摘 要： 針對腦部血氧非侵入式無損血氧檢測，設計了一款多通道的可穿戴式功能近紅外光譜成像系統的前端。采用超低功耗無線片上系統（System on a Chip，SoC）芯片作為控制中心以及無線傳送模塊，借用時分復用技術實現光源驅動，利用高靈敏度的光電傳感器以及高分辨率的模數轉換芯片實現信號采集，實現一款體積小、功耗低、精度高、無線數傳、可實時檢測腦部血氧濃度的系統前端。給出了光源驅動與信號采集擴展方案，使得系統可以自由配置成更多通道采集系統。
關鍵詞： 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（functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS）作為一種非侵入式腦功能成像技術，不僅具有安全、體積小、易于與其他設備（如腦電圖成像設備、功能核磁共振成像設備）集成[1]等優點，而且具有較高的時間、空間分辨率[2]。因此該技術在學術領域、醫療領域和其他社會生活領域的應用研究越來越受到重視。
目前便攜式醫療設備朝著“微型化、智能化、個性化、網絡化”的方向發展。便攜式的fNIRS系統傳輸方式主要采用藍牙、ZigBee、Wi-Fi、無線射頻等無線技術。例如美國fNIR Devices公司的fNIR 1100w系統采用的是ZigBee技術，日本日立公司2009年發布的11通道WOT系統采用的是802.11b無線局域網，日本DynaSense與荷蘭Artinis公司分別基于藍牙技術開發了用于研究的雙通道與單通道設備[3]。這些國外商業系統主要應用于醫院或者高校試驗研究，且價格昂貴。國內方面，參考文獻[4]、[5]分別基于無線射頻（RF）技術（工作最高速率僅20 kb/s）與GPRS技術針對肌氧檢測的便攜式設備進行了研制，但其通道個數有限，且傳輸速率受到限制，多通道系統中在保證數據精度的條件下很難滿足實時數據傳輸。
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，設計出一款基于Wi-Fi實時無線數傳的可穿戴式fNIRS系統前端。
1 fNIRS技術基礎
1.1 生理學基礎
fNIRS系統是通過檢測血液動力學參數間接反映神經活動的。ROY C S和SHERRINGTON C S于1890年針對神經與血管間耦合關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檢測間接評定大腦神經活動。
1.2 物理學基礎
生物組織在650 nm~950 nm近紅外光譜波長范圍內呈現高散射、低吸收特性，因此，被稱為“光學窗口”。該波段范圍內主要吸收光子物質為血紅蛋白、細胞色素等，且這些物質和占人體80%的水吸系數都比較低，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（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作為基準，然后通過檢測其他狀態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 系統設計
本文研制的近紅外成像系統是一款反射式連續光（Continuous Wave，CW）系統，它包括光源探頭、光源驅動、接收器探頭、信號采集模塊、控制及無線傳送模塊、電源模塊。系統功能框圖如圖2所示。
該系統是一個網絡化的嵌入式系統，能夠實時地檢測腦部血氧濃度變化。系統前端通過GS1011的Wi-Fi模塊與上位機通信，根據上位機指令協調系統前端工作，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前端的復雜性并提高系統的實時性。下面根據系統總體框圖中各功能模塊依次介紹系統的實現。
2.1 光源探頭設計
近紅外光譜CW成像系統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出現一個吸收尖峰，因此本系統選取760 nm與850 nm作為入射光波長。最終選用日本EPITEX公司用于醫療設備的雙波長直插式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 光源驅動設計
驅動電流不穩定將導致LED輸出功率波動，這樣就會引起輸出光強發生變化，從而在有用信號上疊加一個噪聲。因此，為了減小因驅動引起的噪聲，本系統采用東芝公司專用LED驅動的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 接收器探頭設計
由于發射光只有十幾mV，從大腦反射出來的光在nW量級，因此系統接收器探頭必須具有較高的靈敏度與抗干擾能力。系統最終采用Burr-Brown公司的光電傳感器OPT101，內部結構圖如圖3所示。該芯片具有以下優點：
?。?）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絡，可以提高增益系數，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。
本系統通過外接10 M電阻且并聯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 信號采集模塊設計
本系統信號采集模塊采用TI公司最新推出具有高精度、低功耗、同步采樣的模數轉換芯片ADS1299。其主要優點有：
（1）高分辨率，8個低噪聲三角積分模數轉換器以及可編程放大器（PGA，增益系數1~24倍可選），在轉換速率不超過8 kS/s時，可以達到24 bit的分辨率，在使用內部參考電壓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。
（3）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，模數轉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計
本系統采用Wi-Fi作為數據傳輸技術，不僅可以滿足大數據的實時傳送，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，其無線發送速率峰值高達11 Mb/s，平均速度為2 Mb/s。室內通信范圍可以達到50~70 m，室外可以達到200 m以上。
芯片采用兩個ARM7作為處理內核，其中一個負責無線數據傳送與接收（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采集以及接收模數轉換后的信號，通過GPIO口控制恒流源芯片按照時序邏輯輸出電流。
3 系統擴展
本系統基本配置為8個光源，8個探測器組成的8通道系統可以根據實際需求自由擴展。下面分別給出了16路通道的級聯模式示意圖，光源驅動擴展如圖4所示，信號采集擴展如圖5所示。
4 結論
本文以近紅外光譜技術血氧檢測機理為基礎，設計了一款可以自由配置通道個數的血氧檢測系統前端。為了實現可穿戴式設備的要求，本文針對系統的便攜性、低功耗、無線數傳進行了重點研究。通過使用低功耗、高集成度芯片，使得整個系統體積小、重量輕、精度高、可自由移動，并且系統可以實時傳送數據。突破了臺式檢測設備的應用領域，以及常規無線技術對數據傳送速率的限制，適用于兒童、老人、認知心理學等領域的腦部實時血氧檢測。
參考文獻
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