激光多普勒血流监测
激光多普勒血流测定法
中国激光医学杂志CHINESE JOURNAL OF LASER MEDICINE& SURGERY1999年 第8卷 第3期 Vol.8 No.3 1999激光多普勒血流测定法吴劲松 陈衔城 陆栋 1975年，Stern［1］首次报道应用激光多普勒血流测定仪（laser-Doppler flowmetry, LDF）监测皮肤微循环血流量。
20多年来，关于LDF在皮肤、肌肉、移植皮瓣、脑和肾脏等组织器官微循环血流监测的实验和临床应用研究不断深入，取得较大进展。
LDF工作原理 一、激光多普勒效应 光本质上是一种电磁波，具有波的基本特征。
应用于生物体的安全激光波长窗为600～1200nm，在这个测量范围内，生物大分子对光线的吸收相对较弱。
生物介质且有非常复杂和强烈的多点散射界面，投射到生物组织表面的激光束只有很小一部分会透入深层后再反射回表面，因此人们通常只能接受来自生物介质表面层的光学信息。
对毛细血管内红细胞（RBC）运动引起的光强度涨落的分析更为复杂，不同于清洁介质（如大气层）中的激光多普勒效应。
从连续波激光器产生的发射光具有极强的空间和时间的相干性，允许人们从散射光的相位和强度变化来分析散射介质内颗粒物质（如RBC）在很小范围（＜1μm）的运动，达到的精度类似于其他光干涉仪技术的测量结果。
早期用激光多普勒狭缝灯作非侵入式的多普勒位移（Dopplershift）测量，发现位移与眼底视网膜动静脉中血流有关［2］。
以后各种利用激光多普勒位移效应测量组织微循环血流量的仪器陆续出现。
激光源产生单色激光束通过探头进入生物介质，在测量深度内的活动颗粒（主要是毛细血管网内快速移动的RBC）表面发生光散射而返回，此时反射光频率已经发生改变，即多普勒位移效应。
多普勒位移发生的幅度和强度分别与测量范围内的RBC移动速度和数量密切相关，而与RBC移动方向无关［3］。
多普勒位移幅度公式为： Δf=2υx/λ (1)式中Δf表示位移幅度，υx表示RBC流动速度，λ表示波长。
激光多普勒技术
参考光束型激光多普勒显微镜的光路示意图
后向散射光接收图
适合人体血流的测量，如眼球微血管血流的测 量
பைடு நூலகம்光多普勒技术在血流检测中的应用
血 流 计 显 微 镜 的 激 光 显 微 用 采
血液微循环研究 视网膜血流速度的测定 皮下微血管的血流测定（激光散斑血流计）
大血管的血流检测
特点：可以测量血流的径向分布。
激光多普勒技术在生物检测中的应用
二、激光多普勒测量的基本原理
光波的多普勒效应
当一个单色光照射到运动物体上，从观测 者（探测器）看来，运动物体的散射光或反射 光的频率产生了频率偏移（与原激光比），频 率偏移量大小和物体的运动速度、运动方向、 入射光的波长方向以及观测者位置有关。 ν＝ν0(1±u/c)
光外差接收
对于多普勒产生的频移量一般在300MHz，所 以很难直接测量，一般用差频的方法测量。
激光多普勒装置的基本结构
双散射型激光多普勒测速仪的工作原理
fd ＝(2n/λ×sinθ/2) ×u， u＝ fd /(2n/λ×sinθ/2)
其中fd 表示多普勒频率； u 表示垂直于光轴方向上流体速度； n 是被测流体的折射率； λ为入射激光束波长；θ 为两束光之间的 夹角。
激光相位多普勒技术
激光相位多普勒技术
激光相位多普勒技术是一种用于测量目标速度的高精度光学测量方法。
它基于多普勒效应和激光干涉原理，常用于测速、运动检测和遥感等领域。
以下是关于激光相位多普勒技术的一些基本原理和应用：
基本原理：
多普勒效应：
多普勒效应是指当光源和观测者相对运动时，光的频率发生变化。
对于激光相位多普勒技术，激光被用来照射目标，目标反射的光发生多普勒频移，该频移与目标速度成正比。
相位测量：
利用激光干涉原理，测量目标反射光的相位差。
相位差与多普勒频移相关，通过测量这个相位差可以确定目标的速度。
激光干涉：
激光被分成两束，一束直接照射到目标，另一束经过光程延迟器后照射到目标。
两束光在目标处发生干涉，产生干涉图样。
目标的运动导致了相位差的变化，通过测量这个相位差可以计算目标的速度。
高精度测量：
