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激光多普勒测速技术原理及其应用作者：陈益萍来源：《电子世界》2013年第07期【摘要】激光多普勒测速仪（简称LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点正快速地发展成为众多领域中一种最常见的测定工具。
本文首先详细介绍了激光多普勒测速技术的基本原理，然后总结了激光多普勒测速技术在各个领域的应用，最后探讨了未来激光多普勒测速技术的发展方向。
【关键词】激光多普勒测速；频移；外差检测1.引言多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒.克里斯琴.约翰（Doppler，Christian Johann）发现的声学效应。
在声源和接收器之间发生相对运动时，接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率，于是称这一频率差为多普勒频差或频移。
1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。
只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度。
所谓光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间发生相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。
二十世纪六十年代，激光器得以发明。
激光的出现大力地促进了各个学科的发展。
由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，因此在精密计量，远距离测量等方面获得了广泛的应用。
伴随着激光在光学领域的应用，一门崭新的技术诞生了，这就是多普勒频移测量技术。
1964年，杨（Yeh）和古明斯（Cummins）[1]首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪（LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空、航天、机械、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展[2-3]。
激光多普勒测速仪是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。
2.激光多普勒效应3.光外差在激光测速仪中有三种常见的外差检测光路基本模式，它们是参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。
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。
•专家讲座•牙髓活力状态的临床判断之惑及解决之道黄定明，傅裕杰，谭学莲(四川大学华西口腔医院牙体牙髓科，四川成都610041)[摘要]牙髓组织具有形成牙本质、提供营养、传导痛觉和对外界刺激产生保护性反应的功能。
牙髓活力状态的临床判断是决定其治疗方案的选择和治疗效果评估的基础。
长久以来，牙髓活力状态判断的测 试方法以及判断标准，一直是临床医生争论的热点话题，且常常给临床医生在需要准确判断牙髓活力状态及选 择治疗方案时造成困惑。
本文就牙髓活力状态的临床判断中所存在的困惑以及解决方法做简单介绍。
[关键词]牙髓活力测试；牙髓感觉测试；脉搏血氧测定法；激光多普勒血流仪；牙髓神经分布[中图号]R788 [文献标识码] A [文章编号]1005 -2593(2017)08-0431 -07[D O I] 10. 15956/j. cnki. chin. j. conserv. dent. 2017. 08. 001Confusion and solution for pulp vitality testingHUANG Ding-ming, FU Yu-jie, TAN Xue-lian(Dept,of Conservative Dentistry and Endodontics,W est ChinaHospital of Stomatology,Sichuan University,Chengdu610041, China)[A bstract] Dental pulp tissue has the function of forming dentin, providing nutrition, conducting pain andgenerating protective response