基于MSP430單片機(jī)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．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)字寫指令代碼，寫數(shù)據(jù)，開(kāi)顯示。程序代碼按功能不同可分為寫指令代碼、寫數(shù)據(jù)等模塊．使能信號(hào)E上升沿觸發(fā)有效。