本文是一篇工程论文，本文基于FPGA与NUCLEO-L053进行程序设计，经评估后，最终选用示波器代替FPGA与高速ADC组成的高速采集模块，实现了高速采集与超声脉冲信号时序控制，并建立了时差测量流程与气泡检测方法。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
Brettschneider和Starzl在20世纪60年代末首次提出了肝脏机械灌注[1]的概念。他们设计了一套MP灌注系统[2]，后来由于过于笨重，不易运输，又随着UW（University of Wisconsin）保存液[3]的出现，MP逐渐被静态冷保存 [4][5]（Static Cold Storage，SCS）所替代，并且在很长一段时间内，SCS成为肝脏保存的“黄金标准”[5]。后来，随着肝移植在治疗终末期肝病[6][7]方面取得巨大成功，供肝短缺已成行业普遍难题[8][9]。而且SCS很容易引起肝脏冷缺血损伤，进而导致胆道并发症、移植器官失效等症状[4] [1]，甚至致使患者死亡。而MP可减轻缺血-再灌注损伤，方便评估肝脏质量，实现在肝脏保存过程中清除代谢废物、提供满足肝脏代谢需求的基本物质，从而对离体肝脏起到保护与修复作用[10]，延长肝脏保存时间，提高部分边缘供肝（即病毒性肝炎供肝、脂肪肝）的利用率[11]，如图1-1所示。
MP技术还能对离体肝脏进行干预性治疗，如药物治疗、细胞移植等，它的优点是支持体外治疗，避免引发身体其它器官的不良反应。近年来，由于SCS技术的局限性和器官移植数量的剧增[14]，再加上“边缘供体”的开放，以及科技的不断发展，MP必将在肝脏乃至其它脏器的保存与修复中发挥重要作用。
MP是模拟人体生理环境。器官获取后，将器官与灌注系统管路相连，灌注系统将一定温度、压力条件下的灌注液持续灌注到离体器官内，以连续输送营养物质，达到器官保护与修复的目的。如图1-2所示，图中展示了国内厂家研发的肝脏灌注转运设备，属于低温MP设备，图中详细的展示了该低温MP系统的内部构成[15][16]。从图1-2可知，一台肝脏低温MP设备主要由蠕动泵，压力、温度、气泡、流量传感器以及管路等组成。MP系统通过控制蠕动泵将灌注液以一定的压力与流速分别通过门静脉与肝动脉输送到肝脏内部，再经肝脏下腔静脉流出至肝脏盒内，形成循环灌注系统。
1.2 肝脏机械灌注流量及实验
1.2.1 肝脏机械灌注流量概述
细胞的代谢速率在很大程度上依赖于温度，遵循指数曲线[27]。0~4℃的SCS就是基于这一原理将肝脏的代谢率降低到生理水平5%左右。由于这种关系，机械灌注过程中的温度决定了大多数其他灌注参数（包括压力、流量），通过优化灌注参数以满足给定温度下器官的代谢需求。
机械灌注主要分为常温机械灌注（NMP）、亚常温机械灌注（SNMP）、低温机械灌注（HMP），代谢速率依次减弱。NMP较接近人体温度，在35~38℃之间；SNMP温度在20~22℃之间；HMP温度在 0~12℃之间，业内一般默认4℃时为最佳。其中常温机械灌注肝动脉流量[14]约为280±120mL/min，门静脉流量[12]约为850mL/min。而低温机械灌注门静脉流量[13]约为686±25mL/min，根据lifeport厂家生产的肝脏低温机械灌注设备提供的设置流量参数为0.66mL/min/g，该参数指的是总灌注流量，与肝脏质量相关。
1.2.2 肝脏机械灌注实验
如图1-3为肝脏低温机械灌注实验，所用设备为国产的lifeperfusor，肝脏源于浙一医院的废弃肝脏，重量约780g，属于未成年肝脏，且具有30%坏死。将废弃的肝脏置于MP设备肝脏盒中，倒入2.5L的HTK灌注液（组氨酸-色氨酸-酮戊二酸盐液），将肝动脉与门静脉分别与设备的管路相接，然后启动恒压灌注，记录灌注曲线如图1-4所示。
第2章 超声波流量传感器测量原理及算法分析
2.2时差法测量原
如图2-3所示，换能器A与换能器B为超声波收发器，一发一收，分时交替工作。时差法正是利用置于流体上下游的换能器A与换能器B交替收发超声波时产生的时间差来测量的。当超声波入射到流体中时，由于受到流体流动速度的影响，其实际传播速度将是声速与流体流速的矢量和。由图可知，管径为D，倾斜入射的波束与液体流动方向夹角为θ，声速为c，液体流速为V，换能器A与换能器B相距L。
时差法超声波测流量的关键在于如何精确的测得超声波顺流与逆流时的绝对传播时间并通过顺逆流换能器同时收发得到更准确的时差。传统的测时方法是通过一个高频的时钟计数器，根据计数器计数的多少来测得超声波在介质中的传播时间。该方法适合对精度要求不高的大流量测量。假设计数时钟达到500MHz，那么计数周期为2ns，对于MP应用场合，管径一般不超过10mm，若流量为2000ml/min，则对应流速约为0.4m/s，时差约为2.5ns，这几乎与计数周期同量级，因此通过传统的脉冲计数的方法来测量超声波的绝对传播时间将产生很大的误差。