to environmental stimuli. The pulp vitality testing is the basis to determine the choice of treatment and the evaluation of therapeutic effect. But pulp vitality testing, especially its methods and assessment standard，has long been a hot topic among the clinicians and often cause confusion when the dentists need accurate assessment of pulp status and determine the choice of treatment. In this paper, we briefly introduce the confusion and solution of the pulp vitality testing.[Key w ords] pulp vitality test；pulp sensitivity test；pulse oximetry；laser doppler flowmetry；pulpal innervation [Chinese Journal of Conservative Dentistry, 2017, 27(8) ：431]在牙髓疾病的临床诊治中，牙髓的活力状态是 临床医生做出合理治疗计划所必须掌握的关键信 息之一。
血流量测量方法
血流量是指单位时间内通过血管的血液数量，其测量方法有以下几种：
1. 体外测量法：通过从血液采样后离体测量血流量。
常用的方法包括溶剂置换法、稀释法、热稳态法等。
2. 体内测量法：通过在人体内直接测量血流量。
常用的方法包括超声多普勒法、核素示踪法、磁共振成像法等。
- 超声多普勒法：利用超声波的多普勒效应测量血流速度来间接推算血流量。
可以进行连续监测，非侵入性，设备易得。
- 核素示踪法：在血液中注射放射性同位素标记物质，通过探测器测量放射性同位素的分布来计算血流量。
- 磁共振成像法：基于核磁共振技术，通过注射对比剂并在磁共振仪器中对血流进行成像以测量血流量。
3. 组织灌注测量法：通过检测组织血液灌注量来间接推算血流量。
常用的方法有滴定法、激光多普勒血流仪等。
- 滴定法：在组织内注射微量显色剂并测量其浓度的变化，从而计算出组织血流量。
- 激光多普勒血流仪：利用激光束穿过组织，测量血液中的红细胞运动速度来计算血流量。
这些不同的血流量测量方法各有优缺点，在不同的临床应用和研究中可根据具体需求选择合适的方法。
激光多普勒流速测量技术激光多普勒流速测量技术(ＬＤＡ)是用来测量气体或液体流速的。
这项技术与传统的测量技术相比具有显著优势，它可以精确测量许多不同粒子的速度，而不需要另外的仪器校正。
这项测量技术是非侵入式的，具有很高的频率响应和大的动态范围。
ＬＤＡ技术常应用在蒸汽流测量、风洞湍流测量和内燃机燃料流测量当中。
Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ８２Ｇ数据采集卡已被证明非常适用于ＬＤＡ系统数据的采集、存储和传输。
１LDA原理系统采用连续调制激激光多普勒流速测量技术(ＬＤＡ)是用来测量气体或液体流速的。
这项技术与传统的测量技术相比具有显著优势，它可以精确测量许多不同粒子的速度，而不需要另外的仪器校正。
这项测量技术是非侵入式的，具有很高的频率响应和大的动态范围。
ＬＤＡ技术常应用在蒸汽流测量、风洞湍流测量和内燃机燃料流测量当中。
Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ８２Ｇ数据采集卡已被证明非常适用于ＬＤＡ系统数据的采集、存储和传输。
１ LDA原理系统采用连续调制激光，激光被分成两束，先经光学系统聚焦后相互垂直入射到粒子流中。
在两束激光交叉处便产生了干涉图样。
激光束的后向散射经过接收光学系统后聚焦在探测器上，再由探测器实现光电转换。
ＬＤＡ原理示意图如图１所示。
２干涉图样为了研究光电探测器接收到的信号，必须知道两束光在交叉点产生的干涉图样。
如图２所示，被测对象是一个椭球体表面对应的干涉图光强分布，光强最大的分布点在干涉图的中心。
需要指出的是?当光束角度Ｋ减小时?被测对象将会远离聚焦光束?它的长度将增加而宽度减小。
就像前面提到的那样?信号是由粒子经过干涉图样反射的散射光组成，变化的振幅代表了每个干涉图光强的变化。
多普勒脉冲串的频率称为多普勒频率。
该频率与干涉图空间常数（ｄｆ）相乘可用来测量速度。
