楊 倩 ，吳旭超 ，李凱揚(yáng)

(1.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué) 海生物醫(yī)學(xué)工程研究中心，湖北 武漢 430072)

氧是人體新陳代謝的重要物質(zhì)，而腦組織的耗氧量最高。如果在心腦血管疾病及腦外傷病人臨床搶救與治療中缺乏對(duì)腦組織供氧的監(jiān)護(hù)手段，就有可能造成腦組織神經(jīng)功能的喪失或損害。而目前國(guó)外尚未見(jiàn)雙通道同時(shí)監(jiān)測(cè)雙側(cè)腦組織血氧，并通過(guò)比較來(lái)反映患側(cè)腦組織血氧含量變化的報(bào)道[1-2]。

本文介紹的腦血氧監(jiān)測(cè)設(shè)備不但能同時(shí)采集左右兩側(cè)大腦對(duì)稱位置的血氧參數(shù)，為臨床通過(guò)對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)患側(cè)腦血氧變化量提供新方法，還采用了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)共享，達(dá)到了既能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大腦兩側(cè)數(shù)據(jù)，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的效果。

1 腦血氧檢測(cè)原理

本設(shè)備是根據(jù)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)紅外和近紅外光不同的吸收特征，利用修正后的朗伯特-比爾定律和血紅蛋白在近紅外光 (波長(zhǎng)為760～850 nm)處的不同吸收特性，可以推導(dǎo)出血容量和氧容量表達(dá)式如下[1]：

其中，Gb、G0分別表示血通道和氧通道的增益；a、b、g、k、Kb、K0均與 ε (ε 為波長(zhǎng)為 760 nm、850 nm 下，Hb和HbO2的光吸收系數(shù))有關(guān)的常數(shù)(Hb為脫氧血紅蛋白，HbO2為含氧血紅蛋白)；I(λ1)、I(λ2)分別表示雙波長(zhǎng)下的近紅外光的接收光強(qiáng)。由于Hb與HbO2中均包含Hb元素，所以血容量應(yīng)包含Hb和HbO2兩者的濃度之和，而氧元素只包含在HbO2中，因此氧容量等于HbO2的濃度。

由于光在組織中所歷經(jīng)過(guò)程與波長(zhǎng)相關(guān)，對(duì)于前后兩個(gè)不同的生理狀態(tài)，氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白濃度的變化可以表示為[2]：

由于在實(shí)際的測(cè)量中，不同病患的膚色、組織性能的差異，使得測(cè)量Hb和HbO2的絕對(duì)濃度困難重重，因此在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，一般使用光密度的變化來(lái)表征血容量和血氧的變化。

2 便攜式腦血氧檢測(cè)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件整體設(shè)計(jì)

本設(shè)備由探頭部分和主機(jī)部分組成，兩部分之間采用無(wú)線收發(fā)的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其具體系統(tǒng)框圖及工作流程如圖1所示。

圖1 設(shè)備系統(tǒng)框圖及工作流程圖

由圖1可看出，該設(shè)備采用由三星S3C2410A微處理器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖序列控制的760 nm和850 nm雙波長(zhǎng)光源，通過(guò)雙光源交替照射顱腦組織，通過(guò)離探頭一定距離的光電轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)收集經(jīng)透射后的光，并分成兩路進(jìn)行放大，通過(guò)由時(shí)序脈沖控制的模擬開(kāi)關(guān)控制放大的進(jìn)程，同時(shí)該監(jiān)測(cè)設(shè)備將放大后的透射光的濾波降噪、和差運(yùn)算、A/D轉(zhuǎn)換等電路均集成在探頭部分。這種設(shè)計(jì)可在一定程度上減小信號(hào)傳輸時(shí)的衰減程度和噪聲干擾，同時(shí)也節(jié)省了儀器體積，實(shí)現(xiàn)了便攜式設(shè)計(jì)。主機(jī)部分采用新型的S3C2410A微處理器，能更好地處理信息；新增了語(yǔ)音提示以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)共享接口，達(dá)到了快速直觀提示病患的健康情況以及數(shù)據(jù)傳輸、共享的作用；保留了以往的功率譜、相關(guān)函數(shù)、血氧飽和度的顯示，可為醫(yī)生在制定處方時(shí)提供一定的科學(xué)依據(jù)。在探頭部分與主機(jī)兩部分之間一般采用有線傳輸，其存在占用空間、成本較高、傳輸距離受限等眾多不足，為了克服這些不足，本設(shè)備采用了無(wú)線傳輸，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了ARM7和ARM9之間的無(wú)線傳輸，可方便地在傳輸范圍內(nèi)移動(dòng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，省去了有線傳輸所占用的大量面積和存儲(chǔ)空間，真正做到了便攜式監(jiān)測(cè)。

三星S3C2410A 16/32 bit RISC微處理器使用的是ARM920T核心。該處理器的主要特點(diǎn)為低功耗、低成本、小尺寸、高性能。其組件有：16 KB指令高速緩存和16 KB數(shù)據(jù)高速緩存，NAND閃存啟動(dòng)加載器，MMU的虛擬內(nèi)存管理器，3通道 UART，4通道 DMA，4通道PWM定時(shí)器，LCD控制器 （超扭曲液晶屏），8通道10 bit ADC和觸摸屏接口，2通道的SPI和PLL時(shí)鐘發(fā)生器。

