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基于USB的近红外脑组织血氧检测系统的研制

钱磊  
【摘要】: 作为重要的人体生理指标,脑组织的血氧参数可以用于人体大脑功能的测试和相关功能的评估。目前指端脉搏血氧饱和度检测、功能性磁共振成像(fMRI)、近红外光谱(NIRS)等技术都可用于血氧参数的无损检测,其中NIRS技术可以对脑氧进行无损、实时、连续的监测,克服了其他技术设备复杂,成本较高,并不适用于对脑氧实时、连续的监测等缺点,因此被广泛应用于康复医学、运动生理研究和脑机理研究等领域。 NIRS组织血氧检测技术首先在1977年被Jobsis提出。在此以后特别是自20世纪90年代以来,随着光电检测技术、计算机技术和信号处理技术的不断推进,NIRS组织血氧检测技术也发展迅速。由于传统的NIRS组织血氧检测系统采用的是PCI总线插卡、并口和串口(RS-232)等,而目前通用串行总线(USB)接口因其易于扩展、高带宽以及安装方便等优点已逐渐成为现代数据传输的发展趋势,现在计算机的各种外设都越来越多地使用USB总线进行数据传输,因此相比采用传统接口的NIRS组织血氧检测系统,采用USB接口的系统会更有利于它在科学研究方面的应用。 基于USB接口的近红外光谱血氧检测系统选用760nnm和850nnm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,在满足测量需要的同时也降低了测量噪声,采用以飞思卡尔半导体公司的8位单片机MC68HC908SR12为核心的数据采集系统采集所测信号,并通过USB接口将结果上传给PC机,可以实现无损、实时、连续监测人体组织的血氧参数。 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。下位机程序是指单片机上的USB固件程序,主要负责近红外光谱数据的采集,建立与PC机的USB通信并上传采集的数据。 本文在人体组织光谱学理论的基础上,阐明了NIRS技术解算组织血氧参数的理论方法即用修正的朗伯-比尔定律求解组织的血氧参数。在理论研究的基础上,结合NIRS技术和USB接口技术改进近红外光谱血氧检测系统的软硬件设计方案。采用该方案的系统具有安装方便、即插即用的优点,通过实现人体组织血氧参数无损、实时、连续的监测,可广泛应用于脑功能检测等各个领域。


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