《電子技術(shù)應(yīng)用》
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可穿戴式的功能近紅外光譜成像系統(tǒng)的前端設(shè)計(jì)
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第10期
謝 宏,,王光明,,姚 楠,,夏 斌
(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,,上海 201306)
摘要: 針對(duì)腦部血氧非侵入式無損血氧檢測(cè),,設(shè)計(jì)了一款多通道的可穿戴式功能近紅外光譜成像系統(tǒng)的前端,。采用超低功耗無線片上系統(tǒng)(System on a Chip,,SoC)芯片作為控制中心以及無線傳送模塊,,借用時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)光源驅(qū)動(dòng),,利用高靈敏度的光電傳感器以及高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集,實(shí)現(xiàn)一款體積小,、功耗低,、精度高、無線數(shù)傳,、可實(shí)時(shí)檢測(cè)腦部血氧濃度的系統(tǒng)前端,。給出了光源驅(qū)動(dòng)與信號(hào)采集擴(kuò)展方案,使得系統(tǒng)可以自由配置成更多通道采集系統(tǒng),。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 針對(duì)腦部血氧非侵入式無損血氧檢測(cè),,設(shè)計(jì)了一款多通道的可穿戴式功能近紅外光譜成像系統(tǒng)的前端,。采用超低功耗無線片上系統(tǒng)(System on a Chip,SoC)芯片作為控制中心以及無線傳送模塊,,借用時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)光源驅(qū)動(dòng),,利用高靈敏度的光電傳感器以及高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集,實(shí)現(xiàn)一款體積小,、功耗低,、精度高、無線數(shù)傳,、可實(shí)時(shí)檢測(cè)腦部血氧濃度的系統(tǒng)前端,。給出了光源驅(qū)動(dòng)與信號(hào)采集擴(kuò)展方案,,使得系統(tǒng)可以自由配置成更多通道采集系統(tǒng),。

  關(guān)鍵詞無線傳輸;可穿戴式,;近紅外光譜,;血氧檢測(cè);低功耗

0 引言

  功能近紅外光譜技術(shù)(functional Near-Infrared Spectroscopy,,fNIRS)作為一種非侵入式腦功能成像技術(shù),,不僅具有安全、體積小,、易于與其他設(shè)備(如腦電圖成像設(shè)備,、功能核磁共振成像設(shè)備)集成[1]等優(yōu)點(diǎn),而且具有較高的時(shí)間,、空間分辨率[2],。因此該技術(shù)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域和其他社會(huì)生活領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越受到重視,。

  目前便攜式醫(yī)療設(shè)備朝著“微型化,、智能化、個(gè)性化,、網(wǎng)絡(luò)化”的方向發(fā)展,。便攜式的fNIRS系統(tǒng)傳輸方式主要采用藍(lán)牙、ZigBee,、Wi-Fi,、無線射頻等無線技術(shù)。例如美國(guó)fNIR Devices公司的fNIR 1100w系統(tǒng)采用的是ZigBee技術(shù),,日本日立公司2009年發(fā)布的11通道WOT系統(tǒng)采用的是802.11b無線局域網(wǎng),,日本DynaSense與荷蘭Artinis公司分別基于藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)了用于研究的雙通道與單通道設(shè)備[3]。這些國(guó)外商業(yè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)院或者高校試驗(yàn)研究,,且價(jià)格昂貴,。國(guó)內(nèi)方面,,參考文獻(xiàn)[4]、[5]分別基于無線射頻(RF)技術(shù)(工作最高速率僅20 kb/s)與GPRS技術(shù)針對(duì)肌氧檢測(cè)的便攜式設(shè)備進(jìn)行了研制,,但其通道個(gè)數(shù)有限,,且傳輸速率受到限制,多通道系統(tǒng)中在保證數(shù)據(jù)精度的條件下很難滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,。

  本文以美國(guó)Gain-Span公司的一款高集成度,、超低功耗SoC芯片GS1011為核心,設(shè)計(jì)出一款基于Wi-Fi實(shí)時(shí)無線數(shù)傳的可穿戴式fNIRS系統(tǒng)前端,。

