微血管红细胞流速的高场频显微电视系统研究
作者：黄敏 陈付毅 钱洪卫
单位：温州医学院物理教研室(325027)
关键词：微血管；红细胞流速；摄像机
温州医学院学报/990206 摘 要 目的 探讨微血管中红细胞高流速的检测方法。方法 通过提高摄像机的场频，使红细胞流速测试上限提高。结果 把摄像机的场频、行频分别提高到原来的8倍、4倍，使红细胞流速测试微血管红细胞流速的高场频显微电视系统研究上限提高到24mm/s，为摄像机和监示器每场8幅图像的摄像和显示打下基础。结论 通过提高摄像机的场频可实现微血管中红细胞高流速的检测。
A study for the high field frequency micro-TV system in the measuremeat of the red cells velocity in microvessels system.
, 百拇医药
Huang Min,Chen Fuyi,Qian Hongwei.
Department of Physics,Wenzhou Medical College,Wenzhou,325027
Abstract Objective To evaluate the measurement method of the high velocity of red cells in microvessels.Methods The upper limit of red cell velocity was increased by raising the field frequency of TV camera.Results The field and line frequency were increased separately to eight and four times that of the former.So the upper limit of red cell velocity was increased to 24mm/s.It could lay a foundation for the photograph and display of eight images per field in TV camera and monitor.Conclusion It may be possible to achieve the measurement of the high velocity of red cell in microvessels by raising the field frequency of TV camera.
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Key words Microvessel Red cell velocity TV camera
微循环研究在基础医学、临床医学和药理学研究中的地位已日益为国内外医药研究者所重视。微循环特征参数(管径、流速和压力等)的检测是微循环研究不可缺少的重要环节，而其中微血管中红细胞高流速(10～20mm/s)的检测则是微循环研究中的难题[1]。激光多普勒检测法虽可以检测高流速，但是激光的生物效应及其对微循环状态的影响仍是一个有争议的问题。双狭缝光电检测法也可检测高流速，然而需要较强的光源，且有图像无法再现、不能进行重复测试以及不能同时测试管径等缺点。显微-电视法则克服了上述两种方法的弱点[2]。这一方法是把微血管图像显微放大后投射到摄像管靶面上，然后摄像机输出一个与微血管图像光学密度相应变化的电视信号，用于监视、录像和测试。电视法测试公式为[2]：
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Vrbc为红细胞流速，C是系统放大常数(μm/行)，Δt是两场图像之间的时间，Jo是Δt时间内红细胞移动的行数。
由于监视器屏幕上行数有限，因此窗口不能开得太大。据红细胞流速逐行采样相关法可知，△t时间内红细胞移动的行数Jo取值有限，所以红细胞流速测试上限受到最小△t的限制。我国标准电视系统测试上限约为3～4mm/s[1]。另一方面，红细胞流速较快时(10～20mm/s)，摄像机的惰性使红细胞成像产生拖影，这给流速测试带来了困难。如果减少△t，即提高电视场频，就可使测试上限提高，同时可减小摄像机的惰性影响。
本设计采用微血管竖放形式，可同时进行红细胞流速和微血管管径测试。由于把摄像机场频F改成了8F，微血管中红细胞流速测试上限理论值因此可达24mm/s，且大大降低了摄像机的惰性影响。而相应地把行频H改为4H，则为摄像机、监视器每场8幅图像的摄像和显示打下了基础。如图1所示。
图1 显示器显示
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1 原理
摄像机内同步信号是由晶振产生的。本设计从摄像机的同步发生电路的场行同步推动输出拉出二根线，分别进行8倍频和4倍频处理，然后把它重新送入摄像机外同步口(如图2所示)。同时，为了满足摄像机对微血管图像扫描范围的要求，修改摄像机场扫描电路中电容C值，使其扫描锯齿波电流斜率提高到原来的4倍。这样，便可通过测试仪和监视器对微血管红细胞高流速进行测量和监视了。
图2 摄像机场行倍频示意图
2 倍频电路设计
脉冲倍频电路的种类很多。单稳型倍频电路准确度较低，计数型或数控倍频器比较稳定、准确，但所需的器件较多且复杂。我们设计了一种新颖的开关式倍频器来实现摄像机场、行同步信号的8倍频和4倍频处理。原理如图3所示。
