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專利名稱：動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種醫(yī)用測(cè)量設(shè)備和方法，涉及一種可以測(cè)量微量液體密度，特別是涉及可以動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的裝置和方法。
血液密度是表征血液生理特性的一個(gè)重要物理量，血液密度測(cè)量可以作為一種研究方法來研究其它一些生理現(xiàn)象，特別是在循環(huán)系統(tǒng)研究中密度測(cè)量法法優(yōu)于放射性示蹤物質(zhì)或染色劑。目前，血液密度測(cè)量所用的主要設(shè)備為振動(dòng)管血液密度計(jì)，其不足之處在于測(cè)量響應(yīng)慢，待測(cè)血容量較大，測(cè)量分辯率低。在CN1105123A公開了發(fā)明名稱為“采用微波的密度計(jì)”，該密度計(jì)采用微波天線向待測(cè)液體發(fā)射微波，檢測(cè)接受微波的相位差就可得到待測(cè)液體密度，其不足在于待測(cè)液體的容量大，不適直微量血液密度測(cè)量，所用微波頻率高，電路制作比較困難。測(cè)試步驟比較繁瑣，其相位差是通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)溶液相位和待測(cè)溶液的相位兩次取樣求得的，由于采用頻率高，測(cè)量密度的范圍小。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有血液密度測(cè)量技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量響應(yīng)快，需血量小，測(cè)量分辨率高，制作簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的裝置和方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來達(dá)到一種動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的裝置，該裝置將超聲波液體密度傳感器作為測(cè)量血液密度的敏感元件，該傳感器的輸入叉指電極連接超聲波發(fā)生器，調(diào)制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)分兩路輸出，一路連接超聲波發(fā)生器用于高頻調(diào)制，一路連接檢相器用作基準(zhǔn)相位信號(hào)，超聲波液體密度傳感器的輸出叉指電極連接前置放大器，前置放大器連接檢波器，經(jīng)檢波器檢波后的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)入檢相器，在檢相器中包絡(luò)信號(hào)與來自調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行相位比較，將所得的相位差轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，這個(gè)直流電壓信號(hào)的大小與相位差大小成正比，檢相器連接直流放大器，直流放大器連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，檢相器輸出的直流電壓信號(hào)經(jīng)直流放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，在微機(jī)系統(tǒng)中，利用計(jì)算機(jī)程序來自動(dòng)控制取樣、采樣，計(jì)算血液密度，同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示血液密度隨時(shí)間變化的曲線和血液密度的當(dāng)前值，以及控制血液流動(dòng)回路的清洗過程，血液流動(dòng)回路由血源，血液流動(dòng)導(dǎo)管，血液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，超聲波液體密度傳感器組成，血源通過血液流動(dòng)導(dǎo)管連接血液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置通過血液流動(dòng)導(dǎo)管連接超聲波液體密度傳感器的測(cè)量腔，血液流動(dòng)回路可以是封閉或是開放的。本發(fā)明動(dòng)態(tài)則量血液密度的步驟如下1)測(cè)量前的準(zhǔn)備工作①連接血液流動(dòng)管路和電路電纜；②對(duì)血液流動(dòng)管路進(jìn)行沖洗，并排除血液流動(dòng)管路內(nèi)的氣體；③對(duì)血液流動(dòng)管路進(jìn)行抗凝處理；4)確定血液密度的計(jì)算常數(shù)計(jì)算常數(shù)的確定是依據(jù)擬合經(jīng)驗(yàn)公式ρ=A+BΔφ+CΔφ2進(jìn)行的，其中ρ表示血液密度，A、B、C為無量綱的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Δφ為檢相器輸出的以直流電壓表示的相位差，計(jì)算常數(shù)確定的具體步驟是用三種密度已知的標(biāo)準(zhǔn)溶液，依次注入超聲波液體密度傳感器內(nèi)，測(cè)量超聲波經(jīng)過三種標(biāo)準(zhǔn)溶液后的相位差，得到三個(gè)計(jì)算常數(shù)的連立方程為