从图３可以看出，干涉图空间常数（ｄｆ）是由激光波长（λ）除以光束反射角（Ｋ）正弦的２倍得到。
由于激光波长可以精确测量（精确到０．０１％），因此采用ＬＤＡ技术可以非常精确地测量流体速度。
一、实验目的1. 理解激光多普勒测速原理；2. 掌握激光多普勒测速仪的使用方法；3. 通过实验验证激光多普勒测速技术的实际应用。
二、实验原理激光多普勒测速技术是一种非接触式测量技术，利用多普勒效应原理，通过测量反射光频率的变化来确定被测物体的速度。
实验中，激光器发射一束激光，经分束器分为两束，一束照射到被测物体上，另一束作为参考光。
被测物体反射的光与参考光发生干涉，通过分析干涉条纹的变化，即可计算出被测物体的速度。
三、实验仪器与材料1. 激光多普勒测速仪；2. 激光器；3. 分束器；4. 光纤；5. 被测物体（如旋转盘、振动平台等）；6. 光电探测器；7. 计算机及数据采集软件。
四、实验步骤1. 连接仪器：将激光器、分束器、光纤、光电探测器等仪器连接成激光多普勒测速系统。
2. 设置参数：根据被测物体的运动状态，设置激光多普勒测速仪的测量参数，如激光频率、探测范围、灵敏度等。
3. 调整仪器：调整激光器、分束器等仪器的位置，确保激光束照射到被测物体上，并使参考光与被测光发生干涉。
4. 实验测量：启动激光多普勒测速仪，使被测物体开始运动。
观察光电探测器接收到的信号，并记录数据。
5. 数据处理：利用数据采集软件对实验数据进行处理，计算被测物体的速度。
6. 实验结果分析：分析实验结果，验证激光多普勒测速技术的实际应用。
五、实验结果与分析1. 实验数据：在实验过程中，记录了被测物体的速度随时间的变化曲线。
2. 结果分析：根据实验数据，可以得出以下结论：（1）激光多普勒测速技术可以准确测量被测物体的速度。
（2）实验结果与理论计算值基本一致，验证了激光多普勒测速技术的可靠性。
（3）实验过程中，仪器性能稳定，无故障发生。
六、实验总结本次实验成功演示了激光多普勒测速技术，达到了预期目的。
通过实验，我们掌握了激光多普勒测速仪的使用方法，了解了激光多普勒测速技术的原理和应用。
同时，实验结果验证了激光多普勒测速技术的可靠性，为后续相关研究奠定了基础。
激光多普勒测速仪1 激光多普勒测速仪概念激光多普勒测速仪(LDV: Laser Doppler Velocimetry，是应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速的一种仪器，它具有线性特性与非接触测量的优点，并且精度高、动态响应快。
由于它大多数用在流动测量方面，国外习惯称它为激光多普勒风速仪（Laser Doppler Anemometer，LDA，或激光测速仪或激光流速仪（Laser Velocimetry，LV的。
示踪粒子是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获的速度信息的。
因此它实际上测的是微粒的运动速度，同流体的速度并不完全一样。
幸运的是，大多数的自然微粒（空气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子）在流体中一般都能较好地跟随流动。
如果需要人工播种，微米量级的粒子可以同时兼顾到流动跟随性和LDV测量的要求。
图1 德国elovis激光多普勒测速仪2 激光多普勒测速仪组成（1）激光器（2）入射光学单元（3）频移系统（4）接受光学单元（5）数据处理器3 激光多普勒测速仪基本原理仪器发射一定频率的超声波，由于多普勒效应的存在，当被测物体移动时（不管是靠近你还是远离你）反射回来波的频率发生变化，回收的频率是(声速±物体移动速度/波长，由于和波长都可以事先测出来（声速会随温度变化有所变化，不过可以依靠数学修正），只要将回收的频率经过频率-电压转换后，与原始数据进行比较和计算后，就可以推断出被测物体的运动速度。
图2 激光多普勒测速仪基本原理图4 激光多普勒测速仪特点和应用1）激光多普勒测量仪应用多普勒频差效应的原理，结构紧凑、重量轻、容易安装操作、容易对光调校；2）激光多普勒测量仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等。
3）激光多普勒测量仪既可以对几十米甚至上百米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等的微小运动进行精密测量；既可以对几何量如长度、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。
脑血流监测目前监测脑组织血流的方法很多，临床研究中比较常用的有氢清除法、放射核素法、单光子发射计算机断层法（SPECT）和正电子发射扫描（PET）等，但以上方法较复杂，主要应用于诊断而难以用于术中监测。
