基于ARM9的便攜腦血氧監(jiān)測儀及其以太接口設(shè)計

楊 倩 ，吳旭超 ，李凱揚(yáng)

(1.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué) 海生物醫(yī)學(xué)工程研究中心，湖北 武漢 430072)

氧是人體新陳代謝的重要物質(zhì)，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(jiān)護(hù)手段，就有可能造成腦組織神經(jīng)功能的喪失或損害。而目前國外尚未見雙通道同時監(jiān)測雙側(cè)腦組織血氧，并通過比較來反映患側(cè)腦組織血氧含量變化的報道[1-2]。

本文介紹的腦血氧監(jiān)測設(shè)備不但能同時采集左右兩側(cè)大腦對稱位置的血氧參數(shù)，為臨床通過對比來評價患側(cè)腦血氧變化量提供新方法，還采用了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)共享，達(dá)到了既能實時監(jiān)測大腦兩側(cè)數(shù)據(jù)，又能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的效果。

1 腦血氧檢測原理

本設(shè)備是根據(jù)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(dǎo)出血容量和氧容量表達(dá)式如下[1]：

其中，Gb、G0分別表示血通道和氧通道的增益；a、b、g、k、Kb、K0均與 ε (ε 為波長為 760 nm、850 nm 下，Hb和HbO2的光吸收系數(shù))有關(guān)的常數(shù)(Hb為脫氧血紅蛋白，HbO2為含氧血紅蛋白)；I(λ1)、I(λ2)分別表示雙波長下的近紅外光的接收光強(qiáng)。由于Hb與HbO2中均包含Hb元素，所以血容量應(yīng)包含Hb和HbO2兩者的濃度之和，而氧元素只包含在HbO2中，因此氧容量等于HbO2的濃度。

由于光在組織中所歷經(jīng)過程與波長相關(guān)，對于前后兩個不同的生理狀態(tài)，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(jiān)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(shè)備的硬件設(shè)計

2.1 硬件整體設(shè)計

本設(shè)備由探頭部分和主機(jī)部分組成，兩部分之間采用無線收發(fā)的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其具體系統(tǒng)框圖及工作流程如圖1所示。

圖1 設(shè)備系統(tǒng)框圖及工作流程圖

由圖1可看出，該設(shè)備采用由三星S3C2410A微處理器產(chǎn)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(zhuǎn)換器實時收集經(jīng)透射后的光，并分成兩路進(jìn)行放大，通過由時序脈沖控制的模擬開關(guān)控制放大的進(jìn)程，同時該監(jiān)測設(shè)備將放大后的透射光的濾波降噪、和差運(yùn)算、A/D轉(zhuǎn)換等電路均集成在探頭部分。這種設(shè)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(jié)省了儀器體積，實現(xiàn)了便攜式設(shè)計。主機(jī)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(wǎng)數(shù)據(jù)共享接口，達(dá)到了快速直觀提示病患的健康情況以及數(shù)據(jù)傳輸、共享的作用；保留了以往的功率譜、相關(guān)函數(shù)、血氧飽和度的顯示，可為醫(yī)生在制定處方時提供一定的科學(xué)依據(jù)。在探頭部分與主機(jī)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(shè)備采用了無線傳輸，通過軟件實現(xiàn)了ARM7和ARM9之間的無線傳輸，可方便地在傳輸范圍內(nèi)移動和實時監(jiān)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(jiān)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(diǎn)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(shù)據(jù)高速緩存，NAND閃存啟動加載器，MMU的虛擬內(nèi)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(fā)生器。

在本腦血氧設(shè)備中，S3C2410A微處理器控制電路產(chǎn)生脈沖信號，從而使760 nm和850 nm發(fā)光二極管交替發(fā)光；當(dāng)數(shù)據(jù)從探頭部分輸入主機(jī)部分時，S3C2410A能處理、存儲、運(yùn)算數(shù)據(jù)，并控制LCD顯示輸出，控制語音電路輸出音頻?？刂普Z音電路輸出音頻是本設(shè)備的核心。

2.2 基于ARM9的以太網(wǎng)接口的設(shè)計

在以前的腦血氧監(jiān)測設(shè)備中，以太網(wǎng)電路選擇的是CS8900A芯片，該芯片的引腳數(shù)為100，占用了大量的PCB版圖面積。而DM9000A引腳數(shù)僅為48，可以大量節(jié)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(wǎng)控制器DM9000A芯片。DM9000A以太網(wǎng)控制器是由DAVICOM Semiconductor公司研制的一個集成、低成本、低引腳數(shù)的單芯片快速以太網(wǎng)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(jié)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(shù)據(jù)內(nèi)部存儲器的訪問，符合IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，其自動協(xié)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(yīng)收發(fā)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(hù)芯片的數(shù)據(jù)和地址引腳，保護(hù)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(biāo)出)。圖中，電阻R7～R10可用來去除以太網(wǎng)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(wǎng)的高壓保護(hù)，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(jī)正常工作提供穩(wěn)定的時鐘信號，并通過電容C5、C6濾去直流信號后接地，達(dá)到了設(shè)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(hù)電路，該電路通過半導(dǎo)體電容和極化電容的成對并聯(lián)，達(dá)到了濾除電壓波動、同時保護(hù)芯片引腳在過流瞬間燒斷的作用。

圖2 以太網(wǎng)絡(luò)控制芯片DM9000A的硬件電路

圖3 保護(hù)電路

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計中DM9000A驅(qū)動模塊程序包括：

(1)設(shè)定以太網(wǎng)物理地址，可在初始化DM9000A前修改。

(2)定義接收幀類型、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和地址端口。

(3)設(shè)置工作模式，8位或16位模式。本設(shè)計采用16位模式，設(shè)定數(shù)據(jù)包收發(fā)過程中所用寄存器以及中斷方式。

(4)發(fā)送幀請求，初始化DM9000A，數(shù)據(jù)包收發(fā)流程。

DM9000A的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 DM9000A的軟件流程圖

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：以往使用的是以太網(wǎng)控制器，而本設(shè)計使用 DM9000A，其性能優(yōu)良、功耗低、價格低廉。最大的優(yōu)勢是DM9000A在10 Mb/s嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(shè)計者設(shè)計，又方便使用。由于基于ARM的嵌入式醫(yī)療器械的廣泛使用和數(shù)據(jù)共享的需要，使得基于ARM的嵌入式以太網(wǎng)接口的軟硬件設(shè)計迫在眉睫，因此，開展嵌入式以太網(wǎng)接口的設(shè)計具有重要的意義，同時，該接口也有很好的應(yīng)用前景。

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