1 fNIRS技術(shù)基礎(chǔ)

  1.1 生理學(xué)基礎(chǔ)

  fNIRS系統(tǒng)是通過檢測(cè)血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)間接反映神經(jīng)活動(dòng)的,。ROY C S和SHERRINGTON C S于1890年針對(duì)神經(jīng)與血管間耦合關(guān)系提出了一個(gè)非常著名假說,即“大腦的血流供應(yīng)會(huì)隨其功能活動(dòng)的局部變化而進(jìn)行局部響應(yīng)”[6],。因此可以通過對(duì)血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)間接評(píng)定大腦神經(jīng)活動(dòng),。

  1.2 物理學(xué)基礎(chǔ)

  生物組織在650 nm~950 nm近紅外光譜波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)高散射、低吸收特性,,因此,,被稱為“光學(xué)窗口”。該波段范圍內(nèi)主要吸收光子物質(zhì)為血紅蛋白,、細(xì)胞色素等,,且這些物質(zhì)和占人體80%的水吸系數(shù)都比較低,允許光子從人體頭皮穿透顱骨,、腦脊液等達(dá)到大腦皮層,。生物組織對(duì)光吸收特性如圖1所示。

001.jpg

  1.3 修正的Beer-Lambert定律

  近紅外光在光學(xué)窗口內(nèi)能夠穿透生物組織,,光子在組織中通過多次散射之后反射出皮膚,。光子從光源到接收器之間大約走過一條“香蕉”形路徑,光子最大穿越深度大約為1/2倍的入射點(diǎn)與出射點(diǎn)間距離[7],,其在皮膚下的傳播路徑要遠(yuǎn)大于基本的Beer-Lambert中的直線距離,。

  DELOY D T等人在1988年提出了平均光路長(zhǎng)和微分光路長(zhǎng)來描述光子在生物組織中的傳播路徑,并推導(dǎo)出了修正的Beer-Lambert定律[8]:

  OD=ln(Io/I)=ε·DPF·l·c+G(1)

  式中,,ε為分子消光系數(shù)(M-1cm-1),;DPF為差分路徑長(zhǎng)度因子;l為光源—探測(cè)器距離(cm),;G為由皮膚,、脂肪等外層組織的光學(xué)特性引起的背景散射和吸收的常數(shù)損耗因子。

  臨床應(yīng)用中,,通常采用光密度的相對(duì)變化量研究生物組織的光學(xué)特性,,以最大程度地減小由不同生物個(gè)體的組織特性不同引起的差異。首先選取一個(gè)參考狀態(tài)作為基準(zhǔn),,然后通過檢測(cè)其他狀態(tài)的變化量檢測(cè)血紅蛋白的相對(duì)變化,。因此修正的Beer-Lambert定律可以改寫為:

  S_$YXXV0O_AE77IWF9_GMIV.png

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  本文研制的近紅外成像系統(tǒng)是一款反射式連續(xù)光(Continuous Wave,,CW)系統(tǒng),它包括光源探頭,、光源驅(qū)動(dòng),、接收器探頭、信號(hào)采集模塊,、控制及無線傳送模塊,、電源模塊。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示,。

005.jpg

  該系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng),,能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)腦部血氧濃度變化。系統(tǒng)前端通過GS1011的Wi-Fi模塊與上位機(jī)通信,,根據(jù)上位機(jī)指令協(xié)調(diào)系統(tǒng)前端工作,,并通過Wi-Fi將采集到的信號(hào)傳送到指定IP地址的上位機(jī)上。另外,,將復(fù)雜的數(shù)字濾波,、降噪及信號(hào)分離通過高性能的上位機(jī)進(jìn)行處理,,可以有效地減少系統(tǒng)前端的復(fù)雜性并提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,。下面根據(jù)系統(tǒng)總體框圖中各功能模塊依次介紹系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

