基于超聲傳感器的骨密度儀的研究與設(shè)計(jì)

游張華

（深圳市華海聯(lián)能科技有限公司，廣東 深圳 518100）

基于超聲傳感器的骨密度儀的研究與設(shè)計(jì)

游張華

（深圳市華海聯(lián)能科技有限公司，廣東 深圳 518100）

超聲骨密度儀可以很好地對(duì)人體的骨質(zhì)疏松程度進(jìn)行測(cè)量，具有無(wú)放射性、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。從硬件和軟件兩個(gè)方面討論了基于超聲傳感器的骨密度儀的設(shè)計(jì)，主要包括超聲發(fā)射、超聲接收、信號(hào)處理以及嵌入式平臺(tái)的搭建，骨密度儀判定標(biāo)準(zhǔn)T值和Z值數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的可行性。

超聲傳感器；骨密度儀；T值；Z值

0 引言

原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥是老年人，尤其是絕經(jīng)后老年婦女的一種常見病、多發(fā)病。腰椎及股骨近端是早期易發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松的理想部位，然而現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，左手中指第3節(jié)指骨骨密度的特征也能很好地反映骨質(zhì)疏松的程度。利用超聲傳感器，通過(guò)測(cè)量指骨反射回來(lái)的超聲波能量，可以很好地測(cè)出指骨密度，進(jìn)而反映出骨質(zhì)疏松的程度。

1 骨密度儀總體設(shè)計(jì)

骨密度儀總體設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由超聲傳感器、超聲發(fā)射電路、超聲接收電路和ARM嵌入式平臺(tái)組成。超聲傳感器采用A超縱波雙晶探頭，探頭的中心頻率為2 MHz。超聲發(fā)射電路使超聲傳感器中的換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波。超聲接收電路將超聲傳感器接收到的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將電信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，最后傳輸?shù)紸RM單片機(jī)中。ARM嵌入式平臺(tái)采用Freescale公司的i.MX27作為主控器，對(duì)輸入的電信號(hào)波形進(jìn)行采樣、計(jì)算，并比較骨密度數(shù)據(jù)庫(kù)，從而得出患者的骨質(zhì)疏松程度。

圖1 骨密度儀總體設(shè)計(jì)圖

2 骨密度儀的硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲發(fā)射電路

通過(guò)控制電路和高壓脈沖驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)中心頻率為2 MHz的超聲探頭。其中Q1為大功率場(chǎng)效應(yīng)管，i.MX27提供脈沖來(lái)控制Q1的開關(guān)；D1、D2為二極管，使發(fā)射電路只輸出負(fù)脈沖；R1為負(fù)載電阻。使用160 V的高壓來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲傳感器。超聲發(fā)射電路圖如圖2所示。

2.2 超聲接收電路

反射回來(lái)的超聲波通過(guò)超聲傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一級(jí)放大、二級(jí)放大、比較電路輸出波形信號(hào)到i.MX27。接收電路原理如圖3所示。

電信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大電路后，可得到比較雜亂的波形，如圖4所示。

經(jīng)過(guò)二級(jí)放大電路后，可得到2個(gè)帶尖峰的特征波形，如圖5所示。

圖2 超聲發(fā)射電路圖

圖3 超聲接收電路原理圖

圖4 一級(jí)放大電路后的波形圖

圖5 二級(jí)放大電路后的波形圖

經(jīng)過(guò)比較電路后，可得到2個(gè)負(fù)脈沖，這就是最后輸入到i.MX27中的波形，如圖6所示。

圖6 比較電路后的波形圖

2.3 嵌入式平臺(tái)硬件

嵌入式平臺(tái)選擇7寸群創(chuàng)AT070TN83-V.1(800×480) TFT液晶屏來(lái)顯示檢測(cè)結(jié)果。該屏與i.MX27的LCDC控制器主要通過(guò) 18根數(shù)據(jù)線(LD[17:0])、幀同步(VSYNC)、行同步(HSYSNC)、時(shí)鐘(LSCLK)進(jìn)行連接。使用三星的K9F2G08R0A NAND Flash芯片(256 MB×8 bit)來(lái)儲(chǔ)存系統(tǒng)的Bootloader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)和骨密度數(shù)據(jù)庫(kù)。將2片HYB18M512160AF-7.5芯片(4Banks×8 MB×16 bit)構(gòu)成128 MB的DDR，以運(yùn)行操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)輸入電源為5 V，經(jīng)過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器完成3.3 V、1.8 V、1.5 V的電壓轉(zhuǎn)換。外部晶振使用26 MHz，經(jīng)過(guò)i.MX27片內(nèi)的 PLL倍頻可得到 400 MHz的時(shí)鐘。設(shè)計(jì)10針的JTAG接口用來(lái)調(diào)試程序。使用 MAX3232連接UART接口，輸出調(diào)試信息。