在本腦血氧設(shè)備中，S3C2410A微處理器控制電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，從而使760 nm和850 nm發(fā)光二極管交替發(fā)光；當(dāng)數(shù)據(jù)從探頭部分輸入主機(jī)部分時(shí)，S3C2410A能處理、存儲(chǔ)、運(yùn)算數(shù)據(jù)，并控制LCD顯示輸出，控制語(yǔ)音電路輸出音頻。控制語(yǔ)音電路輸出音頻是本設(shè)備的核心。

2.2 基于ARM9的以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)

在以前的腦血氧監(jiān)測(cè)設(shè)備中，以太網(wǎng)電路選擇的是CS8900A芯片，該芯片的引腳數(shù)為100，占用了大量的PCB版圖面積。而DM9000A引腳數(shù)僅為48，可以大量節(jié)省PCB版圖面積。本文考慮到便攜式對(duì)器件大小的要求，故采用的是以太網(wǎng)控制器DM9000A芯片。DM9000A以太網(wǎng)控制器是由DAVICOM Semiconductor公司研制的一個(gè)集成、低成本、低引腳數(shù)的單芯片快速以太網(wǎng)控制器，其主要組成部分包括：1個(gè)10/100 M PHY和4 KB的雙字節(jié)SRAM。在提供了3.3 V～5 V輸入電壓時(shí)具有較低的功耗和較高的性能。DM9000A對(duì)各類接口處理器均支持8 bit和16 bit的數(shù)據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，符合IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，其自動(dòng)協(xié)商功能會(huì)自動(dòng)配置DM9000A，并最大限度利用它；支持IEEE 802.3x全雙工流量控制，48引腳的LQFP，集成了10/100 M自適應(yīng)收發(fā)器與自動(dòng)MDIX。

DM9000A芯片的各引腳的硬件接口電路如圖2所示。為了保護(hù)芯片的數(shù)據(jù)和地址引腳，保護(hù)引腳免受瞬間高壓的損壞，在每個(gè)引腳后方接一個(gè)零電阻(這些零電阻在圖2中未標(biāo)出)。圖中，電阻R7～R10可用來(lái)去除以太網(wǎng)輸入輸出電路中的信號(hào)雜波、耦合等干擾；芯片RClamp2504N用作對(duì)以太網(wǎng)的高壓保護(hù)，以防止瞬間過(guò)高電壓以及脈沖電流對(duì)DM9000A的損壞；X1是工作頻率為25.000 MHz的晶振電路，為單片機(jī)正常工作提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，并通過(guò)電容C5、C6濾去直流信號(hào)后接地，達(dá)到了設(shè)計(jì)的安全性；引腳 19、20、21、46未使用做懸空處理。

圖 3為芯片引腳 15、33、45、48的接地端的保護(hù)電路，該電路通過(guò)半導(dǎo)體電容和極化電容的成對(duì)并聯(lián)，達(dá)到了濾除電壓波動(dòng)、同時(shí)保護(hù)芯片引腳在過(guò)流瞬間燒斷的作用。

圖2 以太網(wǎng)絡(luò)控制芯片DM9000A的硬件電路

圖3 保護(hù)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中DM9000A驅(qū)動(dòng)模塊程序包括：

(1)設(shè)定以太網(wǎng)物理地址，可在初始化DM9000A前修改。

(2)定義接收幀類型、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和地址端口。

(3)設(shè)置工作模式，8位或16位模式。本設(shè)計(jì)采用16位模式，設(shè)定數(shù)據(jù)包收發(fā)過(guò)程中所用寄存器以及中斷方式。

(4)發(fā)送幀請(qǐng)求，初始化DM9000A，數(shù)據(jù)包收發(fā)流程。

DM9000A的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 DM9000A的軟件流程圖

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：以往使用的是以太網(wǎng)控制器，而本設(shè)計(jì)使用 DM9000A，其性能優(yōu)良、功耗低、價(jià)格低廉。最大的優(yōu)勢(shì)是DM9000A在10 Mb/s嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中占有很大的比重，在擁有共同的傳輸速度下，其芯片所占PCB板版的面積較小，而且可8/16 bit兩用，既方便了軟件設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，又方便使用。由于基于ARM的嵌入式醫(yī)療器械的廣泛使用和數(shù)據(jù)共享的需要，使得基于ARM的嵌入式以太網(wǎng)接口的軟硬件設(shè)計(jì)迫在眉睫，因此，開(kāi)展嵌入式以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)具有重要的意義，同時(shí)，該接口也有很好的應(yīng)用前景。

[1]王強(qiáng)，林淑娟，羅致誠(chéng).無(wú)創(chuàng)傷紅外光譜腦血氧監(jiān)測(cè)儀[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè)，1998(21)：19-26.

[2]胡博，朱建彬，楊榮，等.基于 ARM7實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊的設(shè)計(jì)與研究[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22(3)：17-20.

[3]李良辰，李凱揚(yáng)，秦釗.新型近紅外腦血氧監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制[J].激光與紅外，2006，36(8)：661-664.

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