其中ρ1、ρ2、ρ3為三種已知密度，Δφ1、Δφ2、Δφ3為對(duì)應(yīng)三種已知密度的以直流電壓形式表示的相位差，解此方程即可求得血液密度計(jì)算常數(shù)A、B、C；5)血液密度的動(dòng)態(tài)測(cè)量(1)向計(jì)算機(jī)輸入計(jì)算常數(shù)A、B、C；(2)選擇采樣頻率；(3)啟動(dòng)蠕動(dòng)泵讓血液在整個(gè)管路中流動(dòng)；(4)采樣血液密度，當(dāng)血液充滿整個(gè)管路時(shí)，按動(dòng)計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件測(cè)量界面上的“開始”按鈕，開始采樣，計(jì)算機(jī)按擬合經(jīng)驗(yàn)公式ρ=A+BΔφ+CΔφ2計(jì)算血液密度，同時(shí)計(jì)算機(jī)屏幕上顯示血液密度隨時(shí)間變化的曲線以及血液密度的當(dāng)前值；(5)采樣完畢，按動(dòng)計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件測(cè)量界面上的“停止”按鈕，停止采樣，給要保存的數(shù)據(jù)賦予文件名，保存數(shù)據(jù)；(6)如欲重復(fù)測(cè)量血液密度，可重復(fù)上述步驟4和5；(7)整個(gè)測(cè)量過程完成之后，對(duì)血液流動(dòng)管路進(jìn)行反復(fù)沖洗，清洗完畢，停止蠕動(dòng)泵，斷電。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1．待測(cè)血液容量小，其容量小于0.2毫升。
2．所用超聲波頻率低，其頻率低于30兆赫茲。
3．裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便。
4．由于采用了調(diào)制解調(diào)技術(shù)，測(cè)量血液密度的范圍大。
5．測(cè)量時(shí)只需一次取樣，測(cè)量步驟簡(jiǎn)單。
6．整個(gè)測(cè)量過程為計(jì)算機(jī)控制，測(cè)量效率高。


圖1和圖2分別為動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的裝置圖；圖1和圖2中1為超聲波發(fā)生器，2為調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，3為檢相器，4為直流放大器，5為前，放大器，6為檢波器，7為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，8為微機(jī)系統(tǒng)，9為血液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，10為超聲波液體密度傳感器，11為血源，12血液流動(dòng)導(dǎo)管。圖1血液流動(dòng)回路為封閉式，圖2血液流動(dòng)回路為開放式。圖3為超聲波液體密度傳感器a-a剖面圖。圖4為超聲波液體密度傳感器b-b剖面圖。圖3和圖4中1和2各為叉指換能器，3為電極引線，4為吸聲材料，5為叉指電極，6為壓電晶體，7為側(cè)板，8為插管，9為超聲波發(fā)生器，10為檢相器。圖5為前置放大器電路圖。圖6為同步檢波電路圖。圖7為相位差檢測(cè)和直流放大電路圖。圖8為模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖。圖9為動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度方法的流程圖。
本發(fā)明的裝置實(shí)施結(jié)合附圖1-8說明如下本發(fā)明的裝置出測(cè)量電路和血液流動(dòng)回路兩部分組成，其中測(cè)量電路出超聲波發(fā)生器，調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，超聲波液體密度傳感器，前置放大器，檢波器，檢相器，直流放大器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及微機(jī)系統(tǒng)組成，血液流動(dòng)回路由血源，血液流動(dòng)導(dǎo)管，血液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，超聲波液體密度傳感器組成，超聲波發(fā)生器由國(guó)營(yíng)成都前鋒無線電廠制造，其型號(hào)為QF1052D，它產(chǎn)生的超聲信號(hào)用來激勵(lì)叉指換能器產(chǎn)生超聲波，為消除因相位的周期性而引起的密度測(cè)量的多值性，用調(diào)制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低頻信號(hào)對(duì)高頻超聲信號(hào)進(jìn)行了幅度調(diào)制，調(diào)制信號(hào)發(fā)生器為進(jìn)口設(shè)備，其型號(hào)為GFG-8019G，它產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)分兩路輸出，一路連接超聲波發(fā)生器用于幅度調(diào)制，一路連接檢相器用作基準(zhǔn)相位信號(hào)，被調(diào)制的高頻信號(hào)加到輸入叉指電極上，輸出叉指電極與前置放大器的輸入端相連，前置放