多通道脑血氧检测系统设计

分 类 号 密 级UDC 注 1学 位 论 文多 通 道 脑 血 氧 检 测 系 统 设 计（ 题 名 和 副 题 名 ）余 坚（ 作 者 姓 名 ）指 导 教 师 蒋 田 仔电 子 科 技 大 学教 授成 都（ 姓 名 、 职 称 、 单 位 名 称 ）申 请 学 位 级 别 硕 士 学 科 专 业 生 物 医 学 工 程提 交 论 文 日 期 2015.04 论 文 答 辩 日 期 2015.05学 位 授 予 单 位 和 日 期 电 子 科 技 大 学 2015 年 06 月 27 日答 辩 委 员 会 主 席评 阅 人注 1： 注 明 国 际 十 进 分 类 法 UDC 的 类 号 。MULTI-CHANNEL BRAIN BLOOD OXYGENDETECTING SYSTEMA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaMajor:Author:Advisor:School:Biomedical EngineeringJian YuProf.Tianzi JiangSchool of Life Science and Technology摘 要摘 要弥 散 光 学 成 像 （ Diffuse Optical Imaging， DOI） 是 一 种 利 用 被 测 组 织 对 光 的 吸收 、 散 射 等 作 用 来 进 行 功 能 成 像 的 技 术 ， 近 红 外 光 谱 技 术 （ Near-infraredspectroscopy， NIRS） 就 是 一 种 利 用 弥 散 光 学 成 像 原 理 来 进 行 脑 皮 层 功 能 活 动 检 测的 技 术 手 段 ， 它 是 一 种 具 有 无 创 性 、 便 携 性 的 新 型 脑 功 能 成 像 技 术 。 由 于 血 液 中的 氧 合 血 红 蛋 白 和 脱 氧 血 红 蛋 白 对 波 长 在 600900nm 的 近 红 外 光 具 有 特 异 性 ， 因而 可 以 利 用 近 红 外 光 的 这 一 特 性 来 获 得 大 脑 活 动 时 的 氧 合 血 红 蛋 白 和 脱 氧 血 红 蛋白 的 变 化 情 况 。 与 其 它 一 些 传 统 的 脑 成 像 技 术 （ MRI、 PET、 EEG 和 MEG 等 ） 相比 ， 近 红 外 弥 散 光 学 成 像 具 有 较 高 的 时 间 分 辨 率 、 造 价 较 低 、 便 携 性 好 、 操 作 简单 以 及 被 试 友 好 等 诸 多 优 点 。 同 时 它 还 具 有 非 侵 入 式 、 被 试 无 痛 苦 的 特 点 ， 并 且能 够 实 时 、 连 续 获 得 脑 血 氧 信 息 。 近 红 外 脑 成 像 技 术 不 仅 为 脑 科 学 研 究 提 供 了 一种 新 的 方 法 ， 而 且 对 于 临 床 应 用 ， 新 生 儿 脑 血 氧 监 测 、 脑 损 伤 颅 内 出 血 诊 断 等 具有 重 大 的 意 义 。然 而 到 目 前 为 止 ， 国 内 基 于 近 红 外 的 血 氧 检 测 仪 器 基 本 上 是 单 通 道 、 小 规 模发 展 ， 并 且 只 用 于 简 单 的 血 氧 检 测 ， 运 用 的 范 围 比 较 窄 、 发 挥 的 功 能 非 常 有 限 。在 国 内 ， 自 主 生 产 的 大 型 成 型 设 备 几 乎 没 有 ， 为 了 发 展 神 经 科 学 方 面 的 研 究 ， 一些 科 研 机 构 不 得 不 从 国 外 购 买 设 备 ， 不 仅 价 格 昂 贵 ， 而 且 设 备 的 维 护 成 本 很 高 。为 了 打 破 国 外 的 技 术 垄 断 ， 发 展 具 有 自 主 知 识 产 权 的 多 功 能 近 红 外 检 测 技 术 ， 研发 多 通 道 近 红 外 设 备 已 经 刻 不 容 缓 。 本 文 所 研 究 的 多 通 道 脑 血 氧 检 测 系 统 基 于 国家 重 大 科 学 仪 器 开 发 专 项 32 通 道 的 近 红 外 脑 电 同 步 脑 活 动 检 测 仪 。 本 文 主 要 介绍 课 题 组 承 担 的 近 红 外 检 测 系 统 的 设 计 ， 实 现 了 一 种 连 续 光 双 波 长 、 32 通 道 同 步采 集 的 大 脑 近 红 外 血 氧 检 测 仪 器 。 本 文 内 容 概 括 如 下 ：首 先 ， 本 文 介 绍 了 功 能 近 红 外 成 像 的 研 究 背 景 和 意 义 ， 与 其 他 传 统 脑 功 能 成像 比 较 ， 总 结 出 近 红 外 成 像 的 特 点 。 然 后 详 细 介 绍 了 近 红 外 成 像 检 测 原 理 和 理 论基 础 ， 重 点 分 析 了 基 于 朗 伯 -比 尔 定 律 的 连 续 波 成 像 算 法 。其 次 ， 先 介 绍 多 通 道 脑 血 氧 检 测 系 统 的 整 体 设 计 框 架 及 遵 循 的 设 计 原 则 。 再重 点 介 绍 主 要 功 能 模 块 的 设 计 原 理 和 实 现 过 程 ， 包 括 硬 件 电 路 设 计 以 及 软 件 设 计 。最 后 ， 通 过 对 仪 器 硬 件 电 路 测 试 以 及 实 验 数 据 的 采 集 对 仪 器 性 能 进 行 分 析 ，总 结 出 仪 器 的 优 劣 。