基于MSP430的顱內(nèi)出血檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)方案

 1 引言

在中國(guó)有許多因創(chuàng)傷性顱腦損傷的患者急需搶救，但相當(dāng)一部分顱內(nèi)出血患者因未能及時(shí)診斷，延誤了搶救和治療時(shí)機(jī).因而出現(xiàn)腦血腫或腦疝后壓迫腦組織.使腦干和腦實(shí)質(zhì)受到不可逆轉(zhuǎn)的損傷。近紅外顱內(nèi)出血檢測(cè)設(shè)備能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)顱內(nèi)出血作出準(zhǔn)確的判斷.為是否實(shí)施CT/MRI檢查提供指征?？梢燥@著提高患者的成活幾率及神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù).在臨床上主要用于硬膜外出血(EDH)、硬膜下出血(SDH)、淺表腦實(shí)質(zhì)出血等，其優(yōu)點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確、無(wú)損傷，可以應(yīng)用于急救中心、醫(yī)院臨床科室、監(jiān)護(hù)病房ICU及野外戰(zhàn)場(chǎng)等。但在國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)到關(guān)于此類設(shè)備的相關(guān)報(bào)道，國(guó)外比較成熟的設(shè)備主要是德國(guó)Oicrain公司生產(chǎn)的CRAINscan儀器，價(jià)格昂貴。我們根據(jù)血紅蛋白對(duì)近紅外光的吸收特征及朗伯特一比爾定律.設(shè)計(jì)一種便攜式設(shè)備.實(shí)現(xiàn)對(duì)人體腦組織的無(wú)創(chuàng)、直接測(cè)量，為及時(shí)監(jiān)測(cè)病程變化和搶救治療方案的制定提供依據(jù)。

2 基本原理

當(dāng)忽略散射時(shí).介質(zhì)對(duì)人射光的總吸收量是介質(zhì)中各色團(tuán)吸收量的線性迭加，根據(jù)Beer-Lambert定律，透過(guò)介質(zhì)的光強(qiáng)It入射光強(qiáng)I0間滿足以下關(guān)系：

OD=-lnIt/I0=μcl

其中μ是吸收系數(shù)，C是介質(zhì)濃度，l表示光程。0D為光密度，當(dāng)入射光波長(zhǎng)一定時(shí)。OD是介質(zhì)濃度的線性函數(shù)。正常情況下人體大腦兩側(cè)對(duì)光的吸收是對(duì)稱的.如果有血管破裂引起內(nèi)部出血時(shí)，局部血濃度升高.光的吸收就會(huì)增加周此通過(guò)對(duì)人體大腦兩側(cè)光密度的測(cè)量可以判斷顱腦外傷患者是否存在腦出血現(xiàn)象，為是否需要進(jìn)一步CT或MRI檢查提供指征。

3 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備以MSP430單片機(jī)為控制核心.其輸出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)特定波長(zhǎng)的LED產(chǎn)生近紅外光.近紅外光源透過(guò)顱腦組織，由檢測(cè)探頭中的光電傳感器采集含有腦組織血氧信息的光信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換后將電信號(hào)傳送給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)可以保存在EEPROM中也可通過(guò)LCD顯示。還可以將信號(hào)通過(guò)USB口傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理或存儲(chǔ)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 設(shè)備系統(tǒng)框圖

3.1 檢測(cè)探頭

探頭由光源、光電傳感器和前端轉(zhuǎn)換電路組成，小圓孔用于固定光源，光電傳感器則同定在中間，光源選擇LED，傳感器選用S1226系列光電傳感器.其暗電流小，感光靈敏度為高。光源和傳感器之間的距離設(shè)定為40mm.探頭的平均探測(cè)深度為約為3cm,光源以恒流源驅(qū)動(dòng).并在脈沖信號(hào)的控制下分時(shí)發(fā)光實(shí)現(xiàn)了雙測(cè)檢測(cè)的功能。接觸面設(shè)計(jì)為弧形，邊緣和放置光源及傳感器的部位凸起，減少光源外泄，其余部位設(shè)計(jì)很薄，邊緣有斜口，使其容易彎曲，基座材料采用醫(yī)用硅膠，避免固定探頭時(shí)給被測(cè)試者帶來(lái)不適。

圖2 檢測(cè)探頭

3.2 主機(jī)電路

3.2.1 MSP430單片機(jī)

系統(tǒng)選擇，TI公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)MSP430F149，采用高效RISC結(jié)構(gòu)，有16個(gè)快速響應(yīng)中斷，最高時(shí)鐘頻率為8MHz，中斷喚醒時(shí)間小于6微秒。其單片集成了多通道A/D轉(zhuǎn)換器、模擬比較器、定時(shí)器、串行通信接口、數(shù)控振蕩器(DCO)、硬件乘法器，可以滿足大多數(shù)設(shè)備的應(yīng)用需要。其內(nèi)部預(yù)設(shè)了JTAG模塊.具有完整的在線調(diào)試功能，可利用片內(nèi)FLASH方便地實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)。

3.2.2 信號(hào)存儲(chǔ)

AT24C512 是Atmel公司生產(chǎn)的64KB串行電擦除可編程存儲(chǔ)器，采用8引腳封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，特別適用于大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其與單片機(jī)連接電路見(jiàn)圖3.單片機(jī)通過(guò)P3口來(lái)控制AT24C512的讀寫(xiě).P3.0控制串行時(shí)鐘輸入端SCL,在上升沿將SDA上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器，而在下降沿從存儲(chǔ)器讀入數(shù)據(jù)并送往SDA。P3.1控制雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出端SDA，主要用于存儲(chǔ)器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)連接。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)

