专利名称：多波长近红外脑组织血、氧含量检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种监护脑组织血、氧含量的仪器，尤其是以物理的光学方法无创监测脑组织血、氧含量的检测仪。
背景技术：
目前，脑组织血、氧含量检测仪依据原理不同，有各种不同类型的产品，近红外线分光光度无创伤测定技术研制的仪器是其中最广泛使用的一种，如美国的RunMan仪等，但现有技术使用的脑组织血、氧含量检测仪无信号存储和纪录的功能、检测数据需要配备描迹器描记显示，而且须另配置模数A/D转换外接计算机分析数据，其功能受限且附件庞大移动不便。
实用新型内容本实用新型的目的是要提供一种多波长近红外脑组织血、氧含量检测仪，能够远程、实时检测同时存贮、打印、报告病人脑组织血、氧含量，并且体积小方便移动。
为了达到上述目的，本实用新型在现有由光源部分和包含光电转换电路、运放电路的检测部分构成的多波长近红外脑组织血氧含量检测仪基础上做了以下改进1)光源部分设有脉冲发生电路与灯驱动电路，脉冲发生电路的输出端连接到灯驱动电路；2)检测部分包含在光电转换电路设置的两组到五组光电二极管及相应初级运放，在光电二极管表面加装通透不同波长光的滤光片，光电转换电路和运放电路之间添接陷波电路；3)在检测部分后添加数据处理部分，该部分由采样接口电路、数模转换电路、单片机系统顺次连接构成，检测电路中的运放电路输出到采样接口电路。
而且，光源部分的脉冲发生电路包括运算放大器U4B、二极管D3、D4和电阻R6、R7、R8、R9、R10以及电容C3，二极管D3、D4和电阻R6并联后和电容C3、电阻R7串联组成积分器反馈到运算放大器U4B的反相端，电阻R8、R9、R10串联组成正反馈；光源部分的灯驱动电路包括运算放大器U4A和达林顿管Q1、电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、开关S、灯泡G，开关S的两个触点S1、S2分别接电阻R13和电阻R14，电阻R11、R12、R13、R14相互并联后接到运算放大器U4A的正相端，达林顿管Q的发射极上电阻R16、R17相互串联后和灯泡G并联，运算放大器U4A的反相端接在电阻R16、R17之间。
而且，光电转换电路中每个光电二极管的相应初级运放是由运算放大器和与光电二极管串联的电阻组成的放大器，各个放大器的反馈电阻之间串联平衡调节电路；陷波电路采用有源双T网络的后面加运算放大器构成的有源双T带阻滤波器，每组光电二机管的相应初级运放后配两个同样的有源双T带阻滤波器。
而且，数据处理部分的采样接口电路由8选1的模拟开关U6和运算放大器U7构成的跟随器组成；数据处理部分的单片机系统采用锁存器U9和编码器U10作为单片机U11和数模转换芯片U8间的采样控制，单片机系统包含内置的显示器、键盘、描迹器、存储器和打印机。
采用这样的电路结构后，多波长近红外脑组织血、氧含量监护仪无需附加设备，能够直接转换光电模拟信号为数字信号并进行各种数据处理，准确率提高且使用方便。
图1本实用新型结构框图；图2光源部分电路图；图3检测部分电路图；图4数据处理部分电路图。
具体实施方式
参见图1～4，本实用新型由光源部分和包含光电转换电路、运放电路的检测部分构成，光源部分设有脉冲发生电路1与灯驱动电路2，脉冲发生电路的输出端连接到灯驱动电路；检测部分在光电转换电路3设置两组到五组光电二极管及相应初级运放，在光电二极管表面加装通透不同波长光的滤光片，光电转换电路3和运放电路5之间添接陷波电路4；在检测部分后添加数据处理部分，该部分由采样接口电路6、数模转换芯片7、单片机控制系统8顺次连接构成，检测电路中的运放电路输出到采样接口电路。检测仪发出的光经人体组织散射/反射后，由两组带滤光片的光电二极管检测相应范围波长内的单色光，接收转化为模拟电信号，在测试仪的模拟电路部分，对模拟信号进行滤波、放大等处理，然后经过模/数转换，在单片机控制下输出贮存结果。显然，根据检测脑组织血、氧含量的单色光波长具体需要，带滤光片的光电二极管可设置两组到五组，相应初级运放、陷波和运放部分也随之设置相应的两组到五组即可。
