用于腦卒中檢測儀的信號變換和隔離處理技術(shù)

【作者】劉增水，陳瑜迪，裴兆波，馮軍

1 上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海市，201411

2 上海神州美景健康科技有限公司，上海市，201316

3 上海思博機械電氣有限公司，上海市，200331

0 引言

腦卒中檢測儀是自研的專業(yè)儀器，可對腦血管病變進行完整的檢查。腦血管病變是腦卒中的主要病理基礎(chǔ)，該儀器通過檢測兩側(cè)頸動脈血液流速和壓力的動力學(xué)指標（CVHI），篩查出腦卒中高危個體，以進行早期干預(yù)和重點管理[1]。

頸動脈血液流速采用基于多普勒效應(yīng)的超聲波傳感器進行檢測[2]，超聲波激發(fā)頻率選擇為5 MHz；頸動脈血壓采用陶瓷薄膜壓力傳感器進行檢測[3]；均為無創(chuàng)傷檢測。傳感器輸出的信號，經(jīng)過信號處理電路后，被ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，由計算機完成數(shù)據(jù)的分析和處理。

在使用檢測儀時，除了能實時觀察受檢者的血液流速和血壓的波形外，檢測儀也會產(chǎn)生相應(yīng)的特征聲音信號，幫助醫(yī)護人員快捷地調(diào)整傳感器的使用方式，以獲得準確可靠的受檢者血液流速和血壓波形。流速和壓力傳感器輸出的信號特性不同，信號處理和隔離電路也不相同，分別進行討論。

1 信號變換和隔離處理流程

血液流速的測量是基于多普勒原理，圖1中的多普勒血液流速傳感器發(fā)射出的超聲波，透射到血管血液中的紅細胞時，紅細胞會散射超聲波，紅細胞的運動，使得其散射的超聲波頻率與原發(fā)射頻率產(chǎn)生了頻移，頻移變化直接反映了血液流速的大小及其變化的特性[4]，此頻率變化的超聲波頻率信號，即為傳感器輸出的信號。

圖1 血液流速聲音信號的產(chǎn)生和血液流速信號的處理流程圖Fig.1 Sound generation and processing of the blood flow velocity signal

圖1中，流速傳感器輸出的超聲波頻率信號，會有多普勒頻移，經(jīng)過前置的濾波和放大電路后，直接被分成相同的Vs1和Vs2兩路。圖中“C1”虛線框內(nèi)，頻率信號Vs1，可直接作為人的聽覺聲音信號來源；Vs1信號經(jīng)過高輸入阻抗的電壓跟隨器，再通過低放大倍率的隔離運算放大器AMC1200，輸出V5信號至音頻功率放大電路，最后得到可聽取的V7聲音信號。圖中“C2”虛線框內(nèi)，頻率信號Vs2首先被轉(zhuǎn)換成幅度相等，但頻率變化（多普勒效應(yīng)的頻移）的脈沖信號序列V2；通過高速光耦電路B隔離傳輸后[5]，借助于74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，又把此頻率變化的脈沖信號序列，變換成脈寬變化的脈沖信號序列V6，再經(jīng)過高階低通濾波器電路，即獲得了實際的血液流速模擬量V8；最終經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，可輸出至計算機中進行分析和處理。

如圖2所示，血壓傳感器輸出的模擬量信號，經(jīng)過前置的濾波和放大電路后，直接被分成相同的Ps1和Ps2兩路。在“C3”虛線框內(nèi)，Ps1經(jīng)過精密半波整流和濾波電路后，輸出血壓信號P3，借助于HEF4046鎖相環(huán)電路[6]完成模擬量壓力信號到聲音頻率信號P5的變換，P5經(jīng)過隔離運放和音頻功率放大電路，輸出人的聽覺上能直接感知到的血壓變化聲音信號P9。在“C4”虛線框內(nèi)，Ps2則直接通過含有線性光耦器件4N25的信號處理電路[7-8]，實現(xiàn)信號的隔離后，輸出P2至后端的低通濾波器和ADC轉(zhuǎn)換器電路，P4在完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，數(shù)字量數(shù)據(jù)輸出至計算機中進行分析和處理。

圖2 血壓聲音信號的產(chǎn)生和血壓信號處理流程Fig.2 Sound generation and processing of the blood pressure signal

2 信號變換和隔離電路分析

2.1 血液流速聲音信號的產(chǎn)生及其處理

如圖3所示，U17A運放構(gòu)成的電壓跟隨器，其引腳3輸入的信號Vs1，來自圖1中的超聲波流速傳感器輸出的頻率信號Vs1，由于血液流速的變化，多普勒效應(yīng)導(dǎo)致此頻率信號會產(chǎn)生頻移，且具有一定的頻帶寬度，在圖3的電路中，則被直接作為血液流速聲音的信號源；這個具有頻移的頻率信號（源）通過隔離放大器AMC1200，與其他的傳感器信號處理電路完全隔離；再經(jīng)過由芯片LM386構(gòu)成的音頻功率放大[9]電路，輸出Output_V7信號至J14輸出端子，連接上音頻揚聲器，即可輸出人聽覺上的聲音信號。傳感器單元電路和聲音單元電路，除通過AMC1200隔離外，還采用了完全獨立的工作電源A5V0和X5V0，避免相互干擾。

