摘 要： 針對腦部血氧非侵入式無損血氧檢測，設(shè)計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，借用時分復用技術(shù)實現(xiàn)光源驅(qū)動，利用高靈敏度的光電傳感器以及高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)信號采集，實現(xiàn)一款體積小、功耗低、精度高、無線數(shù)傳、可實時檢測腦部血氧濃度的系統(tǒng)前端。給出了光源驅(qū)動與信號采集擴展方案，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；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，而且具有較高的時間、空間分辨率[2]。因此該技術(shù)在學術(shù)領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域和其他社會生活領(lǐng)域的應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牙、ZigBee、Wi-Fi、無線射頻等無線技術(shù)。例如美國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]。這些國外商業(yè)系統(tǒng)主要應用于醫(yī)院或者高校試驗研究，且價格昂貴。國內(nèi)方面，參考文獻[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)針對肌氧檢測的便攜式設(shè)備進行了研制，但其通道個數(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時數(shù)據(jù)傳輸。
本文以美國Gain-Span公司的一款高集成度、超低功耗SoC芯片GS1011為核心，設(shè)計出一款基于Wi-Fi實時無線數(shù)傳的可穿戴式fNIRS系統(tǒng)前端。
1 fNIRS技術(shù)基礎(chǔ)
1.1 生理學基礎(chǔ)
fNIRS系統(tǒng)是通過檢測血液動力學參數(shù)間接反映神經(jīng)活動的。ROY C S和SHERRINGTON C S于1890年針對神經(jīng)與血管間耦合關(guān)系提出了一個非常著名假說，即“大腦的血流供應會隨其功能活動的局部變化而進行局部響應”[6]。因此可以通過對血液動力學參數(shù)檢測間接評定大腦神經(jīng)活動。
1.2 物理學基礎(chǔ)
生物組織在650 nm~950 nm近紅外光譜波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)高散射、低吸收特性，因此，被稱為“光學窗口”。該波段范圍內(nèi)主要吸收光子物質(zhì)為血紅蛋白、細胞色素等，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、腦脊液等達到大腦皮層。生物組織對光吸收特性如圖1所示。
1.3 修正的Beer-Lambert定律
近紅外光在光學窗口內(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倍的入射點與出射點間距離[7]，其在皮膚下的傳播路徑要遠大于基本的Beer-Lambert中的直線距離。
DELOY D T等人在1988年提出了平均光路長和微分光路長來描述光子在生物組織中的傳播路徑，并推導出了修正的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為差分路徑長度因子；l為光源—探測器距離（cm）；G為由皮膚、脂肪等外層組織的光學特性引起的背景散射和吸收的常數(shù)損耗因子。
臨床應用中，通常采用光密度的相對變化量研究生物組織的光學特性，以最大程度地減小由不同生物個體的組織特性不同引起的差異。首先選取一個參考狀態(tài)作為基準，然后通過檢測其他狀態(tài)的變化量檢測血紅蛋白的相對變化。因此修正的Beer-Lambert定律可以改寫為：
2 系統(tǒng)設(shè)計
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、接收器探頭、信號采集模塊、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。
該系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地檢測腦部血氧濃度變化。系統(tǒng)前端通過GS1011的Wi-Fi模塊與上位機通信，根據(jù)上位機指令協(xié)調(diào)系統(tǒng)前端工作，并通過Wi-Fi將采集到的信號傳送到指定IP地址的上位機上。另外，將復雜的數(shù)字濾波、降噪及信號分離通過高性能的上位機進行處理，可以有效地減少系統(tǒng)前端的復雜性并提高系統(tǒng)的實時性。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)的實現(xiàn)。
2.1 光源探頭設(shè)計