激光相位多普勒技术具有高精度和高分辨率的优点，适用于需要非常精确速度测量的应用，如气象雷达、交通监控、激光雷达等领域。
应用领域：
气象雷达：
用于测量大气中的风速。
激光相位多普勒技术可以提供对风场的高分辨率测量，用于气象研究和天气预测。
交通监控：
用于测量车辆的速度，可应用于交通管理、高速公路监控等领域。
激光雷达：
在激光雷达中，激光相位多普勒技术可用于测量目标的速度，常用于军事、安防和导航系统中。
医学影像：
在医学成像中，激光相位多普勒技术可用于测量血流速度，常应用于超声血流仪等设备。
总体而言，激光相位多普勒技术在需要高精度速度测量的各种应用中发挥着重要作用，提供了一种非常灵敏和精准的测量手段。
测血流量训练方法
测血流量训练方法测量血流量的训练方法通常涉及使用特定的医疗设备和技术，以确保准确性和可靠性。
以下是几种常用的血流量测量训练方法：1. 多普勒超声技术：原理：利用多普勒效应，通过超声波探头向血液发射和接收反射回来的声波，根据声波频率的变化计算血流量。
训练内容：学习如何正确放置探头、调节仪器参数（如增益、角度校正等），以及如何解读多普勒信号和波形。
2. 激光多普勒血流量计：原理：使用激光束照射血管，通过分析散射光的多普勒频移来计算血流量。
训练内容：掌握激光束的正确对准、仪器的校准和数据的分析方法。
3. 电导式血流量计：原理：通过在血管周围放置电极，测量血管内血液的电导率变化来估算血流量。
训练内容：学习电极的安置、仪器的操作流程以及数据的解读。
4. 磁共振成像（MRI）血管造影：原理：利用MRI技术获取血管的横断面图像，通过图像上血液流动造成的相位变化计算血流量。
训练内容：了解MRI设备的操作、图像的采集和后期处理，以及如何从MRI图像中提取血流量信息。
5. 正交多普勒技术：原理：使用两个方向上的超声波探头，分别获得血流速度和方向信息，从而计算血流量。
训练内容：学习两个探头的正确放置、同步操作及数据融合技术。
在进行血流量测量训练时，应注意以下几点：熟悉相关的解剖学和生理学知识，了解血液流动的基本原理。
掌握不同测量技术的适用范围和局限性。
进行实际操作前，先在模拟模型或低难度病例上练习，逐渐过渡到真实病例。
严格遵守操作规程，确保患者的安全和测量结果的准确性。
定期参加专业培训和技能更新，保持操作水平的先进性。
血流量测量是一项专业性较强的工作，需要医务人员经过系统的培训和实践才能熟练掌握。
激光多普勒测量原理
激光多普勒测量原理激光多普勒测量的原理是通过激光束照射到目标物体上，并通过接收器接收反射回来的激光信号。
当目标物体相对于测量仪器运动时，反射回来的激光信号会发生频率偏移。
根据多普勒效应的原理，目标物体靠近接收器时，发射回来的激光信号频率会增加，而当目标物体远离接收器时，发射回来的激光信号频率会减小。
通过测量这种频率偏移，就可以得到目标物体的速度。
激光多普勒测量可以被广泛应用于多个领域。
在医学上，激光多普勒测量被用于检测血液流速，例如心脏血流速度和血管中的动脉和静脉速度。
在气象学中，激光多普勒测量可以用来测量风速和风向，从而提供天气预报中的重要信息。
此外，激光多普勒测量也被应用于雷达系统中，用于测量飞机、船只等目标物体的速度和方向。
激光多普勒测量的具体实现是通过激光干涉仪来完成的。
激光干涉仪是一种利用激光的相干性原理来测量距离或速度的装置。
激光干涉仪将激光光束分为参考光束和测量光束。
参考光束经过分束器分为两部分，一部分直接射入光电探测器进行检测，另一部分经过反射镜反射回来与测量光束进行干涉。
测量光束照射到目标物体上，然后反射回来与参考光束进行干涉。
干涉后的光束将会产生干涉条纹，条纹的密度和移动速度与目标物体的速度有关。
通过对干涉条纹进行分析，可以测量目标物体的速度。
利用光电探测器检测干涉条纹的位移，可以计算出目标物体的速度和方向。
激光多普勒测量具有高度精确的特点，可以测量非常小的速度变化。
它还具有非接触测量的特点，不需要物体与仪器直接接触，减少了仪器磨损和目标物体扰动的可能性。
此外，激光多普勒测量也可以同时测量多个目标物体的速度，提高了测量效率。
总结起来，激光多普勒测量利用激光束照射到目标物体上，通过测量反射回来的激光信号的频率偏移来计算目标物体的速度。