为了提供检测仪以可变强度的脉冲光源，光源部分的脉冲发生电路1包括运算放大器U4B、二极管D3、D4和电阻R6、R7、R8、R9、R10以及电容C3，二极管D3、D4和电阻R6并联后和电容C3、电阻R7串联组成积分器反馈到运算放大器U4B的反相端，电阻R8、R9、R10串联组成正反馈；光源部分的灯驱动电路2包括运算放大器U4A和达林顿管Q1、电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、开关S、灯泡G，开关S的两个触点S1、S2分别接电阻R13和电阻R14，电阻R11、R12、R13、R14相互并联后接到运算放大器U4A的正相端，达林顿管Q的发射极上电阻R16、R17相互串联后和灯泡G并联，运算放大器U4A的反相端接在电阻R16、R17之间。
运算放大器U4B组成了多谐振荡器产生方波，D3，D4和R6，C3共同组成积分器把输出电压反馈到反相端。D4和D3在导通时的电压基本是恒定的，因此可以在积分电路充放电时起限幅作用，而且还可以作为振荡是否开始的指示。R7作为分压电阻保证积分电路的正常运行。R8、R9、R10组成正反馈，使得运算放大器输出能够迅速达到饱和。当积分电容C3上的电压略高于运算放大器正相端的电压时，运算放大器输出迅速跳转到负饱和值，当积分电容C3上的电压略低于运算放大器正相端的电压时，运算放大器输出迅速跳转到正饱和值，如此循环不已，形成一系列方波。当调节R10时，正相端的分压随之改变，积分电容上的电压到达正相端电压值的时间也会改变，从而引起输出方波的频率的改变。
运算放大器U4A和达林顿管Q组成恒压源驱动灯泡发光，本实用新型达林顿管Q采用TIP122。其工作原理是，从运算放大器U4B输出的方波经过电阻R11，R12，R13，R14的反压作用后加到运算放大器U4A的正相端，根据运算放大器“虚短”的原理，其反相端的电压应与正相端相同，因此可以认为R17上的电压和R11上的电压相等，同时根据“虚断”原理，通过运算放大器的正相端和反相端的电流可以忽略，可以认为流经R16和R17的电流是相等，因此当方波处于高电平时，R16上产生恒定的电压，TIP122的发射极也产生恒定的电压，灯泡G就会在恒压的情况下发光，保持其光强不变。当方波处于低电平时，R16上的电压为零，TIP122的发射极的电压也为零，灯泡熄灭。当开关S切换到不同的档位时，R11上的分压也会不同，使得TIP122的发射极的电压发生改变，从而改变了灯泡G的供电电压，达到改变灯源的发光强度的目的。
为了有效提取检测用光信号，光电转换电路3中每个光电二极管的相应初级运放是由运算放大器和与光电二极管串联的电阻组成的放大器，各个放大器的反馈电阻之间串联平衡调节电路；陷波电路4采用有源双T网络的后面加运算放大器构成的有源双T带阻滤波器，每组光电二极管的相应初级运放后配两个同样的有源双T带阻滤波器。本实用新型中用来探测光信号的器件是光电二极管D1和D2，为了检测单色光，在光电二极管的表面添加了滤光片，分别实现对760nm-850nm范围内的单色光信号的检测。而光电二极管输出电流小，一般只有数微安。将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号后，通过运算放大器和与光电二极管串联的电阻组成的放大器变换成电压信号。