基于MSP430單片機的顱內(nèi)出血檢測設備設計方案

1 引言

在中國有許多因創(chuàng)傷性顱腦損傷的患者急需搶救，但相當一部分顱內(nèi)出血患者因未能及時診斷，延誤了搶救和治療時機．因而出現(xiàn)腦血腫或腦疝后壓迫腦組織．使腦干和腦實質受到不可逆轉的損傷。近紅外顱內(nèi)出血檢測設備能在短時間內(nèi)對顱內(nèi)出血作出準確的判斷．為是否實施CT/MRI檢查提供指征?？梢燥@著提高患者的成活幾率及神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復．在臨床上主要用于硬膜外出血(EDH)、硬膜下出血(SDH)、淺表腦實質出血等，其優(yōu)點是快速、準確、無損傷，可以應用于急救中心、醫(yī)院臨床科室、監(jiān)護病房ICU及野外戰(zhàn)場等。但在國內(nèi)還未見到關于此類設備的相關報道，國外比較成熟的設備主要是德國Oicrain公司生產(chǎn)的CRAINscan儀器，價格昂貴。我們根據(jù)血紅蛋白對近紅外光的吸收特征及朗伯特一比爾定律．設計一種便攜式設備．實現(xiàn)對人體腦組織的無創(chuàng)、直接測量，為及時監(jiān)測病程變化和搶救治療方案的制定提供依據(jù)。

2 基本原理

當忽略散射時．介質對人射光的總吸收量是介質中各色團吸收量的線性迭加，根據(jù)Beer-Lambert定律，透過介質的光強It入射光強I0間滿足以下關系：

OD=-lnIt/I0=μcl

其中μ是吸收系數(shù)，C是介質濃度，l表示光程。0D為光密度，當入射光波長一定時。OD是介質濃度的線性函數(shù)。正常情況下人體大腦兩側對光的吸收是對稱的．如果有血管破裂引起內(nèi)部出血時，局部血濃度升高．光的吸收就會增加周此通過對人體大腦兩側光密度的測量可以判斷顱腦外傷患者是否存在腦出血現(xiàn)象，為是否需要進一步CT或MRI檢查提供指征。

3 硬件設計

設備以MSP430單片機為控制核心．其輸出脈沖信號驅動特定波長的LED產(chǎn)生近紅外光．近紅外光源透過顱腦組織，由檢測探頭中的光電傳感器采集含有腦組織血氧信息的光信號，光電轉換后將電信號傳送給單片機，經(jīng)過處理后的信號可以保存在EEPROM中也可通過LCD顯示。還可以將信號通過USB口傳送給計算機進行進一步處理或存儲。其系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 設備系統(tǒng)框圖

3．1 檢測探頭

探頭由光源、光電傳感器和前端轉換電路組成，小圓孔用于固定光源，光電傳感器則同定在中間，光源選擇LED，傳感器選用S1226系列光電傳感器．其暗電流小，感光靈敏度為高。光源和傳感器之間的距離設定為40mm．探頭的平均探測深度為約為3cm,光源以恒流源驅動．并在脈沖信號的控制下分時發(fā)光實現(xiàn)了雙測檢測的功能。接觸面設計為弧形，邊緣和放置光源及傳感器的部位凸起，減少光源外泄，其余部位設計很薄，邊緣有斜口，使其容易彎曲，基座材料采用醫(yī)用硅膠，避免固定探頭時給被測試者帶來不適。

圖2 檢測探頭

3．2 主機電路

3．2．1 MSP430單片機

系統(tǒng)選擇，TI公司生產(chǎn)的16位單片機MSP430F149，采用高效RISC結構，有16個快速響應中斷，最高時鐘頻率為8MHz，中斷喚醒時間小于6微秒。其單片集成了多通道A/D轉換器、模擬比較器、定時器、串行通信接口、數(shù)控振蕩器(DCO)、硬件乘法器，可以滿足大多數(shù)設備的應用需要。其內(nèi)部預設了JTAG模塊．具有完整的在線調試功能，可利用片內(nèi)FLASH方便地實現(xiàn)軟件升級。

3．2．2 信號存儲

AT24C512是Atmel公司生產(chǎn)的64KB串行電擦除可編程存儲器，采用8引腳封裝，具有結構緊湊、存儲容量大等特點，特別適用于大容量數(shù)據(jù)存儲要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其與單片機連接電路見圖3．單片機通過P3口來控制AT24C512的讀寫．P3.0控制串行時鐘輸入端SCL,在上升沿將SDA上的數(shù)據(jù)寫入存儲器，而在下降沿從存儲器讀入數(shù)據(jù)并送往SDA。P3.1控制雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出端SDA，主要用于存儲器與單片機之間的數(shù)據(jù)連接。

圖3 LED驅動

3．2．3光源驅動電路

光源驅動電路如圖3所示，單片機P5.4腳輸出Vctrl電壓。P5．6控制EN使能端，輸入電壓大于2．5V時，器件工作，輸出電流驅動LED燃亮；當輸入電壓小于2．2V時，LED1、LED2、LED3端呈現(xiàn)高阻抗。不能燃亮。

SET是偏置電流輸入端它與三只LED輸出電流的關系為Iled=230xIset，而Iled=（Vctrl-Vset）/R，Vset=1.215V，即：Iled=230（Vctrl-1.215）/R 可以看出，LED輸出電流只與P5.4輸出電壓及電阻R相關，并且在單片機控制下輪流發(fā)光。

3．2．4 液晶顯示模塊

LSDl2864CT是一款圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器，列驅動器及全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形和文字顯示。單片機通過P1口實現(xiàn)對液晶模塊狀態(tài)寄存器的操作．P1.0控制D/I寄存器選擇信號線，P1.1控制R/W讀寫信號線，P1.2和P1.3控制CSI及CS2片選信號線，P1.4連接/RST端，P1.5接E使能信號線。P2口為數(shù)據(jù)端口與液晶模塊的8位數(shù)據(jù)線相連。MSP430專門分出兩組I/O端口用于液晶顯示．通常啟動液晶的順序是：初始化讀狀態(tài)字寫指令代碼，寫數(shù)據(jù)，開顯示。程序代碼按功能不同可分為寫指令代碼、寫數(shù)據(jù)等模塊．使能信號E上升沿觸發(fā)有效。