بخشی از مقاله
چکیده - در این تحقیق دستگاه اندازهگیري سرعت خون به روش لیزر داپلر طراحی و ساخته شده است. این روش به علت ارتباط صرفاً نوري با بدن بیمار، یک روش غیرتهاجمی است. از سوي دیگر قدرت تفکیک مکانی بسیار بالاي آن، امکان سنجش سرعت خون در مویرگها را نیز فراهم میسازد که در بسیاري از روشهاي متداول سنجش فلو مانند اولتراسونیک امکانپذیر نمیباشد. با استفاده از روش جدید تنظیم پهناي باند پردازش به طور تطبیقی که در این پروژه از آن بهرهگرفته شده است، به دقت سنجش دستگاه افزوده شده که آن را نسبت به نمونههاي خارجی دستگاه برتر میسازد. ضمنا به منظور ارزیابی و تست دستگاه طراحی شده از آزمایشات In Vitro بر روي یک فانتوم که از لحاظ اپتیکی مشابه ساختار پیچیده عروق، پوست و بافت بدن انسان است، استفاده شده است.
-1 مقدمه
اندازهگیري سرعت خون در بافتهاي مختلف بدن انسان میتواند نشان دهنده صحت یا عدم صحت کارکرد اندامهاي مختلف باشد. همچنین در امور بالینی توجه خاصی به مشکلات مربوط به تصلب شرایین و یا بیماریهاي ناشی از مسدود شدن مسیر خون در شریانهاي مختلف وجود دارد. به همین خاطر روشهاي تهاجمی و غیرتهاجمی مختلفی براي این نوع اندازهگیري پیشنهاد و بکار رفته است2]،.[1 در این تحقیق براي اندازهگیري سرعت خون، روش لیزر داپلر بکار رفته شده است.
در این روش پرتو نور لیزر بر روي بافت تابانده میشود. در اثر تعامل بخشی از این پرتو با گلبولهاي قرمز خون در فرکانس نور تغییري بوجود میآید که بعنوان اثر داپلر شناخته میشود و پس از دریافت شدن توسط آشکارساز و پردازش سیگنال، میزان سرعت خون عبور کرده از مقابل پرتوي لیزر را نشان میدهد. با استفاده از این روش میتوان سرعت خون در عروق ریز - در سطح مویرگ - و عروق زیر پوستی و بافتهاي مختلف را اندازهگیر نمود.
این روش در مقایسه با دیگر روشهاي اندازهگیري جریان در چنین عروقی مانند پلیتیسموگرافی Plethysmography - - ، روشهاي حرارتی و روشهاي مبتنی بر رادیوایزوتوپها داراي درجه تفکیک زمانی - 0/2 ثانیه - و مکانی 1 - میلیمتر - بالاتري میباشد3]،2،.[1 براي اندازهگیري سرعت در عروق ریز در سطح مویرگ نیاز به روش و مبناي اندازهگیري مناسبی میباشد که باعث ایجاد اغتشاش در گردش خون نشود. اغلب روشهاي اندازهگیري سرعت خون تهاجمی هستند و موجب اغتشاش در جریان خون میشوند. روش لیزر داپلر به علت ماهیت غیرتهاجمیش براي مطالعه سرعت خون در عروق ریز در سطح مویرگ، خصوصا در اندازهگیريهاي طولانی مدت بسیار استفاده میشود2]،.[1 ضمنا بخاطر ارتباط صرفا نوري با بیمار هیچگونه عوارض جانبی را براي شخص فراهم نمی سازد.