  2.1 光源探頭設(shè)計(jì)

  近紅外光譜CW成像系統(tǒng)中光源常采用分布在805 nm附近的雙波長(zhǎng)或者采用包括805 nm波長(zhǎng)的三波長(zhǎng)作為入射光,。由圖1可知,,在760 nm時(shí),脫氧血紅蛋白吸收系數(shù)出現(xiàn)一個(gè)吸收尖峰,,因此本系統(tǒng)選取760 nm與850 nm作為入射光波長(zhǎng),。最終選用日本EPITEX公司用于醫(yī)療設(shè)備的雙波長(zhǎng)直插式LED(型號(hào):L760/850-04A),其峰值分別為760 nm和850 nm,,對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)分別為30 nm和35 nm,。

  2.2 光源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

  驅(qū)動(dòng)電流不穩(wěn)定將導(dǎo)致LED輸出功率波動(dòng),這樣就會(huì)引起輸出光強(qiáng)發(fā)生變化,,從而在有用信號(hào)上疊加一個(gè)噪聲,。因此,為了減小因驅(qū)動(dòng)引起的噪聲,,本系統(tǒng)采用東芝公司專用LED驅(qū)動(dòng)的16路輸出恒流源芯片TC62D748,。該芯片僅需要一個(gè)外接精密電阻就可固定輸出1.5~90 mA電流,具有電路簡(jiǎn)潔,、控制方便等特點(diǎn),,有效地減小了前端電路。

  2.3 接收器探頭設(shè)計(jì)

003.jpg

  由于發(fā)射光只有十幾mV,,從大腦反射出來的光在nW量級(jí),,因此系統(tǒng)接收器探頭必須具有較高的靈敏度與抗干擾能力,。系統(tǒng)最終采用Burr-Brown公司的光電傳感器OPT101,內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。該芯片具有以下優(yōu)點(diǎn):

 ?。?)抗干擾能力強(qiáng)。該芯片通過將雪崩光電二極管(APD)與互阻放大器集成在一起,,有效減少了雜散電容產(chǎn)生的噪聲,,以及漏電流、尖峰增益等誤差,。

 ?。?)高增益。通過在引腳4,、5之間外接反饋電阻電容網(wǎng)絡(luò),,可以提高增益系數(shù),且由于噪聲正比于反饋電阻的平方根,,因此在提高反饋電阻的同時(shí)提高了信噪比,。

  (3)線性度好,。該傳感器具有非常好的線性響應(yīng),,APD輸出100 μA時(shí)的非線性失真在0.05%以下。即使輸出1 mA時(shí),,非線性度也只增加幾個(gè)百分點(diǎn),。

  本系統(tǒng)通過外接10 M電阻且并聯(lián)5 pF電容組成放大反饋電路,前級(jí)電路DC增益達(dá)到11×106 V/A,,-3 dB帶寬為1.3 kHz,,上升時(shí)間約為270 μs。

  2.4 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)信號(hào)采集模塊采用TI公司最新推出具有高精度,、低功耗,、同步采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1299。其主要優(yōu)點(diǎn)有:

 ?。?)高分辨率,,8個(gè)低噪聲三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及可編程放大器(PGA,增益系數(shù)1~24倍可選),,在轉(zhuǎn)換速率不超過8 kS/s時(shí),,可以達(dá)到24 bit的分辨率,在使用內(nèi)部參考電壓VREF=4.5 V時(shí),,電壓分辨率可以達(dá)到VLSB=0.536 μV,。

  (2)抗干擾能力強(qiáng),,芯片的每路模擬輸入端有EMI濾波器,,可以濾除大多高頻干擾,。

  (3)低功耗,,芯片每個(gè)通道功耗僅5 mV,,而且具有靈活的省電、待機(jī)模式,,節(jié)電模式下典型功耗僅為10 μW,,可以最大程度地減小功率消耗。

