摘要:近红外光无创伤检测是国内外生物医学工程界研究的热点之一,近红外颅内出血检测设备以MSP430单片机为控制核心,根据血红蛋白对两种波长近红外光不同的吸收特佂及朗伯特-比尔定律,能在短时间内对颅内出血作出及时准确的检测,为是否实施CT/MRI检查提供指征,从而缩短神经外科手术开始前的准备时间,可以显著提高患者的成活几率及神经系统功能的恢复。
1引言
在中国有许多因创伤性颅脑损伤的患者急需抢救, 但相当一部分颅内出血患者因未能及时诊断,延误了抢救和治疗时机,因而出现脑血肿或脑疝后压迫脑组织, 使脑干和脑实质受到不可逆转的损伤。近红外颅内出血检测设备能在短时间内对颅内出血作出准确的判断,为是否实施CT/MRI 检查提供指征,可以显著提高患者的成活几率及神经系统功能恢复, 在临床上主要用于硬膜外出血(EDH)、硬膜下出血(SDH)、浅表脑实质出血等,其优点是快速、准确、无损伤,可以应用于急救中心、医院临床科室、监护病房ICU 及野外战场等。 但在国内还未见到关于此类设备的相关报道,国外比较成熟的设备主要是德国Oicrain 公司生产的CRAINscan 仪器,价格昂贵。我们根据血红蛋白对近红外光的吸收特佂及朗伯特-比尔定律, 设计一种便携式设备,实现对人体脑组织的无创、直接测量,为及时监测病程变化和抢救治疗方案的制定提供依据。
2基本原理
当忽略散射时, 介质对入射光的总吸收量是介质中各色团吸收量的线性迭加,根据Beer-Lambert 定律,透过介质的光强It入射光强I0间满足以下关系:
其中μ 是吸收系数,c 是介质浓度,l 表示光程,OD 为光密度,当入射光波长一定时,OD 是介质浓度的线性函数。正常情况下人体大脑两侧对光的吸收是对称的, 如果有血管破裂引起内部出血时,局部血浓度升高,光的吸收就会增加,因此通过对人体大脑两侧光密度的测量可以判断颅脑外伤患者是否存在脑出血现象,为是否需要进一步 CT 或 MRI 检查提供指征。
3硬件设计
设备以MSP430 单片机为控制核心, 其输出脉冲信号驱动特定波长的LED 产生近红外光,近红外光源透过颅脑组织,由检测探头中的光电传感器采集含有脑组织血氧信息的光信号,光电转换后将电信号传送给单片机, 经过处理后的信号可以保存在EEPROM 中也可通过LCD 显示, 还可以将信号通过USB 口传送给计算机进行进一步处理或存储。其系统框图如图1 所示:
3.1 检测探头:
探头由光源、光电传感器和前端转换电路组成,小圆孔用于固定光源,光电传感器则固定在中间,光源选择LED,传感器选用S1226 系列光电传感器,其暗电流小,感光灵敏度为高。光源和传感器之间的距离设定为40mm, 探头的平均探测深度为约为3cm,光源以恒流源驱动,并在脉冲信号的控制下分时发光实现了双测检测的功能。接触面设计为弧形,边缘和放置光源及传感器的部位凸起,减少光源外泄,其余部位设计很薄,边缘有斜口,使其容易弯曲,基座材料采用医用硅胶,避免固定探头时给被测试者带来不适。
3.2 主机电路
3.2.1 MSP430 单片机
系统选择TI 公司生产的16 位单片机 MSP430F149,采用高效 RISC 结构,有16 个快速响应中断,最高时钟频率为 8MHz,中断唤醒时间小于6 微秒。其单片集成了多通道A/D 转换器、模拟比较器、定时器、串行通信接口、数控振荡器(DCO)、硬件乘法器,可以满足大多数设备的应用需要。其内部预设了JTAG 模块,具有完整的在线调试功能,可利用片内FLASH 方便地实现软件升级。
3.2.2 信号存储
AT24C512 是Atmel 公司生产的64KB 串行电擦除可编程存储器,采用8 引脚封装,具有结构紧凑、存储容量大等特点,特别适用于大容量数据存储要求的数据采集系统。其与单片机连接电路见图3,单片机通过P3 口来控制AT24C512 的读写,P3.0控制串行时钟输入端SCL,在上升沿将SDA 上的数据写入存储器,而在下降沿从存储器读入数据并送往SDA。P3.1 控制双向串行数据输入输出端SDA,主要用于存储器与单片机之间的数据连接。
3.2.3 光源驱动电路
光源驱动电路如图3 所示,单片机P5.4 脚输出VCTRL电压。P5.6 控制 EN 使能端,输入电压大于2.5V 时,器件工作,输出电流驱动LED 燃亮;当输入电压小于2.2V 时, LED1、LED2、LED3端呈现高阻抗,不能燃亮。
SET 是偏置电流输入端, 它与三只LED 输出电流的关系为ILED=230 x ISET, 而ILED=(VCTRL-VSET) / R , VSET= 1.215V,即: ILED=230(VCTRL-1.215)/ R 可以看出,LED 输出电流只与 P5.4 输出电压及电阻 R 相关,并且在单片机控制下轮流发光。
3.2.4 液晶显示模块
