基于nirs的穿戴式腦功能檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，包括NIRS檢測單元、超低功耗控制單元、狀態(tài)提示單元、藍牙通訊單元、按鍵輸入單元以及電源供電單元；超低功耗控制單元分別與NIRS檢測單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元相連，通過SPI接口與NIRS檢測單元進行數(shù)據(jù)指令通信，并控制NIRS檢測單元的工作方式，通過UART串口通訊協(xié)議與藍牙通訊單元進行數(shù)據(jù)傳輸通信，藍牙通訊單元將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端進行后續(xù)處理；按鍵輸入單元與電源供電單元相連，電源供電單元用于為NIRS檢測單元、超低功耗控制單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元供電，并進行供電保護與電源管理。本發(fā)明體積小、檢測結(jié)果準(zhǔn)確、功耗極低，便于進行NIRS腦血氧的實時監(jiān)測。
【專利說明】
基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種腦功能檢測裝置，尤其是一種基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，屬于生命體征參數(shù)檢測裝置研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]腦約占人體總體重的2%，卻接受著約15 %左右的心輸出量，耗氧量約占全身耗氧的20%，長時間的缺氧會導(dǎo)致腦組織不可逆轉(zhuǎn)的損傷。另外，人腦的各種活動能夠直接通過測量大腦皮層的活動狀態(tài)來觀察。近紅外光譜術(shù)(Near-1nfrared Spectroscopy，NIRS)是目前唯一一種可以同時測量腦血液動力學(xué)和神經(jīng)組織活動的技術(shù)，對與大腦健康和認(rèn)知識別有著重要意義，由于它的無創(chuàng)性和可活動性，具有非常重要的臨床和市場前景。
[0003]目前臨床上和市場上的NIRS測量裝置大多都是多導(dǎo)設(shè)備，使用起來不方便，而且導(dǎo)聯(lián)數(shù)過多會影響用戶的測量體驗。其次，現(xiàn)有的NIRS裝置的數(shù)據(jù)采集和處理模塊都采用分離器件，易被外界噪音和內(nèi)部電磁兼容所干擾，難以滿足隨時隨地測量測需要。再次，現(xiàn)有的設(shè)備大多都是有限設(shè)備，不便于移動，即使是無線設(shè)備，也大多采用藍牙4.0通訊，傳輸效率不高，而且每次都要與其他設(shè)備進行配對，不便于使用。隨著可穿戴式裝置的發(fā)展，以及滿足檢測者對于隨時隨地檢測的需要，迫切需要一種能夠無線便攜的穩(wěn)定高效可穿戴NIRS裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，該裝置可與智能手機、平板電腦等移動終端相連，具有舒適、便攜、可靠和高效的特點。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到:
[0006]基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，包括NIRS檢測單元、超低功耗控制單元、狀態(tài)提示單元、藍牙通訊單元、按鍵輸入單元以及電源供電單元；
[0007]所述NIRS檢測單元用于采集用戶大腦的腦血氧信號；
[0008]所述超低功耗控制單元分別與NIRS檢測單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元相連，超低功耗控制單元通過SPI接口與NIRS檢測單元進行數(shù)據(jù)指令通信，并控制NIRS檢測單元的工作方式，超低功耗控制單元通過UART串口通訊協(xié)議與藍牙通訊單元進行數(shù)據(jù)傳輸通信，藍牙通訊單元將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端進行后續(xù)處理；
[0009]所述按鍵輸入單元與電源供電單元相連，所述電源供電單元用于為NIRS檢測單元、超低功耗控制單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元供電，并進行供電保護與電源管理。
[0010]優(yōu)選的，所述NIRS檢測單元包括相連的NIRS探頭和集成模擬前端，所述NIRS探頭整體呈一環(huán)形結(jié)構(gòu)置于用戶的前額，該NIRS探頭包括發(fā)光二極管和接收二極管，所述發(fā)光二極管由集成模擬前端驅(qū)動和供電，所述接收二極管用于接收發(fā)光二極管所發(fā)出近紅外光在經(jīng)過腦部組織作用后的反射光。
[0011]優(yōu)選的，所述集成模擬前端包括發(fā)光二極管驅(qū)動模塊、濾波放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊以及SPI接口，所述發(fā)光二極管驅(qū)動模塊與控制模塊相連，所述濾波放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊和SPI接口依次相連。
[0012]進一步的，所述集成模擬前端選用TI公司的AFE4400芯片，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，同時使得腦功能檢測裝置整體體積更加小，便于集成化。
[0013]優(yōu)選的，所述超低功耗控制單元嵌入鐵電隨機存取存儲器，采用新的非易失性存儲器技術(shù)，具有快速數(shù)據(jù)讀寫、低功耗、高壽命、可抵抗電磁場和輻射的功能。
