基于MSP430顱內(nèi)出血檢測設(shè)備的研制
摘要: 設(shè)備采用MSP430單片機(jī)作為主控系統(tǒng).利用血紅蛋白對近紅外光的吸收特征.有效的實(shí)現(xiàn)了對人體無創(chuàng)傷、實(shí)時的監(jiān)測功能.能夠準(zhǔn)確、及時的反映大腦組織的出血情況。
Abstract:
Key words :
1 引言
在中國有許多因創(chuàng)傷性顱腦損傷的患者急需搶救,但相當(dāng)一部分顱內(nèi)出血患者因未能及時診斷,延誤了搶救和治療時機(jī).因而出現(xiàn)腦血腫或腦疝后壓迫腦組織.使腦干和腦實(shí)質(zhì)受到不可逆轉(zhuǎn)的損傷。近紅外title="顱內(nèi)出血檢測">顱內(nèi)出血檢測設(shè)備能在短時間內(nèi)對顱內(nèi)出血作出準(zhǔn)確的判斷.為是否實(shí)施CT/MRI檢查提供指征。可以顯著提高患者的成活幾率及神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù).在臨床上主要用于硬膜外出血(EDH)、硬膜下出血(SDH)、淺表腦實(shí)質(zhì)出血等,其優(yōu)點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確、無損傷,可以應(yīng)用于急救中心、醫(yī)院臨床科室、監(jiān)護(hù)病房ICU及野外戰(zhàn)場等。但在國內(nèi)還未見到關(guān)于此類設(shè)備的相關(guān)報(bào)道,國外比較成熟的設(shè)備主要是德國Oicrain公司生產(chǎn)的CRAINscan儀器,價格昂貴。我們根據(jù)血紅蛋白對近紅外光的吸收特征及朗伯特一比爾定律.設(shè)計(jì)一種便攜式設(shè)備.實(shí)現(xiàn)對人體腦組織的無創(chuàng)、直接測量,為及時監(jiān)測病程變化和搶救治療方案的制定提供依據(jù)。
2 基本原理
當(dāng)忽略散射時.介質(zhì)對人射光的總吸收量是介質(zhì)中各色團(tuán)吸收量的線性迭加,根據(jù)Beer-Lambert定律,透過介質(zhì)的光強(qiáng)It入射光強(qiáng)I0間滿足以下關(guān)系:
OD=-lnIt/I0=μcl
其中μ是吸收系數(shù),C是介質(zhì)濃度,l表示光程。0D為光密度,當(dāng)入射光波長一定時。OD是介質(zhì)濃度的線性函數(shù)。正常情況下人體大腦兩側(cè)對光的吸收是對稱的.如果有血管破裂引起內(nèi)部出血時,局部血濃度升高.光的吸收就會增加周此通過對人體大腦兩側(cè)光密度的測量可以判斷顱腦外傷患者是否存在腦出血現(xiàn)象,為是否需要進(jìn)一步CT或MRI檢查提供指征。
3 硬件設(shè)計(jì)
設(shè)備以MSP430單片機(jī)為控制核心.其輸出脈沖信號驅(qū)動特定波長的LED產(chǎn)生近紅外光.近紅外光源透過顱腦組織,由檢測探頭中的光電傳感器采集含有腦組織血氧信息的光信號,光電轉(zhuǎn)換后將電信號傳送給單片機(jī),經(jīng)過處理后的信號可以保存在EEPROM中也可通過LCD顯示。還可以將信號通過USB口傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理或存儲。其系統(tǒng)框圖如圖1所示:
MSP430單片機(jī)為控制核心" src="http://files.chinaaet.com/images/2010/04/28/11819453191287.gif" style="width: 286px; height: 156px; " />
圖1 設(shè)備系統(tǒng)框圖
3.1 檢測探頭