通過(guò)PWM提供脈沖來(lái)控制大功率場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)。經(jīng)過(guò)比較電路的波形由GPIO口輸入到i.MX27。嵌入式平臺(tái)的硬件組成如圖7所示。

圖7 嵌入式平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 骨密度儀的軟件設(shè)計(jì)

3.1 骨密度判定標(biāo)準(zhǔn)

骨密度主要通過(guò)T值來(lái)判定，Z值輔助判定。

T值指測(cè)量值與同性別、年齡在30歲左右的健康人群的平均骨密度進(jìn)行比較后得出的值。T值≥-1，表示健康骨；-2.5＜T值＜-1，表示骨質(zhì)減少；T值≤-2.5，表示骨質(zhì)疏松。

Z值指測(cè)量值與同性別、同年齡段健康人群的平均骨密度進(jìn)行比較后得出的值。Z值>-2，表示骨密度值在正常同齡人范圍內(nèi)；Z值≤-2，表示骨密度低于正常同齡人。

3.2 影響T值和Z值的因素

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)射脈沖波形和反射波形存在如圖8所示的關(guān)系。

圖8 發(fā)射波形與反射波形關(guān)系圖

發(fā)射脈沖波形為周期性驅(qū)動(dòng)超聲傳感器發(fā)射的脈沖波形。反射波形即為圖6中輸入到i.MX27中的波形。T1為發(fā)射脈沖波形的下降沿到反射波形第一個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔，T2為發(fā)射脈沖波形的下降沿到反射波形第二個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，T1和T2都對(duì)T值、Z值有影響。T1的取值范圍為0.5 μs～7 μs，T2的取值范圍為6 μs～17 μs。

3.3 獲取T1和T2的方法

使用i.MX27的 2個(gè)GPIO和一個(gè)計(jì)時(shí)器來(lái)獲取 T1和T2的值。當(dāng)作為輸出的GPIO檢測(cè)到發(fā)射脈沖波形的下降沿時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)作為輸入的GPIO檢測(cè)到反射波形第一個(gè)下降沿時(shí)，記錄下計(jì)時(shí)器值1，該值即為T1。當(dāng)反射波形第二個(gè)下降沿時(shí)，記錄下計(jì)時(shí)器值2，則T2=計(jì)時(shí)器值2-計(jì)時(shí)器值1。計(jì)算的流程如圖9所示。

圖9 T1和T2的計(jì)算流程圖

3.4 建立T值和Z值數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)臨床對(duì)大量人群的測(cè)量，建立了男性T值、男性Z值、女性T值、女性Z值的數(shù)據(jù)庫(kù)?，F(xiàn)給出最具參考價(jià)值的男性30歲的T值數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖10所示。

圖10 男性30歲T值數(shù)據(jù)庫(kù)

可見，當(dāng) T1一定時(shí)，T2越大，T值越小，骨質(zhì)減少。當(dāng)T2一定時(shí)，T1越大，T值越小，骨質(zhì)減少。T值的變化并不是線性的，而是呈曲線變化。

4 骨密度儀測(cè)試

測(cè)試之前需在手指的表皮上涂抹耦合劑，以便超聲探頭能完全地貼合手指。使用設(shè)計(jì)的骨密度儀與市場(chǎng)上常見的定量超聲骨密度儀對(duì)相同的人進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 定量超聲骨密度儀測(cè)試結(jié)果

表2 設(shè)計(jì)的骨密度儀測(cè)試結(jié)果

可見，設(shè)計(jì)的骨密度儀與定量超聲骨密度儀的測(cè)試結(jié)果基本一致，從而達(dá)到了骨密度儀測(cè)量的要求。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于超聲傳感器的骨密度儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)，該儀器具有無(wú)放射性、便攜、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地在不同人群中作為骨質(zhì)疏松的篩查工具。

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A research and design of bone density instrument based on ultrasonic sensor

You Zhanghua
(Shenzhen Huahai Liannet Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518100，China)

Ultrasound bone density instrument is a good measure of osteoporosis for the human body.The instrument has the advantages of no radioactivity,low cost and so on.The design of bone density instrument based on ultrasonic sensor is discussed from hardware and software，including ultrasonic emission,ultrasonic reception,signal processing，the establishment of embedded platform, and the construction of the standard T value and Z value database.The feasibility of this design scheme is verified from the actual test results.

ultrasonic sensor；bone density instrument；T Value；Z value

TP368.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.011

游張華.基于超聲傳感器的骨密度儀的研究與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：45-47.

英文引用格式：You Zhanghua.A research and design of bone density instrument based on ultrasonic sensor[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：45-47.

2016-06-30)

游張華(1980-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。