[0014]進一步的，所述超低功耗控制單元選用TI公司的超低功耗微處理器MSP430FR5969，靈活的配置微處理器的待機中斷喚醒模式，極大地減小了設(shè)備運行時的功耗，延長了設(shè)備的待機時間。
[0015]優(yōu)選的，所述藍牙通訊單元包括天線模塊、鏈路控制模塊、鏈路管理模塊以及藍牙協(xié)議模塊，所述天線模塊、鏈路管理模塊和鏈路控制模塊依次相連，所述藍牙協(xié)議模塊與鏈路管理模塊相連。
[0016]進一步的，所述藍牙通訊單元采用TI公司的CC2541芯片，該芯片采用藍牙4.1標(biāo)準(zhǔn)，支持多款設(shè)備連接到一個藍牙設(shè)備上，具備自行激活與睡眠控制功能，支持IPV6專用同代聯(lián)機上網(wǎng)功能，提升了設(shè)備連接的靈活性，降低了LTE網(wǎng)絡(luò)間的干擾，兼容藍牙4.1版本以下的藍牙設(shè)備，既能保證高速傳輸，又能解決功耗過大的問題。
[0017]優(yōu)選的，所述電源供電單元包括依次相連的電源充電模塊、電源管理模塊和LDO電源輸出模塊，采用多路LDO輸出供電，減小了模擬電路的電源噪聲，消除了各單元電源之間的相互影響，同時具有電源保護和管理的功能，提高了穿戴式產(chǎn)品的安全性。
[0018]優(yōu)選的，所述狀態(tài)提示單元為狀態(tài)指示燈，根據(jù)狀態(tài)指示燈的閃爍狀態(tài)，用于腦功能的狀態(tài)提醒;所述按鍵輸入單元為按鍵開關(guān)，當(dāng)按下按鍵開關(guān)后，輸入按鍵開關(guān)信號，控制電源供電單元為NIRS檢測單元、超低功耗控制單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元提供工作電壓。
[0019]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果:
[0020]1、本發(fā)明的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置采用穿戴式檢測技術(shù)，可以通過NIRS檢測單元采集用戶大腦的腦血氧信號，便攜舒適、輕便小巧，而且檢測結(jié)果準(zhǔn)確，方便了用戶隨時隨地進行腦血氧的實時監(jiān)測，為用戶帶來更好的醫(yī)療體驗。
[0021]2、本發(fā)明的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置中，NIRS檢測單元的集成模擬前端采用TI公司的AFE4400芯片，克服了現(xiàn)有技術(shù)使用分離器件造成的不穩(wěn)定和高噪聲，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，同時使得裝置整體體積更加小，便于集成化。
[0022]3、本發(fā)明的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置中，超低功耗控制單元采用超低功耗技術(shù)設(shè)計，選用TI公司超低功耗微處理器作為控制單元，靈活的配置微處理器的待機中斷喚醒模式，極大地減小了設(shè)備運行時的功耗，延長了設(shè)備的待機時間。
[0023]4、本發(fā)明的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置中，超低功耗控制單元采用新的非易失性存儲器技術(shù)，嵌入鐵電隨機存取存儲器，具有快速數(shù)據(jù)讀寫、低功耗、高壽命、可抵抗電磁場和福射的功能。
[0024]5、本發(fā)明的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置中，電源供電單元采用多路LDO輸出供電，減小了模擬電路的電源噪聲，消除了各單元電源之間的相互影響，同時具有電源保護和管理的功能，提高了穿戴式產(chǎn)品的安全性。
[0025]6、本發(fā)明的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置中，藍牙通訊單元采用藍牙4.1標(biāo)準(zhǔn)，支持多款設(shè)備連接到一個藍牙設(shè)備上，具備自行激活與睡眠控制功能，支持IPV6專用同代聯(lián)機上網(wǎng)功能，提升了設(shè)備連接的靈活性，降低了LTE網(wǎng)絡(luò)間的干擾，兼容藍牙4.1版本以下的藍牙設(shè)備，既能保證高速傳輸，又能解決功耗過大的問題。
[0026]7、本發(fā)明的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置中，通過藍牙通訊單元可以將腦功能檢測裝置采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端應(yīng)用進行后續(xù)處理，豐富了后續(xù)功能應(yīng)用的開發(fā)，便于用戶隨時隨地了解自身的腦功能認(rèn)知情況。
[0027]8、本發(fā)明的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置中，各個主要單元均采用TI公司的芯片進行電路設(shè)計，各芯片之間的參數(shù)統(tǒng)一，減小了分立器件引入的不必要干擾，提高了整體檢測裝置的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實施例的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0029]圖2為本發(fā)明實施例的NIRS檢測單元中集成模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖。
