便攜式戰場快速顱內出血檢測設備設計

李丹陽， 張傳勝

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

0 引 言

在戰場上有很多因創傷性顱腦損傷的患者急需搶救，由于時間緊迫，醫療條件簡單，根據簡單觀察難以在短時間內對顱內出血作出準確的判斷，而CT／MRI所耗費時間較長，并且不是每一位創傷性顱腦損傷患者都需要對顱內進行觀察，若每一個患者都使用CT／MRI進行檢查，很可能使其他更緊急的患者不能及時診斷，延誤了搶救時機，進而出現腦血腫或腦疝后壓迫腦組織，使腦干受到不可逆轉的損傷。目前，國外比較成熟的設備是德國Oicrain公司生產的CRAINscan儀器，主要應用在淺表腦實質出血、硬膜下出血（SDH）、硬膜外出血（EDH）等，其優點是準確、無損傷、快速，可以應用于急救中心、監護病房ICU及野外戰場等，但價格昂貴。一些研究表明，近紅外光可以穿透顱骨，并對腦組織中的血紅蛋白濃度變化敏感，能夠用于對顱內出血病灶進行診斷和監測[1－2]，文中根據近紅外光的朗伯特－比爾定律和血紅蛋白對近紅外光的吸收特征原理，設計了一種便攜式戰場快速顱內出血檢測設備，能實現對人體腦組織的無創、直接測量，為戰場條件下顱腦損傷的患者是否需要實施CT／MRI檢查提供指征，設備使用簡單，性能可靠，能顯著提高在戰場條件下的救護效率。

1 總體設計原理

在設計設備時，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的介質內透射的輻射功率將隨介質內的吸收元和散射元濃度的增加而以指數規律衰減，用公式表述如下：

式中：It射強度；

考慮到人腦的基本結構，散射基本可以忽略，對入射光的總吸收量是介質中各色團吸收量的線性迭加。

一般情況下，人腦的左右兩側對透射的近紅外光吸收是一致的。如果在某一區域有血管破裂引起顱內出血時，相應部位的血液濃度升高，近紅外光通過此區域時的吸收就會增加，所以，通過對人腦的左右兩側近紅外光透射強度的測量，可以計算出血液的相對濃度，進而判斷患者是否顱內出血。如果是顱內出血，就要使用CT／MRI進行更進一步的檢查；如果不是顱內出血，只需要簡單救護即可。

2 電路系統和傳感器設計

設備以STM32微處理器為控制核心，通過PWM輸出連續脈沖信號驅動LED燈產生一定波長和一定強度的近紅外光線。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濃度信息的透射光強，經過轉換后將電信號傳送給STM32，同時，通過LCD顯示屏顯示檢測結果，把數據通過ZigBee無線傳感器網絡傳給總控制機，總控制機接收到數據后通過備案和查詢數據庫把相關信息回傳給檢測設備，整體系統可以對多個檢測設備同時處理，極大地提高了救治效率[3－6]。檢測設備框圖如圖1所示。

圖1 檢測設備系統框圖

探測部分由S1226系列光電二極管和前端放大電路組成，設備如圖2所示。

圖2 探測部分的結構

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，基座材料使用了醫用硅膠體，比較舒服，能有效避免固定探測時給患者帶來的不適[7－8]。

3 系統軟件設計和測試

系統軟件的流程主要包括初始化、判斷檢測開始、計算顱腦相對血液濃度、與主機通信確定下一步方案等幾個部分，如圖3所示。

利用該儀器時，主要對患者的雙側額、顳和枕部進行測試。這里需要注意的是檢查方法，即首先計算出顱腦一側的血液相對濃度，然后在對稱部位計算出顱腦另一側的血液相對濃度，兩個值作差，如果差值大于0.5，可以作為判斷顱內有無出血的標準。

通過原型機在醫院中實測，結果在51個病例中，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，淺表腦實質出血5人。而使用本探測設備診斷的腦出血患者為33人，通過MRI證實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備具有較好的使用價值。

圖3 探測部分的結構

4 結 語

事實上，由本設備產生的近紅外光穿透射能力較弱，在經過顱腦組織時，衰減很快，因此，本設備的定量探測能力較弱，不能替代常規CT／MRI檢查，對顱內病灶進行定位和定量的分析，但是在戰場環境下，其特點十分鮮明，操作簡單，性能穩定可靠且對人體無任何傷害，能快速地對顱內傷情做出初步診斷，因此，具有較好的實用價值。

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