关 键 词 ： 功 能 近 红 外 ， 脑 血 氧 检 测 ， 弥 散 光 学 成 像 ， 朗 伯 -比 尔 定 律 ， 连 续 波IAbstractAbstractNear-infrared spectroscopy (NIRS) is a means of cortical functional activitydetection based on Diffuse Optical Imagin (DOI), which is non-invasive and portability.Oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin in blood have different sensitivity to thenear-infrared light which wavelength range from 600nm to 900nm,so we can obtain thechanges of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin concentration in cerebral activity.Compared with some other conventional brain imaging techniques (MRI, PET, EEGand MEG, etc.), Near-infrared Diffuse Optical Imaging has lots of advantages, forexample, it owns high time resolution, low cost, portability, simple operation, and so on.And it is a non-invasive detection technology which is able to get real-time, continuousinformation on cerebral oxygen. NIRS not only provides a new technology for brainresearch, but also can be applied to clinic. It is of great significance to the monitoring ofneonatal cerebral oximetry, and the diagnosis of brain injuries, such as intracranialhemorrhage.However, so far, the domestic oximetry detecting instrument based onnear-infrared has a very small-scaled development. It has just been used for simpleoxygen detection which means the platform for using it is limited. There are just a fewlarge-scale molding instruments produced in china. In order to promote theneuroscience research, lots of instruments have to be imported by a number of researchinstitutions from other countries which are undoubtedly more expensive with highmaintenance cost of the devices. In order to break the monopoly of foreign technologies,and promote the development of proprietary multi-functional near infrared detectiontechnology, to make multi-channel near-infrared devices has been pressing. This paperbased on the National Major Scientific Instruments and Equipments DevelopmentProject32 channel NIR and EEG synchronous activity detector. This paper describesdesign of this near-infrared detection instrument which can achieve a continuousdual-wavelength light and have simultaneous acquisition of cerebral oxygen in 32channels. The main contents are given as follows:First of all, this paper compared with other traditional cerebral imaging, theauthor gives an introduction to the background and significance of NIRS, andsummarizes the characteristics of near-infrared imaging, then analyzes the principle andIIAbstracttheoretical basis of near-infrared imaging detection in detail, focusing on continuouswave imaging algorithm based on Lambert Beer.Secondly, the overall architecture and the general design principles ofmulti-channel cerebral blood oxygen monitoring system are introduced in this paper,and the main function module design and