一种用于NIRS测量设备检测校准的模拟系统及方法

摘要

一种用于NIRS测量设备检测校准的模拟系统及方法，系统包括NIRS测量设备和模拟装置；模拟装置中的中断信号产生电路按照待测设备的时序，向微控制器单元发出中断信号；微控制器单元根据操作单元预设的光强值，向数模转换电路发出指令，使其依次产生用以模拟不同波长光的电信号；数模转换电路输出的电信号可分别输入至待校准的NIRS测量设备；信号采集模块的两个通道，将NIRS测量设备测量到的光强值与模拟装置中预设的光强值直接进行比较；从而实现对NIRS测量设备的检测校准；本发明用模拟装置替代人体和探头，省去了光源和光检测电路，可有效避免电磁干扰及杂散光的问题；通过改变光强值调整输出电信号的大小，实现对设备主体的检测校准。

说明书

技术领域

本发明属于医疗检测器械技术领域，特别涉及一种用于NIRS测量设备检测校准的模拟系统及方法。

背景技术

近红外光谱(NIRS)技术是近年来极具潜力的一项生理参数无创检测技术，可用于人体组织血氧状况的无创、实时、连续、定量监测。目前已有多种基于NIRS技术的检测设备，利用人体内不同物质对不同波长的光的特定吸收和散射特性，NIRS检测设备将不同波长的光入射到被测组织，通过探测器可以检测到反映皮下组分浓度的光照强度信号，进而解算得到氧合血红蛋白浓度变化量(ΔC

目前NIRS检测设备都需要对其测量指标进行有效校准，方法主要有血液模型校准方法、监测模拟组织模型等。由于血液模型中的核心成分是人体血液，性质不稳定，无法长期保存，必须现场调配，且血氧饱和度的调节需要较长时间，所以存在操作不便、性能不稳定的缺点。而模拟组织模型通常标定装置复杂，且过程繁琐、效率低，如积分球模型只能进行单点校准。因此，需要一套稳定、可靠、简便的模拟器，模拟经过人体的NIRS信号，从而校准设备。

现有技术中有采用光学模拟器对设备进行校准。该模拟器主要包括处理器、光信号接收器、发光驱动电路。在接收到NIRS检测设备探头的光源发出的光后，处理器根据预设的血氧参数对应的光强值，向发光驱动电路发出指令，使其依次发出不同波长的NIRS光信号。发光驱动电路用于模拟光经过人体组织后的光衰减效应，可以通过调整发光强度，模拟各种氧合状态的组织对光的吸收作用，实现对NIRS检测设备测量指标的校准。但这种方法主要存在以下问题：

(1)光学模拟器和待校准设备之间的光检测电路易受电磁干扰。通过空间耦合，空间电磁场在探头检测器的电路环路生成感应电流，这种干扰一般是很小的，但由于检测器电路增益大，对电流信号变化敏感，所以对信号产生的影响明显。

(2)光学模拟器是对光测量探头与设备主体的综合校准，无法对设备主体进行单独校准。该类模拟器产生的光信号不能跳过探头直接输入到设备主体，因此无法满足单独测试设备主体的需要。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种用于NIRS测量设备检测校准的模拟系统及方法，用该模拟装置替代人体和光探头(包括光源和光检测器)，以消除人体组织生理变化、环境电磁干扰以及杂散光的影响；同时用电信号模拟NIRS光信号，方便地模拟各种氧合状态的组织对光的吸收作用，实现对现有NIRS测量设备主体的有效校准。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于NIRS测量设备检测校准的模拟系统，包括NIRS测量设备101和模拟装置102；

所述的NIRS测量设备101包括控制器201、第一压流转换电路202、第二压流转换电路203以及信号采集模块204；控制器201输出的时序控制信号VS_CTRL、IR_CTRL分别连接到第一压流转换电路202、第二压流转换电路203的模拟开关上；第一压流转换电路202、第二压流转换电路203输出的使能信号VS、IR分别连接到所述模拟装置102的中断信号产生电路303；所述模拟装置102的数模转换电路304输出一组模拟电信号S1、S2，模拟电信号S1、S2分别用以模拟距离光源近端和远端检测处光强的电信号，分别连接到信号采集模块204的信号输入端；

所述的模拟装置102包括操作单元301、微控制器单元302、中断信号产生电路303和数模转换电路304；所述的中断信号产生电路303输入端检测NIRS测量设备101的使能信号VS、IR的变化，中断信号产生电路303输出端连接到微控制器单元302的输入管脚用于接收中断信号；微控制器单元302输入端还与操作单元301信号端相连，接收操作单元301输出的光强值设置指令；微控制器单元302输出端与数模转换电路304的输入端相连，数模转换电路304输出的模拟电信号连接到NIRS测量设备101的信号采集模块204中。

