0 引言

    大腦是人體最重要的器官，是人類生存的指揮中心，其重量約占人體重的2%，然而，它的血流量約占心臟血液輸出量的15%，耗氧量約占全身耗氧量的20%。因此，人腦組織對(duì)于缺血、缺氧十分敏感^[1]。例如，在腦外傷、心腦血管疾病甚至各種外科手術(shù)的臨床治療中，如果供血和供氧的檢測(cè)無(wú)法達(dá)到要求，則可能造成腦組織神經(jīng)功能不可逆轉(zhuǎn)的損害^[2]。此外，對(duì)大腦功能的檢測(cè)，使研究人員對(duì)大腦各區(qū)域功能的了解更加直觀。腦血氧檢測(cè)作為大腦功能檢測(cè)之一，對(duì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。因此，在臨床治療和科研中，具有一套檢測(cè)病人大腦血氧濃度的設(shè)備是必不可少的^[3]。

    功能性近紅外光譜技術(shù)(Function Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS)是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中一種新興的光學(xué)腦成像技術(shù)^[4]，對(duì)組織血氧的檢測(cè)便是之一^[5]。然而基于fNIRS的設(shè)備一般運(yùn)用在光強(qiáng)度非常低的場(chǎng)合，因此，該檢測(cè)器的靈敏度要求極高。傳統(tǒng)設(shè)備中，fNIRS設(shè)備主要使用光電倍增管（PMTs）或光電二極管（APDs）作為檢測(cè)器。然而，PMTs對(duì)過(guò)曝光非常敏感，操作電壓高且體積大；APDs則降低了靈敏度，并且操作電壓同樣較高。

    針對(duì)PMTs與APDs的不足，本文采用了一種近年來(lái)引起人們廣泛關(guān)注的新型光電倍增探測(cè)器件——硅光電倍增管（Silicon Photo-Multiplier，SiPM）作為fNIRS設(shè)備的檢測(cè)器。相比于傳統(tǒng)PMTs，SiPM具有體積小、穩(wěn)健性高、偏置電壓低以及對(duì)磁場(chǎng)不敏感等優(yōu)點(diǎn)^[6]；相比于APDs，SiPM增益高、靈敏度高、操作電壓低，且性能更加優(yōu)越^[7]。因此，本文選擇SiPM作為fNIRS設(shè)備的檢測(cè)器,設(shè)計(jì)相應(yīng)電路以檢測(cè)深層組織中氧合血紅蛋白oxy-Hb(oxygenated hemoglobin)與脫氧血紅蛋白deoxy-Hb(deoxy-genated hemoglobin)的變化情況，并通過(guò)前臂阻斷實(shí)驗(yàn)對(duì)電路的性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 fNIRS與SiPM的基本原理

1.1 fNIRS的基本原理

    近紅外光譜技術(shù)是利用兩束特定波長(zhǎng)的近紅外光射入大腦組織，被組織中血紅蛋白等吸收并經(jīng)過(guò)組織的漫散射作用，少量光子透過(guò)頭皮被檢測(cè)器收集，通過(guò)特定的算法，計(jì)算出大腦組織氧合血紅蛋白（HbO₂）與脫氧血紅蛋白（Hb）的變化情況。波長(zhǎng)在650 nm~900 nm范圍內(nèi)的近紅外光，對(duì)組織的穿透能力最強(qiáng)，可以穿透頭皮、顱骨以及大腦組織深達(dá)幾厘米。光子進(jìn)入組織后發(fā)生透射和散射，被置于眉骨正上方約2 cm處的檢測(cè)器收集。利用修正的Beer_Lambert定律(Modified Beer-Lambert Law，MBLL)來(lái)計(jì)算采集的信號(hào)，將光密度的變化轉(zhuǎn)換為組織氧含量變化：

式中，OD為光密度，I_Out表示透射光強(qiáng)度，I_In表示入射光強(qiáng)度，ε表示摩爾吸光系數(shù)，C表示吸光物質(zhì)濃度，L為有效路徑長(zhǎng)度，G表示背景散射補(bǔ)償系數(shù)。在圖1中，ρ為光源到檢測(cè)器距離（約3 cm~4 cm），其中L為有效路徑長(zhǎng)度，一般為L(zhǎng)=ρ·PDPF。這里的PDPF被稱為部分差分路徑因子，可以通過(guò)蒙特卡羅仿真得到^[8]。

1.2 SiPM的基本工作原理

    本文利用SiPM作為檢測(cè)器，收集透過(guò)組織未被吸收的光子。SiPM是由工作在蓋革模式下的多個(gè)雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode，APD)構(gòu)成的陣列型光電轉(zhuǎn)換器件^[9]。其中，每個(gè)雪崩二極管和大阻值的猝滅電阻串聯(lián)組成一個(gè)像素單元，每個(gè)單元相互并聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)面陣列。當(dāng)為SiPM加上適當(dāng)?shù)姆聪蚱秒妷汉螅總€(gè)單元中的APD耗盡層會(huì)形成很高的電場(chǎng)，將半導(dǎo)體中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子，并在電場(chǎng)中加速，從而打出許多的次級(jí)電子，實(shí)現(xiàn)電子倍增，產(chǎn)生的電流較大，累加起每個(gè)單元產(chǎn)生的電流便是器件的輸出電流。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

    根據(jù)近紅外光譜技術(shù)，利用硅光電倍增管作為檢測(cè)器，設(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)腦血氧的硬件電路，其電路功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采用了美國(guó)德州儀器TI公司的SOC系列芯片CC2540作為電路的微處理器。

