單片機(jī)控制光源在瞳孔光反應(yīng)技術(shù)中的應(yīng)用.docVIP

單片機(jī)控制光源在瞳孔光反應(yīng)技術(shù)中的應(yīng)用 韋杰 （重慶大學(xué)，中國重慶400044） 【摘要】本文通過對目前國內(nèi)外使用視覺電生理的檢測的方法進(jìn)行探討，在現(xiàn)有的瞳孔檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計出一種不接觸人眼，用PC端直接控制，滿足不同顏色、不同強(qiáng)度、不同頻率的特定光刺激需求的裝置，使得檢測更加精確可靠。 關(guān)鍵詞單片機(jī)開發(fā)；瞳孔檢測；改進(jìn)檢測系統(tǒng) 0引言 通過對瞳孔檢測定位人眼，可以短時間內(nèi)檢測毒販?zhǔn)欠裨诮谖扯酒?，降低對罪犯的檢查周期；可大大加強(qiáng)眼部手術(shù)的安全性和可靠性，在醫(yī)療器械輔助檢查方面提供精確支持等。而目前國內(nèi)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(jié)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(jìn)行分析，在已有對瞳孔檢測方法的研究基礎(chǔ)上，改進(jìn)并設(shè)計可用于瞳孔光反應(yīng)檢測系統(tǒng)的可控光源發(fā)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(wǎng)膜色素上皮和光感受器細(xì)胞之間存在的視網(wǎng)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(wǎng)膜電位差。他們根據(jù)診斷指標(biāo)，如暗谷電位、暗谷時間、光峰電位等，對受監(jiān)測者的信息進(jìn)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(xué)達(dá)不到的。 而田桂芬等使用眼電圖方法對不同人群進(jìn)行實驗2，他們發(fā)現(xiàn)不同年齡、不同疾病、不同性別的人對結(jié)果有著明顯的影響，最終得出對該方法參數(shù)的判讀標(biāo)準(zhǔn)。從而提高了使用眼電圖法檢測的準(zhǔn)確性。 綜上，雖然眼電圖法具有操作簡單等優(yōu)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(jù)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(jī)控制光源的瞳孔檢測技術(shù) 通過參考陰正勤對瞳孔檢測應(yīng)用發(fā)展的分析3，綜合上述方法的缺點。我們改進(jìn)并且設(shè)計了一種可用于瞳孔光反應(yīng)檢測系統(tǒng)的可控光源發(fā)生器。 2.1硬件設(shè)計 由于本系統(tǒng)要求能夠發(fā)出特定顏色、強(qiáng)度和頻率的光，所以設(shè)計的光發(fā)生器是由一個以單片機(jī)STM32為主體的控制電路板、以tps器件為主體的電路穩(wěn)定板塊和LED構(gòu)成的圓形發(fā)光器組成。 設(shè)計框圖及其工作原理如圖1所示。 圖1硬件設(shè)計及工作原理圖 2.1.1控制電路板 根據(jù)孫書鷹等對單片機(jī)STM32F103的介紹4，主控芯片采用的是STM32F103芯片，其具有內(nèi)置128K閃存存儲器、具有SPI等7個通信接口。本系統(tǒng)需要使用到相對較多的外設(shè)接口，而該芯片擁有滿足該需求的GPIO接口個數(shù)，可以實現(xiàn)通過JTAG對芯片進(jìn)行調(diào)試，也可以通過串口與PC端進(jìn)行通信，所以選用STM32103芯片作為該系統(tǒng)的控制器件。控制電路板使用Candence軟件進(jìn)行設(shè)計。 2.1.2電路穩(wěn)定板塊 經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，直接將發(fā)光器接在控制板塊的輸出端，發(fā)出的光源并不穩(wěn)定，而本系統(tǒng)要求能夠發(fā)出穩(wěn)定的、所需的特定顏色、強(qiáng)度和頻率的光，因此還需要增加一個電路穩(wěn)定板塊。根據(jù)余敏在xx年所提出的LED驅(qū)動設(shè)計方法5，我們采用TPS611195驅(qū)動芯片作為電路穩(wěn)定板塊的主體。由于電路中的電流并不是穩(wěn)定的，所以在板塊中接入多個電容以及二極管構(gòu)成整流濾波電路，使得板塊工作時輸出的信號是穩(wěn)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(fā)光器。 2.1.3發(fā)光器 醫(yī)學(xué)上對瞳孔檢測時所需的光通常為紅、藍(lán)、白三種顏色，且要求發(fā)出的光在瞳孔接收的范圍內(nèi)達(dá)到均勻效果。對如白光，我們使用64個發(fā)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(fā)出的光能夠達(dá)到對稱的效果。 我們采用了以單片機(jī)STM32為主體的控制電路板來達(dá)到控制發(fā)光器發(fā)出所需顏色、光強(qiáng)和頻率的光，以TPS器件為主體的電路穩(wěn)定板塊實現(xiàn)將信號穩(wěn)定地輸出到發(fā)光器中，而發(fā)光器中的每種顏色LED都是由64個LED根據(jù)8串8并的形式組成。 2.2軟件設(shè)計 該系統(tǒng)的軟件部分主要是使用單片機(jī)開發(fā)工具KeliuVision3編寫程序,程序的主函數(shù)主要由串口子函數(shù)和光強(qiáng)判斷函數(shù)組成，根據(jù)實際需求改變參數(shù)控制I/O管口以控制顏色，光強(qiáng)判斷函數(shù)則確定所需光強(qiáng)，最后驅(qū)動光刺激模塊發(fā)光，達(dá)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(xiàn)效果。此外，控制軟件的可視化部分則由C+實現(xiàn)。程序流程圖如圖2所示。 圖2光源系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖 3實驗結(jié)果 通過使用JTAG對光源系統(tǒng)進(jìn)行多次調(diào)試，其實現(xiàn)了發(fā)出白色、紅色、藍(lán)色三種不同顏色的光；發(fā)光等級分為6個等級；間隔時間可以實現(xiàn)200ms和2000ms兩個功能。 4總結(jié) 本文在瞳孔檢測技術(shù)發(fā)展多年的基礎(chǔ)上，與經(jīng)典的基于眼電圖（EOG）的瞳孔檢測方法進(jìn)行分析，基于單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計出一種可以實現(xiàn)不接觸人眼，用PC端直接控制，并且滿足不同顏色、不同強(qiáng)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(chǔ)，使得眼科學(xué)更加精確可靠。 參考文獻(xiàn) 1單揚,吳德正,吳樂正.臨床視覺眼電圖檢查法J.國外醫(yī)學(xué):眼科學(xué)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,xx,14(2):5. 3陰正勤.視覺誘發(fā)電位、視網(wǎng)膜電圖及眼電圖的臨床