壓力抗血栓裝置血流檢測系統的設計與實現

尚昆 廖躍華 李曉歐 史清清 樊亮

(1.上海健康醫學院醫療器械學院，上海 201318；2.上海理工大學醫療器械與食品學院，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]，處理不當甚至會危及生命[2]。壓力抗血栓裝置作為預防DVT的重要手段，在臨床上得到廣泛應用。自上世紀90年代壓力抗血栓裝置出現以來，其治療方法一直以固定壓力對患肢進行周期性加壓[3]，因無法得到血流數值的反饋，實際效果并不理想[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文獻，提出包括壓力設置、加壓時間等參數仍無具體標準。固定不變的加壓方式并不適合臨床上復雜多變的血流狀況，需要根據血流情況做出適時調整。因此，對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的Kendall SCD壓力抗血栓裝置能檢測靜脈充盈時間，調整加壓頻率。針對市場上壓力抗血栓裝置普遍缺乏血流檢測功能這一問題，設計了一種低成本、便捷式的血流檢測系統。

1 整體方案設計

基于STM32的多普勒血流檢測系統，由STM32最小系統和與之相連接的超聲信號發射電路、超聲回波接收電路、音頻發生電路、數據存儲模塊、數據傳輸模塊和電源模塊組成，其系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

血流速度測量系統以STM32微控制器作為控制核心，系統搭建完成，配置好各模塊功能并初始化后，用戶可通過上位機讀取血流速度。系統正常工作時，超聲信號發射電路連續發射超聲信號，經人體組織反射后，由回波接收電路接收超聲信號，經過放大、解調和濾波后[6,7]，一方面將數據傳送至音頻輸出模塊，通過揚聲器產生多普勒音，另一方面通過STM32的A/D轉換端轉換成數字信息存儲到內部存儲中[8]。系統使用CH340G芯片實現USB轉串口，可以直接與PC機相連，方便用戶對測量數據進行處理。

2 系統硬件電路設計

2.1 微控制器最小系統電路

微控制器最小系統電路選用片內資源豐富的STM32F407VET6芯片來進行設計，工作頻率為168MHz，具有外圍電路簡單、功耗低、性價比高等優點，且擁有片內ADC[9]。微控制器最小系統電路由STM32F407VET6芯片、時鐘電路、復位電路、BOOT電路和電源電路組成，其電路組成框圖如圖2所示。

圖2 最小系統電路框圖

2.2 超聲信號發射電路

超聲發射電路由振蕩電路和超聲波發射頭的驅動電路兩部分構成，其電路原理圖如圖3所示。SN74HC04和晶振做晶體振蕩電路產生時鐘信號，頻率與并聯的7.5M晶振頻率相同。R3作為反饋電阻取值應大于1MΩ，使反相器的輸出端電壓偏置到直流電源的一半。C3、C4作為負載電容連接反相器的正負兩端，R4作為驅動電阻，保證電路的持續震蕩。震蕩信號經過兩級放大后，激勵壓電晶體發出7.5MHz超聲波。

2.3 超聲信號接收電路

人體的超聲回波信號十分微弱，且混有大量雜波信號，為了抑制噪聲前置放大器必須具有高輸入阻抗，同時考慮到阻抗匹配問題，因此該系統采用變壓器進行阻抗轉換[10,11]。超聲探頭接收到的信號相當于載波為7.5MHz的調制信號，經過前置放大器放大后，與引入的本振信號幅度相當，此時混頻可分別得到高頻發射信號與低頻多普勒頻移信號，通過帶通濾波濾除高頻信號后即得多普勒頻移信號[12]。電路原理如圖4所示。

2.4 數據傳輸模塊

圖5 串口電路原理圖

數據傳輸模塊采用CH340G芯片實現USB轉串口傳輸血流數據的功能，其電路原理如圖5所示[13]。通過RTS#和DTR#兩個輸出信號來控制STM32的BOOT0和BOOT1兩引腳來選擇啟動模式。UD+和UD-引腳與USB總線相連，通過配置UD+和UD-電平即可實現USB總線協議傳輸[14]。

2.5 電源管理模塊

該系統選用MPD-45AMPD-45A電源模塊為信號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正向低壓降穩壓器。AMS1117的片上微調將基準電壓誤差控制在1.5%以內，且具有低漏失電壓的特點。

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

該系統基于uVision5的開發環境，用C語言編寫設計系統主程序、按鍵程序、數據存儲程序，串口通訊程序等。系統上電后先對血流信號采集模塊、音頻輸出模塊、AD轉換模塊、數據存儲模塊及其內部資源進行初始化，配置完畢后按設置的參數進行工作，處理并存儲血流數據[15]。當系統接收到上位機傳輸命令時，數據傳輸模塊工作，將采集處理后存儲的血流信號送PC上進行顯示。系統軟件主要流程如圖6所示。

3.2 數據存儲模塊的程序設計

為了使系統能在脫機狀態下工作[16]，數據存儲模塊采用FATFS作為文件管理系統，使用SD卡存儲數據并開啟DMA方式。系統完成初始化后，等待血流數據轉換觸發信號，接收到信號后自動觸發DMA，并通過FATFS系統將所采集接收到的數據存儲到SD卡中。

3.3 A/D轉換模塊的程序設計

STM32F407內部集成了12位精度的A/D轉換模塊，系統采用ADC1實現轉換功能，ADC1完成初始化后，系統開始采集并轉換血流速度數據，當達到預期采樣時間時，關閉采集通道使其進入空閑狀態，采樣完成。過程如圖7所示。

3.4 數據傳輸模塊的程序設計

圖6 程序流程圖

圖7 血流信號模數轉換流程圖

圖8 數據傳輸流程圖

Matlab作為數據處理與圖像輸出軟件，不能直接訪問串口。因此，需要調用serial函數將串口創建為對象，配置串口參數為波特率9600bit/s，數據位8位，停止位l位，校驗位0位。接收緩沖區滿后，使用中斷回調函數讀取數據并繪圖，實現波形的實時顯示，同時清空緩沖區為下一次數據的到來做準備。整個通信流程如圖8所示。

4 系統測試

為進一步驗證血流檢測系統的準確性和穩定性，連接好各電路模塊并測試系統可以正常運行后，以邁瑞DC-8彩超的實驗數據為標準數據，對設計的多普勒血流測量系統進行比對測驗。選取12例志愿參加實驗人員為研究對象，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分別測量連續30個心動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，記錄數據如表1和表2所示。

實驗結果表明，該系統測量最大誤差在10.00%以內，作為一種對精度要求較低的便捷式血流測量系統，其能滿足壓力抗血栓裝置的相關要求。血流測量結果在上位機上的實時顯示如圖9所示。

5 結語

基于超聲多普勒原理，在實驗室原有壓力抗血栓裝置基礎上，設計了便捷式血流檢測系統，實現了在進行壓力抗血栓治療的同時，實時檢測血流流速的功能，為醫護人員對裝置的治療參數選擇提供有效的數據參考。該文詳細介紹了血流檢測系統的組成原理和軟硬件實現的方法，并進行制作與實驗。實驗測試結果表明，該血流流速測量系統可實現對血流流速的實時測量，具有低延遲、低成本的特點，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用前景。

表2 峰值平均血流速度

圖9 血流速度測量界面