通过激光干涉仪的干涉效应，可以实现对目标物体速度的高精度测量。
激光多普勒测量具有广泛的应用领域，包括医学、气象学和雷达系统等。
它不仅具有高精度和非接触测量的特点，还能够同时测量多个目标物体的速度。
激光多普勒测速技术的应用
激光多普勒显微镜光路图
用于血液流速测量的光纤 激光多普勒测速仪原理图
2
激光多普勒血流仪
激光多普勒可以监测整个微循环系统的血液灌注量，包括毛细血管（营养血流）、 微动脉、微静脉和吻合支。该技术基于发射激光通过光纤传输，激光束被所研究 组织散射后有部分光被吸收。击中血细胞的激光波长发生了改变（即多普勒频 移），而击中静止组织的激光波长没有改变。这些波长改变的强度和频率分布与 监测体积内的血细胞数量和移动速度直接相关。通过接收光纤，这些信息被记录 并且转换为电信号进行分析。
激光多普勒测速技术的应用
多普勒测速是通过检测流体中运动微粒散射光的多普勒频移来测定速度的。 激光多普勒测速有其突出的优点： 1）属于非接触测量，激光会聚点作为测量探头不干扰流场，也可很方便地 在恶劣环境中如火焰、腐蚀性流体内进行测量； 2）不需要流动校正； 3）不取决于温度、密度和流体成分等其他物理参数，仅对流速敏感； 4）取出量与速度成线性关系； 5）测量速度方向的灵敏性好； 6）动态响应快，测速范围广等。 但也有其局限性，例如： 1）需要示踪粒子，示踪粒子要与流体一起运动； 2）价格较贵； 3）被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口。 激光多普勒测速应用很广：可用于燃烧混合物、火焰、旋转机械、窄通 道、化学反应流动、风洞或循环水洞中流动速度的测量等。
6
该仪器由AT3010和AT3100组成， AT3010是将激光束照在振动物体 上，然后将反射光会聚，进行O/E 转换的装置，AT3100是速度解调 装置。
超音速风洞中激光测速
激光风速计在风洞中的使用不如在测量液流中那样普遍，其一是风洞不易建造， 其二是空气中尘埃下沉，很少甚至不可能产生自然的散射中心，而在液体中由 于存在着细小的尘埃，总是很自然地形成散射中心。因此在风洞中必须掺入少 量烟尘等微粒，这就使得这种系统变得复杂。美国阿诺德工程发展中心应用激 光多普勒测速技术对一英尺超音速风洞中激波附面层，机翼外挂物等多种系统 进行了测量，获得了很好的结果。
激光多普勒测量原理
激光多普勒测量原理激光多普勒测量原理是一种利用激光光束对运动物体进行测量的技术。
它基于多普勒效应，通过分析目标物体反射回来的激光光束的频率变化来计算目标物体的速度和运动方向。
激光多普勒测量广泛应用于雷达、交通监测、流体力学等领域。
激光多普勒测量原理的核心是多普勒效应。
多普勒效应是指当一个波源和观测者相对运动时，观测者所测量到的波的频率会发生变化。
对于激光多普勒测量而言，激光光束作为波源，目标物体作为观测者。
当目标物体静止时，激光光束的频率保持不变；而当目标物体运动时，激光光束的频率会发生变化。
如果目标物体远离激光光束，则光束频率变低；如果目标物体靠近激光光束，则光束频率变高。
激光多普勒测量原理的具体实现需要使用特定的设备和技术。
一般而言，激光多普勒测量系统由激光发射器、接收器、信号处理器和数据显示器等组成。
首先，激光发射器会发射一束激光光束，并将其照射到目标物体上。
目标物体会反射部分激光光束回到接收器上。
接收器会接收到反射回来的激光光束，并将其转化为电信号。
然后，信号处理器会对接收到的信号进行处理，提取出频率信息。
最后，数据显示器会将处理后的频率信息显示出来，以便用户进行分析和判断。
激光多普勒测量原理的优点在于其测量精度高、非接触性和实时性。
由于激光光束的波长很短，可以达到纳米级别的精度。
同时，激光多普勒测量原理不需要与目标物体直接接触，避免了对目标物体的干扰。
此外，激光多普勒测量系统可以实时监测目标物体的运动状态，适用于需要高时空分辨率的应用场景。
激光多普勒测量原理在不同领域有着广泛的应用。
在雷达领域，激光多普勒测量可以用于测量目标物体的速度和运动方向，实现目标追踪和碰撞预警。
在交通监测领域，激光多普勒测量可以用于测量车辆的速度和流量，提供实时的交通信息，帮助交通管理和规划。
