0 引言

    大腦是人體最重要的器官，是人類生存的指揮中心，其重量約占人體重的2%，然而，它的血流量約占心臟血液輸出量的15%，耗氧量約占全身耗氧量的20%。因此，人腦組織對于缺血、缺氧十分敏感^[1]。例如，在腦外傷、心腦血管疾病甚至各種外科手術(shù)的臨床治療中，如果供血和供氧的檢測無法達到要求，則可能造成腦組織神經(jīng)功能不可逆轉(zhuǎn)的損害^[2]。此外，對大腦功能的檢測，使研究人員對大腦各區(qū)域功能的了解更加直觀。腦血氧檢測作為大腦功能檢測之一，對認知神經(jīng)科學和生物醫(yī)學領域具有重要意義。因此，在臨床治療和科研中，具有一套檢測病人大腦血氧濃度的設備是必不可少的^[3]。

    功能性近紅外光譜技術(shù)(Function Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS)是認知神經(jīng)科學和生物醫(yī)學領域中一種新興的光學腦成像技術(shù)^[4]，對組織血氧的檢測便是之一^[5]。然而基于fNIRS的設備一般運用在光強度非常低的場合，因此，該檢測器的靈敏度要求極高。傳統(tǒng)設備中，fNIRS設備主要使用光電倍增管（PMTs）或光電二極管（APDs）作為檢測器。然而，PMTs對過曝光非常敏感，操作電壓高且體積大；APDs則降低了靈敏度，并且操作電壓同樣較高。

    針對PMTs與APDs的不足，本文采用了一種近年來引起人們廣泛關注的新型光電倍增探測器件——硅光電倍增管（Silicon Photo-Multiplier，SiPM）作為fNIRS設備的檢測器。相比于傳統(tǒng)PMTs，SiPM具有體積小、穩(wěn)健性高、偏置電壓低以及對磁場不敏感等優(yōu)點^[6]；相比于APDs，SiPM增益高、靈敏度高、操作電壓低，且性能更加優(yōu)越^[7]。因此，本文選擇SiPM作為fNIRS設備的檢測器,設計相應電路以檢測深層組織中氧合血紅蛋白oxy-Hb(oxygenated hemoglobin)與脫氧血紅蛋白deoxy-Hb(deoxy-genated hemoglobin)的變化情況，并通過前臂阻斷實驗對電路的性能進行驗證。

1 fNIRS與SiPM的基本原理

1.1 fNIRS的基本原理

    近紅外光譜技術(shù)是利用兩束特定波長的近紅外光射入大腦組織，被組織中血紅蛋白等吸收并經(jīng)過組織的漫散射作用，少量光子透過頭皮被檢測器收集，通過特定的算法，計算出大腦組織氧合血紅蛋白（HbO₂）與脫氧血紅蛋白（Hb）的變化情況。波長在650 nm~900 nm范圍內(nèi)的近紅外光，對組織的穿透能力最強，可以穿透頭皮、顱骨以及大腦組織深達幾厘米。光子進入組織后發(fā)生透射和散射，被置于眉骨正上方約2 cm處的檢測器收集。利用修正的Beer_Lambert定律(Modified Beer-Lambert Law，MBLL)來計算采集的信號，將光密度的變化轉(zhuǎn)換為組織氧含量變化：

式中，OD為光密度，I_Out表示透射光強度，I_In表示入射光強度，ε表示摩爾吸光系數(shù)，C表示吸光物質(zhì)濃度，L為有效路徑長度，G表示背景散射補償系數(shù)。在圖1中，ρ為光源到檢測器距離（約3 cm~4 cm），其中L為有效路徑長度，一般為L=ρ·PDPF。這里的PDPF被稱為部分差分路徑因子，可以通過蒙特卡羅仿真得到^[8]。

1.2 SiPM的基本工作原理

    本文利用SiPM作為檢測器，收集透過組織未被吸收的光子。SiPM是由工作在蓋革模式下的多個雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode，APD)構(gòu)成的陣列型光電轉(zhuǎn)換器件^[9]。其中，每個雪崩二極管和大阻值的猝滅電阻串聯(lián)組成一個像素單元，每個單元相互并聯(lián)而構(gòu)成一個面陣列。當為SiPM加上適當?shù)姆聪蚱秒妷汉螅總€單元中的APD耗盡層會形成很高的電場，將半導體中的價電子激發(fā)為自由電子，并在電場中加速，從而打出許多的次級電子，實現(xiàn)電子倍增，產(chǎn)生的電流較大，累加起每個單元產(chǎn)生的電流便是器件的輸出電流。

2 硬件電路設計

    根據(jù)近紅外光譜技術(shù)，利用硅光電倍增管作為檢測器，設計一個檢測腦血氧的硬件電路，其電路功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采用了美國德州儀器TI公司的SOC系列芯片CC2540作為電路的微處理器。

