一種可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端的製作方法

2023-07-24 12:16:57

本發明屬於醫療設備技術領域，具體地涉及一種可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端。

背景技術：

功能近紅外光譜技術（Functional Near-Infrared Spectroscopy，FNIRS）作為一種非侵入式腦功能成像技術，不僅具有安全、體積小、易於與其他設備（如腦電圖成像設備、功能核磁共振成像設備）集成等優點，而且具有較高的時間、空間解析度。因此該技術在學術領域、醫療領域和其他社會生活領域的應用研究越來越受到重視。

目前可攜式醫療設備朝著「微型化、智能化、個性化、網絡化」的方向發展。可攜式的FNIRS系統傳輸方式主要採用藍牙、ZigBee、Wi-Fi、無線射頻等無線技術。例如美國FNIR Devices公司的FNIR 1100w系統採用的是ZigBee技術，日本日立公司2009年發布的11通道WOT系統採用的是802.11b無線區域網，日本DynaSense與荷蘭Artinis公司分別基於藍牙技術開發了用於研究的雙通道與單通道設備。這些國外商業系統主要應用於醫院或者高校試驗研究，且價格昂貴。國內方面，分別基於無線射頻（RF）技術（作最高速率僅20kb/s）與GPRS技術針對肌氧檢測的可攜式設備進行了研製，但其通道個數有限，且傳輸速率受到限制，多通道系統中在保證數據精度的條件下很難滿足實時數據傳輸。

技術實現要素：

本發明就是針對腦部血氧非侵入式無損血氧檢測的問題，提供一種可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端；本發明體積小、功耗低、精度高、無線數傳、可實時檢測腦部血氧濃度的系統前端。

為實現本發明的上述目的，本發明採用如下技術方案。

本發明一種可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端，包括光源探頭、光源驅動模塊、接收器探頭、信號採集模塊、控制及無線傳送模塊、電源模塊、上位機；其結構要點是：所述電源模塊的輸出端分別連接光源探頭、光源驅動模塊、接收器探頭、信號採集模塊、控制及無線傳送模塊，所述控制及無線傳送模塊包括基於Wi-Fi模塊的GS1011晶片、控制晶片，所述控制晶片有GPIO接口和SPI串行接口；所述光源驅動模塊由16路恆流源晶片構成，所述接收器探頭的信號輸出端連接信號採集模塊的信號輸入端，所述信號採集模塊的信號輸出端連接控制晶片的SPI串行接口，所述控制晶片的GPIO接口連接光源驅動模塊的輸入埠，所述光源驅動模塊的輸出埠連接光源探頭；所述上位機與控制晶片之間通過無線Wi-Fi模塊通信。

作為本發明的一種優選方案，所述光源探頭採用雙波長直插式LED型號為L760/850-04A。

作為本發明的另一種優選方案，所述光源驅動模塊由16路恆流源晶片TC62D748。

作為本發明的另一種優選方案，所述接收器探頭包括光電傳感器和放大濾波電路，所述光電傳感器的輸出端連接放大濾波電路的輸入端。

進一步地，所述光電傳感器採用OPT101。

作為本發明的另一種優選方案，所述信號採集模塊包括預處理電路和A/D轉換器。

更進一步地，所述A/D轉換器採用ADS1299。

作為本發明的另一種優選方案，所述控制晶片採用ARM7處理器。

本發明的有益效果是。

1、本發明提供的一種可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端，採用超低功耗無線片上系統GS1011晶片作為控制中心以及無線Wi-Fi傳送模塊，借用時分復用技術實現光源驅動，採用高靈敏度的光電傳感器OPT101以及高解析度的模數轉換晶片ADS1299實現信號採集，實現了一種體積小、功耗低、精度高、無線數傳、可實時檢測腦部血氧濃度的系統前端。給出了光源驅動與信號採集擴展方案，使得系統可以自由配置成更多通道採集系統。

2、本發明基於Wi-Fi實時無線數傳的可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端，通過採用低功耗、高集成度晶片，使得整個系統重量輕、可自由移動，並且系統可以實時傳送數據。突破了臺式檢測設備的應用領域，以及常規無線技術對數據傳送速率的限制，適用於兒童、老人、認知心理學等領域的腦部實時血氧檢測。

附圖說明

圖1 是本發明一種可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端的總體結構框圖。

圖2是本發明一種可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端的光電傳感器電路連接圖。

具體實施方式

如圖 1 所示，為本發明一種可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端的結構框圖。圖中，包括光源探頭、光源驅動模塊、接收器探頭、信號採集模塊、控制及無線傳送模塊、電源模塊、上位機；其結構要點是：所述電源模塊的輸出端分別連接光源探頭、光源驅動模塊、接收器探頭、信號採集模塊、控制及無線傳送模塊，所述控制及無線傳送模塊包括基於Wi-Fi模塊的GS1011晶片、控制晶片，所述控制晶片有GPIO接口和SPI串行接口；所述光源驅動模塊由16路恆流源晶片構成，所述接收器探頭的信號輸出端連接信號採集模塊的信號輸入端，所述信號採集模塊的信號輸出端連接控制晶片的SPI串行接口，所述控制晶片的GPIO接口連接光源驅動模塊的輸入埠，所述光源驅動模塊的輸出埠連接光源探頭；所述上位機與控制晶片之間通過無線Wi-Fi模塊通信。

本發明所述GS1011的Wi-Fi模塊與上位機通信，根據上位機指令協調系統前端工作，並通過Wi-Fi將採集到的信號傳送到指定IP位址的上位機上。另外，將複雜的數字濾波、降噪及信號分離通過高性能的上位機進行處理，可以有效地減少系統前端的複雜性並提高系統的實時性。

所述光源探頭採用雙波長直插式LED型號為L760/850-04A。

所述光源驅動模塊由16路恆流源晶片TC62D748；可固定輸出1.5～90mA電流，具有電路簡潔、控制方便等特點，有效地減小了前端電路。

所述接收器探頭包括光電傳感器和放大濾波電路，所述光電傳感器的輸出端連接放大濾波電路的輸入端。

如圖2所示，為本發明一種可穿戴式功能近紅外光譜成像系統前端的光電傳感器電路連接圖。圖中，所述光電傳感器採用OPT101；光電傳感器OPT101具有較高的靈敏度與抗幹擾能力，具體優點：（1）抗幹擾能力強：該晶片通過將雪崩光電二極體（APD）與互阻放大器集成在一起，有效減少了雜散電容產生的噪聲， 以及漏電流、尖峰增益等誤差；（2）高增益：通過在引腳4、5之間外接反饋電阻電容網絡，可以提高增益係數，且由於噪聲正比於反饋電阻的平方根，因此在提高反饋電阻的同時提高了信噪比。（3） 線性度好：該傳感器具有非常好的線性響應，APD輸出100μA時的非線性失真在0.05%以下。即使輸出1mA時， 非線性度也只增加幾個百分點。圖中，所述光電傳感器OPT101通過外接10MΩ電阻且並聯5pF電容組成放大反饋電路，前級電路DC增益達到11×106 V/A，-3dB帶寬為1.3 kHz，上升時間約為270μs。

所述信號採集模塊包括預處理電路和A/D轉換器；所述A/D轉換器採用ADS1299；具有高精度、低功耗、同步採樣的優點。

所述控制晶片採用ARM7處理器。

可以理解的是，以上關於本發明的具體描述，僅用於說明本發明而並非受限於本發明實施例所描述的技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或等同替換，以達到相同的技術效果；只要滿足使用需要，都在本發明的保護範圍之內。