謝宏，徐升，姚楠，楊文璐，夏斌

　　(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

　　摘要：針對(duì)當(dāng)前近紅外成像光譜系統(tǒng)研發(fā)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、便攜性差等問(wèn)題，提出了基于3D打印的近紅外光譜成像系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)。通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)前端發(fā)射器、接收器和采集頭套，并與近紅外光譜成像系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計(jì)出尺寸小、硬度強(qiáng)、易擴(kuò)展的前端采集設(shè)備。利用高靈敏度的OPT101、ADS1299和GS1011完成信號(hào)采集與傳輸，通過(guò)3D打印可實(shí)現(xiàn)精度高、無(wú)線傳輸、可實(shí)時(shí)檢測(cè)腦部血氧濃度的近紅外光譜成像系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：3D打印；fNIRS；可穿戴；光源

0引言

　　目前，近紅外醫(yī)療設(shè)備朝著“微型化、智能化、可穿戴”的方向發(fā)展。日立公司近幾年推出了兩款采用電池運(yùn)行的可穿戴無(wú)線成人前額皮質(zhì)fNIRS測(cè)量系統(tǒng)，即22通道WOT (2009)和2通道HOT 121B (2011)。美國(guó)NIRx公司其產(chǎn)品系列從DYNOT演變到NIRScout，再到NIRSport，設(shè)備逐漸變小，實(shí)現(xiàn)多通道可擴(kuò)展，更加便攜式［1］。美國(guó)TechEn公司在1999年推出了首款商用CW fNIRS系統(tǒng)，其目前的系統(tǒng)CW6已經(jīng)具有32個(gè)激光源和32個(gè)探測(cè)頭［2］。瑞士蘇黎世(Zurich)大學(xué)的Wolf等開發(fā)出4通道無(wú)線fNIRS成像系統(tǒng)。中國(guó)近紅外光譜技術(shù)還處在發(fā)展階段，北京師范大學(xué)近紅外腦成像研究中心（Center for fNIRS Brain Imaging Research，CNBIR）［3］致力于腦成像領(lǐng)域新方法與新技術(shù)的研究和探索，其中fNIRS靜息態(tài)（腦網(wǎng)絡(luò)）成像新技術(shù)、fNIRS雙腦耦合神經(jīng)反饋新技術(shù)、fNIRS雙腦同時(shí)成像新技術(shù)都取得了豐碩成果，而對(duì)用于腦功能探測(cè)的fNIRS系統(tǒng)尤其是便攜式、3D打印方式的研究相對(duì)較少。

　　3D打印裝置在生物醫(yī)學(xué)、康復(fù)治療等領(lǐng)域?qū)ρ鯘舛戎醒恰?乳酸、膽紅素和離子（鈣、鉀）的監(jiān)測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用［4］，并具有零技術(shù)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)空間無(wú)限、耗材任意組合等優(yōu)點(diǎn)。本文嘗試將3D打印與電子設(shè)計(jì)相結(jié)合，為了滿足頭部血氧濃度可穿戴采集的需要，通過(guò)3D打印設(shè)計(jì)發(fā)射器、接收器和采集頭套，有效避免機(jī)床加工過(guò)程中耗時(shí)、價(jià)格昂貴、設(shè)計(jì)復(fù)雜等缺點(diǎn)。并將3D打印與ADS1299芯片和GS1011構(gòu)成一套完整的可穿戴近紅外信號(hào)采集系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　本文設(shè)計(jì)的fNIRS系統(tǒng)前端是一款基于3D打印的反射式連續(xù)光(Continuous Wave,CW)系統(tǒng)［5］，以STM32為控制核心。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行控制指令數(shù)據(jù)報(bào)傳送，系統(tǒng)前端根據(jù)控制指令進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。該系統(tǒng)通過(guò)采用最新的高精度集成芯片，實(shí)現(xiàn)了一款便攜式、抗干擾能力強(qiáng)、易擴(kuò)展和控制的fNIRS系統(tǒng)前端。

　　而整個(gè)近紅外光譜系統(tǒng)包括3D打印光源探頭、3D打印接收器探頭、光源驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集模塊、GS1011無(wú)線傳送模塊、電源模塊。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

　　1.13D打印光源探頭設(shè)計(jì)