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图3 倍频器原理框图
当由行(场)同步脉冲触发的三角波信号输入时，由于各比较器参考电压不同，每次触发时便会输出N个脉冲，经R、C微分和D整流后触发微分单稳，形成脉冲并经放大后输出即成为摄像机的外同步信号。这种倍频电路与其它几种相比具有响应速度快、适用的频带较宽、线路简单易调等优点。
3 摄像及显示
为了提高微血管红细胞流速测试上限，减小摄像机惰性的影响以及监视器每场显示8幅图像，我们把摄像机场频F提高到8F，行频提高到原来4倍。可这样一来，摄像机场同步脉冲周期就缩短到原来的1/8，而这又将使扫描范围因场偏转线圈上的锯齿波电流幅值减小而大大缩小。为了实现如图1所示的显示，这须将摄像机场偏转线圈电流幅值减到原来的一半。下面是摄像机场扫描电路的方框图：
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图4 摄像机场扫描电路方框图
由于场频很低，场偏转线圈几近于一纯电阻，只要在场偏转线圈上加上场脉冲锯齿波电压，就能在偏转线圈上得到线性的锯齿波电流。场脉冲锯齿波电压是由间歇振荡器对电容C的充放电开关作用形成的。由于充电时间常数大，电容器上因此可得到近似于线性的锯齿波电压。又因为摄像机场同步脉冲周期缩短到了原来的1/8，为使摄像机偏转线圈电流幅值减到原来一半，则应将场锯齿波电压斜率提高到原来4倍。我们所用的1315型摄像机充放电电容C为10μF，因此本设计将它改为2.5μF。
4 结果与讨论
本设计成功地将摄像机的场、行同步信号的频率分别提高到原来的8倍和4倍(如图5、图6)，从而使微血管中红细胞流速测试上限理论值达到了24mm/s，且同时还大大降低摄像机的惰性影响。
, 百拇医药
图5 8倍频场同步信号图
图6 4倍频行同步信号图
图7 摄像机8倍场频、1倍行频的摄像图
我们所用的1315型摄像机有各种保护电路，如果只是在摄像机外同步口加入8倍场频和4倍行频脉冲，它的各路电子开关就会打不开。因此，我们把摄像机扫描电路作了相应的改动，使其各点波形符合要求并最终实现了摄像机8F、1H的摄像及显示(如图7)。但要实现如图1所示的每场8幅图像的显示，实时进行微血管红细胞高流速的监测，还须变监视器的扫描方式。
致谢：承浙江大学王宏宇高工的指导和帮助。
4 参考文献
[1] Goodman AH. CCD Line-scan image sensor for the measurment of red cell velocity in microvessels. J Biomed Eng,1986,8(4)∶329
[2] 唐渝.显微-电视法测量微血管中红细胞速度.医疗器械，1982，4∶1
(收稿：1998-05-29，修回：1998-12-15), 百拇医药
单位：温州医学院物理教研室(325027)
关键词：微血管；红细胞流速；摄像机
温州医学院学报/990206 摘 要 目的 探讨微血管中红细胞高流速的检测方法。方法 通过提高摄像机的场频，使红细胞流速测试上限提高。结果 把摄像机的场频、行频分别提高到原来的8倍、4倍，使红细胞流速测试微血管红细胞流速的高场频显微电视系统研究上限提高到24mm/s，为摄像机和监示器每场8幅图像的摄像和显示打下基础。结论 通过提高摄像机的场频可实现微血管中红细胞高流速的检测。
A study for the high field frequency micro-TV system in the measuremeat of the red cells velocity in microvessels system.
, 百拇医药
Huang Min,Chen Fuyi,Qian Hongwei.
Department of Physics,Wenzhou Medical College,Wenzhou,325027
Abstract Objective To evaluate the measurement method of the high velocity of red cells in microvessels.Methods The upper limit of red cell velocity was increased by raising the field frequency of TV camera.Results The field and line frequency were increased separately to eight and four times that of the former.So the upper limit of red cell velocity was increased to 24mm/s.It could lay a foundation for the photograph and display of eight images per field in TV camera and monitor.Conclusion It may be possible to achieve the measurement of the high velocity of red cell in microvessels by raising the field frequency of TV camera.
