基于近红外光的腹部出血检测系统的开发(2)

图1 检测系统结构示意图Fig 1 Schematic of the detection system

2.3 探头

探头主要包括1个光源和两个探测器，见图2。光源采用日本epitex公司生产的型号为L760／850-04A的双波长发光二极管，其发光波长分别为760 nm和850 nm，工作电流为80 mA。探测器采用美国B-B公司生产的OPT101型光电探测器。光源和两个探测器的中心间距分别为2.1 cm和3.1 cm。同时，为了减少外界背景光对探测器的影响，整个探头用一个黑色的柔性橡胶作为基底，并在上面嵌入1个双波长发光二极管和2个光电探测器。

图2 探头结构示意图Fig 2 Diagram of the detector structure

2.4 光源驱动模块

为保证从腹部组织漫反射出来的光强信号的稳定性，系统采用恒流源驱动方式来驱动激励光源。该恒流源驱动电路主要由电源基准芯片MAX6126、电子模拟开关芯片MAX4066，采样电阻和其它元器件构成。光源驱动时，电压基准芯片实时采集采样电阻两端的电压，同时将采集电压信号反馈到电压基准芯片内部，然后根据采样电压值调节输出电压。采样电阻的阻值由所需要的驱动电流的大小和电压基准芯片的输出电压来确定。光源的驱动电流可以通过采样电阻值来改变。

2.5 锁相放大模块

由于所要检测的是微弱光强信号且信号中常常混有噪声，因此，系统采用锁相放大电路来去除噪声。锁相放大电路不仅具有很高的检测灵敏度而且信号处理比较简单，常用来检测微弱信号。如图3所示，锁相放大模块主要包括带通滤波器、锁相放大器和低通滤波器三个部分。在本检测系统中，调制输入信号的频率为20 Hz，并在锁相放大器前加入带通滤波器从而实现对输入信号的滤波，参考信号由微控制器提供。信号经锁相放大后通过一个低通滤波器来实现信号的整流与滤波。

图3 锁相放大模块结构图Fig 3 Diagram of the lock-in am p lifier modules

2.6 数据采集卡与软件设计

数据采集卡采用美国NI公司生产的型号为PCI6221板卡。该采集卡分辨率为16位，最高采集速度为250 k／s，具有16路输入通道，可以满足系统的采集需求。检测系统的控制和信号采集程序采用Labview编程。数据采集卡将采集到的信号经过A／D转换后送至上位机进行保存和显示。信号采集系统的控制面板（见图4）主要包括采样频率、采样数、采集通道的设置，波形显示和数据存储路径选择。在实时信号采集时，首先需要设置数据采集卡的相关参数，然后进行实时采集和波形显示。图5为采集系统的程序框图，可以通过数据采集卡自带的软件包，也可以通过采集面板来观察采集信号的波形。

图4 信号采集系统控制面板Fig 4 Signal acquisition system control panel

图5 采集系统程序框图Fig 5 Program chart of the signal acquisition system

3 实验及结果分析

3.1 腹部出血模型构建

人体的腹部结构主要由皮肤、皮下组织、腹肌、腹膜外脂肪和腹膜等组成。由于人体腹部结构比较复杂，所以在实验时需要建立适当的组织模型。在本实验中，腹部组织用新鲜的鸡脯肉来模拟，用Phantom模型来模拟正常腹部和腹部出血时的两种不同情况，通过改变鸡肉的厚度来探究光子在腹部组织中的检测深度和传播规律。图6为模型实验装置的示意图。

图6 模型实验装置示意图Fig 6 The schematic of the experiment device

实验Phantom模型配置步骤如下：（1）分别量取100 ml和150 ml水倒入烧杯中并将其编号为a和b；（2）将水加热至沸腾后向沸水中加入15 g凝胶并充分搅拌均匀；（3）溶液温度降至50℃后，向编号为a和b的烧杯中分别加入50 m l牛奶和0.1 m l墨汁并再次充分搅拌均匀；（4）将冷却后的混合物放入冰箱中，待液体凝固则模型配置完成。两个模型的整体厚度均为3cm，编号为a和b的模型分别作为实验模型1和实验模型2。

模型配好后，利用一台双光源、双检测通道的检测生物组织光学特性的ISSOXImeter系统测得模型1的光学参数为：μa＝0.0359，μs＝14.4648；模型2的光学参数为：μa＝0.2079，μs＝-20.2259，其中μa和μs分别为组织的吸收系数和散射系数，单位为1／cm。模型2的散射系数小于零，可以认为它是一个吸收体。

3.2 实验方法和步骤

用新鲜的鸡脯肉模拟腹部组织，配置的Phantom模型1和模型2分别模拟正常腹部和有出血的损伤腹部。当光照射到腹部组织时，光子经过腹部组织的吸收和散射作用，一部分光子被探头检测到。通过分析这些携带腹部组织信息的光强信号便可初步判断腹部的出血情况。

文章来源：《无损检测》 网址: http://www.wsjczzs.cn/qikandaodu/2021/0326/456.html