謝宏，徐升，姚楠，楊文璐，夏斌

　　(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

　　摘要：針對當(dāng)前近紅外成像光譜系統(tǒng)研發(fā)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、便攜性差等問題，提出了基于3D打印的近紅外光譜成像系統(tǒng)前端設(shè)計。通過3D打印技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)前端發(fā)射器、接收器和采集頭套，并與近紅外光譜成像系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計出尺寸小、硬度強、易擴展的前端采集設(shè)備。利用高靈敏度的OPT101、ADS1299和GS1011完成信號采集與傳輸，通過3D打印可實現(xiàn)精度高、無線傳輸、可實時檢測腦部血氧濃度的近紅外光譜成像系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：3D打??；fNIRS；可穿戴；光源

0引言

　　目前，近紅外醫(yī)療設(shè)備朝著“微型化、智能化、可穿戴”的方向發(fā)展。日立公司近幾年推出了兩款采用電池運行的可穿戴無線成人前額皮質(zhì)fNIRS測量系統(tǒng)，即22通道WOT (2009)和2通道HOT 121B (2011)。美國NIRx公司其產(chǎn)品系列從DYNOT演變到NIRScout，再到NIRSport，設(shè)備逐漸變小，實現(xiàn)多通道可擴展，更加便攜式［1］。美國TechEn公司在1999年推出了首款商用CW fNIRS系統(tǒng)，其目前的系統(tǒng)CW6已經(jīng)具有32個激光源和32個探測頭［2］。瑞士蘇黎世(Zurich)大學(xué)的Wolf等開發(fā)出4通道無線fNIRS成像系統(tǒng)。中國近紅外光譜技術(shù)還處在發(fā)展階段，北京師范大學(xué)近紅外腦成像研究中心（Center for fNIRS Brain Imaging Research，CNBIR）［3］致力于腦成像領(lǐng)域新方法與新技術(shù)的研究和探索，其中fNIRS靜息態(tài)（腦網(wǎng)絡(luò)）成像新技術(shù)、fNIRS雙腦耦合神經(jīng)反饋新技術(shù)、fNIRS雙腦同時成像新技術(shù)都取得了豐碩成果，而對用于腦功能探測的fNIRS系統(tǒng)尤其是便攜式、3D打印方式的研究相對較少。

　　3D打印裝置在生物醫(yī)學(xué)、康復(fù)治療等領(lǐng)域?qū)ρ鯘舛戎醒恰?乳酸、膽紅素和離子（鈣、鉀）的監(jiān)測方面得到廣泛應(yīng)用［4］，并具有零技術(shù)設(shè)計、設(shè)計空間無限、耗材任意組合等優(yōu)點。本文嘗試將3D打印與電子設(shè)計相結(jié)合，為了滿足頭部血氧濃度可穿戴采集的需要，通過3D打印設(shè)計發(fā)射器、接收器和采集頭套，有效避免機床加工過程中耗時、價格昂貴、設(shè)計復(fù)雜等缺點。并將3D打印與ADS1299芯片和GS1011構(gòu)成一套完整的可穿戴近紅外信號采集系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　本文設(shè)計的fNIRS系統(tǒng)前端是一款基于3D打印的反射式連續(xù)光(Continuous Wave,CW)系統(tǒng)［5］，以STM32為控制核心。通過標(biāo)準(zhǔn)接口與其他模塊進行數(shù)據(jù)通信，進行控制指令數(shù)據(jù)報傳送，系統(tǒng)前端根據(jù)控制指令進入相應(yīng)的工作模式。該系統(tǒng)通過采用最新的高精度集成芯片，實現(xiàn)了一款便攜式、抗干擾能力強、易擴展和控制的fNIRS系統(tǒng)前端。

　　而整個近紅外光譜系統(tǒng)包括3D打印光源探頭、3D打印接收器探頭、光源驅(qū)動、信號采集模塊、GS1011無線傳送模塊、電源模塊。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