近紅外光譜CW成像系統(tǒng)中光源常采用分布在805 nm附近的雙波長或者采用包括805 nm波長的三波長作為入射光。由圖1可知，在760 nm時，脫氧血紅蛋白吸收系數(shù)出現(xiàn)一個吸收尖峰，因此本系統(tǒng)選取760 nm與850 nm作為入射光波長。最終選用日本EPITEX公司用于醫(yī)療設(shè)備的雙波長直插式LED（型號：L760/850-04A），其峰值分別為760 nm和850 nm，對應的半波長分別為30 nm和35 nm。
2.2 光源驅(qū)動設(shè)計
驅(qū)動電流不穩(wěn)定將導致LED輸出功率波動，這樣就會引起輸出光強發(fā)生變化，從而在有用信號上疊加一個噪聲。因此，為了減小因驅(qū)動引起的噪聲，本系統(tǒng)采用東芝公司專用LED驅(qū)動的16路輸出恒流源芯片TC62D748。該芯片僅需要一個外接精密電阻就可固定輸出1.5~90 mA電流，具有電路簡潔、控制方便等特點，有效地減小了前端電路。
2.3 接收器探頭設(shè)計
由于發(fā)射光只有十幾mV，從大腦反射出來的光在nW量級，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：
?。?）抗干擾能力強。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，APD輸出100 μA時的非線性失真在0.05%以下。即使輸出1 mA時，非線性度也只增加幾個百分點。
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，前級電路DC增益達到11×106 V/A，-3 dB帶寬為1.3 kHz，上升時間約為270 μs。
2.4 信號采集模塊設(shè)計
本系統(tǒng)信號采集模塊采用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)點有：
?。?）高分辨率，8個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，可以達到24 bit的分辨率，在使用內(nèi)部參考電壓VREF=4.5 V時，電壓分辨率可以達到VLSB=0.536 μV。
?。?）抗干擾能力強，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。
?。?）低功耗，芯片每個通道功耗僅5 mV，而且具有靈活的省電、待機模式，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輸出造成的干擾，模數(shù)轉(zhuǎn)換前增加了一個低通濾波器作為預處理電路，抑制輸出信號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
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)的實時傳送，而且通信距離也比較大。最終選用美國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11 Mb/s，平均速度為2 Mb/s。室內(nèi)通信范圍可以達到50~70 m，室外可以達到200 m以上。
芯片采用兩個ARM7作為處理內(nèi)核，其中一個負責無線數(shù)據(jù)傳送與接收（WLAN CPU），另一個負責應用程序管理（APP CPU）。芯片還具有實時時鐘（Real-Time Clock，RTC）電源管理功能，能夠有效減小功耗，在待機狀態(tài)下功耗僅為15.5 μW，兩個CPU同時運行時功耗也只有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，通過GPIO口控制恒流源芯片按照時序邏輯輸出電流。
3 系統(tǒng)擴展
本系統(tǒng)基本配置為8個光源，8個探測器組成的8通道系統(tǒng)可以根據(jù)實際需求自由擴展。下面分別給出了16路通道的級聯(lián)模式示意圖，光源驅(qū)動擴展如圖4所示，信號采集擴展如圖5所示。
4 結(jié)論
本文以近紅外光譜技術(shù)血氧檢測機理為基礎(chǔ)，設(shè)計了一款可以自由配置通道個數(shù)的血氧檢測系統(tǒng)前端。為了實現(xiàn)可穿戴式設(shè)備的要求，本文針對系統(tǒng)的便攜性、低功耗、無線數(shù)傳進行了重點研究。通過使用低功耗、高集成度芯片，使得整個系統(tǒng)體積小、重量輕、精度高、可自由移動，并且系統(tǒng)可以實時傳送數(shù)據(jù)。突破了臺式檢測設(shè)備的應用領(lǐng)域，以及常規(guī)無線技術(shù)對數(shù)據(jù)傳送速率的限制，適用于兒童、老人、認知心理學等領(lǐng)域的腦部實時血氧檢測。
參考文獻
[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)測儀的研制[J].中國醫(yī)療器械雜志，2003（3）：162-166.
[5] 陳剛.基于GPRS無線肌氧檢測系統(tǒng)的研制及應用[D].武漢：華中科技大學，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)的腦功能活動信號提取方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，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.