[0030]圖3為本發(fā)明實施例的NIRS檢測單元中集成模擬前端的工作流程圖[0031 ]圖4為本發(fā)明實施例的藍牙通訊單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0032]圖5為本發(fā)明實施例的超低功耗控制單元的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0034]實施例1:
[0035]如圖1所示，本實施例的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置包括NIRS檢測單元、超低功耗控制單元、狀態(tài)提示單元、藍牙通訊單元、按鍵輸入單元以及電源供電單元，所述超低功耗控制單元分別與NIRS檢測單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元相連。
[0036]所述NIRS檢測單元用于采集用戶大腦的腦血氧信號，其包括相連的NIRS探頭和集成模擬前端，所述NIRS探頭整體呈一環(huán)形結(jié)構(gòu)置于用戶的前額，該NIRS探頭包括發(fā)光二極管和接收二極管，所述發(fā)光二極管由集成模擬前端驅(qū)動和供電，所述接收二極管用于接收發(fā)光二極管所發(fā)出近紅外光在經(jīng)過腦部組織作用后的反射光。
[0037]如圖2所示，所述集成模擬前端選用TI (Texas Instruments，德州儀器)公司的AFE4400芯片，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，同時使得腦功能檢測裝置整體體積更加小，便于集成化，其包括發(fā)光二極管驅(qū)動模塊、濾波放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊以及SPI接口，所述發(fā)光二極管驅(qū)動模塊與控制模塊相連，用于驅(qū)動發(fā)光二極管，以及為發(fā)光二極管供電;所述濾波放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊和SPI接口依次相連，用于對接收二極管所接收的反射光信號進行處理。
[0038]如圖3所示，本實施例的集成模擬前端的工作流程如下:
[0039]集成模擬前端通過設(shè)定的時鐘頻率控制發(fā)光二極管驅(qū)動模塊，點亮額頭前方的特定波長的發(fā)光二極管，使發(fā)光二極管分時發(fā)出特定波長的近紅外光照射腦部前額組織，接收二極管接收經(jīng)過腦部組織作用后的光強信號，經(jīng)過濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，生成腦血氧的檢測數(shù)據(jù)，通過集成模擬前端的SPI接口(Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口)將采集到的腦血氧信號數(shù)據(jù)傳輸給超低功耗控制單元。
[0040]所述超低功耗控制單元采用超低功耗技術(shù)設(shè)計，其選用TI公司的超低功耗微處理器MSP430FR5969，靈活的配置微處理器的待機中斷喚醒模式，極大地減小了設(shè)備運行時的功耗，延長了設(shè)備的待機時間，并且嵌入鐵電隨機存取存儲器(Ferromagnetic RandomAccess Memory,FRAM)，由于采用新的非易失性存儲器技術(shù)，具有快速數(shù)據(jù)讀寫、低功耗、高壽命、可抵抗電磁場和輻射的功能;該超低功耗控制單元用于NIRS檢測單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元的控制，以及對NIRS檢測單元傳輸過來的數(shù)據(jù)進行存儲，將數(shù)據(jù)發(fā)送給藍牙通訊單元，實現(xiàn)腦功能檢測裝置與移動終端應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)通訊;其中，超低功耗控制單元通過SPI接口與NIRS檢測單元進行數(shù)據(jù)指令通信，通過UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，通用非同步收發(fā)傳輸器)串口通訊協(xié)議與藍牙通訊單元進行數(shù)據(jù)傳輸通信。
[0041]所述藍牙通訊單元采用TI公司的CC2541芯片，該芯片采用藍牙4.1標(biāo)準(zhǔn)，支持多款設(shè)備連接到一個藍牙設(shè)備上，具備自行激活與睡眠控制功能，支持IPV6專用同代聯(lián)機上網(wǎng)功能，提升了設(shè)備連接的靈活性，降低了LTE網(wǎng)絡(luò)間的干擾，兼容藍牙4.1版本以下的藍牙設(shè)備，既能保證高速傳輸，又能解決功耗過大的問題。
[0042]如圖4所示，所述藍牙通訊單元用于將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端進行后續(xù)處理，其包括天線模塊、鏈路控制模塊、鏈路管理模塊以及藍牙協(xié)議模塊，所述天線模塊、鏈路管理模塊和鏈路控制模塊依次相連，所述藍牙協(xié)議模塊與鏈路管理模塊相連，鏈路管理模塊通過藍牙協(xié)議模塊可以進行數(shù)據(jù)加密傳輸。
[0043]如圖5所示，本實施例的超低功耗控制單元的工作流程如下:
[0044]超低功耗控制單元通過初始化函數(shù)首先發(fā)送藍牙連接請求，連接成功后，對NIRS檢測單元的集成模擬前端進行寄存器配置，使集成模擬前端工作在低功耗腦血氧檢測方式，配置完成過后，通過中斷進行腦功能檢測裝置的佩戴檢測，佩戴上腦功能檢測裝置后開啟NIRS檢測功能，進入外圍設(shè)備終端等待函數(shù)，腦血氧數(shù)據(jù)生成后觸發(fā)外圍中斷信號跳變，進入數(shù)據(jù)發(fā)送程序，超低功耗控制單元將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給藍牙通訊單元發(fā)送到移動終端應(yīng)用的藍牙接收端，至此，完成一個周期的數(shù)據(jù)收發(fā)。