3.1超声波压电式换能器概述
目前主流的超声换能器主要有两种：一种是利用电场实现电声转换；另一种是利用磁场力效应实现电声转换。其中压电式换能器由于其机电转换效率高、方便加工、经济适用且性能稳定等特点，使得它不仅在理论研究与实际应用中大力发展，同时也促进了超声技术的发展。
压电换能器是基于压电效应[56]实现电能和声能的相互转换。如图3-1，压电晶体是超声换能器的核心部件，由压电陶瓷材料制成，如锆钛酸铅（俗称PZT）等，其优点在于声-电转换效率高，灵敏度高，适用较低的驱动电压，易于电声匹配，且价格低廉。压电晶片选型时，需了解描述其性能的关键参数，包括谐振频率、机电耦合系数、频率常数、机械品质因素、压电常数等。
第3章 双声道交叉型超声波换能器设计 ............................. 24
3.1 超声波压电式换能器概述 ............................. 24
3.2 压电式换能器等效电路 ................................. 25
3.3 压电式换能器结构设计与制作 ..................... 27
第4章 基于时差法超声波流量检测系统设计 .......................... 35
4.1 硬件系统设计 .............................. 35
4.1.1 收发模块 ................................... 36
4.1.2 通道选择模块 ........................ 40
第5章 模拟肝脏灌注流量测量实验研究 ............................ 60
5.1 肝脏灌注实验平台搭建 .................................. 60
5.2 不同条件下流量测量实验 ........................... 61
第5章 模拟肝脏灌注流量测量实验研究
5.1 肝脏灌注实验平台搭建
为了验证算法的可行性，从而评估系统测量流量的精度与可靠性，现搭建一套实验平台，图5-1所示为模拟肝脏灌注流量测试平台示意图，图5-2为实物图。整个实验平台主要由肝脏机械灌注设备、本文所设计的超声波流量检测系统、管路、示波器、PC主机组成。其中肝脏机械灌注设备内部具有一套完整的循环灌注系统，通过选择恒压灌注，系统可自动控制蠕动泵转速将一定流速的灌注液泵入肝脏以维持灌注压力恒定。为了模拟不同状况下离体肝脏灌注情况，本文选用医用三通阀代替肝脏，当启动恒压灌注后，通过旋转三通阀模拟肝脏灌注压力，从而控制灌注流量。然后将所设计的夹钳式换能器夹在管路输出端进行流量检测。为了保证接收信号质量，应在楔块内侧与管路之间涂上超声耦合剂。
如图5-2所示，该实验平台硬件检测系统可参考上一章4.1节中对各硬件模块的介绍，主要由收发模块、通道选择模块、脉冲生成模块及高速采集模块组成。其中，NUCLEO-L053开发板负责脉冲生成并输出模拟开关控制信号及脉冲同步信号。收发模块与通道选择模块的主要功能为通道选择、驱动、放大及电阻抗匹配，用于模拟信号处理，因而集合在一块电路板内。另外，经过前面章节的验证可知，本实验中的示波器用于代替由FPGA与高速ADC组成的高速采集模块，负责数据采集与存储。示波器两个通道探头分别接到硬件电路板测试环上，所采集的数据通过U盘保存，再在PC端运行算法。
第6章 总结与展望
6.1 总结
目前，对于超声波流量传感器的研究，很大一部分是基于高精度时间数字转换器（TDC）集成方案设计的。该方案优点在于成本低、开发周期短，只需要普通的微控制器，通过SPI或IIC通信可直接读取TDC测得的时差。其缺点在于带宽低，供电范围窄，驱动能力差，只支持单通道，灵活性差，主要用于工业领域的大流量检测，存在很大的局限性。鉴于此，对于MP系统中小管径小流量检测，能否设计出可靠的时差检测方案，使得时差算法在不同信噪比、不同管径、不同流量时都能有较好的鲁棒性从而完成高精度测量；能否研制并建模出合适的换能器且搭建出可靠的硬件系统，使得换能器能够稳定收发信号并由硬件系统采集与处理是本文研究的重点。本文研究成果如下：
（1）首先对人体肝脏灌注流量范围进行简要概述，并利用低温MP设备进行肝脏灌注实验，同时记录流量变化曲线，该实验表明了MP对离体肝脏修复与保存的有效性，以及流量检测在MP系统中的重要性，同时也论证了超声波流量传感器在MP系统中的应用前景。然后详细分析了基于时差法超声波流量检测原理，并根据流体
