摘 要： 介紹了一種應用雙光源的便攜嵌入式近紅外腦血氧監測設備。該設備采用三星S3C2410A微控制器和以太網控制芯片DM9000A進行軟硬件設計，可實現同時對雙側腦組織局部血、氧參數的監測。
關鍵詞： 近紅外光；雙光源；腦血氧檢測；以太網接口；DM9000A；S3C2410A
氧是人體新陳代謝的重要物質，而腦組織的耗氧量最高。如果在心腦血管疾病及腦外傷病人臨床搶救與治療中缺乏對腦組織供氧的監護手段，就有可能造成腦組織神經功能的喪失或損害。而目前國外尚未見雙通道同時監測雙側腦組織血氧，并通過比較來反映患側腦組織血氧含量變化的報道[1-2]。
本文介紹的腦血氧監測設備不但能同時采集左右兩側大腦對稱位置的血氧參數，為臨床通過對比來評價患側腦血氧變化量提供新方法，還采用了嵌入式系統應用以太網將數據共享，達到了既能實時監測大腦兩側數據，又能實現數據共享的效果。
1 腦血氧檢測原理
本設備是根據氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對紅外和近紅外光不同的吸收特征，利用修正后的朗伯特-比爾定律和血紅蛋白在近紅外光(波長為760~850 nm)處的不同吸收特性，可以推導出血容量和氧容量表達式如下[1]：
由于光在組織中所歷經過程與波長相關，對于前后兩個不同的生理狀態，氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白濃度的變化可以表示為[2]：
由于在實際的測量中，不同病患的膚色、組織性能的差異，使得測量Hb和HbO2的絕對濃度困難重重，因此在實際監測中，一般使用光密度的變化來表征血容量和血氧的變化。
2 便攜式腦血氧檢測設備的硬件設計
2.1 硬件整體設計
本設備由探頭部分和主機部分組成，兩部分之間采用無線收發的模式進行數據傳輸，其具體系統框圖及工作流程如圖1所示。
由圖1可看出，該設備采用由三星S3C2410A微處理器產生的時鐘脈沖序列控制的760 nm和850 nm雙波長光源，通過雙光源交替照射顱腦組織，通過離探頭一定距離的光電轉換器實時收集經透射后的光，并分成兩路進行放大，通過由時序脈沖控制的模擬開關控制放大的進程，同時該監測設備將放大后的透射光的濾波降噪、和差運算、A/D轉換等電路均集成在探頭部分。這種設計可在一定程度上減小信號傳輸時的衰減程度和噪聲干擾，同時也節省了儀器體積，實現了便攜式設計。主機部分采用新型的S3C2410A微處理器，能更好地處理信息；新增了語音提示以及以太網數據共享接口，達到了快速直觀提示病患的健康情況以及數據傳輸、共享的作用；保留了以往的功率譜、相關函數、血氧飽和度的顯示，可為醫生在制定處方時提供一定的科學依據。在探頭部分與主機兩部分之間一般采用有線傳輸，其存在占用空間、成本較高、傳輸距離受限等眾多不足，為了克服這些不足，本設備采用了無線傳輸，通過軟件實現了ARM7和ARM9之間的無線傳輸，可方便地在傳輸范圍內移動和實時監測，省去了有線傳輸所占用的大量面積和存儲空間，真正做到了便攜式監測。
三星S3C2410A 16/32 bit RISC微處理器使用的是ARM920T核心。該處理器的主要特點為低功耗、低成本、小尺寸、高性能。其組件有：16 KB指令高速緩存和16 KB數據高速緩存，NAND閃存啟動加載器，MMU的虛擬內存管理器，3通道UART，4通道DMA，4通道PWM定時器，LCD控制器（超扭曲液晶屏），8通道10 bit ADC和觸摸屏接口，2通道的SPI和PLL時鐘發生器。
在本腦血氧設備中，S3C2410A微處理器控制電路產生脈沖信號，從而使760 nm和850 nm發光二極管交替發光；當數據從探頭部分輸入主機部分時，S3C2410A能處理、存儲、運算數據，并控制LCD顯示輸出，控制語音電路輸出音頻。控制語音電路輸出音頻是本設備的核心。
2.2 基于ARM9的以太網接口的設計
在以前的腦血氧監測設備中，以太網電路選擇的是CS8900A芯片，該芯片的引腳數為100，占用了大量的PCB版圖面積。而DM9000A引腳數僅為48，可以大量節省PCB版圖面積。本文考慮到便攜式對器件大小的要求，故采用的是以太網控制器DM9000A芯片。DM9000A以太網控制器是由DAVICOM Semiconductor公司研制的一個集成、低成本、低引腳數的單芯片快速以太網控制器，其主要組成部分包括：1個10/100 M PHY和4 KB的雙字節SRAM。在提供了3.3 V~5 V輸入電壓時具有較低的功耗和較高的性能。DM9000A對各類接口處理器均支持8 bit和16 bit的數據內部存儲器的訪問，符合IEEE 802.3u標準規格，其自動協商功能會自動配置DM9000A，并最大限度利用它；支持IEEE 802.3x全雙工流量控制，48引腳的LQFP，集成了10/100 M自適應收發器與自動MDIX。
DM9000A芯片的各引腳的硬件接口電路如圖2所示。為了保護芯片的數據和地址引腳，保護引腳免受瞬間高壓的損壞，在每個引腳后方接一個零電阻(這些零電阻在圖2中未標出)。圖中，電阻R7~R10可用來去除以太網輸入輸出電路中的信號雜波、耦合等干擾；芯片RClamp2504N用作對以太網的高壓保護，以防止瞬間過高電壓以及脈沖電流對DM9000A的損壞；X1是工作頻率為25.000 MHz的晶振電路，為單片機正常工作提供穩定的時鐘信號，并通過電容C5、C6濾去直流信號后接地，達到了設計的安全性；引腳19、20、21、46未使用做懸空處理。
圖3為芯片引腳15、33、45、48的接地端的保護電路，該電路通過半導體電容和極化電容的成對并聯，達到了濾除電壓波動、同時保護芯片引腳在過流瞬間燒斷的作用。
3 軟件設計
本設計中DM9000A驅動模塊程序包括：
(1)設定以太網物理地址，可在初始化DM9000A前修改。
2)定義接收幀類型、以太網數據和地址端口。
(3)設置工作模式，8位或16位模式。本設計采用16位模式，設定數據包收發過程中所用寄存器以及中斷方式。
(4)發送幀請求，初始化DM9000A，數據包收發流程。
DM9000A的軟件流程圖如圖4所示。
本文的創新點是：以往使用的是以太網控制器，而本設計使用DM9000A，其性能優良、功耗低、價格低廉。最大的優勢是DM9000A在10 Mb/s嵌入式網絡應用中占有很大的比重，在擁有共同的傳輸速度下，其芯片所占PCB板版的面積較小，而且可8/16 bit兩用，既方便了軟件設計者設計，又方便使用。
由于基于ARM的嵌入式醫療器械的廣泛使用和數據共享的需要，使得基于ARM的嵌入式以太網接口的軟硬件設計迫在眉睫，因此，開展嵌入式以太網接口的設計具有重要的意義，同時，該接口也有很好的應用前景。
參考文獻
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