[0045]所述狀態(tài)提示單元為狀態(tài)指示燈，根據(jù)狀態(tài)指示燈的閃爍狀態(tài)，用于腦功能的狀態(tài)提醒;所述按鍵輸入單元為按鍵開關(guān)，其與電源供電單元相連，當(dāng)按下按鍵開關(guān)后，輸入按鍵開關(guān)信號，控制電源供電單元為NIRS檢測單元、超低功耗控制單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元提供工作電壓;所述電源供電單元包括依次相連的電源充電模塊、電源管理模塊和LD0(low dropout regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器)電源輸出模塊，電源供電單元采用多路LDO輸出供電，減小了模擬電路的電源噪聲，消除了各單元電源之間的相互影響，同時具有電源保護和管理的功能，提高了穿戴式產(chǎn)品的安全性。
[0046]上述實施例中的移動終端可以是智能手機、平板電腦、PDA手持終端等。
[0047]綜上所述，本發(fā)明的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置采用穿戴式檢測技術(shù)，可以通過NIRS檢測單元采集用戶大腦的腦血氧信號，便攜舒適、輕便小巧，而且檢測結(jié)果準(zhǔn)確，方便了用戶隨時隨地進行腦血氧的實時監(jiān)測，為用戶帶來更好的醫(yī)療體驗。
[0048]以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實施例，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:包括NIRS檢測單元、超低功耗控制單元、狀態(tài)提示單元、藍牙通訊單元、按鍵輸入單元以及電源供電單元； 所述NIRS檢測單元用于采集用戶大腦的腦血氧信號； 所述超低功耗控制單元分別與NIRS檢測單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元相連，超低功耗控制單元通過SPI接口與NIRS檢測單元進行數(shù)據(jù)指令通信，并控制NIRS檢測單元的工作方式，超低功耗控制單元通過UART串口通訊協(xié)議與藍牙通訊單元進行數(shù)據(jù)傳輸通信，藍牙通訊單元將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端進行后續(xù)處理； 所述按鍵輸入單元與電源供電單元相連，所述電源供電單元用于為NIRS檢測單元、超低功耗控制單元、狀態(tài)提示單元和藍牙通訊單元供電，并進行供電保護與電源管理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:所述NIRS檢測單元包括相連的NIRS探頭和集成模擬前端，所述NIRS探頭整體呈一環(huán)形結(jié)構(gòu)置于用戶的前額，該NIRS探頭包括發(fā)光二極管和接收二極管，所述發(fā)光二極管由集成模擬前端驅(qū)動和供電，所述接收二極管用于接收發(fā)光二極管所發(fā)出近紅外光在經(jīng)過腦部組織作用后的反射光。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:所述集成模擬前端包括發(fā)光二極管驅(qū)動模塊、濾波放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊以及SPI接口，所述發(fā)光二極管驅(qū)動模塊與控制模塊相連，所述濾波放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊和SPI接口依次相連。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:所述集成模擬前端選用TI公司的AFE4400芯片。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:所述超低功耗控制單元選用TI公司的超低功耗微處理器MSP430FR5969。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:所述超低功耗控制單元嵌入鐵電隨機存取存儲器。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:所述藍牙通訊單元包括天線模塊、鏈路控制模塊、鏈路管理模塊以及藍牙協(xié)議模塊，所述天線模塊、鏈路管理模塊和鏈路控制模塊依次相連，所述藍牙協(xié)議模塊與鏈路管理模塊相連。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:所述藍牙通訊單元采用TI公司的CC2541芯片，該芯片采用藍牙4.1標(biāo)準(zhǔn)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:所述電源供電單元包括依次相連的電源充電模塊、電源管理模塊和LDO電源輸出模塊。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于NIRS的穿戴式腦功能檢測裝置，其特征在于:所述狀態(tài)提示單元為狀態(tài)指示燈;所述按鍵輸入單元為按鍵開關(guān)。
【文檔編號】A61B5/1455GK105997102SQ201610308877
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】吳凱, 王凱曦, 韓俊南, 李承煒, 楊勇哲
【申請人】華南理工大學(xué), 廣州雙悠生物科技有限責(zé)任公司