کوچکی است. همچنین سیگنال دریافتی از جریان خون بسیار کمتر از سیگنال دریافتی از کل بافت میباشد و در نتیجه توان سیگنالی که تغییر فرکانس داپلر پیدا کرده نسبت به توان کل نور تابیده شده به آشکار ساز ناچیز است. به همین دلیل براي بدست آوردن سیگنال داپلر باید بتوان نویزهاي محیطی و نویزهاي تولید شده در سختافزار را کاهش داد و به طور کلی نسبت سیگنال به نویز را بالا برد که این مسئله اهمیت پردازش سیگنال مناسب و همچنین طراحی و ساخت بسیار دقیق آن را پیش از پیش تقویت میکند. در این تحقیق دستگاه اندازهگیري سرعت خون به روش لیزر داپلر طراحی و ساخته شده است. همچنین براي اولین بار در جهان روش جدیدي براي پردازش سیگنال لیزر داپلر ارائه شده که باعث حذف نویزهاي موجود و بالاتر رفتن نسبت سیگنال به نویز و در نتیجه محاسبه دقیقتر سرعت خون شده است.
-2 تئوري روش لیزر داپلر
در این روش پرتو نور لیزر توسط فیبر نوري بر روي بافت تابانده میشود. در اثر تعامل بخشی از این پرتو با گلبولهاي متحرك قرمز خون در فرکانس نور بازگشتی تغییر اندکی بوجود میآید که بعنوان اثر داپلر شناخته میشود. در دستگاه اندازه گیري دو متغیر فرکانس داپلر وجود دارند که باید در نظر گرفته شوند: حرکت نسبت به منبع باعث تغییر در فرکانس نور پراکنده شده میشود و حرکت نسبت به آشکارساز باعث تغییر در فرکانس مشاهده شده میگردد.
-3 تشریح سختافزار دستگاه
در این دستگاه از مولد پرتوي لیزر دیود نیمههادي، با طول موج تابشی 780nm و توان 0/5 میلیوات استفاده شده است. به علت نزدیکی این طول موج به رنگ قرمز میزان پراکندگی و انعکاس آن توسط گلبول قرمز خون بسیار مناسب خواهد بود. جهت انتقال نور لیزر به سمت بافت و همچنین دریافت نور بازگشتی از بافت و عروق از فیبر نوري استفاده شده است. در این دستگاه پرتو خروجی از لیزر دیود توسط یک ابزار اپتیک همگرا کننده داخل فیبر جفت - - Couple میشود.
پرتو جفت شده توسط فیبر به انتهاي آن انتقال مییابد که داراي یک عدسی جهت کانونی کردن پرتو اصلی و بازگرداندن پرتوهاي پراکنده به داخل فیبر دوم است. فیبر دوم پرتوهاي پراکنده شده از بافت را به آشکارساز - فوتو دیود - انتقال میدهد. این آشکارساز جریانی متناسب با پرتو دریافتی، تولید میکند. این آشکارساز عملاً وظیفه ضرب فرکانسی و دمدولاسیون سیگنال شیفت داپلر را به عهده دارد. بلافاصله پس از دمدولاسیون اطلاعات شیفت داپلر توسط فتودیود، این سیگنال تقویت شده، سپس به دو فیلتر پایین گذر و فیلتر میانگذر وارد میشود.
سیگنالی که در خروجی فیلتر پایینگذر تولید میگردد، نشاندهنده مقدار شدت فوتون یا متوسط نور بازگشتی از سطح پوست است که جهت نرمالیزه کردن سیگنال داپلر استفاده میشود - با این کار، اثر تغییرات زیاد در چگالی نور بازگشتی ناشی از تفاوت قدرت لیزر، رنگ پوست و زاویه تابش حذف می گردد - . سیگنالی که از خروجی فیلتر میانگذر بدست میآید در محدوده فرکانسی مطلوب است. سیگنالی که از خروجی فیلتر میانگذر و پایینگذر بدست میآید به وسیله یک A/D، با نرخ نمونهبرداري 40 کیلو هرتز و با رزولوشن 16 بیتی دیجیتال شده، سپس وارد میکروپروسسور میشود.
