基于USB的近红外脑组织血氧检测系统的研制

摘要

作为重要的人体生理指标，脑组织的血氧参数可以用于人体大脑功能的测试和相关功能的评估。目前指端脉搏血氧饱和度检测、功能性磁共振成像(fMRI)、近红外光谱(NIRS)等技术都可用于血氧参数的无损检测，其中NIRS技术可以对脑氧进行无损、实时、连续的监测，克服了其他技术设备复杂，成本较高，并不适用于对脑氧实时、连续的监测等缺点，因此被广泛应用于康复医学、运动生理研究和脑机理研究等领域。
　　 NIRS组织血氧检测技术首先在1977年被J(o)bsis提出。在此以后特别是自20世纪90年代以来，随着光电检测技术、计算机技术和信号处理技术的不断推进，NIRS组织血氧检测技术也发展迅速。由于传统的NIRS组织血氧检测系统采用的是PCI总线插卡、并口和串口(RS-232)等，而目前通用串行总线(USB)接口因其易于扩展、高带宽以及安装方便等优点己逐渐成为现代数据传输的发展趋势，现在计算机的各种外设都越来越多地使用USB总线进行数据传输，因此相比采用传统接口的NIRS组织血氧检测系统，采用USB接口的系统会更有利于它在科学研究方面的应用。
　　 基于USB接口的近红外光谱血氧检测系统选用760nm和850nm两个波长的近红外发光二极管，利用运算放大器集成光敏管OPT101作为光电转换器，在满足测量需要的同时也降低了测量噪声，采用以飞思卡尔半导体公司的8位单片机MC68HC908SR12为核心的数据采集系统采集所测信号，并通过USB接口将结果上传给PC机，可以实现无损、实时、连续监测人体组织的血氧参数。
　　 系统的控制程序分为两个部分：上位机程序和下位机程序。上位机程序是PC机上的USB驱动程序和应用程序，主要负责建立与单片机的USB通信，发送控制指令和接受数据，同时显示和保存数据。下位机程序是指单片机上的USB固件程序，主要负责近红外光谱数据的采集，建立与PC机的USB通信并上传采集的数据。
　　 本文在人体组织光谱学理论的基础上，阐明了NIRS技术解算组织血氧参数的理论方法即用修正的朗伯-比尔定律求解组织的血氧参数。在理论研究的基础上，结合NIRS技术和USB接口技术改进近红外光谱血氧检测系统的软硬件设计方案。采用该方案的系统具有安装方便、即插即用的优点，通过实现人体组织血氧参数无损、实时、连续的监测，可广泛应用于脑功能检测等各个领域。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1有创血气分析

1.2.2指端脉搏血氧饱和度检测

1.2.3检测脑组织血氧参数的新技术

1.2.4组织血氧参数的近红外无损检测

1.3本文主要研究内容

第2章系统总体方案及硬件设计

2.1总体方案设计

2.2传感器设计

2.2.1光源的选择

2.2.2光源驱动电路

2.2.3光电转换器

2.3锁相放大电路设计

2.3.1前置放大

2.3.2带通滤波

2.4数据采集系统设计

2.4.1 A／D转换

2.4.2单片机的选择

2.4.3 USB控制器芯片的选择

2.5本章小结

第3章系统通信接口及软件设计

3.1 USB通信模块设计

3.2 USB固件程序开发

3.2.1固件编程的思想

3.2.2硬件提取层-EPPHALC

3.2.3 ISP1581命令接口-ISP1581.C

3.2.4中断服务程序-ISR.C

3.2.5标准设备请求处理-CHAP_9.C

3.2.6主循环-MAINLOOP.C

3.3 USB驱动程序开发

3.3.1驱动程序设计的思想

3.3.2驱动程序开发工具

3.3.3驱动程序的编写

3.4 USB应用程序开发

3.5本章小结

第4章系统性能测试和模型实验

4.1性能测试

4.1.1暗噪声的检测

4.1.2锁相放大抑制背景噪声能力的检测

4.2血液模型实验

4.3在体脑血氧监测

4.3.1实验对象

4.3.2实验方法

4.3.3实验结果

4.4本章小结

第5章总结与展望

5.1全文工作总结

5.2进一步工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文