CN209003965U - 一种便捷式近红外光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种便携式近红外光谱成像系统，包括以MCU为核心的主控电路、NIRS信号发射电路、NIRS信号采集电路、无线传输电路和电源电路，其中NIRS信号发射电路包括光源和光源驱动电路；NIRS信号采集电路包括光电传感器和数模转换电路。MCU实现数据采集和传输。本系统体积小，集成度高，而且系统采取无线传输，增加了系统的便携性。此外该系统易扩展，多通道设计，能够根据实际使用需求自由扩展，以实现更优的空间分辨率和成像性能。
Description
技术领域
本实用新型具体涉及一种便携式近红外光谱成像系统。
背景技术
近红外光谱技术(Near-infrared Spectroscopy，NIRS)是一种新型的脑功能成像技术，经过20多年的发展，NIRS广泛应用于精神、神经科学的各个领域，具有造价较低、便携性好、无噪音和无创性的优点。此外在进行心理学实验时，该仪器对被试的动作不会过分敏感，这也是其具备的优点，也已被广泛的应用到科研和临床，尤其是婴幼儿和老年人这两个群体。为满足不同层次用户的需求，功能近红外光谱成像设备的发展也呈现多样化，近年来，互联网等电子科技技术迅速发展，尤其是微机电系统和微光机电系统技术，极大的提高了光学器件的微型化和探测器的集成度，推动了仪器微型化的发展，现有的近红外光谱成像系统体积较大，不方便携带。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提出一种便携式近红外光谱成像系统，用于解决上述的其中一个或全部的技术问题，具有系统体积小、集成度高、便捷性强的效果。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种便携式近红外光谱成像系统，包括MCU、NIRS信号发射电路、NIRS信号采集电路、无线传输电路和电源电路，NIRS信号发射电路包括光源和光源驱动电路，所述NIRS信号采集电路包括光电传感器和数模转换电路，光源驱动电路与光源连接并驱动光源，NIRS信号中的光电传感器采集电路连接MCU，并发送给数模转换电路，数模转化电路将测量的信号传送给MCU的输入引脚，MCU的输出引脚连接无线传输电路，电源电路为系统提供电力。
优选地，MCU以MSP430F140为主控器。
优选地，光电传感器采用光电二极管OPT101，所述数模转换电路选用8通道、24位模拟前端ADS1299芯片。
优选地，光电二极管OPT101外接有反馈型电阻，反馈型电阻两端并联有电容。
优选地，光源驱动电路包括STM32为控制核心的多片可编程集成芯片。
优选地，光源驱动电路的包括STM32F405集成芯片和16路输出的恒流源芯片TC62D748，16路输出的恒流源芯片TC62D748外接有精密电阻，STM32F405集成芯片通过其兼容性SPI口连接有数字电位器，STM32F405集成芯片通过其他兼容性SPI口与恒流源芯片TC62D748连接。
优选地，数字电位器选用MAX5438型数字电位器。
优选地，无线传输电路选用GS1011集成芯片。
优选地，光源选取760nm和850nm入射光波。
优选地，便携式近红外光谱成像系统采用多通道设计，本系统采用由8个光源和7个探测器组成的22通道探测布局，本系统中光源与探测器之间的距离设置为3cm。
作为另一种优选，所述光源驱动电路增加一片恒流源芯片，所述便携式近红外光谱成像系统采用多通道设计，采用由16个光源和7个探测器组成的22通道探测布局，本系统中光源与探测器之间的距离设置小于3cm，采用多距离探测方法，各光源与探测器之间的距离设置为至少两种不同的距离。
本实用新型有益效果是:
1、本系统体积小，集成度高，而且系统采取无线传输，增加了系统的便携性。此外该系统易扩展，多通道设计，能够根据实际使用需求自由扩展，以实现更优的空间分辨率和成像性能。
2、本系统的光电传感器采用光电二极管OPT101，能够有效减少漏电流、杂散电容引起的误差，大幅提高接收器的抗干扰性能；同时二极管OPT101外接反馈电阻，反馈电阻并联电容，减少后级放大的噪声叠加效应。
3、本系统增加光源和探测器的数量，能够带来更多的空间采样点，有效改善系统的空间分辨率。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本实用新型的具体实施方式的系统总体功能框图。
图2是本实用新型的具体实施方式的STM32集成芯片连接16路输出恒流源芯片TC62D748输出图。
图3是本实用新型的具体实施方式的22通道示意分布图。
图4是本实用新型的具体实施方式的光源驱动电路的级联结构图。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
具体实施例一：
一种便携式近红外光谱成像系统，系统硬件结构包括MCU、NIRS信号发射电路、NIRS信号采集电路、无线传输电路和电源电路，其中NIRS信号发射电路包括光源和光源驱动电路；NIRS信号采集电路包括光电传感器和数模转换电路。主控电路实现光源驱动的控制及数据采集和传输。首先通过光源驱动电路驱动光源，电源电路对光源驱动电路供电，本系统多通道设计，采用由8个光源和7个探测器组成的22通道探测布局，使用光电传感器测量得到相应信号，并通过数模转换电路对光电探测器输出的信号进行处理。MCU通过将信号发送给无线传输电路，无线传输电路可以将数据传送到上位机完成成像。系统总体功能框图如图1所示。