　　由生物組織對(duì)光吸收特性曲線可知，fNIRS系統(tǒng)前端中近紅外光在760 nm時(shí)，脫氧血紅蛋白等血氧濃度吸收系數(shù)出現(xiàn)一個(gè)吸收尖峰，根據(jù)資料顯示選取760 nm與850 nm作為入射光波長(zhǎng)為最佳［6］。因此本系統(tǒng)選用雙波長(zhǎng)直插式LED(型號(hào)：L760/85004A)，其峰值分別為760 nm和850 nm。為了實(shí)現(xiàn)去除自然光、低頻電子等的干擾，本系統(tǒng)將近紅外LED的760 nm、850 nm波長(zhǎng)的發(fā)射光強(qiáng)分別調(diào)制在0.8 kHz和1.2 kHz的正弦波上，因此兩個(gè)波長(zhǎng)的頻分復(fù)用可實(shí)現(xiàn)。另外為了消除近紅外光不同通道之間的干擾，不同通道采用時(shí)分復(fù)用。根據(jù)LED和電路板尺寸，在SolidWorks中畫出外部結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)3D打印機(jī)打印出光源探頭外部輪廓。如圖2所示。

　　1.23D打印接收器探頭設(shè)計(jì)

　　針對(duì)近紅外光只有十幾毫瓦，而能夠被光電傳感器接收的光的范圍在納瓦量級(jí)，因此近紅外采集系統(tǒng)中光電傳感器必須具有較高的采集精度與抗干擾能力。光電傳感器選用Burr-Brown公司的OPT1011［7］，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）抗干擾能力強(qiáng)。該芯片將雪崩光電二極管(APD)與互阻放大器結(jié)合，可以有效減小雜散電容產(chǎn)生的噪聲和尖峰增益、漏電流等干擾誤差。

　　（2）線性度好。該傳感器線性響應(yīng)較強(qiáng)，當(dāng)APD輸出電流為100 μA，其非線性失真可以降到0.05%以下。即使輸出電流為1 mA時(shí)，非線性度隨電流也僅僅增加比較細(xì)微，對(duì)近紅外信號(hào)采集無(wú)影響 ［8］。

　　（3）高增益。為了提高增益系數(shù)，將引腳之間外接反饋電阻電容網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵肼暸c反饋電阻的平方根成正比，因此既可以提高反饋電阻又可提高信噪比。

　　接收器外部探頭設(shè)計(jì)影響著整個(gè)系統(tǒng)采集精度，為了使光電傳感器有很好的采集精度，將外部輪廓設(shè)計(jì)成圓柱成型，使接收器探頭嵌入到圓柱中，達(dá)到光電傳感器完全與皮膚接觸的目的。圖3為接收器3D打印效果圖。

　　1.3發(fā)射器與接收器頭套設(shè)計(jì)

　　為了提高系統(tǒng)便攜性、采集的實(shí)時(shí)性，將發(fā)射器與接收器通過(guò)頭套和松緊帶固定到頭部，達(dá)到單人采集目的。頭發(fā)與自然光的干擾，對(duì)采集精度影響較大，因此將3D打印設(shè)備設(shè)計(jì)成螺紋型，以更好地控制光源、光電傳感器與皮膚的接觸距離，提高采集的精度與準(zhǔn)確性。而左右兩邊的D型結(jié)構(gòu)，是為固定松緊帶考慮，使松緊帶更好地與頭套相連。如圖4所示。

2信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

　　信號(hào)采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，因此選用了具有高精度、低功耗、同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1299，其主要優(yōu)點(diǎn)有：

　　（1）抗干擾能力強(qiáng)。芯片中在模擬輸入端設(shè)計(jì)有EMI濾波器，可以濾除大部分無(wú)用的高頻干擾。

　　（2）高分辨率。其具有8個(gè)低噪聲三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器和可編程放大器，當(dāng)轉(zhuǎn)換速率小于8 kS/s，其分辨率可以達(dá)到24 bit。

　　（3）低功耗。芯片有省電和待機(jī)兩種工作模式，為了實(shí)現(xiàn)功率消耗最小，可以將工作模式設(shè)置為5 mV待機(jī)模式，功耗僅為10 μW。

　　3GS1011無(wú)線傳送模塊設(shè)計(jì)