  為了避免因頻率混疊對(duì)輸出造成的干擾,,模數(shù)轉(zhuǎn)換前增加了一個(gè)低通濾波器作為預(yù)處理電路,,抑制輸出信號(hào)超過奈奎斯特頻率的高頻噪聲。

  2.5 控制與無線傳送模塊設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)采用Wi-Fi作為數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),,不僅可以滿足大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送,,而且通信距離也比較大。最終選用美國(guó)Gain-Span公司生產(chǎn)的一款高集成度,、超低功耗SoC芯片GS1011,。該芯片采用2.4 GHz射頻,其無線發(fā)送速率峰值高達(dá)11 Mb/s,,平均速度為2 Mb/s,。室內(nèi)通信范圍可以達(dá)到50~70 m,室外可以達(dá)到200 m以上,。

  芯片采用兩個(gè)ARM7作為處理內(nèi)核,,其中一個(gè)負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)傳送與接收(WLAN CPU),另一個(gè)負(fù)責(zé)應(yīng)用程序管理(APP CPU),。芯片還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real-Time Clock,RTC)電源管理功能,,能夠有效減小功耗,,在待機(jī)狀態(tài)下功耗僅為15.5 μW,兩個(gè)CPU同時(shí)運(yùn)行時(shí)功耗也只有56 mW,。GS1011通過SPI口控制ADS1299采集以及接收模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào),,通過GPIO口控制恒流源芯片按照時(shí)序邏輯輸出電流。

3 系統(tǒng)擴(kuò)展

  本系統(tǒng)基本配置為8個(gè)光源,,8個(gè)探測(cè)器組成的8通道系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需求自由擴(kuò)展,。下面分別給出了16路通道的級(jí)聯(lián)模式示意圖,光源驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展如圖4所示,,信號(hào)采集擴(kuò)展如圖5所示,。

004.jpg

4 結(jié)論

  本文以近紅外光譜技術(shù)血氧檢測(cè)機(jī)理為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一款可以自由配置通道個(gè)數(shù)的血氧檢測(cè)系統(tǒng)前端,。為了實(shí)現(xiàn)可穿戴式設(shè)備的要求,,本文針對(duì)系統(tǒng)的便攜性,、低功耗、無線數(shù)傳進(jìn)行了重點(diǎn)研究,。通過使用低功耗,、高集成度芯片,使得整個(gè)系統(tǒng)體積小,、重量輕,、精度高、可自由移動(dòng),,并且系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù),。突破了臺(tái)式檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域,以及常規(guī)無線技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳送速率的限制,,適用于兒童,、老人、認(rèn)知心理學(xué)等領(lǐng)域的腦部實(shí)時(shí)血氧檢測(cè),。

參考文獻(xiàn)

  [1] PIPER S K,, KRUEGER A, KOCH S P,, et al. A wearable multi-channel fNIRS system for brain imaging in freely moving subjects[J]. NeuroImage,, 2014(85):64-71.

  [2] STRANGMAN G, BOAS D A,, SUTTON J P. Non-invasive neuroimaging using near-infrared light[J]. Biological psychiatry,, 2002,52(7):679-693.

  [3] FERRARI M,, QUARESIMA V. A brief review on the history of human functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application[J]. Neuroimage,, 2012,63(2):921-935.

  [4] 劉方,,駱清銘,,李鵬程,等.基于RF無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的近紅外血氧監(jiān)測(cè)儀的研制[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,,2003(3):162-166.

  [5] 陳剛.基于GPRS無線肌氧檢測(cè)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué),,2005.

  [6] ROY C S, SHERRINGTON C S. On the regulation of the blood-supply of the brain[J]. The Journal of Physiology,, 1890,,11(1-2):85.

  [7] 張巖.基于近紅外光譜技術(shù)的腦功能活動(dòng)信號(hào)提取方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

  [8] DELPY D T,, COPE M,, VAN DER ZEE P, et al. Estimation of optical pathlength through tissue from direct time of flight measurement[J]. Physics in Medicine and Biology, 1988,,33(12):1433.


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