在手术中和手术后使用的脑血流监测方法主要有激光多普勒血流测定法、热弥散法、经颅多普勒法等。
一、激光多普勒血流测定法激光多普勒血流测定法（laser Doppler flowmeter，LDF）是一种连续、实时、微创和敏感的微循环血流监测技术，适用于神经外科术中rCBF的监测。
1.工作原理LDF的工作原理是利用激光多普勒效应。
激光通过探头照射到脑组织内的快速运动的红细胞表面，使其波长发生改变，产生多普勒位移效应（Doppler shift）。
波长改变的程度及幅度与红细胞的数量和运动速度相关。
通过记录波长改变的幅度和强度，从而可以推测局部脑组织血流（rCBF）。
LDF的测量范围较小，在探头周围1mm3，适合检测大脑皮层的血流量，尤其使用于比较血流的相对变化。
PU值为LDF 的基本测量指标，即流动的红细胞产生多普勒位移值，是一个表示测量深度内rCBF大小的相对单位，PU值的变化反映了rCBF的改变。
2.临床应用（1）监测脑过度灌注：在脑动静脉畸形（AVM）切除前后用LDF连续监测畸形血管团周边脑组织rCBF的动态变化，可及时发现脑过度灌注，指导临床及时处理。
（2）监测局部脑灌注不足：脑动脉瘤手术中有时需暂时阻断颈总动脉或载瘤动脉，此时以LDF连续监测被阻断动脉供血区的rCBF，能准确地反映该区域脑血流的下降程度，则有助于决定动脉阻断时间，减少脑组织不可逆的缺血性损伤的可能。
动脉瘤夹闭术中LDF连续监测邻近脑组织rCBF的实时变化，以免造成夹闭血管狭窄以致出现供血区缺血，减少手术并发症的发生。
（3）观察脑血流反应：LDF持续监测重型颅脑损伤脑皮质rCBF，可了解皮层血液灌注及脑血管自动调节功能，有助于指导治疗和判断预后。
一、实验目的1. 了解激光多普勒测速的原理和基本方法；2. 掌握激光多普勒测速仪的使用和操作；3. 学会分析实验数据，验证实验结果。
二、实验原理激光多普勒测速（Laser Doppler Velocimetry，LDV）是一种非接触式、高精度的速度测量技术。
其原理基于多普勒效应，当激光束照射到运动物体上时，反射光或散射光的频率会发生变化，这种变化与物体运动速度成正比。
实验中，激光多普勒测速仪发射一束激光，经透镜聚焦后照射到被测流体上。
被测流体中的微小颗粒对激光产生散射，散射光经过透镜聚焦到光电探测器上，光电探测器将散射光转换成电信号。
通过比较散射光与发射光的频率差异，即可计算出被测流体的速度。
三、实验仪器与设备1. 激光多普勒测速仪（LDV）；2. 透镜；3. 光电探测器；4. 计算机及数据采集软件；5. 实验用流体（如水）；6. 实验用颗粒（如尘埃、气泡等）。
四、实验步骤1. 将激光多普勒测速仪安装好，确保仪器稳定；2. 在实验容器中注入实验用流体，并加入实验用颗粒；3. 调整透镜和光电探测器的位置，使激光束能够照射到流体中的颗粒上；4. 打开激光多普勒测速仪，设置测量参数，如测量频率、采样频率等；5. 启动实验，观察数据采集软件显示的实验数据；6. 记录实验数据，包括测量时间、颗粒速度等；7. 关闭实验，整理实验器材。
五、实验结果与分析1. 实验数据记录：测量时间：2023年3月15日测量频率：1MHz采样频率：10kHz颗粒速度：v1 = 0.3m/s，v2 = 0.5m/s，v3 = 0.7m/s2. 实验结果分析：（1）实验结果显示，颗粒速度与测量频率、采样频率等参数密切相关。
通过调整测量参数，可以实现对不同速度范围颗粒的测量。
（2）实验数据表明，激光多普勒测速技术具有较高的测量精度。
在实验条件下，颗粒速度的测量误差小于±0.1m/s。
（3）实验过程中，激光多普勒测速仪表现稳定，无故障现象。
激光多普勒血流仪用于检测牙髓血流的比较研究
摘要目的使用激光多普勒血流仪（LDF）比较人的牙髓、手指、前臂、牙龈血流信号，评估血流仪测量牙髓血流的能力。
方法使用激光多普勒血流仪对28例受试者的指尖、前臂、牙龈、不透明的橡皮障覆盖下的上颌中切牙以及去除橡皮障后的中切牙血流信号进行测量，记录测量结果，并进行统计分析。
结果所有测量区域中血流信号在手指最大，依次是牙龈，没有橡皮障的牙齿，前臂，有橡皮障的牙齿。
使用不透明橡皮障的牙齿的血流信号接近0。
结论实验结果显示人的牙髓血流信号非常低，血流仪对于牙髓血流的检测有一定的限制。
关键词牙髓；血流；激光多普勒
激光多普勒血流仪虽然已经广泛应用于临床血流的监测，但目前还主要用于血流比较丰富组织。
人的牙髓血流应该是非常缓慢的。
本研究旨在使用激光多普勒血流仪比较牙髓、手指、前臂、牙龈的血流，评估血流仪对于牙髓血流的检测能力。
1 资料与方法