2.1 光源LED

    電路使用發(fā)光二極管（OIS-330）系列作為光源。與激光光源相比，LED光源非相干非準直，可得到的光強度更高^[10]。此外，它的工作電壓低，工作電流小，抗震和沖擊性非常好。本文選用波長分別為680 nm和850 nm的LED作為光源，其測光功率為13 mW，譜線寬度為30 nm，并通過一款雙通道微功耗放大器ADA4505-2以及結(jié)型JFET場效應管PMGD400UN來驅(qū)動電路。

2.2 檢測器SiPM

    電路使用SiPM作為設備的檢測器，收集未被吸收的光子。實驗選用德國KETEK公司的PM3360系列產(chǎn)品來檢測自組織表面的出射光，輸出微弱光電流信號。其感光面積為(3×3)mm²，像素點面積為(60×60)μm²，共有2 500像素點，其增益可達到10⁷。

2.3 SiPM偏置電壓電路

    為了硅光電倍增管可以正常工作，需加偏置電壓，本文選擇偏置電壓為30 V。偏量電壓電路圖如圖3所示。電路采用基于NE555的非隔離型直流升壓電路將電壓升壓到35 V，再利用穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)壓到30 V。當系統(tǒng)接通電源后，電源VCC通過R1和R2對電容C1充電。當V_TR小于1/3 VCC時，內(nèi)部放電管截止，V_q輸出高電平，三極管Q1導通，電感L1將儲存能量；當V_TR大于2/3 VCC時，內(nèi)部放電管導通，使得放電端接地，電容C1通過R2對地放電使得V_TR下降，V_q輸出低電平，三極管Q1截斷，電感一側(cè)將產(chǎn)生高電壓脈沖通過二級管整流給電容C7充電，輸出放大電壓V_out作為硅光電倍增管的偏置電壓。當V_TR下降至1/3 VCC時，重復上述過程。

    根據(jù)電路設計與公式計算可得周期T為31.2 μs，T_H為27.7 μs，如圖4所示，圖4(a)中V_q電壓波形符合計算。同時，由仿真結(jié)果可以得到如圖4(b)的輸出電壓V_out為35.4 V，達到設計需求。

2.4 前置跨阻放大電路

    為了將SiPM檢測的微弱光電流轉(zhuǎn)化為正常范圍的電壓信號，同時獲得最小的電流噪聲和電壓噪聲，電路采用了跨阻型放大器（TIA）接法。設計中采用TI公司OPA656系列芯片作為TIA的運算放大器。為了無失真放大光信號，將電路的帶寬設計為100 kHz，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊OPA656N的增益帶寬積（GBP）為230 MHz。為了使放大器穩(wěn)定工作，放大的倍數(shù)則應小于2 300倍。仿真電路如圖5所示。

    用函數(shù)信號發(fā)生器代替SiPM作為信號源，并以矩形波輸入。根據(jù)仿真，選擇R_F為510 Ω時，放大器的放大倍數(shù)為1 944倍。

    當輸入幅值為 1 mV、頻率為50 kHz的矩形波時，輸出信號被放大1 944倍，并且基本無失真。由波特測試儀得到的幅頻特性，電路的通頻帶寬達到了100 kHz，滿足電路的設計需要。

3 實驗驗證及結(jié)果

    為了驗證電路的有效性，根據(jù)國外相似系統(tǒng)的驗證方法設計了前臂阻斷實驗。實驗中，在正常人前臂連續(xù)采集信號700 s，頻率為1 Hz。其中，在50～250 s及450～650 s時間段用血壓計繃帶持續(xù)在前臂加壓250 mmHg，將所采集的數(shù)據(jù)讀出并用0.1 Hz的數(shù)字濾波器進行濾波，最后利用式(3)計算出血紅蛋白的含量變化情況。

    實驗結(jié)果如圖6所示，在血管阻斷期間（50~250 s，450~650 s），血紅蛋白的含量發(fā)生明顯變化。在阻斷期間，血管不再與外部進行血流交換。因此，隨著組織的新陳代謝，HbO₂含量將持續(xù)下降，Hb含量不斷上升，分別與圖中AD和BC段的變化相吻合；恢復血管暢通后，由于外部血流的快速涌入，HbO₂與Hb含量快速恢復至正常水平，與圖中的DE和CF段相吻合；在前臂血管恢復正常后，再次阻斷驗證，由圖MP和NO段發(fā)現(xiàn)與之前結(jié)果一致。由此得出，本文的電路可以正確測得組織中血紅蛋白的變化情況，性能滿足設計需求。

4 結(jié)論與展望

    本文基于fNIRS和SiPM設計了一個腦血氧檢測電路，并對電路各模塊進行了相應的仿真。通過前臂阻斷實驗得出本電路設計可以正確測得組織中血紅蛋白含量的變化情況，滿足本階段的設計需求。

    本研究的最終目的是實現(xiàn)腦血氧的系統(tǒng)設計，在完成電路設計后，下一步將進行腦部信號采集實驗與算法處理，并實現(xiàn)與上位機的通信，完成整套系統(tǒng)的設計與測試。

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作者信息:

吳  凱，劉  燕，佟寶同，邢曉曼，戴亞康

（中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州215163）