大器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行阻抗變換和前置放大，前置放大器的輸出端連接檢波器，經(jīng)檢波器檢波后的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)入檢相器，在檢相器中包絡(luò)信號(hào)與來自調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的基準(zhǔn)相位信號(hào)進(jìn)行相位比較，將所得的相位叉轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，這個(gè)直流電壓信號(hào)的大小與相位差大成正比，檢相器連接直流放大器，直流放大器連接模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，檢相器輸出的直流電壓信號(hào)經(jīng)直流放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，在微機(jī)系統(tǒng)中，利用計(jì)算機(jī)程序來自動(dòng)控制取樣、采樣、計(jì)算血液密度，同時(shí)、在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示血液密度隨時(shí)間變化的曲線和血液密度的當(dāng)前值，以及控制血液流動(dòng)管路的清洗過程。
圖3和圖4分別為超聲波液體密度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，圖5的前置放大器電路來自吉野新治著張玉龍譯的“傳感器電路設(shè)計(jì)手冊(cè)”，圖6的同步檢波電路來自高等教育出版社1993年10月出版的“實(shí)用電子電路手冊(cè)-模擬電路部分”的322頁(yè)，相位差檢測(cè)和直流放大電路按圖7制作，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路按圖8制作。
下面結(jié)合附圖9對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的方法說明如下動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的整個(gè)過程為計(jì)算機(jī)控制，測(cè)量開始時(shí)，連接血液流動(dòng)管路和電路電纜，啟動(dòng)蠕動(dòng)泵對(duì)血液流動(dòng)管路進(jìn)行反復(fù)沖洗，并排除血液流動(dòng)管路內(nèi)的氣體，對(duì)血液流動(dòng)管路進(jìn)行抗凝處理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行麻醉和抗凝處理，準(zhǔn)備工作就緒后，需判斷是選擇直接測(cè)量還是確定計(jì)算常數(shù)，如計(jì)算常數(shù)未知，首先必須確定計(jì)算常數(shù)，此時(shí)取樣三種密度已知的標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)量三種標(biāo)準(zhǔn)溶液的相位差，求解如下連立方程即可確定計(jì)算常數(shù)A、B、C，
式中ρ1、ρ2、ρ3為三種標(biāo)準(zhǔn)溶液的已知密度，Δφ1、Δφ2、Δφ3為測(cè)得的三種標(biāo)準(zhǔn)溶液的相位差，A、B、C為無量綱的計(jì)算常數(shù)。如計(jì)算常數(shù)已知可選擇直接測(cè)量，此時(shí)首先向計(jì)算機(jī)輸入計(jì)算常數(shù)A、B、C，然后根據(jù)需要選擇采樣頻率，當(dāng)血液充滿整個(gè)管路時(shí)，按動(dòng)計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件測(cè)量界面上的“開始”按鈕，開始采樣，計(jì)算機(jī)按擬合經(jīng)驗(yàn)公式ρ=A+BΔφ+CΔφ2計(jì)算血液密度，同時(shí)計(jì)算機(jī)屏幕上顯示血液密度隨時(shí)間變化的曲線以及血液密度的當(dāng)前值；采樣完畢，按動(dòng)計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件測(cè)量界面上的“停止”按鈕，停止采樣，給要保存的數(shù)據(jù)賦予文件名，保存數(shù)據(jù)；如欲繼續(xù)測(cè)量血液密度，可重復(fù)上述血液密度采樣過程，測(cè)量過程結(jié)束，對(duì)血液流動(dòng)管路進(jìn)行反復(fù)沖洗，清洗完畢，停止蠕動(dòng)泵，斷電。
最后對(duì)擬合經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)單解釋如下對(duì)于牛頓流體，超聲波在液體中的傳播速度和液體密度具有如下關(guān)系c=(G/ρ)1/2，式中G為液體的體積彈性模量，ρ為液體密度，c為超聲波在液體中的傳播速度，c=l/t，l為聲傳播距離，t為聲傳播時(shí)間，由此可得ρ=Gt2/l2=kt2，超聲波在液體中傳播時(shí)的相位變化為Δφ=ωt=ω(ρ/k)1/2，即ρ=k(Δφ/ω)2，式中ω為角頻率，Δφ為相位差，k為常數(shù)，由于血液為非牛頓流體(粘彈性流體)，對(duì)上式必須進(jìn)行修正，得到擬合經(jīng)驗(yàn)公式ρ=A+BΔφ+CΔφ2。
