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。
關(guān)鍵詞： 近紅外光,；雙光源,；腦血氧檢測；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。而目前國外尚未見雙通道同時(shí)監(jiān)測雙側(cè)腦組織血氧,，并通過比較來反映患側(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)，為臨床通過對(duì)比來評(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)過程與波長相關(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)際的測量中,，不同病患的膚色,、組織性能的差異，使得測量Hb和HbO2的絕對(duì)濃度困難重重,，因此在實(shí)際監(jiān)測中,，一般使用光密度的變化來表征血容量和血氧的變化,。
2 便攜式腦血氧檢測設(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雙波長光源,，通過雙光源交替照射顱腦組織,，通過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,，通過由時(shí)序脈沖控制的模擬開關(guān)控制放大的進(jìn)程,，同時(shí)該監(jiān)測設(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)備采用了無線傳輸,，通過軟件實(shí)現(xiàn)了ARM7和ARM9之間的無線傳輸，可方便地在傳輸范圍內(nèi)移動(dòng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測,，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。
　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，控制語音電路輸出音頻,?？刂普Z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,，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,。
參考文獻(xiàn)
[1] 王強(qiáng),，林淑娟，羅致誠.無創(chuàng)傷紅外光譜腦血氧監(jiān)測儀[J].國外醫(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)測設(shè)備的研制[J].激光與紅外，2006,，36(8)：661-664.
[4] 王桂云,，侯思祖.基于ARM7的以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009,，25(2)：124-125,，204.
[5] 卜陳源.ARM7嵌入式處理器以太網(wǎng)通訊的實(shí)現(xiàn)[J].中國科技信息，2009,，23：87-88.