其基本电路如图3所示。光电二极管相当于一个电流源，当它的负载阻抗为零时，输出特性最好。而理想的运放正好有“虚短”(即两输入端之间电压差为零)的特性，这正是选用运放来检测光电二极管管电流的原因。理想的运放输入端还具有“虚断”(即输入端不取用电流)的特性，光电二极管D1和D2产生的电流流过反馈电阻R1，R2转换为电压，从而实现了光→电流→电压的线性变换。本实用新型采用TLC277集成放大器做为运放U1A、U1B，TLC277是低噪声的高性能运放，可以很好的实现这种转换。电容C1和C2的值很小，能够让信号自由通过，而抑制高频振荡。R5、R6、R7组成平衡调节电路，可以同时调节两路信号的大小使之平衡。本实用新型的陷波电路4设计采用有源双T陷波电路，T网络具有选频作用，在低频段由于电容容抗非常大，输入信号通过电阻传输，在高频段电容容抗非常小，输入信号通过电容传输，当信号频率与特征频率wn=1RC]]>相等时，阻抗很大，使传输系数几乎为零，实现陷波作用，但其陷波特性差，且无带负载的能力。为实现一定的陷波特性，在双T网络的后面加运放构成有源双T带阻滤波器，本实用新型配合光电二极管的每组陷波电路都采用两组重复相同的陷波器，由U2A和U2B、U3A和U3B这两组运放分别与双T网络T1、T2、T3、T4构成，对陷波特性进行了改善，提高了电路性能。并且，因为50Hz工频干扰是心电信号的主要干扰源，本实用新型设计陷波电路参数使其专门用于滤掉50Hz工频干扰。经过陷波电路与运放电路后，两个光电二极管接受的光信号分别转化为了模拟电信号S760和S850。
为了将模拟信号转换为处理结果，数据处理部分的采样接口电路6由8选1的模拟开关U6和运算放大器U7构成的跟随器组成；数据处理部分的单片机系统7采用锁存器U9和编码器U10作为单片机U11和数模转换芯片U8间的控制连接，单片机系统包含内置的显示器、键盘、描迹器、存储器和打印机。本实用新型电路利用CD4051芯片作为8选1的模拟开关U6，实现对760nm-850nm范围内信号的分时采样。由单片机送来的采样控制信号在低电平时CD4051选择X0通道接通，将S760信号送入数模转换芯片U8，高电平时选择X1通道接通，将S850信号送入数模转换芯片U8，以此实现分时采样。U7组成的跟随器输出电阻很小，减少了后级负载变动对信号的影响。单片机U11的数据输入和数模转换芯片U8间的数据输出、锁存器U9的数据输出之间通过总线连接起来，单片机U11与数模转换芯片U8之间设置编码器U14。本实用新型采用3/8译码器74LSl38作为U10，A/D转换芯片AD574A作为U8，U10的一个输出Y1连接U8的片选端口CS，片选数模转换芯片U8，从而实现单片机U11控制下的数据转换、数据锁存、数据传递。检测仪内置显示器、键盘、描迹器、存储器和打印机，使用者可以根据需要即时存贮数据或输出数据。
本实用新型的工作原理将多波长脑组织血、氧检测仪的光源部分置于被测组织上，发出的光经人体组织散射/反射后，由检测仪中的光电检测器件接收，在检测仪的模拟电路部分，对模拟信号进行滤波、放大等处理，然后经过模/数转换，使用单片机控制系统8，将数据进行计算并将其存入存储器，同时将结果送显示屏显示脑血、氧含量变化值和血、氧波形，且在键盘的控制下，进行报告输出，其报告输出由内嵌打印机完成，根据使用需要，可将原始数据存入存储器中，存储的数据使用者可随时调出、输入，可同时送打印机打印结果和血、氧波形。血氧波形也可在描迹器上描绘。在需要计算机处理数据的情况下，可由单片机提供输出接口，输出接口与计算机相连，通过接口将测试仪的测试结果采集到计算机中，通过相应的软件进行分析处理。