權(quán)利要求
1.動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的裝置，其特征在于該裝置的測(cè)量電路是將超聲波液體密度傳感器的輸入叉指電極連接超聲波發(fā)生器的輸出端，調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的一路輸出連接超聲波發(fā)生器，另一路輸出連接檢相器的基準(zhǔn)相位輸入端，超聲波液體密度傳感器的輸出叉指電極連接前置放大器的輸入端，前置放大器的輸出端連接檢波器的輸入端，檢波器的輸出端連接檢相器的包絡(luò)信號(hào)輸入端，檢相器的相位差輸出端連接直流放大器的輸入端，直流放大器的輸出端連接模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端和微機(jī)系統(tǒng)相連，該裝置中的血液流動(dòng)回路包括血源，血液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，血液流動(dòng)導(dǎo)管，超聲波液體密度傳感器的測(cè)量腔，血源通過血液流動(dòng)導(dǎo)管連接血液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置通過血液流動(dòng)導(dǎo)管連接超聲波液體密度傳感器的測(cè)量腔，血液流動(dòng)回路可以是封閉或開放的。
2．一種實(shí)施權(quán)利要求1的動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的方法，其特征在于血液密度的測(cè)量步驟如下1)測(cè)量前的準(zhǔn)備工作①連接血液流動(dòng)管路和電路電纜②對(duì)血液流動(dòng)管路進(jìn)行沖洗，并排除血液流動(dòng)管路內(nèi)的氣體③對(duì)血液流動(dòng)管路進(jìn)行抗凝處理；2)確定血液密度的計(jì)算常數(shù)計(jì)算常數(shù)的確定是依據(jù)擬合經(jīng)驗(yàn)公式ρ=A+BΔφ+CΔφ2進(jìn)行的，其中ρ表示血液密度，A、B、C為無量綱的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Δφ為檢相器輸出的以直流電壓表示的相位差，計(jì)算常數(shù)確定的具體步驟是用三種密度已知的標(biāo)準(zhǔn)溶液，依次注入超聲波液體密度傳感器內(nèi)，測(cè)量超聲波經(jīng)過三種標(biāo)準(zhǔn)溶液后的相位差，得到三個(gè)計(jì)算常數(shù)的連立方程為
其中ρ1、ρ2、ρ3為三種已知密度，Δφ1、Δφ2、Δφ3為對(duì)應(yīng)三種已知密度的以直流電壓形式表示的相位差，解此方程即可求得血液密度計(jì)算常數(shù)A、B、C3)血液密度的動(dòng)態(tài)測(cè)量(1)向計(jì)算機(jī)輸入計(jì)算常數(shù)A、B、C；(2)選擇采樣頻率；(3)啟動(dòng)蠕動(dòng)泵讓血液在整個(gè)管路中流動(dòng)；(4)采樣血液密度，當(dāng)血液充滿整個(gè)管路時(shí)，按動(dòng)計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件測(cè)量界面上的“開始”按鈕，開始采樣，計(jì)算機(jī)按擬合經(jīng)驗(yàn)公式ρ=A+BΔφ+CΔφ2計(jì)算血液密度，同時(shí)計(jì)算機(jī)屏幕上顯示血液密度隨時(shí)間變化的曲線以及血液密度的當(dāng)前值；(5)采樣完畢，按動(dòng)計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件測(cè)量界面上的“停止”按鈕，停止采樣，給要保存的數(shù)據(jù)賦予文件名，保存數(shù)據(jù)；(6)如欲重復(fù)測(cè)量血液密度，可重復(fù)上述步驟4和5；(7)整個(gè)測(cè)量過程完成之后，對(duì)血液流動(dòng)管路進(jìn)行反復(fù)沖洗，清洗完畢，停止蠕動(dòng)泵，斷電。
全文摘要
動(dòng)態(tài)測(cè)量血液密度的裝置和方法,屬于醫(yī)用測(cè)量設(shè)備和方法,它解決了微量血液密度的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量問題,它由測(cè)量電路和血液流動(dòng)回路兩部分組成,采用了超聲波液體密度傳感器作為血液密度測(cè)量的敏感元件,待測(cè)血液容量小,采用了調(diào)制解調(diào)技術(shù),拓寬了血液密度測(cè)量范圍,采用了相位差檢測(cè)技術(shù),測(cè)量的分辨率高,整個(gè)測(cè)量過程由計(jì)算機(jī)控制,測(cè)量效率高,該裝置和方法廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究中。
文檔編號(hào)G01N9/24GK1233751SQ9911465
公開日1999年11月3日 申請(qǐng)日期1999年1月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月29日
發(fā)明者蔡紹皙, 呂霞付, 鄧明晰, 段銘, 舒紅宇, 吳西 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)