2.1 光源LED

    電路使用發(fā)光二極管（OIS-330）系列作為光源。與激光光源相比，LED光源非相干非準(zhǔn)直，可得到的光強(qiáng)度更高^[10]。此外，它的工作電壓低，工作電流小，抗震和沖擊性非常好。本文選用波長(zhǎng)分別為680 nm和850 nm的LED作為光源，其測(cè)光功率為13 mW，譜線寬度為30 nm，并通過(guò)一款雙通道微功耗放大器ADA4505-2以及結(jié)型JFET場(chǎng)效應(yīng)管PMGD400UN來(lái)驅(qū)動(dòng)電路。

2.2 檢測(cè)器SiPM

    電路使用SiPM作為設(shè)備的檢測(cè)器，收集未被吸收的光子。實(shí)驗(yàn)選用德國(guó)KETEK公司的PM3360系列產(chǎn)品來(lái)檢測(cè)自組織表面的出射光，輸出微弱光電流信號(hào)。其感光面積為(3×3)mm²，像素點(diǎn)面積為(60×60)μm²，共有2 500像素點(diǎn)，其增益可達(dá)到10⁷。

2.3 SiPM偏置電壓電路

    為了硅光電倍增管可以正常工作，需加偏置電壓，本文選擇偏置電壓為30 V。偏量電壓電路圖如圖3所示。電路采用基于NE555的非隔離型直流升壓電路將電壓升壓到35 V，再利用穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)壓到30 V。當(dāng)系統(tǒng)接通電源后，電源VCC通過(guò)R1和R2對(duì)電容C1充電。當(dāng)V_TR小于1/3 VCC時(shí)，內(nèi)部放電管截止，V_q輸出高電平，三極管Q1導(dǎo)通，電感L1將儲(chǔ)存能量；當(dāng)V_TR大于2/3 VCC時(shí)，內(nèi)部放電管導(dǎo)通，使得放電端接地，電容C1通過(guò)R2對(duì)地放電使得V_TR下降，V_q輸出低電平，三極管Q1截?cái)啵姼幸粋?cè)將產(chǎn)生高電壓脈沖通過(guò)二級(jí)管整流給電容C7充電，輸出放大電壓V_out作為硅光電倍增管的偏置電壓。當(dāng)V_TR下降至1/3 VCC時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程。

    根據(jù)電路設(shè)計(jì)與公式計(jì)算可得周期T為31.2 μs，T_H為27.7 μs，如圖4所示，圖4(a)中V_q電壓波形符合計(jì)算。同時(shí)，由仿真結(jié)果可以得到如圖4(b)的輸出電壓V_out為35.4 V，達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

2.4 前置跨阻放大電路

    為了將SiPM檢測(cè)的微弱光電流轉(zhuǎn)化為正常范圍的電壓信號(hào)，同時(shí)獲得最小的電流噪聲和電壓噪聲，電路采用了跨阻型放大器（TIA）接法。設(shè)計(jì)中采用TI公司OPA656系列芯片作為TIA的運(yùn)算放大器。為了無(wú)失真放大光信號(hào)，將電路的帶寬設(shè)計(jì)為100 kHz，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)O(shè)PA656N的增益帶寬積（GBP）為230 MHz。為了使放大器穩(wěn)定工作，放大的倍數(shù)則應(yīng)小于2 300倍。仿真電路如圖5所示。

    用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器代替SiPM作為信號(hào)源，并以矩形波輸入。根據(jù)仿真，選擇R_F為510 Ω時(shí)，放大器的放大倍數(shù)為1 944倍。

    當(dāng)輸入幅值為 1 mV、頻率為50 kHz的矩形波時(shí)，輸出信號(hào)被放大1 944倍，并且基本無(wú)失真。由波特測(cè)試儀得到的幅頻特性，電路的通頻帶寬達(dá)到了100 kHz，滿足電路的設(shè)計(jì)需要。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

    為了驗(yàn)證電路的有效性，根據(jù)國(guó)外相似系統(tǒng)的驗(yàn)證方法設(shè)計(jì)了前臂阻斷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，在正常人前臂連續(xù)采集信號(hào)700 s，頻率為1 Hz。其中，在50～250 s及450～650 s時(shí)間段用血壓計(jì)繃帶持續(xù)在前臂加壓250 mmHg，將所采集的數(shù)據(jù)讀出并用0.1 Hz的數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，最后利用式(3)計(jì)算出血紅蛋白的含量變化情況。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，在血管阻斷期間（50~250 s，450~650 s），血紅蛋白的含量發(fā)生明顯變化。在阻斷期間，血管不再與外部進(jìn)行血流交換。因此，隨著組織的新陳代謝，HbO₂含量將持續(xù)下降，Hb含量不斷上升，分別與圖中AD和BC段的變化相吻合；恢復(fù)血管暢通后，由于外部血流的快速涌入，HbO₂與Hb含量快速恢復(fù)至正常水平，與圖中的DE和CF段相吻合；在前臂血管恢復(fù)正常后，再次阻斷驗(yàn)證，由圖MP和NO段發(fā)現(xiàn)與之前結(jié)果一致。由此得出，本文的電路可以正確測(cè)得組織中血紅蛋白的變化情況，性能滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論與展望

    本文基于fNIRS和SiPM設(shè)計(jì)了一個(gè)腦血氧檢測(cè)電路，并對(duì)電路各模塊進(jìn)行了相應(yīng)的仿真。通過(guò)前臂阻斷實(shí)驗(yàn)得出本電路設(shè)計(jì)可以正確測(cè)得組織中血紅蛋白含量的變化情況，滿足本階段的設(shè)計(jì)需求。

    本研究的最終目的是實(shí)現(xiàn)腦血氧的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在完成電路設(shè)計(jì)后，下一步將進(jìn)行腦部信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)與算法處理，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，完成整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試。

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作者信息:

吳  凱，劉  燕，佟寶同，邢曉曼，戴亞康

（中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州215163）