探頭由光源、光電傳感器和前端轉(zhuǎn)換電路組成,小圓孔用于固定光源,光電傳感器則同定在中間,光源選擇LED,傳感器選用S1226系列光電傳感器.其暗電流小,感光靈敏度為高。光源和傳感器之間的距離設(shè)定為40mm.探頭的平均探測深度為約為3cm,光源以恒流源驅(qū)動.并在脈沖信號的控制下分時發(fā)光實(shí)現(xiàn)了雙測檢測的功能。接觸面設(shè)計(jì)為弧形,邊緣和放置光源及傳感器的部位凸起,減少光源外泄,其余部位設(shè)計(jì)很薄,邊緣有斜口,使其容易彎曲,基座材料采用醫(yī)用硅膠,避免固定探頭時給被測試者帶來不適。
圖2 檢測探頭
3.2 主機(jī)電路
3.2.1 MSP430單片機(jī)
系統(tǒng)選擇,TI公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)MSP430F149,采用高效RISC結(jié)構(gòu),有16個快速響應(yīng)中斷,最高時鐘頻率為8MHz,中斷喚醒時間小于6微秒。其單片集成了多通道A/D轉(zhuǎn)換器、模擬比較器、定時器、串行通信接口、數(shù)控振蕩器(DCO)、硬件乘法器,可以滿足大多數(shù)設(shè)備的應(yīng)用需要。其內(nèi)部預(yù)設(shè)了JTAG模塊.具有完整的在線調(diào)試功能,可利用片內(nèi)FLASH方便地實(shí)現(xiàn)軟件升級。
3.2.2 信號存儲
AT24C512是Atmel公司生產(chǎn)的64KB串行電擦除可編程存儲器,采用8引腳封裝,具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點(diǎn),特別適用于大容量數(shù)據(jù)存儲要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其與單片機(jī)連接電路見圖3.單片機(jī)通過P3口來控制AT24C512的讀寫.P3.0控制串行時鐘輸入端SCL,在上升沿將SDA上的數(shù)據(jù)寫入存儲器,而在下降沿從存儲器讀入數(shù)據(jù)并送往SDA。P3.1控制雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出端SDA,主要用于存儲器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)連接。
圖3 LED驅(qū)動
3.2.3光源驅(qū)動電路
光源驅(qū)動電路如圖3所示,單片機(jī)P5.4腳輸出Vctrl電壓。P5.6控制EN使能端,輸入電壓大于2.5V時,器件工作,輸出電流驅(qū)動LED燃亮;當(dāng)輸入電壓小于2.2V時,LED1、LED2、LED3端呈現(xiàn)高阻抗。不能燃亮。
SET是偏置電流輸入端它與三只LED輸出電流的關(guān)系為Iled=230xIset,而Iled=(Vctrl-Vset)/R,Vset=1.215 V,即:Iled=230(Vctrl-1.215)/R 可以看出,LED輸出電流只與P5.4輸出電壓及電阻R相關(guān),并且在單片機(jī)控制下輪流發(fā)光。
3.2.4 液晶顯示模塊
LSDl2864CT是一款圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器,列驅(qū)動器及全點(diǎn)陣液晶顯示器組成,可完成圖形和文字顯示。單片機(jī)通過P1口實(shí)現(xiàn)對液晶模塊狀態(tài)寄存器的操作.P1.0控制D/I寄存器選擇信號線,P1.1控制R/W讀寫信號線,P1.2和P1.3控制CSI及CS2片選信號線,P1.4連接/RST端,P1.5接E使能信號線。P2口為數(shù)據(jù)端口與液晶模塊的8位數(shù)據(jù)線相連。MSP430專門分出兩組I/O端口用于液晶顯示.通常啟動液晶的順序是:初始化讀狀態(tài)字寫指令代碼,寫數(shù)據(jù),開顯示。程序代碼按功能不同可分為寫指令代碼、寫數(shù)據(jù)等模塊.使能信號E上升沿觸發(fā)有效。