سپس از این سیگنال دیجیتال شده توسط روش پریودوگرام طیف توان گرفته میشود و در نهایت ممان اول طیف توان بدست میآید. در شکل 1 نمایی از بلوكدیاگرام کل دستگاه مشاهده میشود. کلیه محاسبات مربوط به استخراج اطلاعات سرعت خون از سیگنال دریافتی، توسط میکروپروسسور انجام میگیرد. به منظور انتقال اطلاعات پردازش شده و همچنین نمایش سیگنال سرعت خون بر روي LCD از یک میکروکنترلر استفاده شده است. میکروکنترلر، همچنین وظیفه دریافت فرامین تنظیم دستگاه توسط کاربر - مستقل از کامپیوتر - را انجام میدهد.
بخش مهمی از دستگاه مربوط به راهانداز لیزر، فتودیود، و کنترل دماي لیزر است. براي راهاندازي لیزر، بایستی از تغییر شدت پرتو خروجی جلوگیري نمود. زیرا در مقدار متوسط خروجی به شدت مؤثر است. لذا از مدار تثبیت متوسط توان لیزر استفاده شده است. از آنجایی که طول موج پرتو خروجی لیزر دیود به تغییرات دما وابسته است و با توجه به اینک تثبیت طول موج لیزر تابشی، به علت قرار داشتن اطلاعات سرعت در شیفتفرکانس پرتو لیزر بسیار اهمیت دارد.
لذا بخش کنترل دماي لیزر توسط یک کولرترموالکتریک - Thermo Electric Cooler - TEC و مدار حسگر دما محقق شده است. با کنترل جریان عبوري از TEC میتوان دماي لیزر دیود و در نتیجه طول موج آن را کنترل کرد. کنترل دماي لیزر دیود توسط یک کنترلکننده و یک حسگر حرارتی انجام میشود. حسگر حرارتی با اندازهگیري دماي لیزر دیود، سیگنالهاي مربوطه را به کنترل کننده ارسال میکند. سپس فرمان لازم جهت تنظیم جریان سلول ترموالکتریک اعمال میگردد. در بخش آشکارساز نوري، ایزولاسیون نوري و الکتریکی بسیار دقیقی انجام شده است که توانایی حذف نویز مناسبی را فراهم ساخته است. همچنین با استفاده از فیلترهاي مناسب در تغذیه فتو دیود، پایداري مناسب تغذیه فتودیود ایجاد شده است. جهت افزایش عرض باند مدار پیشتقویت و پایداري فتو دیود، از جبرانساز فاز در مسیر فیدبک فتودیود استفاده شده است.
-4 پردازش سیگنال
همانطور که در بخش 2 توضیح داده شد، براي بدست آوردن سرعت خون ابتدا باید طیف توان سیگنال داپلر را بدست آورد و سپس از نسبت ممان اول این طیف توان را بر خود طیف توان به عنوان مقدار سرعت خون استفاده می شود. در اندازهگیري سرعت خون به روش لیزر داپلر، براي دستیابی به یک پاسخ خطی نسبت به سرعت خون باید الگوریتم ممان اول طیف توان را دریک پهناي باند مناسب که شامل رنج فرکانس اصلی سیگنال باشد، به کار برد. در روش اندازه گیري سرعت خون به روش لیزر داپلر هر چه سرعت خون پایین تر باشد رنج فرکانسی اصلی سیگنال کمتر میباشد.
بدین دلیل براي اندازهگیري سرعتهاي کم، باید فرکانس قطع بالاي پهناي باند پردازش در محاسبه ممان اول طیف توان پایین قرار داده شود. به عبارت دیگر بالابردن فرکانس قطع بالا رنج فرکانسی بالاتري را میپوشاند که براي اندازهگیري سرعتهاي بالا مناسب است. به عبارت کلی میتوان گفت که تنظیم مناسب پهناي باند پردازش باعث بالاتر رفتن محدوده و میزان خطی بودن الگوریتم نسبت به سرعت خون و همچنین افزایش حساسیت آن میشود.