主控电路主要以MCU为核心，具体的，MCU以MSP430F140为主控制器。
NIRS信号发射电路主要由光源和光源驱动电路两部分组成，系统选取760nm和850nm作为入射光波，光源驱动电路由STM32为控制核心的多片可编程集成芯片构成。将近红外双波长LED的发射光强制在1.2kHz的正弦波上，去除自然光低频电子等背景噪声的干扰，各光源采用时分复用。
光源驱动电路选用STM32F405集成芯片作为光源驱动电路的控制级，通过兼容性SPI口连接有数字电位器，并通过兼容性SPI口连接有恒流源芯片，为保证驱动电流的稳定性，包括专用LED驱动的16路输出恒流源芯片TC62D748，可同时驱动8枚双波长LED，该芯片外接一个精密电阻，可以固定输出1.5至90mA电流，具有电路简洁，控制方便等特点，如图2所示，STM32F405集成芯片发送通道标志信号给NIRS信号采集电路的采集端和无线传输电路的传输端，保证各通道信号采集的准确率。
上述一种便携式近红外光谱成像系统的设计中，NIRS信号采集电路主要由光电传感器和数模转换电路构成。
其中光电传感器采用光电二极管OPT101，能够有效减少漏电流、杂散电容引起的误差，大幅提高接收器的抗干扰性能；同时二极管OPT101外接反馈电阻，反馈电阻并联电容，减少后级放大的噪声叠加效应。
数模转换电路选用用于生物电势测量的低噪声、8通道、24位模拟前端ADS1299芯片，大幅度缩小设备尺寸，从而降低功耗和系统成本。
上述一种便携式近红外光谱成像系统的设计中，系统采用无线传输电路，为设备提供了更好的便携性，无线传输电路采用超低功耗、集成度高芯片GS1011，基于WiFi实现数据无线传输。
上述一种便携式近红外光谱成像系统的设计中，系统采用多通道设计：增加光源和探测器的数量，能够带来更多的空间采样点，通过增加空间采样点等优化方法，能够有效改善系统的空间分辨率。增加探测器数模即可有效提高通道数。本系统由8个光源和7个探测器组成的22通道探测布局，本系统中光源与探测器之间的距离设置为3cm，8个光源以矩形阵列的方式排布，每相邻两个光源之间的中心点直线距离相同，探测器设置在该光源矩形阵列中，探测器均位于该矩形阵列的横轴上，且探测器距左侧光源和右侧光源的距离相等，8个光源和7个探测器构成22个探测通道，如图3所示。
具体实施例二：
上述一种便携式近红外光谱成像系统的设计中，本系统在保证设备的重量轻，体积小的情况下，为了尽可能地提高系统的空间分辨率，一方面可以提高光源数，在光源驱动电路增加一片恒流源芯片，增加光源数目到16个，光源驱动电路如图4所示；另一方面，提高探测密度，减少光源与探测器之间的距离，采用多距离探测方法，使用多组不同距离的探测数据，从而实现更高的空间分辨率。
本实用新型提出了一种便携式近红外光谱成像系统，选用低功耗高集成度可编程芯片，简化了硬件电路的同时，提高了系统精度和抗干扰能力。体积小、重量轻，并采用无线传输，有效满足了便携性的需求。此外，多通道设计，能够根据实际使用需求自由扩展，以实现更优的空间分辨率和成像性能。
上面对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种便携式近红外光谱成像系统，其特征在于：包括以MCU为核心的主控电路、NIRS信号发射电路、NIRS信号采集电路、无线传输电路和电源电路，NIRS信号发射电路包括光源和光源驱动电路，所述NIRS信号采集电路包括光电传感器和数模转换电路，光源驱动电路与光源连接并驱动光源，NIRS信号中的光电传感器采集电路连接MCU，并发送给数模转换电路，数模转化电路将测量的信号传送给MCU的输入引脚，MCU的输出引脚连接无线传输电路，电源电路为系统提供电力。
2.根据权利要求1所述的一种便携式近红外光谱成像系统，其特征在于：所述光电传感器采用光电二极管OPT101，所述数模转换电路选用8通道、24位模拟前端ADS1299芯片。
3.根据权利要求2所述的一种便携式近红外光谱成像系统，其特征在于：所述光电二极管OPT101外接有反馈型电阻，反馈型电阻两端并联有电容。
4.根据权利要求1所述的一种便携式近红外光谱成像系统，其特征在于：所述光源驱动电路包括STM32为控制核心的多片可编程集成芯片。
5.根据权利要求1所述的一种便携式近红外光谱成像系统，其特征在于：所述光源驱动电路的包括STM32F405集成芯片和16路输出的恒流源芯片TC62D748，16路输出的恒流源芯片TC62D748外接有精密电阻，STM32F405集成芯片通过其兼容性SPI口连接有数字电位器，STM32F405集成芯片通过其他兼容性SPI口与恒流源芯片TC62D748连接。
6.根据权利要求5所述的一种便携式近红外光谱成像系统，其特征在于：所述数字电位器选用MAX5438型数字电位器。
7.根据权利要求1所述的一种便携式近红外光谱成像系统，其特征在于：所述无线传输电路选用GS1011集成芯片。
8.根据权利要求1所述的一种便携式近红外光谱成像系统，其特征在于：所述便携式近红外光谱成像系统采用多通道设计，本系统采用由8个光源和7个探测器组成的22通道探测布局，本系统中光源与探测器之间的距离设置为3cm。
9.根据权利要求1所述的一种便携式近红外光谱成像系统，其特征在于：所述光源驱动电路增加一片恒流源芯片，增加光源数量，本系统中光源与探测器之间的距离设置小于3cm，采用多距离探测方法，各光源与探测器之间的距离设置为至少两种不同的距离。
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