论文研究-基于近红外光谱的血氧检测系统 .pdf

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基于近红外光谱的血氧检测系统,李成军,钱磊,近红外光谱血氧检测系统选用760nm和850nm两个波长的近红外发光二极管,利用运算放大器集成光敏管OPT101作为光电转换器,在满足测量需��
国科技论文在线 总体方案设计 NIRS血氧检测系统可以无损实时地测出组织血氧参数,该系统的原理框图如图2所小。 LED发出的双波长近红外光入射到人体组织并被吸收和散射,从而反射式传感器上的三个 检测器都可检测到出射光,同时可将该出射光转化为电信号。这三个检测通道的电信号经过 各自的馈相放大器被放大和滤波,然后通过AD转换得到对应的数字信号,最后通过单片 机内部的程序解算,可得到被测组织的血氧参数。测量结果还可通过USB接口上传到PC 机,以实现进一步的分析和处理 系统硬件设计 光源的选择 由Hb和HbO2的吸收谱(如图3)可知,在760nm波长检测光附近还原血红蛋白(Hb) 表现出强烈的吸收特性,在850nm附近氧合血红蛋白(HbO2)的吸收大于其它色团,在这两 个波长的中心805nm附近,这两种成分的吸收能力大致相当。综合考虑系统电路设计的简 沽和性价比等因素,在光源的设计中采用了集成发光二极管作为检测光源,其中包括测量所 需的760nm和850nm两个波长 ===========L 〓HbC2 ==: 2.5 爺书把一 0.5 7D0 750 800 900 950 1000 波长mm 图3Hb和HbO2在:650-1000nm波段的吸收谱 光电信号转换 探测电路最重要的部分在于光电探测器的选择。中于检测光在透过被测组织后有较人的 衰减,所以在设计光电转换电路的时侯,为了方便设计和调试,更重要的是为了减小测量探 头的体积,简化光电检测器电路,提高电路的探测灵敏度和工作稳定性,采用BB公司生产 的光电二极管一运算放大器集成光敏管OPT101作为光电转换器。采用光一电集成芯片可避 免分立器件设计中由于存在杂散电谷引赳的漏电沇误差、增益尖峰等问题。 锁相放大 锁相放大器主要由信号通道、参考通道和相关器三部分组成。相关器是锁相放大器的核 心部件,可以排除噪声和τ扰以实现锁相放大器优越的抑噪能力。相敏检波器是相干检测的 国科技论又在线 心脏,直接决定了系统的性能。因此采用先进的集成式相敏检波模块CD505R2,它是由NF 公司生产的一种功能齐全的相敏探测模块,能够对频率范围1OH到10kHz的信号进行提取 和放大。该模块只需外接少量电阻、电容等元件就可以构成用于微信号提取的同步相关解 调电路。 转换 A/D转换是数据采集的核心模块。影响模数转换质量的主要参数有ADC的转換位数, 转换时间等。由于生物信号多是低频微弱信号,故要求AD单元具有较高的转换精度。本 课题利用单片机集成的ADC直接将采集到的模拟信号转化为数字信号,可以同时进行7路 电压模拟信号的转换,符合系统设计的要求。 单片机的选择 单片机是薮据采集系统的核心,稳定性和性能是第·要素。因此选择凌阳16位单片机 SPCE061A作为控制芯片,其具备2个16位可编程定时器/计薮器和7通道10位电压模-数 转换器(ADC),可提供LED的发光驱动信号和胜任多通道模拟信号的转换和采集。 控制器芯片的选择 现有USB控制器芯片的结构通常分为三种:专为USB设计的芯片;与现有芯片兼容的芯 ;需要外部微处理器接口的芯片。这里采用第三种方案,选择 philips的高速USB控制器芯 片ISP1581,一种价格低、功能强的USB接口器件,它完全符合USB2.0规范,并为基于微处 理器的系统提供了高速USB通信能力。ISP1581通过一个高速的迸用并行接口来实现与单片 机的通信。 系统软件设计 系统的控制程序分为两个部分:上位机程序和下位机程序。上位机程序是PC机上的 USB驱动程序和应用程序,主要负责建立与单片机的USB通信,发送控制指令和接受数据, 同时显示和保存数据。下位机稈序是指单片机上的USB固件稈序(如图4),主要负责近红 外光谱数据的采集,建立与PC机的USB迸信并上传采集的数据,其主循环程序如图5所 主循环 MAINLOOP. C 中断服务程序 标准设备清求处理 产品清求处理 ISR. C CHAP 9. c PROTODMA. C ISP1581命令接口 ISP1581C 硬件提取层 EPPHAL. C 图4USB固件程序流程图 国科技论文在统 主循环 初始化端口 和寄存器 近红外光湝 数据集 线复>是 总线复位处理 起改变是 挂起改变处理 建立包 是用协议处理程序 图5主循环流稈图 b Hbo T T s10 20 140 t(s) 图6Hb和HbO2在静脉阻断实验下的浓度变化 系统在体实验 选择10名23岁至26岁健康状况良好的男女青年作为实验对象,利用该近红外光谱血 氧检测系统对被测者前臂諍脉阻断仝过程进行动态监测。首先测量被测者静止状态前臂血氧 变化,20秒时采用血压计绷带对上臂施加8σπHg的压强,120秒时松廾绷带。可得前臂 各时间点的还原血红蛋白和氧合血红蛋白浓度变化(如图6)。 图中横坐标为时间,纵坐标为还原血红蛋白和氧合血红蛋白浓度变化(△Ch和△Chmo2) 从图中可以看出,当静脉阻断后,△C和△Cbo2随吋间而逐渐增长;但当静脉阻断释放 后,△C和△Chbo2会迅速降低至初始状态。