3.2.3光源驅(qū)動(dòng)電路

光源驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，單片機(jī)P5.4腳輸出Vctrl電壓。P5.6控制EN使能端，輸入電壓大于2.5V時(shí)，器件工作，輸出電流驅(qū)動(dòng)LED燃亮;當(dāng)輸入電壓小于2.2V時(shí)，LED1、LED2、LED3端呈現(xiàn)高阻抗。不能燃亮。

SET 是偏置電流輸入端它與三只LED輸出電流的關(guān)系為Iled=230xIset，而Iled=(Vctrl-Vset)/R，Vset=1.215V，即：Iled=230(Vctrl-1.215)/R 可以看出，LED輸出電流只與P5.4輸出電壓及電阻R相關(guān)，并且在單片機(jī)控制下輪流發(fā)光。

3.2.4 液晶顯示模塊

LSDl2864CT是一款圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器，列驅(qū)動(dòng)器及全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形和文字顯示。單片機(jī)通過(guò)P1口實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶模塊狀態(tài)寄存器的操作.P1.0控制D/I寄存器選擇信號(hào)線，P1.1控制R/W讀寫(xiě)信號(hào)線，P1.2和P1.3控制CSI及CS2片選信號(hào)線，P1.4連接/RST端，P1.5接E使能信號(hào)線。P2口為數(shù)據(jù)端口與液晶模塊的8位數(shù)據(jù)線相連。MSP430專門(mén)分出兩組I/O端口用于液晶顯示.通常啟動(dòng)液晶的順序是：初始化讀狀態(tài)字寫(xiě)指令代碼，寫(xiě)數(shù)據(jù)，開(kāi)顯示。程序代碼按功能不同可分為寫(xiě)指令代碼、寫(xiě)數(shù)據(jù)等模塊.使能信號(hào)E上升沿觸發(fā)有效。

3.2.5 計(jì)算機(jī)通訊

本系統(tǒng)接口芯片采用PHILIPS公司的PDIUSBD12，它是一款高性能的USB接口器件，集成了SIE、FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器和電壓變換器。模塊功能包括：同步模式識(shí)別、并串轉(zhuǎn)換、位填充、解填充、CRC校驗(yàn)/產(chǎn)生、地址識(shí)別等。其8位并行數(shù)據(jù)接入MSP430的P5口，A0為命令、數(shù)據(jù)選擇線.當(dāng)A0=0時(shí).MSP430向PDIUSBD12發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)AO=1時(shí)。則發(fā)送命令。其數(shù)據(jù)交換采取中斷查詢方式，通過(guò)查詢INT_N是否為低電平來(lái)確定是否接受到上位機(jī)的數(shù)據(jù)或命令，再通過(guò)_WR和_RD引腳實(shí)現(xiàn)MSP430與PDIUSBDl2的數(shù)據(jù)交換。

4 軟件流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用MSP430的RISC精簡(jiǎn)指令用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程。系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)部分：(1)系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘校準(zhǔn)，A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)初始化，看門(mén)狗的初始化，LCD控制器的初始化等;(2)液晶顯示部分。包括漢字的顯示和波形顯示;(3)中斷處理，包括鍵盤(pán)中斷處理，信號(hào)采樣中斷，異常數(shù)據(jù)報(bào)警部分等;(4)血含量計(jì)算，采用逐點(diǎn)微分法進(jìn)行血含量計(jì)算。圖4是系統(tǒng)主程序的流程圖。硬件初始化后.測(cè)是否有鍵按下.如果有則執(zhí)行按鍵相對(duì)應(yīng)的功能.然后由LCD顯示不同功能所對(duì)應(yīng)的信息。如果無(wú)按鍵按下則顯示當(dāng)前實(shí)測(cè)血濃度。等待用戶的下一步操作。

圖4 系統(tǒng)主程序

5 臨床應(yīng)用

該儀器在醫(yī)院臨床應(yīng)用時(shí)，對(duì)病人進(jìn)行近紅外光譜檢查，探查部位為雙側(cè)額、顳和枕部，檢查時(shí).首先讀取并記錄一側(cè)血氧值，然后在對(duì)稱部位采樣，重復(fù)2次，取均值。計(jì)算兩者之差，以差值≥0.45為標(biāo)準(zhǔn)判斷有無(wú)出血，隨后進(jìn)行腦CT檢查。結(jié)果在47個(gè)病例中，CT顯示為腦出血的有29人.其中硬膜下出血19人.硬膜外出血7人，淺表腦實(shí)質(zhì)出血3人。近紅外光探測(cè)儀診斷腦出血28人，CT證實(shí)24例，4例為假陽(yáng)性，假陽(yáng)性病例中2人存在皮下血腫;近紅外線檢查為陰性者19例，17例為CT證實(shí).兩例假陰性病人中，1例為蛛網(wǎng)膜下腔出血，另1例為腦實(shí)質(zhì)出血。

6 小結(jié)

由于近紅外光穿透力不強(qiáng)，通過(guò)人體顱腦組織后衰減得相當(dāng)厲害，設(shè)備空間分辨率不是很高，它不能替代常規(guī)CT檢查來(lái)對(duì)顱內(nèi)病灶進(jìn)行定量和定位分析，其優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)人體無(wú)任何傷害的情況下快速地對(duì)傷情做出初步診斷。整體設(shè)計(jì)小巧.操作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有一定的實(shí)用價(jià)值，投人生產(chǎn)后有望取得不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)備采用MSP430單片機(jī)作為主控系統(tǒng).利用血紅蛋白對(duì)近紅外光的吸收特征.有效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體無(wú)創(chuàng)傷、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)功能.能夠準(zhǔn)確、及時(shí)的反映大腦組織的出血情況。