摘  要： 介紹了一種應(yīng)用雙光源的便攜嵌入式近紅外腦血氧監(jiān)測(cè)設(shè)備,。該設(shè)備采用三星S3C2410A微控制器和以太網(wǎng)控制芯片DM9000A進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì),，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)雙側(cè)腦組織局部血、氧參數(shù)的監(jiān)測(cè),。
關(guān)鍵詞： 近紅外光,；雙光源；腦血氧檢測(cè),；以太網(wǎng)接口,；DM9000A；S3C2410A

　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]：

　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。

　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(lèi)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,。

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(lèi)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。

　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,。
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