便攜式戰(zhàn)場快速顱內(nèi)出血檢測設(shè)備設(shè)計(jì)

李丹陽， 張傳勝

（1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長春 130022；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引 言

在戰(zhàn)場上有很多因創(chuàng)傷性顱腦損傷的患者急需搶救，由于時(shí)間緊迫，醫(yī)療條件簡單，根據(jù)簡單觀察難以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)顱內(nèi)出血作出準(zhǔn)確的判斷，而CT／MRI所耗費(fèi)時(shí)間較長，并且不是每一位創(chuàng)傷性顱腦損傷患者都需要對(duì)顱內(nèi)進(jìn)行觀察，若每一個(gè)患者都使用CT／MRI進(jìn)行檢查，很可能使其他更緊急的患者不能及時(shí)診斷，延誤了搶救時(shí)機(jī)，進(jìn)而出現(xiàn)腦血腫或腦疝后壓迫腦組織，使腦干受到不可逆轉(zhuǎn)的損傷。目前，國外比較成熟的設(shè)備是德國Oicrain公司生產(chǎn)的CRAINscan儀器，主要應(yīng)用在淺表腦實(shí)質(zhì)出血、硬膜下出血（SDH）、硬膜外出血（EDH）等，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確、無損傷、快速，可以應(yīng)用于急救中心、監(jiān)護(hù)病房ICU及野外戰(zhàn)場等，但價(jià)格昂貴。一些研究表明，近紅外光可以穿透顱骨，并對(duì)腦組織中的血紅蛋白濃度變化敏感，能夠用于對(duì)顱內(nèi)出血病灶進(jìn)行診斷和監(jiān)測[1－2]，文中根據(jù)近紅外光的朗伯特－比爾定律和血紅蛋白對(duì)近紅外光的吸收特征原理，設(shè)計(jì)了一種便攜式戰(zhàn)場快速顱內(nèi)出血檢測設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體腦組織的無創(chuàng)、直接測量，為戰(zhàn)場條件下顱腦損傷的患者是否需要實(shí)施CT／MRI檢查提供指征，設(shè)備使用簡單，性能可靠，能顯著提高在戰(zhàn)場條件下的救護(hù)效率。

1 總體設(shè)計(jì)原理

在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)，主要利用了紅外吸收的朗伯特－比爾定律，即：在距離表面為x的介質(zhì)內(nèi)透射的輻射功率將隨介質(zhì)內(nèi)的吸收元和散射元濃度的增加而以指數(shù)規(guī)律衰減，用公式表述如下：

式中：It射強(qiáng)度；

考慮到人腦的基本結(jié)構(gòu)，散射基本可以忽略，對(duì)入射光的總吸收量是介質(zhì)中各色團(tuán)吸收量的線性迭加。

一般情況下，人腦的左右兩側(cè)對(duì)透射的近紅外光吸收是一致的。如果在某一區(qū)域有血管破裂引起顱內(nèi)出血時(shí)，相應(yīng)部位的血液濃度升高，近紅外光通過此區(qū)域時(shí)的吸收就會(huì)增加，所以，通過對(duì)人腦的左右兩側(cè)近紅外光透射強(qiáng)度的測量，可以計(jì)算出血液的相對(duì)濃度，進(jìn)而判斷患者是否顱內(nèi)出血。如果是顱內(nèi)出血，就要使用CT／MRI進(jìn)行更進(jìn)一步的檢查；如果不是顱內(nèi)出血，只需要簡單救護(hù)即可。

2 電路系統(tǒng)和傳感器設(shè)計(jì)

設(shè)備以STM32微處理器為控制核心，通過PWM輸出連續(xù)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED燈產(chǎn)生一定波長和一定強(qiáng)度的近紅外光線。該近紅外光源透過顱腦組織由光電二極管采集含有腦組織血液相對(duì)濃度信息的透射光強(qiáng)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后將電信號(hào)傳送給STM32，同時(shí)，通過LCD顯示屏顯示檢測結(jié)果，把數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳給總控制機(jī)，總控制機(jī)接收到數(shù)據(jù)后通過備案和查詢數(shù)據(jù)庫把相關(guān)信息回傳給檢測設(shè)備，整體系統(tǒng)可以對(duì)多個(gè)檢測設(shè)備同時(shí)處理，極大地提高了救治效率[3－6]。檢測設(shè)備框圖如圖1所示。

圖1 檢測設(shè)備系統(tǒng)框圖

探測部分由S1226系列光電二極管和前端放大電路組成，設(shè)備如圖2所示。

圖2 探測部分的結(jié)構(gòu)

S1226系列光電二極管固定在中間小孔處，光電二極管選用S1226，其感光靈敏度較高，暗電流較小。腦部和探測器接觸的面為弧形，放置光電二極管的部位和接觸面邊緣凸起，這樣能減少近紅外光外泄，影響探測精度，同時(shí)，基座材料使用了醫(yī)用硅膠體，比較舒服，能有效避免固定探測時(shí)給患者帶來的不適[7－8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和測試

系統(tǒng)軟件的流程主要包括初始化、判斷檢測開始、計(jì)算顱腦相對(duì)血液濃度、與主機(jī)通信確定下一步方案等幾個(gè)部分，如圖3所示。

利用該儀器時(shí)，主要對(duì)患者的雙側(cè)額、顳和枕部進(jìn)行測試。這里需要注意的是檢查方法，即首先計(jì)算出顱腦一側(cè)的血液相對(duì)濃度，然后在對(duì)稱部位計(jì)算出顱腦另一側(cè)的血液相對(duì)濃度，兩個(gè)值作差，如果差值大于0.5，可以作為判斷顱內(nèi)有無出血的標(biāo)準(zhǔn)。

通過原型機(jī)在醫(yī)院中實(shí)測，結(jié)果在51個(gè)病例中，MRI顯示為腦出血的有31人，其中，硬膜外出血5人，硬膜下出血21人，淺表腦實(shí)質(zhì)出血5人。而使用本探測設(shè)備診斷的腦出血患者為33人，通過MRI證實(shí)28例，5例為假陽性，假陽性病例中5人都存在皮下血腫?？梢姳驹O(shè)備具有較好的使用價(jià)值。

圖3 探測部分的結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 語

事實(shí)上，由本設(shè)備產(chǎn)生的近紅外光穿透射能力較弱，在經(jīng)過顱腦組織時(shí)，衰減很快，因此，本設(shè)備的定量探測能力較弱，不能替代常規(guī)CT／MRI檢查，對(duì)顱內(nèi)病灶進(jìn)行定位和定量的分析，但是在戰(zhàn)場環(huán)境下，其特點(diǎn)十分鮮明，操作簡單，性能穩(wěn)定可靠且對(duì)人體無任何傷害，能快速地對(duì)顱內(nèi)傷情做出初步診斷，因此，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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