　　目前，WiFi具有無(wú)線、實(shí)時(shí)性、大數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，結(jié)合本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸較大、便攜式考慮，系統(tǒng)選用GainSpan公司生產(chǎn)的一款低功耗、高精度芯片 GS1011。芯片采用兩個(gè)ARM7作為處理內(nèi)核，其中一個(gè)負(fù)責(zé)應(yīng)用程序管理(APP CPU)，另一個(gè)負(fù)責(zé)無(wú)線數(shù)據(jù)傳送與接收(WLAN CPU)［9］。GS1011結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

　　GS1011采用2.4 GHz射頻，其無(wú)線發(fā)送速率平均速度為2 Mbit/s，峰值最高達(dá)11 Mbit/s。GS1011室內(nèi)無(wú)線傳輸范圍在50~70 m之間，室外數(shù)據(jù)傳輸距離達(dá)到200 m以上［10］。GS1011中SPI口控制ADS1299采集和接收模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，GPIO口控制恒流源芯片按照時(shí)序邏輯輸出穩(wěn)定電流，完成近紅外信號(hào)數(shù)據(jù)的發(fā)送與采集。

4系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)處理

　　當(dāng)人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)域的血氧濃度變化明顯。將通過(guò)3D打印的發(fā)射器與接收器放置在大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)域，在不同時(shí)間間隔運(yùn)動(dòng)右手，然后對(duì)近紅外信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在采集過(guò)程中近紅外光源探頭與大腦不僅要固定牢靠，更重要的是盡量避免自然光干擾。考慮到采集的數(shù)據(jù)量較大，為了減少數(shù)據(jù)處理、分析等工作，系統(tǒng)僅對(duì)波長(zhǎng)為760 nm及頻率為800 Hz調(diào)制時(shí)的近紅外信號(hào)進(jìn)行分析。

　　實(shí)驗(yàn)條件：

　　（1）發(fā)射探頭與接收探頭間距為30 mm；

　　（2）受試者：男，25歲，體重60 kg，身高175 cm，靜坐，實(shí)驗(yàn)前30 min內(nèi)無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng);

　　（3）實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為120 s。第20 s、60 s、100 s分別運(yùn)動(dòng)右手，運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為10 s，其他時(shí)間靜坐。

　　系統(tǒng)中光源發(fā)射功率與驅(qū)動(dòng)電流成正比，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流調(diào)制，電流按照正弦波輸出。光源發(fā)射器發(fā)射光初始信號(hào)為A+Bsin(2πf+φ)，將乘性因子作用在信號(hào)上，利用光電傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，輸出信號(hào)為：

　　Vout(t)=A(t)+B(t)sin(2πft+φ)+ε(t)（1）

　　其中，A(t)和B(t)中都包含血氧濃度的變化，由于A(t)受到噪聲的干擾，因此，提取相對(duì)不受噪聲干擾的B(t)。

　　在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，以25個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)單元進(jìn)行傅里葉變化，將采樣率由800 Hz變?yōu)?00 Hz，經(jīng)過(guò)一個(gè)8階橢圓濾波器，最后提取式（1）中B(t)。該方法可以有效地降低采樣率。圖6（a）是信號(hào)中A(t)，（b）是觀測(cè)血氧濃度變化的信號(hào)B(t)。根據(jù)圖6（b）可有效觀察到信號(hào)的跳動(dòng)，因此，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的可行性。

5結(jié)論

　　本文以修正的BeerLambert定律為理論基礎(chǔ)，利用目前熱門的3D打印技術(shù)，研制可穿戴便攜式功能近紅外成像采集系統(tǒng)前端。為了實(shí)現(xiàn)多通道、高采集精度、較強(qiáng)抗干擾能力，本文重點(diǎn)研究通過(guò)3D打印來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)射器、接收器和采集頭套，利用螺紋設(shè)計(jì)控制發(fā)射器和接收器與皮膚的接觸深度，避免了自然光干擾。在整個(gè)系統(tǒng)中，將3D打印與ADS11299模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、GS1011無(wú)線發(fā)送模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多通道、多波長(zhǎng)、可穿戴、便攜式等優(yōu)點(diǎn)，提高了近紅外采集系統(tǒng)的實(shí)用性，適用于兒童、老人、認(rèn)知心理學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)血氧檢測(cè)和研究，有利于醫(yī)院、學(xué)校等臨床實(shí)驗(yàn)。

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