單片機控制光源在瞳孔光反應技術中的應用

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的安全性和可靠性，在醫療器械輔助檢查方面提供精確支持等。而目前國內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上，改進并設計可用于瞳孔光反應檢測系統的可控光源發生器。

1 基于眼電圖(EOG)的瞳孔檢測方法

眼電圖是測量在視網膜色素上皮和光感受器細胞之間存在的視網膜電位，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，然后記錄視網膜電位差。他們根據診斷指標，如暗谷電位、暗谷時間、光峰電位等，對受監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]，他們發現不同年齡、不同疾病、不同性別的人對結果有著明顯的影響，最終得出對該方法參數的判讀標準。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

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

2.1 硬件設計

由于本系統要求能夠發出特定顏色、強度和頻率的光，所以設計的光發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定板塊和LED構成的圓形發光器組成。

設計框圖及其工作原理如圖1所示。

2.1.1 控制電路板

根據孫書鷹等對單片機STM32F103的介紹[4]，主控芯片采用的是STM32F103芯片，其具有內置128K閃存存儲器、具有SPI等7個通信接口。本系統需要使用到相對較多的外設接口，而該芯片擁有滿足該需求的GPIO接口個數，可以實現通過JTAG對芯片進行調試，也可以通過串口與PC端進行通信，所以選用STM32103芯片作為該系統的控制器件。控制電路板使用Candence軟件進行設計。

2.1.2 電路穩定板塊

經過實驗發現，直接將發光器接在控制板塊的輸出端，發出的光源并不穩定，而本系統要求能夠發出穩定的、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定板塊。根據余敏在2012年所提出的LED驅動設計方法[5]，我們采用TPS611195驅動芯片作為電路穩定板塊的主體。由于電路中的電流并不是穩定的，所以在板塊中接入多個電容以及二極管構成整流濾波電路，使得板塊工作時輸出的信號是穩定的。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光器。

2.1.3 發光器

醫學上對瞳孔檢測時所需的光通常為紅、藍、白三種顏色，且要求發出的光在瞳孔接收的范圍內達到均勻效果。對如白光，我們使用64個發出白光的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光器發出所需顏色、光強和頻率的光，以TPS器件為主體的電路穩定板塊實現將信號穩定地輸出到發光器中，而發光器中的每種顏色LED都是由64個LED根據8串8并的形式組成。

2.2 軟件設計

該系統的軟件部分主要是使用單片機開發工具Keli uVision3編寫程序,程序的主函數主要由串口子函數和光強判斷函數組成，根據實際需求改變參數控制I/O管口以控制顏色，光強判斷函數則確定所需光強，最后驅動光刺激模塊發光，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效果。此外，控制軟件的可視化部分則由C++實現。程序流程圖如圖2所示。

3 實驗結果

通過使用JTAG對光源系統進行多次調試，其實現了發出白色、紅色、藍色三種不同顏色的光；發光等級分為6個等級；間隔時間可以實現200ms和2000ms兩個功能。

4 總結

本文在瞳孔檢測技術發展多年的基礎上，與經典的基于眼電圖(EOG)的瞳孔檢測方法進行分析，基于單片機技術，設計出一種可以實現不接觸人眼，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，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.視覺誘發電位、視網膜電圖及眼電圖的臨床應用進展[J].基礎醫學與臨床,1991(04).

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

[5]余敏.可調光數字式LED驅動電源設計[D].浙江理工大學,2012.