在流体力学领域，激光多普勒测量可以用于测量流体介质中的速度和涡旋结构，研究流体流动的特性和行为。
激光多普勒测量原理是一种基于多普勒效应的测量技术，通过分析激光光束的频率变化来计算目标物体的运动状态。
激光多普勒血流监测
生物医学工程
人工器官血流监测
在人工器官移植和人工心 脏辅助装置中，监测血流 情况，确保器官的正常运 行。
生物材料研究
通过激光多普勒血流监测 技术，研究生物材料的血 流适应性。
生化传感器研发
利用激光多普勒技术监测 生化反应过程中的血流变 化，为生化传感器研发提 供技术支持。
04 实验方法与步骤
实验设备与材料
案例描述
某患者因疑似血管狭窄到医院进行诊断，通过激光多普勒 血流监测，医生发现患者血管狭窄程度较高，及时进行了 手术治疗，避免了可能的血管闭塞。
案例二：运动生理研究
应用场景
在运动生理研究中，激光多普勒 血流监测被广泛应用于运动前后 血流速度、血流量等参数的测量，
以了解运动对血流的影响。
技术优势
激光多普勒血流监测能够实时监 测运动过程中血流的变化，为运 动生理学研究提供重要的数据支
激光多普勒血流监测的定义
• 定义：激光多普勒血流监测是一种光学测量技术，利用激光束 照射组织表面，并测量反射或散射光的频率变化，以确定组织 中的血流速度。通过这种方法，可以测量微小血管中的血流， 提供关于组织血液供应的详细信息。
02 工作原理
激光多普勒效应
当激光束投射到生物组织表面时，由于散射作用，部分光能被组织吸收，部分光 能被反射。其中，散射光中包含了与血液流动相关的信息，这些信息被称为多普 勒频移。
研究展望
进一步优化激光多普勒血流监测技术
提高测量精度和稳定性，降低测量误差，使其在更多血管疾病中得到 应用。
开展大规模临床研究
验证激光多普勒血流监测技术在各种血管疾病中的诊断和治疗价值， 为临床实践提供更多依据。
加强与其他监测技术的联合应用
ldi原理
ldi原理LDI原理是一种光学技术，全称为Laser Doppler Imaging，即激光多普勒成像技术。
它是一种非侵入性的生物医学成像方法，可以用来观察和测量生物组织内的血流速度和血流量变化。
LDI原理的应用范围非常广泛，包括临床医学、生物医学研究、皮肤科学等领域。
LDI原理的基本思想是利用激光束经过组织时发生的多普勒效应来测量组织内血流的速度。
多普勒效应是指当激光束照射到运动的物体上时，由于物体的运动会对激光的频率造成偏移，从而改变反射回来的光的频率。
根据多普勒效应的原理，LDI技术通过测量反射回来的光的频率变化来推断组织内血流的速度。
在LDI系统中，激光器发出的激光束经过分束器后被分为两束，一束直接照射到物体表面，另一束通过移动镜反射后照射到物体表面。
这两束激光束分别与组织内的运动血流相互作用，然后反射回来。
接收器接收到反射回来的光，并将其分为两路，分别经过光电探测器检测。
由于血流的速度不同，反射回来的光的频率也会不同，通过检测两路光的频率差异，就可以计算出组织内血流的速度。
LDI技术的优势在于它具有非侵入性、实时性和高分辨率的特点。
相比于传统的血流测量方法，如超声多普勒成像和核磁共振成像，LDI技术无需注射对比剂，无需接触皮肤，不会对人体造成伤害。
同时，LDI技术可以实时监测血流的变化，对于研究血流动力学的变化非常有价值。
此外，LDI技术的分辨率较高，可以提供更详细的血流图像，对于观察血流的分布和病变的情况有更好的效果。
LDI技术在临床医学中有着广泛的应用。
例如，在皮肤科学中，LDI 技术常被用于观察和诊断血管疾病，如糖尿病足、静脉曲张等。
通过LDI技术可以直观地显示血流的变化，对于病变的早期诊断和治疗提供了帮助。
此外，LDI技术还可以用于研究心血管疾病、神经科学等领域，对于研究血流动力学的变化和疾病的发生机制有重要的意义。
LDI原理作为一种激光多普勒成像技术，在生物医学研究和临床应用中具有重要的价值。
激光多普勒测量原理
激光多普勒测量原理激光多普勒测量是一种基于多普勒效应的测量方法，利用激光束与目标物体相互作用后产生的多普勒频移来测量目标物体的运动速度。
激光多普勒测量原理可以应用于多个领域，如气象学、医学、空气动力学等。
