血液質譜樣本的製備（基於fNIRS與SiPM的腦血氧檢測電路設計）

2023-04-14 01:36:29 2

吳 凱，劉 燕，佟寶同，邢曉曼，戴亞康

（中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州215163）

腦血氧檢測作為大腦功能檢測之一，是認知神經科學和生物醫學領域必不可少的研究工具。其研究方法之一——功能性近紅外光譜技術，利用組織中血液的主要成分對近紅外光的良好吸收性和散射性，而獲得組織內氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的變化情況，從而實現對腦血氧的檢測。矽光電倍增器件是近幾年興起的光電探測器件，具有尺寸小、增益高、工作電壓低、對磁場不敏感等特點。為了檢測腦血氧的變化，設計一個基於近紅外光譜技術與矽光電倍增管的新型腦血氧檢測電路，並通過前臂阻斷實驗驗證了電路設計的性能滿足需求。

近紅外光譜技術；氧合血紅蛋白；脫氧血紅蛋白；矽光電倍增器件

中圖分類號：TN219

文獻標識碼：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.025

中文引用格式：吳凱，劉燕，佟寶同，等. 基於fNIRS與SiPM的腦血氧檢測電路設計[J].電子技術應用，2017，43(1)：95-98.

英文引用格式：Wu Kai，Liu Yan，Tong Baotong，et al. Design of a circuit based on fNIRS and SiPM in cerebral oxygen detection[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：95-98.

0 引言

大腦是人體最重要的器官，是人類生存的指揮中心，其重量約佔人體重的2%，然而，它的血流量約佔心臟血液輸出量的15%，耗氧量約佔全身耗氧量的20%。因此，人腦組織對於缺血、缺氧十分敏感[1]。例如，在腦外傷、心腦血管疾病甚至各種外科手術的臨床治療中，如果供血和供氧的檢測無法達到要求，則可能造成腦組織神經功能不可逆轉的損害[2]。此外，對大腦功能的檢測，使研究人員對大腦各區域功能的了解更加直觀。腦血氧檢測作為大腦功能檢測之一，對認知神經科學和生物醫學領域具有重要意義。因此，在臨床治療和科研中，具有一套檢測病人大腦血氧濃度的設備是必不可少的[3]。

功能性近紅外光譜技術(Function Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS)是認知神經科學和生物醫學領域中一種新興的光學腦成像技術[4]，對組織血氧的檢測便是之一[5]。然而基於fNIRS的設備一般運用在光強度非常低的場合，因此，該檢測器的靈敏度要求極高。傳統設備中，fNIRS設備主要使用光電倍增管（PMTs）或光電二極體（APDs）作為檢測器。然而，PMTs對過曝光非常敏感，操作電壓高且體積大；APDs則降低了靈敏度，並且操作電壓同樣較高。

針對PMTs與APDs的不足，本文採用了一種近年來引起人們廣泛關注的新型光電倍增探測器件——矽光電倍增管（Silicon Photo-Multiplier，SiPM）作為fNIRS設備的檢測器。相比於傳統PMTs，SiPM具有體積小、穩健性高、偏置電壓低以及對磁場不敏感等優點[6]；相比於APDs，SiPM增益高、靈敏度高、操作電壓低，且性能更加優越[7]。因此，本文選擇SiPM作為fNIRS設備的檢測器,設計相應電路以檢測深層組織中氧合血紅蛋白oxy-Hb(oxygenated hemoglobin)與脫氧血紅蛋白deoxy-Hb(deoxy-genated hemoglobin)的變化情況，並通過前臂阻斷實驗對電路的性能進行驗證。

1 fNIRS與SiPM的基本原理

1.1 fNIRS的基本原理

近紅外光譜技術是利用兩束特定波長的近紅外光射入大腦組織，被組織中血紅蛋白等吸收並經過組織的漫散射作用，少量光子透過頭皮被檢測器收集，通過特定的算法，計算出大腦組織氧合血紅蛋白（HbO2）與脫氧血紅蛋白（Hb）的變化情況。波長在650 nm~900 nm範圍內的近紅外光，對組織的穿透能力最強，可以穿透頭皮、顱骨以及大腦組織深達幾釐米。光子進入組織後發生透射和散射，被置於眉骨正上方約2 cm處的檢測器收集。利用修正的Beer_Lambert定律(Modified Beer-Lambert Law，MBLL)來計算採集的信號，將光密度的變化轉換為組織氧含量變化：

式中，OD為光密度，IOut表示透射光強度，IIn表示入射光強度，ε表示摩爾吸光係數，C表示吸光物質濃度，L為有效路徑長度，G表示背景散射補償係數。在圖1中，ρ為光源到檢測器距離（約3 cm~4 cm），其中L為有效路徑長度，一般為L=ρ·PDPF。這裡的PDPF被稱為部分差分路徑因子，可以通過蒙特卡羅仿真得到[8]。

1.2 SiPM的基本工作原理

本文利用SiPM作為檢測器，收集透過組織未被吸收的光子。SiPM是由工作在蓋革模式下的多個雪崩光電二極體(Avalanche Photo Diode，APD)構成的陣列型光電轉換器件[9]。其中，每個雪崩二極體和大阻值的猝滅電阻串聯組成一個像素單元，每個單元相互並聯而構成一個面陣列。當為SiPM加上適當的反向偏置電壓後，每個單元中的APD耗盡層會形成很高的電場，將半導體中的價電子激發為自由電子，並在電場中加速，從而打出許多的次級電子，實現電子倍增，產生的電流較大，累加起每個單元產生的電流便是器件的輸出電流。

