到SD卡中。

3.3 A/D转换模块的程序设计

STM32F407内部集成了12位精度的A/D转换模块，系统采用ADC1实现转换功能，ADC1完成初始化后，系统开始采集并转换血流速度数据，当达到预期采样时间时，关闭采集通道使其进入空闲状态，采样完成。过程如图7所示。

3.4 数据传输模块的程序设计

图6 程序流程图

图7 血流信号模数转换流程图

图8 数据传输流程图

Matlab作为数据处理与图像输出软件，不能直接访问串口。因此，需要调用serial函数将串口创建为对象，配置串口参数为波特率9600bit/s，数据位8位，停止位l位，校验位0位。接收缓冲区满后，使用中断回调函数读取数据并绘图，实现波形的实时显示，同时清空缓冲区为下一次数据的到来做准备。整个通信流程如图8所示。

4 系统测试

为进一步验证血流检测系统的准确性和稳定性，连接好各电路模块并测试系统可以正常运行后，以迈瑞DC-8彩超的实验数据为标准数据，对设计的多普勒血流测量系统进行比对测验。选取12例志愿参加实验人员为研究对象，年龄18～28岁，平均(23.53±2.19)岁。志愿者俯卧床上，静息5min后，用DC-8彩超仪和该检测系统分别测量连续30个心动周期的腘静脉血流速度，记录其平均血流速度与峰值平均血流速度，记录数据如表1和表2所示。

实验结果表明，该系统测量最大误差在10.00%以内，作为一种对精度要求较低的便捷式血流测量系统，其能满足压力抗血栓装置的相关要求。血流测量结果在上位机上的实时显示如图9所示。

5 结语

基于超声多普勒原理，在实验室原有压力抗血栓装置基础上，设计了便捷式血流检测系统，实现了在进行压力抗血栓治疗的同时，实时检测血流流速的功能，为医护人员对装置的治疗参数选择提供有效的数据参考。该文详细介绍了血流检测系统的组成原理和软硬件实现的方法，并进行制作与实验。实验测试结果表明，该血流流速测量系统可实现对血流流速的实时测量，具有低延迟、低成本的特点，测量精度也足以满足压力抗血栓装置的需要，在压力抗血栓装置上具有良好的应用前景。

表2 峰值平均血流速度

图9 血流速度测量界面