　　1.13D打印光源探頭設(shè)計

　　由生物組織對光吸收特性曲線可知，fNIRS系統(tǒng)前端中近紅外光在760 nm時，脫氧血紅蛋白等血氧濃度吸收系數(shù)出現(xiàn)一個吸收尖峰，根據(jù)資料顯示選取760 nm與850 nm作為入射光波長為最佳［6］。因此本系統(tǒng)選用雙波長直插式LED(型號：L760/85004A)，其峰值分別為760 nm和850 nm。為了實現(xiàn)去除自然光、低頻電子等的干擾，本系統(tǒng)將近紅外LED的760 nm、850 nm波長的發(fā)射光強分別調(diào)制在0.8 kHz和1.2 kHz的正弦波上，因此兩個波長的頻分復(fù)用可實現(xiàn)。另外為了消除近紅外光不同通道之間的干擾，不同通道采用時分復(fù)用。根據(jù)LED和電路板尺寸，在SolidWorks中畫出外部結(jié)構(gòu)圖，通過3D打印機打印出光源探頭外部輪廓。如圖2所示。

　　1.23D打印接收器探頭設(shè)計

　　針對近紅外光只有十幾毫瓦，而能夠被光電傳感器接收的光的范圍在納瓦量級，因此近紅外采集系統(tǒng)中光電傳感器必須具有較高的采集精度與抗干擾能力。光電傳感器選用Burr-Brown公司的OPT1011［7］，其具有以下優(yōu)點：

　?。?）抗干擾能力強。該芯片將雪崩光電二極管(APD)與互阻放大器結(jié)合，可以有效減小雜散電容產(chǎn)生的噪聲和尖峰增益、漏電流等干擾誤差。

　?。?）線性度好。該傳感器線性響應(yīng)較強，當(dāng)APD輸出電流為100 μA，其非線性失真可以降到0.05%以下。即使輸出電流為1 mA時，非線性度隨電流也僅僅增加比較細微，對近紅外信號采集無影響 ［8］。

　　（3）高增益。為了提高增益系數(shù)，將引腳之間外接反饋電阻電容網(wǎng)絡(luò)，因為噪聲與反饋電阻的平方根成正比，因此既可以提高反饋電阻又可提高信噪比。

　　接收器外部探頭設(shè)計影響著整個系統(tǒng)采集精度，為了使光電傳感器有很好的采集精度，將外部輪廓設(shè)計成圓柱成型，使接收器探頭嵌入到圓柱中，達到光電傳感器完全與皮膚接觸的目的。圖3為接收器3D打印效果圖。

　　1.3發(fā)射器與接收器頭套設(shè)計

　　為了提高系統(tǒng)便攜性、采集的實時性，將發(fā)射器與接收器通過頭套和松緊帶固定到頭部，達到單人采集目的。頭發(fā)與自然光的干擾，對采集精度影響較大，因此將3D打印設(shè)備設(shè)計成螺紋型，以更好地控制光源、光電傳感器與皮膚的接觸距離，提高采集的精度與準(zhǔn)確性。而左右兩邊的D型結(jié)構(gòu)，是為固定松緊帶考慮，使松緊帶更好地與頭套相連。如圖4所示。

2信號采集模塊設(shè)計

　　信號采集模塊是整個系統(tǒng)的核心，因此選用了具有高精度、低功耗、同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1299，其主要優(yōu)點有：

　　（1）抗干擾能力強。芯片中在模擬輸入端設(shè)計有EMI濾波器，可以濾除大部分無用的高頻干擾。

　　（2）高分辨率。其具有8個低噪聲三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器和可編程放大器，當(dāng)轉(zhuǎn)換速率小于8 kS/s，其分辨率可以達到24 bit。

　?。?）低功耗。芯片有省電和待機兩種工作模式，為了實現(xiàn)功率消耗最小，可以將工作模式設(shè)置為5 mV待機模式，功耗僅為10 μW。

　　3GS1011無線傳送模塊設(shè)計

　　目前，WiFi具有無線、實時性、大數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點，結(jié)合本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸較大、便攜式考慮，系統(tǒng)選用GainSpan公司生產(chǎn)的一款低功耗、高精度芯片 GS1011。芯片采用兩個ARM7作為處理內(nèi)核，其中一個負責(zé)應(yīng)用程序管理(APP CPU)，另一個負責(zé)無線數(shù)據(jù)傳送與接收(WLAN CPU)［9］。GS1011結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

　　GS1011采用2.4 GHz射頻，其無線發(fā)送速率平均速度為2 Mbit/s，峰值最高達11 Mbit/s。GS1011室內(nèi)無線傳輸范圍在50~70 m之間，室外數(shù)據(jù)傳輸距離達到200 m以上［10］。GS1011中SPI口控制ADS1299采集和接收模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號，GPIO口控制恒流源芯片按照時序邏輯輸出穩(wěn)定電流，完成近紅外信號數(shù)據(jù)的發(fā)送與采集。

