基于MSP430顱內出血檢測設備的研制

1 引言

在中國有許多因創(chuàng )傷性顱腦損傷的患者急需搶救，但相當一部分顱內出血患者因未能及時(shí)診斷，延誤了搶救和治療時(shí)機．因而出現腦血腫或腦疝后壓迫腦組織．使腦干和腦實(shí)質(zhì)受到不可逆轉的損傷。近紅外顱內出血檢測設備能在短時(shí)間內對顱內出血作出準確的判斷．為是否實(shí)施CT/MRI檢查提供指征?？梢燥@著(zhù)提高患者的成活幾率及神經(jīng)系統功能恢復．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、準確、無(wú)損傷，可以應用于急救中心、醫院臨床科室、監護病房ICU及野外戰場(chǎng)等。但在國內還未見(jiàn)到關(guān)于此類(lèi)設備的相關(guān)報道，國外比較成熟的設備主要是德國Oicrain公司生產(chǎn)的CRAINscan儀器，價(jià)格昂貴。我們根據血紅蛋白對近紅外光的吸收特征及朗伯特一比爾定律．設計一種便攜式設備．實(shí)現對人體腦組織的無(wú)創(chuàng )、直接測量，為及時(shí)監測病程變化和搶救治療方案的制定提供依據。

2 基本原理

當忽略散射時(shí)．介質(zhì)對人射光的總吸收量是介質(zhì)中各色團吸收量的線(xiàn)性迭加，根據Beer-Lambert定律，透過(guò)介質(zhì)的光強It入射光強I0間滿(mǎn)足以下關(guān)系：

OD=-lnIt/I0=μcl

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

3 硬件設計

設備以MSP430單片機為控制核心．其輸出脈沖信號驅動(dòng)特定波長(cháng)的LED產(chǎn)生近紅外光．近紅外光源透過(guò)顱腦組織，由檢測探頭中的光電傳感器采集含有腦組織血氧信息的光信號，光電轉換后將電信號傳送給單片機，經(jīng)過(guò)處理后的信號可以保存在EEPROM中也可通過(guò)LCD顯示。還可以將信號通過(guò)USB口傳送給計算機進(jìn)行進(jìn)一步處理或存儲。其系統框圖如圖1所示：

圖1 設備系統框圖

3．1 檢測探頭

探頭由光源、光電傳感器和前端轉換電路組成，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定為40mm．探頭的平均探測深度為約為3cm,光源以恒流源驅動(dòng)．并在脈沖信號的控制下分時(shí)發(fā)光實(shí)現了雙測檢測的功能。接觸面設計為弧形，邊緣和放置光源及傳感器的部位凸起，減少光源外泄，其余部位設計很薄，邊緣有斜口，使其容易彎曲，基座材料采用醫用硅膠，避免固定探頭時(shí)給被測試者帶來(lái)不適。

圖2 檢測探頭

3．2 主機電路

3．2．1 MSP430單片機

系統選擇，TI公司生產(chǎn)的16位單片機MSP430F149，采用高效RISC結構，有16個(gè)快速響應中斷，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轉換器、模擬比較器、定時(shí)器、串行通信接口、數控振蕩器(DCO)、硬件乘法器，可以滿(mǎn)足大多數設備的應用需要。其內部預設了JTAG模塊．具有完整的在線(xiàn)調試功能，可利用片內FLASH方便地實(shí)現軟件升級。

3．2．2 信號存儲

AT24C512是Atmel公司生產(chǎn)的64KB串行電擦除可編程存儲器，采用8引腳封裝，具有結構緊湊、存儲容量大等特點(diǎn)，特別適用于大容量數據存儲要求的數據采集系統。其與單片機連接電路見(jiàn)圖3．單片機通過(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上的數據寫(xiě)入存儲器，而在下降沿從存儲器讀入數據并送往SDA。P3.1控制雙向串行數據輸入輸出端SDA，主要用于存儲器與單片機之間的數據連接。

圖3 LED驅動(dòng)

3．2．3光源驅動(dòng)電路

光源驅動(dòng)電路如圖3所示，單片機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，輸出電流驅動(dòng)LED燃亮；當輸入電壓小于2．2V時(shí)，LED1、LED2、LED3端呈現高阻抗。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，它主要由行驅動(dòng)器，列驅動(dòng)器及全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形和文字顯示。單片機通過(guò)P1口實(shí)現對液晶模塊狀態(tài)寄存器的操作．P1.0控制D/I寄存器選擇信號線(xiàn)，P1.1控制R/W讀寫(xiě)信號線(xiàn)，P1.2和P1.3控制CSI及CS2片選信號線(xiàn)，P1.4連接/RST端，P1.5接E使能信號線(xiàn)。P2口為數據端口與液晶模塊的8位數據線(xiàn)相連。MSP430專(zhuān)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)數據，開(kāi)顯示。程序代碼按功能不同可分為寫(xiě)指令代碼、寫(xiě)數據等模塊．使能信號E上升沿觸發(fā)有效。

3．2．5 計算機通訊

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

4 軟件流程

系統軟件設計主要采用MSP430的RISC精簡(jiǎn)指令用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程。系統主要分為以下幾個(gè)部分：(1)系統初始化，包括系統時(shí)鐘校準，A/D轉換參數初始化，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，信號采樣中斷，異常數據報警部分等；(4)血含量計算，采用逐點(diǎn)微分法進(jìn)行血含量計算。圖4是系統主程序的流程圖。硬件初始化后．測是否有鍵按下．如果有則執行按鍵相對應的功能．然后由LCD顯示不同功能所對應的信息。如果無(wú)按鍵按下則顯示當前實(shí)測血濃度。等待用戶(hù)的下一步操作。

圖4 系統主程序

5 臨床應用

該儀器在醫院臨床應用時(shí)，對病人進(jìn)行近紅外光譜檢查，探查部位為雙側額、顳和枕部，檢查時(shí)．首先讀取并記錄一側血氧值，然后在對稱(chēng)部位采樣，重復2次，取均值。計算兩者之差，以差值≥0．45為標準判斷有無(wú)出血，隨后進(jìn)行腦CT檢查。結果在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(xiàn)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

由于近紅外光穿透力不強，通過(guò)人體顱腦組織后衰減得相當厲害，設備空間分辨率不是很高，它不能替代常規CT檢查來(lái)對顱內病灶進(jìn)行定量和定位分析，其優(yōu)點(diǎn)是在對人體無(wú)任何傷害的情況下快速地對傷情做出初步診斷。整體設計小巧．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)后有望取得不錯的

經(jīng)濟效益。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：設備采用MSP430單片機作為主控系統．利用血紅蛋白對近紅外光的吸收特征．有效的實(shí)現了對人體無(wú)創(chuàng )傷、實(shí)時(shí)的監測功能．能夠準確、及時(shí)的反映大腦組織的出血情況。

更多醫療電子信息請關(guān)注：21ic醫療電子頻道