微型皮肤血流检测系统的设计与实现

发布时间：2020-09-09 10:30

　　皮肤血流测量对皮肤微循环功能评价及血流灌注监测具有重要意义。目前,测量皮肤血流的主要方法为激光多普勒法,但该测量方法对人体运动敏感,容易产生伪迹,并且激光多普勒血流仪体积较大,难以实现便携式测量。本文主要设计一种微型化、操作简单、测量结果不受运动影响的皮肤血流检测系统。该系统采用微型加热器阵列对皮肤加热,数秒后测量皮肤温度,根据生物组织导热模型计算皮肤的导热系数,然后用中央加热器对皮肤加热,测量皮肤血流变化引起的皮肤温度变化,采用基于小波变换的方法评估皮肤的血流量。系统硬件设计主要包括:用低功耗的STM32F103RDT6作为主控芯片,设计多通道恒流源电路、加热电路、多通道温度采集电路、信号调理电路、显示模块及串口通讯模块等。软件设计以Keil V5为开发平台,编写了加热,温度采集,显示及串口通讯等模块的程序。皮肤血流量的估计算法分为两步:在MATLAB中首先通过数值求解半无限大非稳态导热分析模型计算皮肤的导热系数,然后对皮肤血流变化对应的温度信号进行连续小波变换,对小波系数的幅值和相位进行补偿,并对补偿之后的小波系数进行小波逆变换得到时域中的血流信号。为了验证上述算法,采用激光多普勒血流仪测量多组温度信号和血流信号,使用皮肤血流估计算法对温度信号进行分析并将结果与血流信号比对,结果表明这一算法有效。使用本文设计的皮肤血流检测系统和激光多普勒血流仪同时测量人体上臂的皮肤血流信号,结果表明,本系统测量的血流信号与激光多普勒测量的信号趋势相同,这表明本文设计的系统是合理的。
【学位单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH776
【部分图文】：

框图,总体设计,检测系统,硬件

得到的温度数值在ＬＣＤ屏上显示出来，并通过串口通信模块上传到上位机。逡逑２．３系统的软件设计逡逑软件系统主要是控制硬件完成相应的功能。图２．２为皮肤血流检测系统的软件总体设计逡逑框图。系统软件的设计都是基于此框图设计的。逡逑８逡逑

框图,加热模,目标,测温

Ｋ逦（＾ｐｓｒｗ＾ｎ逡逑电源模块二＝＾逦——逡逑图２．１皮肤血流检测系统硬件总体设计框图逡逑加热模块分为两个加热部分。第一部分是由组织加热器对皮肤组织进行短时加热后停止逡逑加热，温度传感器测量皮肤组织的温度变化情况，结合短时加热冷却算法模型分析即可得到逡逑皮肤组织的导热系数。第二部分是由中央加热器对皮下血管进行加热。由于在静息状态下，逡逑血流振荡信号从皮下血管传到皮肤表面是造成的温度振荡很微弱，精确测量这一温度信号较逡逑为困难。因此需要对皮下血管进行加热，增大血流信号的振荡幅度。这样会增强皮肤表面温逡逑度信号的强度，从而使温度传感器更容易测量到皮肤表面的温度数据。逡逑测温模块也分为两部分。第一部分是测量短时加热后皮肤组织温度变化的测温模块。设逡逑计阵列式温度传感器模块，通过对８个点的皮肤组织温度变化量进行测量，使用传热学的相逡逑关模型分析，计算出每个点的皮肤组织特特性参数，将８个测量点处测量得到的组织热特性逡逑参数值取平均值作为目标点皮肤组织的热特性值。第二部分是测量由血流振荡引起的体表温逡逑度变化值。使用皮肤血流估计算法对测量得到的温度信号进行分析即可得到测量点处的皮肤逡逑血流量。逡逑其他电路模块主要由显示模块、按键模块、控制模块、串口通信模块以及电源模块组成。逡逑通过按键切换加热模块对不同的目标点进行加热及温度测量。单片机可以将温度传感器测量逡逑得到的温度数值在ＬＣＤ屏上显示出来

流程图,估计算法,流程图

频分量信号，在时频中对信号进行修改。连续小波变换具有良好的时频分析能力，可以使用逡逑连续小波变换将测量得到的时域信号转换为时频分量信号，而连续小波逆变换可以将修改后逡逑的时频信号转变为时域中的信号。由温度信号Ｔ（ｔ）得到血流信号ＢＦ（ｔ）的变换过程如图２．３算逡逑法流程图所示：逡逑Ｔ（ｔ）邋ｋ］逦温度时频分量逦｜使用幅值衰减逡逑１逦ｑ连续小波变换Ｉ—ｆ信号逦１方程修改幅值ｐ￣逡逑．ＢＦ（ｔ）邋｜逦NＪ修改的温度时｜逦｜使用相位延迟｜逡逑Ｉ逆小＇波变换ｐ—｜逦＾分量ｐ￣￣｜方程修改相位ｔ逡逑图２．３皮肤血流估计算法流程图逡逑２．５本章小结逡逑本章首先介绍了皮肤血流检测系统的测量原理，并根据这一原理明确了检测仪器需要测逡逑量到的信号。硬件总体设计中主要介绍了实现信号测量需要的用到的各个模块，并介绍了系逡逑统硬件测量的工作流程。软件总体设计中主要介绍了系统正常运行需要用到的各软件模块。逡逑最后从理论上介绍了皮肤血流信号与温度信号的相关性以及皮肤血流估计算法的原理及算逡逑法流程。使人更容易理解系统的整体设计逡逑１０逡逑

【参考文献】