4系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)處理

　　當(dāng)人在運動時，控制大腦運動區(qū)域的血氧濃度變化明顯。將通過3D打印的發(fā)射器與接收器放置在大腦運動區(qū)域，在不同時間間隔運動右手，然后對近紅外信號進行數(shù)據(jù)采集。在采集過程中近紅外光源探頭與大腦不僅要固定牢靠，更重要的是盡量避免自然光干擾。考慮到采集的數(shù)據(jù)量較大，為了減少數(shù)據(jù)處理、分析等工作，系統(tǒng)僅對波長為760 nm及頻率為800 Hz調(diào)制時的近紅外信號進行分析。

　　實驗條件：

　?。?）發(fā)射探頭與接收探頭間距為30 mm；

　?。?）受試者：男，25歲，體重60 kg，身高175 cm，靜坐，實驗前30 min內(nèi)無劇烈運動;

　?。?）實驗總時長為120 s。第20 s、60 s、100 s分別運動右手，運動時長為10 s，其他時間靜坐。

　　系統(tǒng)中光源發(fā)射功率與驅(qū)動電流成正比，通過對驅(qū)動電流調(diào)制，電流按照正弦波輸出。光源發(fā)射器發(fā)射光初始信號為A+Bsin(2πf+φ)，將乘性因子作用在信號上，利用光電傳感器對信號進行采集，輸出信號為：

　　Vout(t)=A(t)+B(t)sin(2πft+φ)+ε(t)（1）

　　其中，A(t)和B(t)中都包含血氧濃度的變化，由于A(t)受到噪聲的干擾，因此，提取相對不受噪聲干擾的B(t)。

　　在數(shù)據(jù)處理過程中，以25個點作為一個單元進行傅里葉變化，將采樣率由800 Hz變?yōu)?00 Hz，經(jīng)過一個8階橢圓濾波器，最后提取式（1）中B(t)。該方法可以有效地降低采樣率。圖6（a）是信號中A(t)，（b）是觀測血氧濃度變化的信號B(t)。根據(jù)圖6（b）可有效觀察到信號的跳動，因此，驗證了整個系統(tǒng)的可行性。

5結(jié)論

　　本文以修正的BeerLambert定律為理論基礎(chǔ)，利用目前熱門的3D打印技術(shù)，研制可穿戴便攜式功能近紅外成像采集系統(tǒng)前端。為了實現(xiàn)多通道、高采集精度、較強抗干擾能力，本文重點研究通過3D打印來設(shè)計發(fā)射器、接收器和采集頭套，利用螺紋設(shè)計控制發(fā)射器和接收器與皮膚的接觸深度，避免了自然光干擾。在整個系統(tǒng)中，將3D打印與ADS11299模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、GS1011無線發(fā)送模塊結(jié)合，實現(xiàn)多通道、多波長、可穿戴、便攜式等優(yōu)點，提高了近紅外采集系統(tǒng)的實用性，適用于兒童、老人、認(rèn)知心理學(xué)等領(lǐng)域的實時血氧檢測和研究，有利于醫(yī)院、學(xué)校等臨床實驗。

參考文獻

　　［1］ 常定勇,方躍法. 多輸出3D打印冗余并聯(lián)機器人的設(shè)計與分析［J］. 中國機械工程,2015(12):15951602.

　?。?］ 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.

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

　?。?］ 宋熙煜, 閆鑌, 周利莉,等. 3D打印技術(shù)在CT領(lǐng)域的應(yīng)用［J］. Ct理論與應(yīng)用研究, 2015, 24(1) : 5768.

　?。?］ 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(1): 6471.

　?。?］ 鄭毅.基于連續(xù)光的便攜式近紅外腦功能成像系統(tǒng)的研制［D］.武漢：華中科技大學(xué),2006.

　　［7］ STOTHERS L, SHADGAN B, MACNAB A. Urological applications of near infrared spectroscopy［J］. Canadian Journal of Urology, 2008, 15(6): 43994409.

　?。?］ 謝宏,王光明,姚楠,等.可穿戴式的功能近紅外光譜成像系統(tǒng)的前端設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用,2015,34(10):2931,34.