謝宏，徐升，姚楠，楊文璐，夏斌
(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)
摘要：針對當前近紅外成像光譜系統研發成本高、結構復雜、便攜性差等問題，提出了基于3D打印的近紅外光譜成像系統前端設計。通過3D打印技術設計系統前端發射器、接收器和采集頭套，并與近紅外光譜成像系統結合，設計出尺寸小、硬度強、易擴展的前端采集設備。利用高靈敏度的OPT101、ADS1299和GS1011完成信號采集與傳輸，通過3D打印可實現精度高、無線傳輸、可實時檢測腦部血氧濃度的近紅外光譜成像系統。
0引言
目前，近紅外醫療設備朝著“微型化、智能化、可穿戴”的方向發展。日立公司近幾年推出了兩款采用電池運行的可穿戴無線成人前額皮質fNIRS測量系統，即22通道WOT (2009)和2通道HOT 121B (2011)。美國NIRx公司其產品系列從DYNOT演變到NIRScout，再到NIRSport，設備逐漸變小，實現多通道可擴展，更加便攜式［1］。美國TechEn公司在1999年推出了首款商用CW fNIRS系統，其目前的系統CW6已經具有32個激光源和32個探測頭［2］。瑞士蘇黎世(Zurich)大學的Wolf等開發出4通道無線fNIRS成像系統。中國近紅外光譜技術還處在發展階段，北京師范大學近紅外腦成像研究中心（Center for fNIRS Brain Imaging Research，CNBIR）［3］致力于腦成像領域新方法與新技術的研究和探索，其中fNIRS靜息態（腦網絡）成像新技術、fNIRS雙腦耦合神經反饋新技術、fNIRS雙腦同時成像新技術都取得了豐碩成果，而對用于腦功能探測的fNIRS系統尤其是便攜式、3D打印方式的研究相對較少。
3D打印裝置在生物醫學、康復治療等領域對血氧濃度中血糖、 乳酸、膽紅素和離子（鈣、鉀）的監測方面得到廣泛應用［4］，并具有零技術設計、設計空間無限、耗材任意組合等優點。本文嘗試將3D打印與電子設計相結合，為了滿足頭部血氧濃度可穿戴采集的需要，通過3D打印設計發射器、接收器和采集頭套，有效避免機床加工過程中耗時、價格昂貴、設計復雜等缺點。并將3D打印與ADS1299芯片和GS1011構成一套完整的可穿戴近紅外信號采集系統。
1系統總體設計方案
本文設計的fNIRS系統前端是一款基于3D打印的反射式連續光(Continuous Wave,CW)系統［5］，以STM32為控制核心。通過標準接口與其他模塊進行數據通信，進行控制指令數據報傳送，系統前端根據控制指令進入相應的工作模式。該系統通過采用最新的高精度集成芯片，實現了一款便攜式、抗干擾能力強、易擴展和控制的fNIRS系統前端。
而整個近紅外光譜系統包括3D打印光源探頭、3D打印接收器探頭、光源驅動、信號采集模塊、GS1011無線傳送模塊、電源模塊。系統功能框圖如圖1所示。
1.13D打印光源探頭設計
由生物組織對光吸收特性曲線可知，fNIRS系統前端中近紅外光在760 nm時，脫氧血紅蛋白等血氧濃度吸收系數出現一個吸收尖峰，根據資料顯示選取760 nm與850 nm作為入射光波長為最佳［6］。因此本系統選用雙波長直插式LED(型號：L760/85004A)，其峰值分別為760 nm和850 nm。為了實現去除自然光、低頻電子等的干擾，本系統將近紅外LED的760 nm、850 nm波長的發射光強分別調制在0.8 kHz和1.2 kHz的正弦波上，因此兩個波長的頻分復用可實現。另外為了消除近紅外光不同通道之間的干擾，不同通道采用時分復用。根據LED和電路板尺寸，在SolidWorks中畫出外部結構圖，通過3D打印機打印出光源探頭外部輪廓。如圖2所示。
1.23D打印接收器探頭設計
針對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，因此近紅外采集系統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］，其具有以下優點：
（1）抗干擾能力強。該芯片將雪崩光電二極管(APD)與互阻放大器結合，可以有效減小雜散電容產生的噪聲和尖峰增益、漏電流等干擾誤差。
（2）線性度好。該傳感器線性響應較強，當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，非線性度隨電流也僅僅增加比較細微，對近紅外信號采集無影響 ［8］。
（3）高增益。為了提高增益系數，將引腳之間外接反饋電阻電容網絡，因為噪聲與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。
接收器外部探頭設計影響著整個系統采集精度，為了使光電傳感器有很好的采集精度，將外部輪廓設計成圓柱成型，使接收器探頭嵌入到圓柱中，達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發射器與接收器頭套設計
為了提高系統便攜性、采集的實時性，將發射器與接收器通過頭套和松緊帶固定到頭部，達到單人采集目的。頭發與自然光的干擾，對采集精度影響較大，因此將3D打印設備設計成螺紋型，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確性。而左右兩邊的D型結構，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信號采集模塊設計
信號采集模塊是整個系統的核心，因此選用了具有高精度、低功耗、同步采樣模數轉換芯片ADS1299，其主要優點有：