3.2.5 計(jì)算機(jī)通訊
本系統(tǒng)接口芯片采用PHILIPS公司的PDIUSBD12,它是一款高性能的USB接口器件,集成了SIE、FIFO存儲器、收發(fā)器和電壓變換器。模塊功能包括:同步模式識別、并串轉(zhuǎn)換、位填充、解填充、CRC校驗(yàn)/產(chǎn)生、地址識別等。其8位并行數(shù)據(jù)接入MSP430的P5口,A0為命令、數(shù)據(jù)選擇線.當(dāng)A0=0時.MSP430向PDIUSBD12發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)AO=1時。則發(fā)送命令。其數(shù)據(jù)交換采取中斷查詢方式,通過查詢INT_N是否為低電平來確定是否接受到上位機(jī)的數(shù)據(jù)或命令,再通過_WR和_RD引腳實(shí)現(xiàn)MSP430與PDIUSBDl2的數(shù)據(jù)交換。
4 軟件流程
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用MSP430的RISC精簡指令用匯編語言和C語言混合編程。系統(tǒng)主要分為以下幾個部分:(1)系統(tǒng)初始化,包括系統(tǒng)時鐘校準(zhǔn),A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)初始化,看門狗的初始化,LCD控制器的初始化等;(2)液晶顯示部分。包括漢字的顯示和波形顯示;(3)中斷處理,包括鍵盤中斷處理,信號采樣中斷,異常數(shù)據(jù)報(bào)警部分等;(4)血含量計(jì)算,采用逐點(diǎn)微分法進(jìn)行血含量計(jì)算。圖4是系統(tǒng)主程序的流程圖。硬件初始化后.測是否有鍵按下.如果有則執(zhí)行按鍵相對應(yīng)的功能.然后由LCD顯示不同功能所對應(yīng)的信息。如果無按鍵按下則顯示當(dāng)前實(shí)測血濃度。等待用戶的下一步操作。
圖4 系統(tǒng)主程序
5 臨床應(yīng)用
該儀器在醫(yī)院臨床應(yīng)用時,對病人進(jìn)行近紅外光譜檢查,探查部位為雙側(cè)額、顳和枕部,檢查時.首先讀取并記錄一側(cè)血氧值,然后在對稱部位采樣,重復(fù)2次,取均值。計(jì)算兩者之差,以差值≥0.45為標(biāo)準(zhǔn)判斷有無出血,隨后進(jìn)行腦CT檢查。結(jié)果在47個病例中,CT顯示為腦出血的有29人.其中硬膜下出血19人.硬膜外出血7人,淺表腦實(shí)質(zhì)出血3人。近紅外光探測儀診斷腦出血28人,CT證實(shí)24例,4例為假陽性,假陽性病例中2人存在皮下血腫;近紅外線檢查為陰性者19例,17例為CT證實(shí).兩例假陰性病人中,1例為蛛網(wǎng)膜下腔出血,另1例為腦實(shí)質(zhì)出血。
由于近紅外光穿透力不強(qiáng),通過人體顱腦組織后衰減得相當(dāng)厲害,設(shè)備空間分辨率不是很高,它不能替代常規(guī)CT檢查來對顱內(nèi)病灶進(jìn)行定量和定位分析,其優(yōu)點(diǎn)是在對人體無任何傷害的情況下快速地對傷情做出初步診斷。整體設(shè)計(jì)小巧.操作簡單,價格便宜,具有一定的實(shí)用價值,投人生產(chǎn)后有望取得不錯的經(jīng)濟(jì)效益。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):設(shè)備采用MSP430單片機(jī)作為主控系統(tǒng).利用血紅蛋白對近紅外光的吸收特征.有效的實(shí)現(xiàn)了對人體無創(chuàng)傷、實(shí)時的監(jiān)測功能.能夠準(zhǔn)確、及時的反映大腦組織的出血情況。
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。