便携式战场快速颅内出血检测设备设计

李丹阳， 张传胜

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

0 引 言

在战场上有很多因创伤性颅脑损伤的患者急需抢救，由于时间紧迫，医疗条件简单，根据简单观察难以在短时间内对颅内出血作出准确的判断，而CT／MRI所耗费时间较长，并且不是每一位创伤性颅脑损伤患者都需要对颅内进行观察，若每一个患者都使用CT／MRI进行检查，很可能使其他更紧急的患者不能及时诊断，延误了抢救时机，进而出现脑血肿或脑疝后压迫脑组织，使脑干受到不可逆转的损伤。目前，国外比较成熟的设备是德国Oicrain公司生产的CRAINscan仪器，主要应用在浅表脑实质出血、硬膜下出血（SDH）、硬膜外出血（EDH）等，其优点是准确、无损伤、快速，可以应用于急救中心、监护病房ICU及野外战场等，但价格昂贵。一些研究表明，近红外光可以穿透颅骨，并对脑组织中的血红蛋白浓度变化敏感，能够用于对颅内出血病灶进行诊断和监测[1－2]，文中根据近红外光的朗伯特－比尔定律和血红蛋白对近红外光的吸收特征原理，设计了一种便携式战场快速颅内出血检测设备，能实现对人体脑组织的无创、直接测量，为战场条件下颅脑损伤的患者是否需要实施CT／MRI检查提供指征，设备使用简单，性能可靠，能显著提高在战场条件下的救护效率。

1 总体设计原理

在设计设备时，主要利用了红外吸收的朗伯特－比尔定律，即：在距离表面为x的介质内透射的辐射功率将随介质内的吸收元和散射元浓度的增加而以指数规律衰减，用公式表述如下：

式中：It射强度；

考虑到人脑的基本结构，散射基本可以忽略，对入射光的总吸收量是介质中各色团吸收量的线性迭加。

一般情况下，人脑的左右两侧对透射的近红外光吸收是一致的。如果在某一区域有血管破裂引起颅内出血时，相应部位的血液浓度升高，近红外光通过此区域时的吸收就会增加，所以，通过对人脑的左右两侧近红外光透射强度的测量，可以计算出血液的相对浓度，进而判断患者是否颅内出血。如果是颅内出血，就要使用CT／MRI进行更进一步的检查；如果不是颅内出血，只需要简单救护即可。

2 电路系统和传感器设计

设备以STM32微处理器为控制核心，通过PWM输出连续脉冲信号驱动LED灯产生一定波长和一定强度的近红外光线。该近红外光源透过颅脑组织由光电二极管采集含有脑组织血液相对浓度信息的透射光强，经过转换后将电信号传送给STM32，同时，通过LCD显示屏显示检测结果，把数据通过ZigBee无线传感器网络传给总控制机，总控制机接收到数据后通过备案和查询数据库把相关信息回传给检测设备，整体系统可以对多个检测设备同时处理，极大地提高了救治效率[3－6]。检测设备框图如图1所示。

图1 检测设备系统框图

探测部分由S1226系列光电二极管和前端放大电路组成，设备如图2所示。

图2 探测部分的结构

S1226系列光电二极管固定在中间小孔处，光电二极管选用S1226，其感光灵敏度较高，暗电流较小。脑部和探测器接触的面为弧形，放置光电二极管的部位和接触面边缘凸起，这样能减少近红外光外泄，影响探测精度，同时，基座材料使用了医用硅胶体，比较舒服，能有效避免固定探测时给患者带来的不适[7－8]。

3 系统软件设计和测试

系统软件的流程主要包括初始化、判断检测开始、计算颅脑相对血液浓度、与主机通信确定下一步方案等几个部分，如图3所示。

利用该仪器时，主要对患者的双侧额、颞和枕部进行测试。这里需要注意的是检查方法，即首先计算出颅脑一侧的血液相对浓度，然后在对称部位计算出颅脑另一侧的血液相对浓度，两个值作差，如果差值大于0.5，可以作为判断颅内有无出血的标准。

通过原型机在医院中实测，结果在51个病例中，MRI显示为脑出血的有31人，其中，硬膜外出血5人，硬膜下出血21人，浅表脑实质出血5人。而使用本探测设备诊断的脑出血患者为33人，通过MRI证实28例，5例为假阳性，假阳性病例中5人都存在皮下血肿。可见本设备具有较好的使用价值。

图3 探测部分的结构

4 结 语

事实上，由本设备产生的近红外光穿透射能力较弱，在经过颅脑组织时，衰减很快，因此，本设备的定量探测能力较弱，不能替代常规CT／MRI检查，对颅内病灶进行定位和定量的分析，但是在战场环境下，其特点十分鲜明，操作简单，性能稳定可靠且对人体无任何伤害，能快速地对颅内伤情做出初步诊断，因此，具有较好的实用价值。

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