（1）抗干擾能力強。芯片中在模擬輸入端設計有EMI濾波器，可以濾除大部分無用的高頻干擾。
（2）高分辨率。其具有8個低噪聲三角積分模數轉換器和可編程放大器，當轉換速率小于8 kS/s，其分辨率可以達到24 bit。
（3）低功耗。芯片有省電和待機兩種工作模式，為了實現功率消耗最小，可以將工作模式設置為5 mV待機模式，功耗僅為10 μW。
3GS1011無線傳送模塊設計
目前，WiFi具有無線、實時性、大數據傳輸等優點，結合本系統數據傳輸較大、便攜式考慮，系統選用GainSpan公司生產的一款低功耗、高精度芯片 GS1011。芯片采用兩個ARM7作為處理內核，其中一個負責應用程序管理(APP CPU)，另一個負責無線數據傳送與接收(WLAN CPU)［9］。GS1011結構圖如圖5所示。
GS1011采用2.4 GHz射頻，其無線發送速率平均速度為2 Mbit/s，峰值最高達11 Mbit/s。GS1011室內無線傳輸范圍在50~70 m之間，室外數據傳輸距離達到200 m以上［10］。GS1011中SPI口控制ADS1299采集和接收模數轉換后的信號，GPIO口控制恒流源芯片按照時序邏輯輸出穩定電流，完成近紅外信號數據的發送與采集。
4系統采集數據處理
當人在運動時，控制大腦運動區域的血氧濃度變化明顯。將通過3D打印的發射器與接收器放置在大腦運動區域，在不同時間間隔運動右手，然后對近紅外信號進行數據采集。在采集過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。考慮到采集的數據量較大，為了減少數據處理、分析等工作，系統僅對波長為760 nm及頻率為800 Hz調制時的近紅外信號進行分析。
實驗條件：
（1）發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，實驗前30 min內無劇烈運動;
（3）實驗總時長為120 s。第20 s、60 s、100 s分別運動右手，運動時長為10 s，其他時間靜坐。
系統中光源發射功率與驅動電流成正比，通過對驅動電流調制，電流按照正弦波輸出。光源發射器發射光初始信號為A+Bsin(2πf+φ)，將乘性因子作用在信號上，利用光電傳感器對信號進行采集，輸出信號為：
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，提取相對不受噪聲干擾的B(t)。
在數據處理過程中，以25個點作為一個單元進行傅里葉變化，將采樣率由800 Hz變為400 Hz，經過一個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）是信號中A(t)，（b）是觀測血氧濃度變化的信號B(t)。根據圖6（b）可有效觀察到信號的跳動，因此，驗證了整個系統的可行性。
5結論
本文以修正的BeerLambert定律為理論基礎，利用目前熱門的3D打印技術，研制可穿戴便攜式功能近紅外成像采集系統前端。為了實現多通道、高采集精度、較強抗干擾能力，本文重點研究通過3D打印來設計發射器、接收器和采集頭套，利用螺紋設計控制發射器和接收器與皮膚的接觸深度，避免了自然光干擾。在整個系統中，將3D打印與ADS11299模數轉換模塊、GS1011無線發送模塊結合，實現多通道、多波長、可穿戴、便攜式等優點，提高了近紅外采集系統的實用性，適用于兒童、老人、認知心理學等領域的實時血氧檢測和研究，有利于醫院、學校等臨床實驗。
參考文獻
［1］ 常定勇,方躍法. 多輸出3D打印冗余并聯機器人的設計與分析［J］. 中國機械工程,2015(12):15951602.
［2］ FERRARI M, QUARESIMA V. A brief review on the history of human functional nearinfrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application［J］. Neuroimage, 2012, 63(2): 921935.
［3］ STRANGMAN G, BOAS D A, SUTTON J P. Noninvasive neuroimaging using nearinfrared light［J］. Biological Psychiatry, 2002, 52(7): 679693.
［4］ 宋熙煜, 閆鑌, 周利莉,等. 3D打印技術在CT領域的應用［J］. Ct理論與應用研究, 2015, 24(1) : 5768.
［5］ PIPER S K, KRUEGER A, KOCH S P, et al. A wearable multichannel fNIRS system for brain imaging in freely moving subjects［J］. NeuroImage, 2014, 85(1): 6471.
［6］ 鄭毅.基于連續光的便攜式近紅外腦功能成像系統的研制［D］.武漢：華中科技大學,2006.
［7］ STOTHERS L, SHADGAN B, MACNAB A. Urological applications of near infrared spectroscopy［J］. Canadian Journal of Urology, 2008, 15(6): 43994409.
［8］ 謝宏,王光明,姚楠,等.可穿戴式的功能近紅外光譜成像系統的前端設計［J］.微型機與應用,2015,34(10):2931,34.