权利要求1.一种多波长近红外脑组织血氧检测仪，由光源部分和包含光电转换电路、运放电路的检测部分构成，其特征在于1)光源部分设有脉冲发生电路与灯驱动电路，脉冲发生电路的输出端连接到灯驱动电路；2)检测部分包含在光电转换电路设置的两组到五组光电二极管及相应初级运放，在光电二极管表面加装通透不同波长光的滤光片，光电转换电路和运放电路之间添接陷波电路；3)在检测部分后添加数据处理部分，该部分由采样接口电路、数模转换电路、单片机系统顺次连接构成，检测电路中的运放电路输出到采样接口电路。
2.根据权利要求1所述的多波长近红外脑组织血氧检测仪，其特征在于光源部分的脉冲发生电路包括运算放人器[U4B]、二极管[D3、D4]和电阻[R6、R7、R8、R9、R10]以及电容[C3]，二极管[D3、D4]和电阻[R6]并联后和电容[C3]、电阻[R7]串联组成积分器反馈到运算放大器[U4B]的反相端，电阻[R8、R9、R10]串联组成正反馈；光源部分的灯驱动电路包括运算放大器[U4A]和达林顿管[Q1]、电阻[R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17]、开关[S]、灯泡[G]，开关[S]的两个触点[S1、S2]分别接电阻[R13]和电阻[R14]，电阻[R11、R12、R13、R14]相互并联后接到运算放大器[U4A]的正相端，达林顿管[Q]的发射极上电阻[R16、R17]相互串联后和灯泡[G]并联，运算放大器[U4A]的反相端接在电阻[R16、R17]之间。
3.根据权利要求1或2所述的多波长近红外脑组织血氧检测仪，其特征在于光电转换电路中每个光电二极管的相应初级运放是由运算放大器和与光电二极管串联的电阻组成的放大器，各个放大器的反馈电阻之间串联平衡调节电路；陷波电路采用有源双T网络的后面加运算放大器构成的有源双T带阻滤波器，每组光电二机管的相应初级运放后配两个同样的有源双T带阻滤波器。
4.根据权利要求1或2所述的多波长近红外脑组织血氧检测仪，其特征在于数据处理部分的采样接口电路由8选1的模拟开关[U6]和运算放大器[U7]构成的跟随器组成；数据处理部分的单片机系统采用锁存器[U9]和编码器[U10]作为单片机[U11]和数模转换芯片[U8]间的采样控制，单片机系统包含内置的显示器、键盘、描迹器、存储器和打印机。
5.根据权利要求3所述的多波长近红外脑组织血氧检测仪，其特征在于数据处理部分的采样接口电路由8选1的模拟开关[U6]和运算放大器[U7]构成的跟随器组成；数据处理部分的单片机系统采用锁存器[U9]和编码器[U10]作为单片机[U11]和数模转换芯片[U8]间的采样控制，单片机系统包含内置的显示器、键盘、描迹器、存储器和打印机。
专利摘要一种多波长近红外脑组织血、氧含量的检测仪，由光源部分和包含光电转换电路、运放电路的检测部分构成，光源部分设有脉冲发生与灯驱动电路，脉冲发生电路的输出连接到灯驱动电路；检测部分在光电转换电路设置两组或两组以上光电二极管及相应初级运放，在光电二极管表面添加检测不同单色光的滤光片，光电转换电路和运放电路间添接陷波电路；在检测部分后添加接口采样电路、数模转换芯片、单片机控制系统顺次连接构成的数据处理部分，接口采样电路输入接检测部分的运放电路输出。该仪器无需附加设备，能够直接实现远程或实时检测处理病人脑组织血、氧含量，准确率高且体积较小、使用方便。
文档编号A61B5/145GK2691489SQ20032012553
公开日2005年4月13日 申请日期2003年12月23日 优先权日2003年12月23日
发明者谢则平, 李凯扬, 秦钊 申请人:武汉一海数字工程有限公司