1. 1 一般资料本研究通过伦理委员会的审查，28例受试者于2016年1～5月参与了实验，其中男20例，女8例，年龄22～55岁，平均年龄（38.6±10.4）岁，受试者的上颌中切牙常规临床检查诊断健康，无龋病、磨耗、脱色等缺陷，无系统性疾病或心血管疾病，无高血压，近期未使用相关药物。
实验之前，研究目的和方法充分向每例受试者解释清楚，获得受试者的知情同意。
1. 2 组织血流的检测牙髓、牙龈、指尖和前臂的皮肤的血流通过以下方法测试。
测试部位使用多普勒激光照射
（2 mW，780 nm）（FLO-C1 HP Omegawave Inc.，Tokyo），反射光被引导回激光多普勒血流仪，通过光电转换，显示出测试部位的血流信号值。
1. 3 激光多普勒血流仪测量血流测量之前，取上颌切牙的印模，在石膏代型上制作树脂甲冠，覆盖中切牙的唇腭侧表面。
树脂甲冠唇侧延伸并覆盖部分牙龈。
在树脂甲冠中嵌入两个不锈钢套管：一个在唇侧表面距离龈缘大约 2 mm，与牙面垂直，另一个正对牙龈，便于固定激光多普勒光纖探头。
预备一个小的丙烯酸的薄片，埋入不锈钢的套管，用于指尖和前臂皮肤的测量。
测量在实验室内进行，用空调将室温保持在23℃左右。
依次对指尖、前臂、牙齿和牙龈进行测量。
首先对左手中指的血流信号进行测量。
激光多普勒血流仪的输出激光经光纤照射在手指，反射的光输入血流仪，待血流仪显示数据稳定后，记录所显示数据，为指尖的血流信号值。
在前臂重复同样的测量过程。
指尖和前臂测量完成后，进行上颌中切牙的测量，分别使用黑色的橡皮障和不使用橡皮障，最后测量牙龈。
参与者处在躺椅的仰卧位，树脂甲冠使用牙科粘接剂固定。
将血流仪光纤探头嵌入甲冠唇面套管，首先，使用血流仪对有橡皮障的牙髓血流信号进行记录。
随后去除橡皮障，重复牙髓的测量。
牙齿的测量完成后，测量探头嵌入正对牙龈的孔，对牙龈血流进行检测。
1. 4 统计学方法采用SPSS18.0统计学软件对血流信号数据进行非参数方法分析。
血流仪记录的血流信号之间的差别使用Steel-Dwass检验进行分析；橡皮障的影响使用配对秩检验（Wilcoxon’s signed rank test）。
P＜0.05表示差异具有统计学意义。
2 结果
2. 1 28例受试者血流信号在手指最大，依次是牙龈，没有橡皮障的牙齿，前臂，有橡皮障的牙齿。
见图1。
2. 2 有橡皮障牙齿的血流信号接近0 （0.0062 V [0.013 V]）（Steel-Dwass test，P＜0.01），模拟输出太低无法准确估计血流信号（0～10 V）。
没有橡皮障的血流信号为0.062 V [0.029 V]。
应用不透明的橡皮障，显著减少了牙齿的血流信号（82.6% [24.7%]）（P＜0.01，Wilcoxon’s signed rank test），28例受试者中12例没有明显的牙髓血流信号输出。
3 讨论
Kijsamanmith等[1]报道，使用橡皮障记录的牙髓血流信号非常低，接近设备检测能力的最低限度。
Ikawa等[2]也报道了在老年人牙髓血流信号非常小，几乎接近零。
应用橡皮障，牙髓血流信号减少了近50%。
激光多普勒血流仪具有模拟信号输出，可以显示测量组织的平均血流速度。
人工信号也可以从微小血流的目标组织的微小信号通过计算获得，例如应用橡皮障的牙髓。
因此，可以通过多普勒效应的能量谱判断出速度。
本研究检测的速度和使用电子视频影像剪切技术得到的鼠牙髓的毛细血管，毛细静脉的血流速度相近。
本研究中，入射激光到达牙髓中心的周边部位，可以推测这些部位的血管是主要的毛细血管，因为血管的数量和直径随着年龄相关性的改变而减少。
在橡皮障下牙髓血流速度比其他组织的血流速度要慢。
本研究同样通过应用不透明橡皮障消除牙周组织来源的信号，牙髓血流信号降低幅度的大小（图1，82.6%）和以往研究[1]相近。
牙髓血流信号格外地降低（20%）认为和血细胞密度有关，牙髓的血细胞密度低于牙周组织。
总之，比较其他的检测部位，牙髓血流信号非常低，在使用橡皮障的情况下，激光多普勒血流仪对于牙髓血流的检测受到一定的限制。
参考文献
[1] Kijsamanmith K，Timpawat S，V ongsavan N，et al. Pulpal blood flow
recorded from human premolar teeth with a laser Doppler flow meter using either red or infrared light. Arch Oral Biol，2011，56（7）：629-633.
[2] Ikawa M，Komatsu H，Ikawa K，et al. Age-related changes in the human pulpal blood flow measured by laser Doppler flowmetry. Dent Traumatol，2003，19（1）：36-40.。