激光多普勒测量的原理是基于多普勒效应，即当激光束与运动的目标物体相互作用时，激光光束的频率会发生变化。
当目标物体靠近激光源时，激光光束的频率会变高；当目标物体远离激光源时，激光光束的频率会变低。
这种频率变化与目标物体的运动速度成正比。
激光多普勒测量系统由激光发射器、光学元件、光电探测器和信号处理系统等组成。
首先，激光发射器产生一束单色激光束，然后通过光学元件将激光束聚焦到目标物体上。
当激光束与目标物体相互作用时，光电探测器会接收到反射回来的光信号。
光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并送入信号处理系统进行处理。
信号处理系统会分析接收到的电信号，并计算出激光光束的多普勒频移。
根据多普勒频移的大小和方向，可以确定目标物体的运动速度和运动方向。
激光多普勒测量系统可以实时测量目标物体的速度，并且可以精确到毫米级。
激光多普勒测量在气象学中的应用是测量大气中的风速。
通过激光多普勒测量系统可以获取到大气中不同高度上的风速数据，从而帮助气象学家进行天气预报和气象研究。
此外，激光多普勒测量还可以应用于医学领域，用于测量血液流速和心脏功能等。
在空气动力学研究中，激光多普勒测量可以用于测量飞行器的速度和飞行姿态。
激光多普勒测量原理的优点是测量速度快、精度高、非侵入性强。
相比于传统的测速方法，激光多普勒测量可以实现对运动物体的高精度测量，并且不会对目标物体造成干扰。
激光多普勒测量技术已经在许多领域得到广泛应用，并且不断发展和完善。
激光多普勒测量原理是一种基于多普勒效应的测量方法，利用激光光束与目标物体相互作用后产生的多普勒频移来测量目标物体的运动速度。
激光多普勒测量在气象学、医学、空气动力学等领域有着广泛的应用前景，并且具有测量速度快、精度高、非侵入性强等优点。
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Gene&I
吉安得尔
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1
1 原理
2 应用
3
Moor产品
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2
原理
多普勒效应——声波
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3
原理
多普勒效应——光波
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4
原理
激光多普勒血流仪检测原理
检测深度：激光波长，光纤间距，激光功率，组织特性 通常=1mm
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5
原理
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6
原理
检测结果
Flux=平均血流量 Conc=血细胞浓度 Speed=平均血流速度 DC=总回光强度 温度(℃)
测量单位
相对值而非绝对值 PU (灌注单位） 校准 0.5微米聚苯乙稀溶液
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7
原理Βιβλιοθήκη 激光多普勒研究者与制造商普遍同意不宜使用绝对血流单位如 ml/minute/100g。这是由于毛细血管和连接性小血管中血流的性质，
值；标准流量信号产生自被进行热运动（即布朗运动）的聚苯乙烯微 球所散射的激光。Moor Insruments使用直径0.5微米的微球，用水稀 释至0.5%质量浓度。微球的平均速度为温度依赖性，所以理想的校准 应总是在相同的温度下进行。±5℃的变化将产生流量约5%的变化。因 此进行仪器校准检测时相对于标准温度（22℃）几度的变化是可接受 的。在厂内进行的校准，温度变化标准控制在±1℃。
记忆芯片式探头：内置校正参数，即插即用
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VMS参数
温度测量
范围：5℃ ~50℃. 精度：0.1ºC，准度：±0.3ºC.