implementation, including hardware circuitdesign and software design are introduced in detail, too.Finally, through testing to the instrument hardware circuit and the experimentaldata collection, the author analyzes the function of the instrument and sums up theadvantages and disadvantages of the instrument.Key words： FNIRS, Detection of cerebral blood oxygen, DOI, Lambert-Beer, CWIII目 录 目 录第 一 章 绪 论 . 1 1.1 研 究 背 景 和 意 义 . 1 1.2 近 红 外 检 测 原 理 . 3 第 二 章 系 统 总 体 设 计 方 案 和 原 理 分 析 . 9 2.1 系 统 的 总 体 设 计 原 则 . 9 2.2 总 体 方 案 设 计 . 9 2.2.1 单 通 道 近 红 外 检 测 的 工 作 原 理 . 11 2.3 设 计 创 新 . 12 2.4 元 器 件 选 择 . 15 2.4.1 控 制 芯 片 的 选 取 . 15 2.4.2 模 数 转 换 芯 片 的 选 取 . 17 2.4.3 激 光 管 以 及 驱 动 芯 片 的 选 取 . 17 2.4.4 光 信 号 检 测 器 件 的 选 取 . 18 2.5 本 章 小 结 . 18 第 三 章 模 块 化 的 硬 件 设 计 . 20 3.1 光 源 模 块 设 计 . 20 3.2 光 信 号 检 测 模 块 原 理 图 . 22 3.3 正 交 解 调 模 块 设 计 . 25 3.3.1 基 于 锁 相 放 大 器 的 正 交 相 敏 检 波 原 理 和 设 计 . 26 3.3.2 低 通 滤 波 器 的 设 计 . 29 3.4 RS485 通 信 接 口 设 计 . 31 3.4.1 RS485 介 绍 . 31 3.4.2 RS-485 总 线 接 口 设 计 . 32 3.5 电 源 模 块 和 单 片 机 最 小 系 统 . 34 3.6 本 章 小 结 . 35 第 四 章 通 信 协 议 及 软 件 设 计 . 37 4.1 通 信 协 议 设 计 . 37 4.2 软 件 开 发 平 台 介 绍 . 38 4.2.1 Keil uVision v5 使 用 简 介 . 39 4.3 软 件 设 计 . 40 4.3.1 串 口 通 信 设 计 . 42 4.3.2 解 码 函 数 设 计 . 43 4.3.3 中 断 服 务 程 序 设 计 . 44 4.4 本 章 小 结 . 47 第 五 章 系 统 性 能 测 试 . 48 IV目 录5.1 系 统 功 能 模 块 及 通 道 一 致 性 测 试 . 48 5.2 脑 血 氧 数 据 采 集 与 分 析 . 51 5.3 本 章 小 结 . 52 第 六 章 总 结 与 展 望 . 53 6.1 工 作 总 结 . 53 6.2 工 作 展 望 . 54 致 谢 . 55 参 考 文 献 . 56 在 学 期 间 取 得 的 与 学 位 论 文 相 关 的 研 究 成 果 . 59 V第 一 章 绪 论第 一 章 绪 论1.1 研 究 背 景 和 意 义大 脑 是 人 体 最 重 要 的 中 枢 神 经 器 官 ， 它 的 神 经 结 构 异 常 复 杂 。 大 脑 皮 层 作 为大 脑 的 重 要 组 成 部 分 ， 它 由 数 以 亿 计 的 神 经 元 细 胞 构 成 ， 参 与 着 人 体 的 各 种 基 本的 生 命 活 动 ， 运 动 、 感 官 以 及 高 级 的 情 感 认 知 功 能 等 。 一 直 以 来 ， 科 学 家 们 对 人类 脑 认 知 的 研 究 从 未 停 止 过 ， 随 着 各 种 脑 成 像 技 术 的 发 展 ， 脑 科 学 研 究 还 将 不 断的 深 入 。 脑 成 像 技 术 作 为 神 经 科 学 家 们 研 究 大 脑 的 一 种 重 要 的 技 术 手 段 ， 能 够 帮助 科 学 家 们 了 解 活 体 脑 的 内 部 结 构 和 生 理 活 动 情 况 ， 帮 助 他 们 理 解 大 脑 特 定 区 域的 功 能 ， 对 多 种 神 经 疾 病 影 响 的 脑 区 进 行 定 位 和 病 理 分 析 进 而 发 明 新 方 法 治 愈 脑部 疾 病 等 。 现 阶 段 使 用 的 脑 影 像 技 术 种 类 繁 多 ， 特 别 是 传 统 的 一 些 脑 影 像 技 术 占据 着 主 导 地 位 ， 例 如 X 射 线 断 层 成 像 (CT 扫 描 )、 正 电 子 断 层 扫 描 (PET)、 功 能 磁 共振 成 像 (fMRI)以 及 血 管 造 影 术 等 。 这 些 传 统 的 影 像 技 术 虽 然 都 有 各 自 的 一 些 优 势 ，然 而 也 有 很 多 局 限 性 ， 或 者 价 格 昂 贵 ， 或 者 操 作 环 境 特 殊 ， 或 者 对 人 体 伤 害 等 ，因 此 发 展 一 种 能 够 适 应 普 通 的 研 究 环 境 、 弥 补 传 统 脑 成 像 的 不 足 的 新 型 脑 影 像 设备 已 成 为 大 势 所 趋 。科 学 家 在 1992 年 发 现 ， 可 以 通 过 近 红 外 光 学 成 像 系 统 来 探 测 人 类 大 脑 皮 层 在功 能 激 活 状 态 下 的 血 氧 响 应 机 制 （ 血 红 蛋 白 浓 度 变 化 ）。 自 此 ， 科 学 家 们 利 用 光 谱成 像 技 术 在 脑 功 能 影 像 研 究 领 域 打 开 了 一 个 新 局 面 。 此 后 ，