圖3 血液流速聲音信號的產(chǎn)生和隔離輸出電路Fig.3 Sound generation and isolation output circuit of the blood flow velocity signal

2.2 血液流速信號的變換和隔離處理

如圖4所示，圖中Vs2信號即為圖1中的流速傳感器輸出信號Vs2。比較器LM393芯片構(gòu)建為具有正反饋的施密特觸發(fā)器電路[10]；圖中 REF_2V5為穩(wěn)定性較高的比較器基準電壓源；通過此比較器電路設(shè)計，能把頻率較高、有多普勒頻移的頻率信號Vs2，穩(wěn)定地變換為：幅值恒定的（頻率）脈沖串序列，輸出在芯片LM393的引腳1上。此脈沖串序列隨后再經(jīng)過高速光耦器件TLP521，完成了信號的隔離傳輸，最終輸出到后端U29芯片第3引腳，也即圖4中的脈沖序列信號Pulse_Vs1。

圖4 中，可重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器芯片74LS123（U29）、電容C128和電阻（R99和可變電阻W5串聯(lián)），組合成了脈寬調(diào)制功能電路，也即：頻壓轉(zhuǎn)換功能電路[11]，工作原理說明如下：在觸發(fā)脈沖Pulse_Vs1上升沿作用下，U29芯片引腳13（即1Q功能引腳）輸出高電平，經(jīng)過如下TW延時時間：

引腳1Q的輸出返回低電平；如果在1Q輸出高電平期間，觸發(fā)脈沖再次到來，則高電平又會從此刻起延時TW時間。

結(jié)合前文的分析討論，Pulse_Vs1脈沖頻率的變化與血液流速直接相關(guān)，由此得知：引腳1Q輸出的V_PWM信號，其高電平持續(xù)的時間（即：脈沖的寬度），直接反映了血液流速大小的變化（特征）；也即：實現(xiàn)了頻率變化的脈沖信號Pulse_Vs1變換為脈寬（調(diào)制）變化的脈沖信號V_PWM。

V_PWM信號經(jīng)過U36A和U36B信號處理電路，輸出血液流速模擬量信號Output_V8，后端再接ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，得到的數(shù)字量信號再通過計算機進行分析和處理。

圖4中的運放AD8032芯片U36A是具有單位增益精度較好的Sallen-key拓撲二階低通信號濾波器[12]，實現(xiàn)對V_PWM信號進行濾波處理。高穩(wěn)定性、高精度且可調(diào)節(jié)的ADJ_REF_1V2參考基準電壓源1.2 V與U36B是對濾波后的信號，完成直流電平的適當向上平移，便于ADC轉(zhuǎn)換器完成對單極性正電壓信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

此外，調(diào)節(jié)圖4中可變電位器W5阻值，可以改變TW時間參數(shù)值，即改變了V_PWM信號脈沖寬度分辨率，實質(zhì)上也就改變了流速信號的放大倍率；在實際工作中，這是獲得高質(zhì)量血液流速波形的有效調(diào)節(jié)方法。

圖4 血液流速信號隔離及其處理電路Fig.4 Isolation and processing circuit of the blood flow velocity signal

2.3 血壓聲音信號的產(chǎn)生及其處理

如圖5所示，U23B運放引腳5輸入信號Ps1，是來自圖2中血壓傳感器輸出的模擬量信號Ps1。U23B構(gòu)成精密半波整流電路，C109是容值較大的濾波電容，U23A是濾波放大電路，對Ps1信號依次進行處理后，最終輸出血壓模擬信號P3到U38芯片引腳9，即HEF4046鎖相環(huán)芯片VCOin輸入端，即：芯片內(nèi)部壓控振蕩器模塊的輸入信號。

圖5中的鎖相環(huán)HEF4046芯片，沒有實現(xiàn)為閉環(huán)鎖相環(huán)功能電路，只是使用了該芯片內(nèi)部的VCO壓控振蕩器模塊[13]，把從引腳9（VCOin）輸入的血壓模擬量信號P3轉(zhuǎn)換成從引腳4輸出的P5頻率信號VCOout（即芯片內(nèi)部VCO壓控振蕩器模塊的輸出信號），從而實現(xiàn)了壓頻轉(zhuǎn)換功能，把血壓模擬量信號Ps1變換產(chǎn)生為血壓聲音頻率信號P5。

圖5中，電容C163和電阻（R116和可變電阻W8串聯(lián)）確定了芯片內(nèi)部VCO模塊的振蕩頻率范圍，也即：血壓聲音信號P5的頻率范圍，P5信號實際為等幅且頻率變化的脈沖串。通過調(diào)節(jié)可變電阻W8阻值，可以把反映血壓變化的實際聲音，調(diào)節(jié)到合適的聽覺聲音頻率范圍。

圖5 血壓聲音信號的產(chǎn)生和隔離輸出電路Fig.5 Sound generation and isolation output circuit of the blood pressure signal