在静脉阻断与释放的全过程中,△C:和△CHbo2 变化趋势相同,但△Cm相对△Cmo2较大。 理论上,在前臂静脉阻断过程中,位于组织深层的动脉血管会依旧向前臂泵血,故Co2 仍有一定量的增长:而前臂静脉冋流受阻引发的静脉血持续增加,会导致C有较大增长 当静脉阻断释放后,静脉血冋流并快速达到正常水平。因此,实验结果与理论是相吻合的。 国科技论文在统 结语 作为监测人体组织氧代谢的重要手段,近红外光谱血氧检测技术在临床监扩、脑机理研 究、运动生理硏究和康复医学等领域具有广泛的应用背景。本文以近红外光谱血氧检测原理 为基础,提出并改进了系统的总体方案以及软硬件设计,通过性能测试和大量肌氧测量试 验证实该系统可以无损、连续地实时监测人体组织的血氧参数,并具有较高的灵敏性和较好 的稳定性,在牛物医学领域具有广阔的应用前景。 参考文献 1JObsis F F. Noninvasive infrared monitoring of cerebral and my ocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters LJ]. Science 1977, 198: 1264-1267 2」徐国栋,陈刚,周超彦等,血氧含量的近红外测定及其在运动实践中的应用[J].武汉体育学院学 报2004,38(1):34-38 「3黄岚,丁海曙,王广志用近红外光漫反射光溍无创检测血糖监测中初步研究[J」.光谱学与光谱分 析,2002,22(3):387-391 [4]黄岚,丁海曙,田丰华等用近红外光谱对组织氧测量方法的研究[J红外与毫米波学报,2003,2:379-383 [S]王峰,李炜,丁海曙.用近红外光谱技术实现生物组织含氧量的无损检测[J]清华大学学报(自然科学 版),1999,39(7) [6]李岳.丁海曙,黄岚等.近红外光谱方法在颌面外科皮瓣移植术后监测中的应用[J].光谱学与光谱分 析,2005,25:377-380 [7 Wang F, Ding H, Tian F, et al. Influence of overlying tissue and probe geometry on the sensitivity of a ncar-infrared tissuc oximeter [J]. Physiol. Mcas, 2001, 22: 201-208 [8] Chance B, Cope M, Gratton E, et al. Phase measurement of light absorption and scatter in human tissue [J] Rov. SciInstrum. 1998.69: 3457-3481 [9 Chengjun Li, Ilui (ong, Zhuo Gian, Qingming Luo Monitoring of prefrontal cortex activation during verbal n-back task with 24-channel function NIRS imager [J. Proc. SPIE, 2005, 5630: 882-891 lottola L and Quaresima V Principles, techniques and limitations of near infrared spectroscopy LJ. Can JAppl Physiol., 2004, 29: 463-487. 1]腾轶超,叶大田,李岳等.无损检测组织氧饱和度的近红外光学传感器的优化设计研究[J].光谱学与光谱 分析,2008(04 [12]肖距雄翁铁成宋中庆USB技术及应用设计[M].北京:清华人学出版社,2003 [13]周立功JUSB2.0与OTG规范及开发指南[M].北京:北京航空航天出版社,204 Li Chengjun, Qian Lei Information Engineering College, Wuhan University of Technology, Wuhan, PRC, (430070) Blood-oxygen detection system based on NirS with multi-wavelength LED as light source which issues 760nm and 850nm near infrared spectroscopy, oPt101 as detectors which meet the measurement needs and reduce the measurement noises, and data acquisition system based SPCE061A which collects data and upload the results to pc through the USB interface, achieves non-destructive, real-time, continuous monitoring of blood-oxygen parameters

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