2 硬體電路設計

根據近紅外光譜技術，利用矽光電倍增管作為檢測器，設計一個檢測腦血氧的硬體電路，其電路功能結構框圖如圖2所示。採用了美國德州儀器TI公司的SOC系列晶片CC2540作為電路的微處理器。

2.1 光源LED

電路使用發光二極體（OIS-330）系列作為光源。與雷射光源相比，LED光源非相干非準直，可得到的光強度更高[10]。此外，它的工作電壓低，工作電流小，抗震和衝擊性非常好。本文選用波長分別為680 nm和850 nm的LED作為光源，其測光功率為13 mW，譜線寬度為30 nm，並通過一款雙通道微功耗放大器ADA4505-2以及結型JFET場效應管PMGD400UN來驅動電路。

2.2 檢測器SiPM

電路使用SiPM作為設備的檢測器，收集未被吸收的光子。實驗選用德國KETEK公司的PM3360系列產品來檢測自組織表面的出射光，輸出微弱光電流信號。其感光面積為(3×3)mm2，像素點面積為(60×60)μm2，共有2 500像素點，其增益可達到107。

2.3 SiPM偏置電壓電路

為了矽光電倍增管可以正常工作，需加偏置電壓，本文選擇偏置電壓為30 V。偏量電壓電路圖如圖3所示。電路採用基於NE555的非隔離型直流升壓電路將電壓升壓到35 V，再利用穩壓電路將電壓穩壓到30 V。當系統接通電源後，電源VCC通過R1和R2對電容C1充電。當VTR小於1/3 VCC時，內部放電管截止，Vq輸出高電平，三極體Q1導通，電感L1將儲存能量；當VTR大於2/3 VCC時，內部放電管導通，使得放電端接地，電容C1通過R2對地放電使得VTR下降，Vq輸出低電平，三極體Q1截斷，電感一側將產生高電壓脈衝通過二級管整流給電容C7充電，輸出放大電壓Vout作為矽光電倍增管的偏置電壓。當VTR下降至1/3 VCC時，重複上述過程。

根據電路設計與公式計算可得周期T為31.2 μs，TH為27.7 μs，如圖4所示，圖4(a)中Vq電壓波形符合計算。同時，由仿真結果可以得到如圖4(b)的輸出電壓Vout為35.4 V，達到設計需求。

2.4 前置跨阻放大電路

為了將SiPM檢測的微弱光電流轉化為正常範圍的電壓信號，同時獲得最小的電流噪聲和電壓噪聲，電路採用了跨阻型放大器（TIA）接法。設計中採用TI公司OPA656系列晶片作為TIA的運算放大器。為了無失真放大光信號，將電路的帶寬設計為100 kHz，根據數據手冊OPA656N的增益帶寬積（GBP）為230 MHz。為了使放大器穩定工作，放大的倍數則應小於2 300倍。仿真電路如圖5所示。

用函數信號發生器代替SiPM作為信號源，並以矩形波輸入。根據仿真，選擇RF為510 Ω時，放大器的放大倍數為1 944倍。

當輸入幅值為 1 mV、頻率為50 kHz的矩形波時，輸出信號被放大1 944倍，並且基本無失真。由波特測試儀得到的幅頻特性，電路的通頻帶寬達到了100 kHz，滿足電路的設計需要。

3 實驗驗證及結果

為了驗證電路的有效性，根據國外相似系統的驗證方法設計了前臂阻斷實驗。實驗中，在正常人前臂連續採集信號700 s，頻率為1 Hz。其中，在50～250 s及450～650 s時間段用血壓計繃帶持續在前臂加壓250 mmHg，將所採集的數據讀出並用0.1 Hz的數字濾波器進行濾波，最後利用式(3)計算出血紅蛋白的含量變化情況。

實驗結果如圖6所示，在血管阻斷期間（50~250 s，450~650 s），血紅蛋白的含量發生明顯變化。在阻斷期間，血管不再與外部進行血流交換。因此，隨著組織的新陳代謝，HbO2含量將持續下降，Hb含量不斷上升，分別與圖中AD和BC段的變化相吻合；恢復血管暢通後，由於外部血流的快速湧入，HbO2與Hb含量快速恢復至正常水平，與圖中的DE和CF段相吻合；在前臂血管恢復正常後，再次阻斷驗證，由圖MP和NO段發現與之前結果一致。由此得出，本文的電路可以正確測得組織中血紅蛋白的變化情況，性能滿足設計需求。

4 結論與展望

本文基於fNIRS和SiPM設計了一個腦血氧檢測電路，並對電路各模塊進行了相應的仿真。通過前臂阻斷實驗得出本電路設計可以正確測得組織中血紅蛋白含量的變化情況，滿足本階段的設計需求。

本研究的最終目的是實現腦血氧的系統設計，在完成電路設計後，下一步將進行腦部信號採集實驗與算法處理，並實現與上位機的通信，完成整套系統的設計與測試。

參考文獻

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