输出
液晶屏显示灌注量、回光强度和温度。 USB直接输出至PC。 模拟信号输出：BNC接口，0-5V
常规
电源：100-230V AC，30VA，50-60Hz. 尺寸： W x H x D mm，重量：Kg
moorVMS-LDF1：235 x 60 x 200，1.4kg moorVMS-LDF2：235 x 80 x 200，1.5kg.
使用环境：临床或实验室，勿潮湿 使用温度：15-30℃.
关于VMS的无限连接性
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VMS探头
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探头座
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Gene&I
后脑灌注压，*闭合后充血反应
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Moor产品
接触式
VMS，DRT4(TREND，PRM2)，MoorLAB
非接触式
LDI2，BI，LDLS，FLPI
外围产品
MIC2，SHO2，IRLD20
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VMS
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14
VMS参数
测量参数
Flux（组织灌注量） Conc*（血细胞浓度） DC（回光强度） Temperature（温度）
以及不同皮肤颜色及结构的影响。不同的组织，比如皮肤，皮肤表面
不同的检测点有不同的吸收和散射系数。为了高准确度，必须用特定
的组织类型及特定检测部位进行校准。除了极特殊性况外这是不可实 现的，也不适用于常规的每日检测。Moor仪器的Flux，Conc，Speed和 DC通常使用自定单位。
为了对检测自定值指定标准，用标准流量信号校准血流仪以对检测赋
光学
温度稳定型激光二极管：785nm. 最大输出功率：2.5mW.
激光安全等级
Class 1 per IEC 60825-1:2007. Class 1 per 21 CFR 1040.10 and 1040.11.
激光多普勒信号处理
带宽：20Hz-3kHz，20Hz-15kHz，20Hz-22kHz可选 平滑时间常数：无平滑，0.1s，0.2s，0.5s，1.0s，3.0s。 自动增益控制和零点校正
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8
应用
牙齿
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9
应用
脑血流
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10
应用
小鼠后肢
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11
应用
检测对象
脑血流，体表血流，骨，齿，皮瓣，脏器
应用领域
*各组织、脏器微循环血流量、流速监测 *动物脑缺血模型建立与评价 *术后皮瓣监测，*烧伤创面评价，*预测截肢高度 *牙活力测试，*内皮功能 *指、趾端压力评估，*脉量记录，*皮肤灌注压，*伤
多普勒效应——光波（电磁波）
c=f •
当=780nm（检测光波长），c=3x108m/s 则f=3.846x1011 kHz
⊿f=f ·v/c
当c=2.25x108m/s（水中光速） 则v=1mm/s，2⊿f=3.42 kHz v=5mm/s，2⊿f=17.1 kHz
在水介质中以1mm/秒运动的颗粒所散射回 来的780nm波长激光的频移约为3.3 KHz
吉安得尔
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谢谢！
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