單片機控制光源在瞳孔光反應技術(shù)中的應用

韋 杰

(重慶大學，中國 重慶 400044)

0 引言

通過對瞳孔檢測定位人眼，可以短時間內(nèi)檢測毒販是否在近期吸食毒品，降低對罪犯的檢查周期；可大大加強眼部手術(shù)的安全性和可靠性，在醫(yī)療器械輔助檢查方面提供精確支持等。而目前國內(nèi)外對瞳孔的檢測主要基于視覺電生理理論，這一方法需要將儀器與人眼接觸，會造成人體不適，而且檢測結(jié)果是通過人直觀地判斷，不一定可靠。

針對以上問題，本文通過對其中一種視覺電生理的方法進行分析，在已有對瞳孔檢測方法的研究基礎(chǔ)上，改進并設(shè)計可用于瞳孔光反應檢測系統(tǒng)的可控光源發(fā)生器。

1 基于眼電圖(EOG)的瞳孔檢測方法

眼電圖是測量在視網(wǎng)膜色素上皮和光感受器細胞之間存在的視網(wǎng)膜電位，通過檢測電位的變化來獲取信息。單揚等在1985年提出的瞳孔檢測法[1]就是基于眼電圖的典型例子。該方法主要采用電極接觸皮膚，然后記錄視網(wǎng)膜電位差。他們根據(jù)診斷指標，如暗谷電位、暗谷時間、光峰電位等，對受監(jiān)測者的信息進行分析。雖然此方法具有對不同的個體差異很大，對局部小面積病變不夠敏感等，但是這方法屬于定位性診斷，這是心理物理學達不到的。

而田桂芬等使用眼電圖方法對不同人群進行實驗[2]，他們發(fā)現(xiàn)不同年齡、不同疾病、不同性別的人對結(jié)果有著明顯的影響，最終得出對該方法參數(shù)的判讀標準。從而提高了使用眼電圖法檢測的準確性。

綜上，雖然眼電圖法具有操作簡單等優(yōu)點，但是其具有電極與皮膚接觸過久易造成患者不適，判斷依據(jù)主要是人主觀想法等缺點，限制了該方法的大范圍使用。

2 基于單片機控制光源的瞳孔檢測技術(shù)

通過參考陰正勤對瞳孔檢測應用發(fā)展的分析[3]，綜合上述方法的缺點。我們改進并且設(shè)計了一種可用于瞳孔光反應檢測系統(tǒng)的可控光源發(fā)生器。

2.1 硬件設(shè)計

由于本系統(tǒng)要求能夠發(fā)出特定顏色、強度和頻率的光，所以設(shè)計的光發(fā)生器是由一個以單片機STM32為主體的控制電路板、以tps器件為主體的電路穩(wěn)定板塊和LED構(gòu)成的圓形發(fā)光器組成。

設(shè)計框圖及其工作原理如圖1所示。

2.1.1 控制電路板

根據(jù)孫書鷹等對單片機STM32F103的介紹[4]，主控芯片采用的是STM32F103芯片，其具有內(nèi)置128K閃存存儲器、具有SPI等7個通信接口。本系統(tǒng)需要使用到相對較多的外設(shè)接口，而該芯片擁有滿足該需求的GPIO接口個數(shù)，可以實現(xiàn)通過JTAG對芯片進行調(diào)試，也可以通過串口與PC端進行通信，所以選用STM32103芯片作為該系統(tǒng)的控制器件?？刂齐娐钒迨褂肅andence軟件進行設(shè)計。

2.1.2 電路穩(wěn)定板塊

經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，直接將發(fā)光器接在控制板塊的輸出端，發(fā)出的光源并不穩(wěn)定，而本系統(tǒng)要求能夠發(fā)出穩(wěn)定的、所需的特定顏色、強度和頻率的光，因此還需要增加一個電路穩(wěn)定板塊。根據(jù)余敏在2012年所提出的LED驅(qū)動設(shè)計方法[5]，我們采用TPS611195驅(qū)動芯片作為電路穩(wěn)定板塊的主體。由于電路中的電流并不是穩(wěn)定的，所以在板塊中接入多個電容以及二極管構(gòu)成整流濾波電路，使得板塊工作時輸出的信號是穩(wěn)定的。由于TPS器件有8個輸出端，通過接入串口可將信號傳遞到發(fā)光器。

2.1.3 發(fā)光器

醫(yī)學上對瞳孔檢測時所需的光通常為紅、藍、白三種顏色，且要求發(fā)出的光在瞳孔接收的范圍內(nèi)達到均勻效果。對如白光，我們使用64個發(fā)出白光的LED燈，以8串8并的形式焊接在圓形的PCB板。對于不同顏色的光，將兩種不同顏色的LED圍繞著PCB板的圓形焊接，使同一種顏色的LED相對稱，而發(fā)出的光能夠達到對稱的效果。

我們采用了以單片機STM32為主體的控制電路板來達到控制發(fā)光器發(fā)出所需顏色、光強和頻率的光，以TPS器件為主體的電路穩(wěn)定板塊實現(xiàn)將信號穩(wěn)定地輸出到發(fā)光器中，而發(fā)光器中的每種顏色LED都是由64個LED根據(jù)8串8并的形式組成。

2.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件部分主要是使用單片機開發(fā)工具Keli uVision3編寫程序,程序的主函數(shù)主要由串口子函數(shù)和光強判斷函數(shù)組成，根據(jù)實際需求改變參數(shù)控制I/O管口以控制顏色，光強判斷函數(shù)則確定所需光強，最后驅(qū)動光刺激模塊發(fā)光，達到使用PWM信號控制電路電流、電壓的變化從而使得燈光能夠按照要求實現(xiàn)效果。此外，控制軟件的可視化部分則由C++實現(xiàn)。程序流程圖如圖2所示。

3 實驗結(jié)果

通過使用JTAG對光源系統(tǒng)進行多次調(diào)試，其實現(xiàn)了發(fā)出白色、紅色、藍色三種不同顏色的光；發(fā)光等級分為6個等級；間隔時間可以實現(xiàn)200ms和2000ms兩個功能。

4 總結(jié)

本文在瞳孔檢測技術(shù)發(fā)展多年的基礎(chǔ)上，與經(jīng)典的基于眼電圖(EOG)的瞳孔檢測方法進行分析，基于單片機技術(shù)，設(shè)計出一種可以實現(xiàn)不接觸人眼，用PC端直接控制，并且滿足不同顏色、不同強度、不同頻率的特定光刺激需求的裝置。為瞳孔檢測的算法研究提供堅實的基礎(chǔ)，使得眼科學更加精確可靠。

[1]單揚,吳德正,吳樂正.臨床視覺眼電圖檢查法[J].國外醫(yī)學:眼科學分冊,1985(04).

[2]田桂芬,劉海華,甘曉玲.視覺眼電圖的正確判讀[J].中國斜視與小兒眼科雜志,2006,14(2):5.

[3]陰正勤.視覺誘發(fā)電位、視網(wǎng)膜電圖及眼電圖的臨床應用進展[J].基礎(chǔ)醫(yī)學與臨床,1991(04).

[4]孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器 STM32F103開發(fā)與應用[J].微計算機應用,2010(12).

[5]余敏.可調(diào)光數(shù)字式LED驅(qū)動電源設(shè)計[D].浙江理工大學,2012.