LSD12864CT 是一款图形点阵液晶显示器, 它主要由行驱动器,列驱动器及全点阵液晶显示器组成,可完成图形和文字显示。单片机通过P1 口实现对液晶模块状态寄存器的操作,P1.0控制D/I 寄存器选择信号线,P1.1 控制R/W 读写信号线,P1.2 和P1.3 控制CS1 及CS2 片选信号线,P1.4 连接/RST 端,P1.5 接 E使能信号线。P2 口为数据端口,与液晶模块的 8 位数据线相连。MSP430 专门分出两组I/O 端口用于液晶显示,通常启动液晶的顺序是:初始化,读状态字,写指令代码,写数据,开显示。程序代码按功能不同可分为写指令代码、写数据等模块,使能信号 E 上升沿触发有效。
3.2.5 计算机通讯
本系统接口芯片采用 PHILIPS 公司的PDIUSBD12,它是一款高性能的USB 接口器件,集成了SIE、FIFO 存储器、收发器和电压变换器。模块功能包括:同步模式识别、并串转换、位填充、解填充、CRC 校验/产生、地址识别等。其8 位并行数据接入MSP430 的P5 口,A0 为命令、数据选择线, 当A0=0 时,MSP430向PDIUSBD12 发送数据,当A0=1 时,则发送命令。其数据交换采取中断查询方式,通过查询 INT_N 是否为低电平来确定是否接受到上位机的数据或命令, 再通过 _W R 和 _RD 引脚实现MSP430 与 PDIUSBD12 的数据交换。
4软件流程
系统软件设计主要采用 MSP430 的 RISC 精简指令用汇编语言和 C 语言混合编程。系统主要分为以下几个部分:(1)系统初始化,包括系统时钟校准,A/D 转换参数初始化,看门狗的初始化,LCD 控制器的初始化等;(2)液晶显示部分,包括汉字的显示和波形显示;(3)中断处理,包括键盘中断处理,信号采样中断,异常数据报警部分等;(4)血含量计算,采用逐点微分法进行血含量计算。图4 是系统主程序的流程图。硬件初始化后,测是否有键按下,如果有则执行按键相对应的功能,然后由LCD 显示不同功能所对应的信息。如果无按键按下则显示当前实测血浓度,等待用户的下一步操作。
5临床应用
该仪器在医院临床应用时,对病人进行近红外光谱检查,探查部位为双侧额、颞和枕部,检查时,首先读取并记录一侧血氧值,然后在对称部位采样,重复2 次,取均值。计算两者之差,以差值≥0.45 为标准判断有无出血,随后进行脑 CT 检查。结果在47个病例中,CT 显示为脑出血的有 29 人, 其中硬膜下出血19 人,硬膜外出血7 人,浅表脑实质出血3 人。近红外光探测仪诊断脑出血28 人, CT 证实24 例,4 例为假阳性, 假阳性病例中2 人存在皮下血肿;近红外线检查为阴性者19 例, 17 例为CT 证实,两例假阴性病人中,1 例为蛛网膜下腔出血,另1 例为脑实质出血。
6小结
由于近红外光穿透力不强, 通过人体颅脑组织后衰减得相当厉害,设备空间分辨率不是很高,它不能替代常规 CT 检查来对颅内病灶进行定量和定位分析,其优点是在对人体无任何伤害的情况下快速地对伤情做出初步诊断。整体设计小巧,操作简单,价格便宜,具有一定的实用价值,投入生产后有望取得不错的经济效益。
本文作者创新点: 设备采用 MSP430 单片机作为主控系统,利用血红蛋白对近红外光的吸收特佂, 有效的实现了对人体无创伤、实时的监测功能,能够准确、及时的反映大脑组织的出血情况。
参考文献
[1]袁媛,龙村.近红外光谱仪(NIRS)在心血管外科中的应用[J].国外医学生物医学工程分册.2002, 01:46-49
[2]Martin W, von Siebenthal K. Comparison of three methods tomeasure absolute cerebral hemoglobin concentration in neonates bynear-infrared spectrophotometry [J]. Journal of Biomedical Optics.2002,02: 221-227
[3]Choi J, Wolf M, et al. Noninvasive determination of the opticalproperties of adult brain: near-infrared spectroscopy approach [J].J.Biomed Opt, 2004,01:221-229.
[4]李良成,张永顺等.双光源双探头脑血氧监测仪的设计[J].激光与红外.2007,07:653-655.
[5]谢飞,张河新等.基于MSP430及PROFIBUS的监测子站设计[J].微计算机信息,2008,1-2:105-106.
[6]章磊.便携式仪表液晶显示及按键电路的设计[J].微计算机信息,2007,9-2:155-156.
[7]苑玮琦,曹放.主动、从动 USB 接口的实现[J].微计算机信息,2007,10-2:304-306.
作者简介:李良成(1971-),男,汉族,湖南浏阳人,武汉大学物理学院硕士研究生,主要研究方向:生物医学工程。(050081石家 庄 白求恩 军医学院医 学影像教 研室)李 良 成张永顺 李忠红
通讯地址:(050081河北石家庄 白求恩军医学院医学影像教研室)李良成