所述的第一压流转换电路202、第二压流转换电路203利用模拟开关控制三极管的基极和发射极之间的电压，控制三极管导通或截止，进而控制输出的使能信号VS、IR的电平变化，实现时序信号传递功能。

基于上述一种用于NIRS测量设备检测校准的模拟系统的模拟方法，具体为：

待校准设备的控制器201输出的时序控制信号VS_CTRL和IR_CTRL依次变为高电平时，对应的第一压流转换电路202、第二压流转换电路203的模拟开关打开，输出的VS和IR信号依次变为低电平有效；

VS和IR信号分别连接到中断信号产生电路303，中断信号产生电路303与微控制器单元302的两个输入管脚相连，输入管脚分别被设置为下降沿和上升沿触发类型的外部中断，当检测到VS或IR信号电平变化时，产生中断信号输入到微控制器单元302；

当VS信号变为低电平有效时，微控制器单元302响应中断INT1，根据操作单元301预设的光强值，向数模转换电路304发出指令，使其输出一组用以模拟红光的电信号，近端为S1_VS、远端为S2_VS；直至检测到VS信号变为高电平，中断INT2响应，数模转换电路304输出清零，模拟不发光阶段；

当IR信号变为低电平有效时，微控制器单元302响应中断INT3，根据操作单元301预设的光强值，向数模转换电路304发出指令，使其输出一组用以模拟近红外光的电信号，近端为S1_IR、远端为S2_IR；直至检测到IR信号变为高电平，中断INT4响应，数模转换电路304输出清零，模拟不发光阶段；

数模转换电路304输出的电信号S1、S2可分别输入至待校准的NIRS测量设备101的信号采集模块204的两个通道，将NIRS测量设备101测量到的光强值与模拟装置102中预设的光强值直接进行比较，从而实现对NIRS测量设备101的检测校准；或者根据NIRS测量设备101测量得到的光强值以及模拟装置102中预设的光强值，分别计算得到各自的氧合血红蛋白浓度变化量ΔCHbO2、还原血红蛋白浓度变化量ΔCHb以及组织血氧饱和度rSO2生理参数，然后将这些参数进行比较，从而实现对NIRS测量设备101的检测校准。

本发明的有益效果是：

(1)模拟装置102将原本驱动光源发光的控制信号直接作为模拟装置产生模拟信号的时序依据，不需要探头进行发光和光检测过程，替代了原本测量环节中的人体和探头，省去了光源，降低了功耗；省去了光检测电路，有效避免了环境中杂散光的干扰以及电磁干扰，电信号模拟装置成本低且更加稳定可靠。

(2)模拟装置产生的电信号可以跳过探头对设备主体进行单独校准。

(3)只需调整预设的光强值，即可模拟不同氧合状态的组织对光的衰减作用，操作快捷、简便，可以满足多参数、多点校准的需求。

附图说明

图1是本发明的技术方案示意图。

图2是本发明的模拟装置及信号传递实施例示意图。

图3是本发明的信号时序示意图。

图中，101.NIRS测量设备，102.模拟装置，201.控制器，202.第一压流转换电路，203.第二压流转换电路，204.信号采集模块，301.操作单元，302.微控制器单元，303.中断信号产生电路，304.数模转换电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1、图2，一种用于NIRS测量设备检测校准的模拟系统，包括NIRS测量设备101和模拟装置102；

参见图1，所述的NIRS测量设备101包括控制器201、第一压流转换电路202、第二压流转换电路203以及信号采集模块204；控制器201输出的时序控制信号VS_CTRL、IR_CTRL分别连接到第一压流转换电路202、第二压流转换电路203的模拟开关上；第一压流转换电路202、第二压流转换电路203输出的使能信号VS、IR分别连接到所述模拟装置102的中断信号产生电路303；所述模拟装置102的数模转换电路304输出一组模拟电信号S1、S2，模拟电信号S1、S2分别用以模拟距离光源近端和远端检测处光强的电信号，分别连接到信号采集模块204的信号输入端。