與圖3中相同，反映血壓變化特征的聲音頻率信號P5，通過AMC1200隔離運放，隔離聲音輸出電路與前端的壓力傳感器信號處理電路；音頻功放LM386芯片輸出信號Output_P9至J7輸出端子，連接上音頻揚聲器，即可輸出人聽覺范圍內(nèi)的聲音信號。

2.4 血壓信號的變換和隔離處理

在圖6中，U16器件（4N25）是晶體管輸出類型的光耦器件，常用于線性反饋調(diào)節(jié)回路；運放U11A、三極管Q3（PMBT5550）、光耦器件4N25，共同組成了線性負反饋放大電路的主通路，把來自血壓傳感器輸出的模擬量信號Ps2（對應(yīng)圖2中的傳感器輸出信號Ps2）轉(zhuǎn)換為模擬量輸出信號P2；4N25光耦器件在其中實現(xiàn)了信號隔離作用[14]。

血壓模擬量信號相對于其他信號處理來說，信號處理流程比較簡單。圖6中的U22B運放是低通濾波放大器，其同相輸入端，連接有高穩(wěn)定性、有較好精度且可調(diào)節(jié)的ADJ_REF_2V5參考基準電壓源2.5 V，實現(xiàn)引腳7輸出端信號的直流電平向上平移；U26B為二階低通濾波器，U26A為電壓跟隨器，最終在U26A引腳1輸出血壓模擬量信號Output_P4；后端再接續(xù)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入至計算機內(nèi)，就可以進行量化分析和處理。這些與圖4中的電路原理圖相類同。

圖6 血壓信號隔離及其處理電路Fig.6 Isolation and processing circuit of the blood pressure signal

3 電路信號測量

血液流速測量時，流速傳感器探頭端面應(yīng)迎著血流方向、合適的位置和角度擺放，能使得流速輸出波形不受到靜脈回流干擾的影響，且隨心率周期而明顯變化；在探頭和皮膚間填充超聲波耦合劑，可使得波形得到改善；圖4中電路輸出的Output_V8流速信號波形，如圖7所示。

圖7 血液流速波形Fig.7 Blood flow velocity waveform

血壓波形測量時，壓力傳感器探頭端面輕壓在頸動脈搏動較為明顯處，輸出的波形與脈搏搏動同步，仔細放置壓力傳感器探頭位置和控制手持傳感器探頭的按壓力，能獲得整齊和清晰的波形。呼吸對壓力波形基線影響較大，盡量輕呼吸，測量時甚至短時間憋氣。圖6中電路輸出的Output_P4血壓波形，如圖8所示。

圖8 血壓波形Fig.8 Blood pressure waveform

從實測波形可以清晰看出：血液流速和血壓本質(zhì)變化的特征，有較為陡峭的上升沿和多段慢衰減的下降沿，且與心率周期同步，符合正常生理特征狀況[15]。

4 電路應(yīng)用測試

通過檢測兩側(cè)頸動脈血液流速和壓力，可獲得腦血流運動學(xué)和動力學(xué)指標；前者包括：平均血流量，平均、最大和最小血流速度；后者包括：脈搏波速度（WV）和特性阻抗（Zcv）、外周阻力（Rv）和動態(tài)阻力（DR）、臨界壓（CP）和壓差（DP）[1,16]。WV和Zcv數(shù)值越大，大中動脈血管彈性就越差；腦動脈硬化會引起Rv和Zcv數(shù)值增高；臨界壓增高或壓差降低，提示腦組織微循環(huán)障礙；特別是依據(jù)血流速和血壓波形的動態(tài)特征參數(shù)值對腦卒中影響程度賦予不同的權(quán)重量值，采用我們總結(jié)出的腦血流動力學(xué)積分算法[1]，可以評價腦血管功能和定量評估中風(fēng)危險度，并因此進行預(yù)警或干預(yù)管理。

選擇已注冊的杭州遠想D6型多普勒血流探測儀和歐姆龍（大連）HEM7132電子血壓計作為測量參照基準，并用于標定本研究的電路設(shè)計；在完全相同測試條件下，相互對比的測試結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 平均血流速測量結(jié)果Fig.9 Mean blood flow velocity

圖10 平均血壓測量結(jié)果Fig.10 Mean blood pressure

從每次的測量結(jié)果可知：本電路的平均血流速度相對測量誤差≤15%，平均血壓相對測量誤差≤13%；腦卒中檢測儀實際應(yīng)用表明：測量精度能滿足應(yīng)用的需求。

5 結(jié)束語

針對多普勒血液流速傳感器輸出的頻率信號、血壓傳感器輸出的模擬信號，分別提出了相應(yīng)的信號隔離及其信號處理設(shè)計方法；同時也得到了相應(yīng)的（伴隨）聲音產(chǎn)生方法。電路設(shè)計滿足了腦卒中檢測儀應(yīng)用功能要求，已投入實際應(yīng)用。文中提出的信號隔離和處理方法，也可以供類同儀器設(shè)計時參考，有著更廣泛的實際應(yīng)用價值。