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Key words Microvessel Red cell velocity TV camera
微循环研究在基础医学、临床医学和药理学研究中的地位已日益为国内外医药研究者所重视。微循环特征参数(管径、流速和压力等)的检测是微循环研究不可缺少的重要环节，而其中微血管中红细胞高流速(10～20mm/s)的检测则是微循环研究中的难题[1]。激光多普勒检测法虽可以检测高流速，但是激光的生物效应及其对微循环状态的影响仍是一个有争议的问题。双狭缝光电检测法也可检测高流速，然而需要较强的光源，且有图像无法再现、不能进行重复测试以及不能同时测试管径等缺点。显微-电视法则克服了上述两种方法的弱点[2]。这一方法是把微血管图像显微放大后投射到摄像管靶面上，然后摄像机输出一个与微血管图像光学密度相应变化的电视信号，用于监视、录像和测试。电视法测试公式为[2]：
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Vrbc为红细胞流速，C是系统放大常数(μm/行)，Δt是两场图像之间的时间，Jo是Δt时间内红细胞移动的行数。
由于监视器屏幕上行数有限，因此窗口不能开得太大。据红细胞流速逐行采样相关法可知，△t时间内红细胞移动的行数Jo取值有限，所以红细胞流速测试上限受到最小△t的限制。我国标准电视系统测试上限约为3～4mm/s[1]。另一方面，红细胞流速较快时(10～20mm/s)，摄像机的惰性使红细胞成像产生拖影，这给流速测试带来了困难。如果减少△t，即提高电视场频，就可使测试上限提高，同时可减小摄像机的惰性影响。
本设计采用微血管竖放形式，可同时进行红细胞流速和微血管管径测试。由于把摄像机场频F改成了8F，微血管中红细胞流速测试上限理论值因此可达24mm/s，且大大降低了摄像机的惰性影响。而相应地把行频H改为4H，则为摄像机、监视器每场8幅图像的摄像和显示打下了基础。如图1所示。
图1 显示器显示, 百拇医药
1 原理
摄像机内同步信号是由晶振产生的。本设计从摄像机的同步发生电路的场行同步推动输出拉出二根线，分别进行8倍频和4倍频处理，然后把它重新送入摄像机外同步口(如图2所示)。同时，为了满足摄像机对微血管图像扫描范围的要求，修改摄像机场扫描电路中电容C值，使其扫描锯齿波电流斜率提高到原来的4倍。这样，便可通过测试仪和监视器对微血管红细胞高流速进行测量和监视了。
图2 摄像机场行倍频示意图
2 倍频电路设计
脉冲倍频电路的种类很多。单稳型倍频电路准确度较低，计数型或数控倍频器比较稳定、准确，但所需的器件较多且复杂。我们设计了一种新颖的开关式倍频器来实现摄像机场、行同步信号的8倍频和4倍频处理。原理如图3所示。
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图3 倍频器原理框图
当由行(场)同步脉冲触发的三角波信号输入时，由于各比较器参考电压不同，每次触发时便会输出N个脉冲，经R、C微分和D整流后触发微分单稳，形成脉冲并经放大后输出即成为摄像机的外同步信号。这种倍频电路与其它几种相比具有响应速度快、适用的频带较宽、线路简单易调等优点。
3 摄像及显示
为了提高微血管红细胞流速测试上限，减小摄像机惰性的影响以及监视器每场显示8幅图像，我们把摄像机场频F提高到8F，行频提高到原来4倍。可这样一来，摄像机场同步脉冲周期就缩短到原来的1/8，而这又将使扫描范围因场偏转线圈上的锯齿波电流幅值减小而大大缩小。为了实现如图1所示的显示，这须将摄像机场偏转线圈电流幅值减到原来的一半。下面是摄像机场扫描电路的方框图：
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图4 摄像机场扫描电路方框图
由于场频很低，场偏转线圈几近于一纯电阻，只要在场偏转线圈上加上场脉冲锯齿波电压，就能在偏转线圈上得到线性的锯齿波电流。场脉冲锯齿波电压是由间歇振荡器对电容C的充放电开关作用形成的。由于充电时间常数大，电容器上因此可得到近似于线性的锯齿波电压。又因为摄像机场同步脉冲周期缩短到了原来的1/8，为使摄像机偏转线圈电流幅值减到原来一半，则应将场锯齿波电压斜率提高到原来4倍。我们所用的1315型摄像机充放电电容C为10μF，因此本设计将它改为2.5μF。
4 结果与讨论
本设计成功地将摄像机的场、行同步信号的频率分别提高到原来的8倍和4倍(如图5、图6)，从而使微血管中红细胞流速测试上限理论值达到了24mm/s，且同时还大大降低摄像机的惰性影响。
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图5 8倍频场同步信号图
图6 4倍频行同步信号图
图7 摄像机8倍场频、1倍行频的摄像图
我们所用的1315型摄像机有各种保护电路，如果只是在摄像机外同步口加入8倍场频和4倍行频脉冲，它的各路电子开关就会打不开。因此，我们把摄像机扫描电路作了相应的改动，使其各点波形符合要求并最终实现了摄像机8F、1H的摄像及显示(如图7)。但要实现如图1所示的每场8幅图像的显示，实时进行微血管红细胞高流速的监测，还须变监视器的扫描方式。
致谢：承浙江大学王宏宇高工的指导和帮助。
4 参考文献
[1] Goodman AH. CCD Line-scan image sensor for the measurment of red cell velocity in microvessels. J Biomed Eng,1986,8(4)∶329
[2] 唐渝.显微-电视法测量微血管中红细胞速度.医疗器械，1982，4∶1
(收稿：1998-05-29，修回：1998-12-15), 百拇医药