参见图2，所述的模拟装置102包括操作单元301、微控制器单元302、中断信号产生电路303和数模转换电路304；所述的中断信号产生电路303输入端检测NIRS测量设备101的使能信号VS、IR的变化，中断信号产生电路303输出端连接到微控制器单元302的输入管脚用于接收中断信号；微控制器单元302的输入端还与操作单元301信号端相连，接收操作单元301输出的光强值设置指令；微控制器单元302输出端与数模转换电路304的输入端相连，数模转换电路304输出的模拟电信号连接到NIRS测量设备101的信号采集模块204中。

所述的第一压流转换电路202、第二压流转换电路203利用模拟开关控制三极管的基极和发射极之间的电压，控制三极管导通或截止，进而控制输出的使能信号VS、IR的电平变化，实现时序信号传递功能。

以所述的第一压流转换电路202为例：当控制器201输出的时序控制信号VS_CTRL为低电平时，模拟开关U2关断，三极管Q1截止，又因为集电极通过模拟装置102内部的上拉电阻R5接到电源VCC，所以输出VS为高电平；当VS_CTRL为高电平时，模拟开关U2打开，三极管Q1导通，输出VS变为低电平，整个信号传递过程省去了驱动光源发光以及光检测电路部分。

另外，根据放大器负反馈“虚短虚断”的判断方法，电压VS_IN将实时传递到电阻R3上端，而电阻R3下端接地，则电流就等于电压VS_IN除以电阻R3与电阻R4的并联电阻值，这样做的优点是：VS_IN与VS是线性关系，电路不受参数一致性影响，功能稳定。为防止压流转换电路无法快速跟上模拟开关切换带来的瞬态变化，需要在模拟开关与G极之间加一级RC网络(电容C1、电阻R4)，达到类似电机控制中“软启动”的效果。

参见图2，由于NIRS测量设备101输出的VS和IR信号与所述模拟装置102之间可能存在电平不匹配以及波形畸变的问题，所以VS和IR信号不能直接连接到微控制器单元302，而需要中断信号产生电路303过渡。所述的中断信号产生电路303包括比较器和施密特触发器；以VS信号为例，VS连接到比较器的正输入端，比较器的负输入端接参考电压，通过电阻分压电路调整参考电压，使VS低电平时的电压能够令比较器的输出为低电平，起到电压衰减的作用；比较器的输出连接到施密特触发器，施密特触发器的迟滞特性能够起到整形的作用，其输出的信号电平与微控制器单元302输入电平匹配，连接到微控制器单元302的两个管脚，产生中断信号。

基于上述装置的一种用于NIRS测量设备检测校准的模拟方法，按照待测设备的时序，所述模拟装置102依次输出用以模拟红光或近红外光的电信号。可通过改变光强值调整输出电信号的大小，模拟各种氧合状态的组织对光的吸收作用，电信号可直接输入至NIRS测量设备主体，实现对设备主体的检测校准。

参见图3，信号时序示意图具体为：

待校准设备的控制器201输出的时序控制信号VS_CTRL和IR_CTRL依次变为高电平时，对应的压流转换电路的模拟开关打开，输出的VS和IR信号依次变为低电平有效。

VS和IR信号分别连接到2个中断信号产生电路303，每个中断信号产生电路303与微控制器单元302的两个输入管脚相连，输入管脚分别被设置为下降沿和上升沿触发类型的外部中断，当检测到VS或IR信号电平变化时，产生中断信号输入到微控制器单元302。

参见图3，当VS信号变为低电平有效时，微控制器单元302响应中断INT1，根据操作单元301预设的光强值，向数模转换电路发出指令，使其输出一组用以模拟红光的电信号(近端S1_VS、远端S2_VS)；直至检测到VS信号变为高电平，中断INT2响应，数模转换电路304输出清零，模拟不发光阶段。

参见图3，当IR信号变为低电平有效时，微控制器单元302响应中断INT3，根据操作单元301预设的光强值，向数模转换电路发出指令，使其输出一组用以模拟近红外光的电信号(近端S1_IR、远端S2_IR)；直至检测到IR信号变为高电平，中断INT4响应，数模转换电路304输出清零，模拟不发光阶段。

数模转换电路304输出的电信号S1、S2可分别输入至待校准的NIRS测量设备101的信号采集模块204的两个通道。

将NIRS测量设备101测量到的光强值与模拟装置102中预设的光强值直接进行比较，从而实现对NIRS测量设备101的检测校准；或者根据NIRS测量设备101测量得到的光强值以及模拟装置102中预设的光强值，分别计算得到各自的氧合血红蛋白浓度变化量ΔCHbO2、还原血红蛋白浓度变化量ΔCHb以及组织血氧饱和度rSO2生理参数，然后将这些参数进行比较，从而实现对NIRS测量设备101的检测校准。