基于FPGA的超聲波骨密度儀研究

臧海樺

（南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044）

研究背景。目前中國已步入老年化社會，60歲以上的老年人口達(dá)1.32億，各種中老年人群所面臨的問題越發(fā)被人們所重視。骨質(zhì)疏松癥就是其中之一。據(jù)統(tǒng)計中國老年人患骨質(zhì)疏松癥的比率為37.7%，并隨著年齡的增長不斷上漲。骨質(zhì)疏松作為一種嚴(yán)重威脅老年人健康的常見病，具有發(fā)病率高、致殘率高、死亡率高、醫(yī)藥費(fèi)高和生活質(zhì)量低的特點(diǎn)。在臨床上判斷患者骨質(zhì)疏松的方法價格高，過程繁瑣等。需要一種高效方便的判斷骨質(zhì)疏松的方法。

研究現(xiàn)狀。目前有檢測骨密度的最常用方法為定量超聲法（QUS）——基于超聲波在骨介質(zhì)中的不同傳輸速度來判斷骨密度。根據(jù)QUS測量法誕生了許多基于單片機(jī)（如單片機(jī)8031）的骨密度儀。這類骨密度儀具有價格低、體積小、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。同時因單片機(jī)的運(yùn)行速度有限，導(dǎo)致了這類骨密度儀大都效率不高。

文章針對上述提到的基于單片機(jī)的超聲骨密度儀對數(shù)據(jù)采集速度不足的問題，采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的核心，利用FPGA的高速特性來解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。設(shè)計了基于FPGA的超聲波骨密度儀。

1 定量超聲法測量原理

超聲波通過介質(zhì)（骨組織）時，骨介質(zhì)可以改變超聲波的速度，也可以使超聲波能量減弱，發(fā)生衰減。定量超聲法就能夠根據(jù)超聲波的衰減測量計算幅衰減系數(shù)（BUA），并使用BUA判斷骨密度。由于測量骨特性的最佳超聲頻率范圍為0.2~1.7 MHz，文章的骨密度儀選擇1 MHz。該頻率范圍下衰減函數(shù)f)(A遵循如公式（1）所示。

式中Vs(f)是C超聲BU波A穿f過骨后接收到的信號，Vr(f)是超聲波穿V過f水或空氣時的信號，C是常數(shù)。由上式得到f)(A是關(guān)于頻率f的線性函數(shù)，該函數(shù)的線性曲線的斜率就是BUA。在頻率相同的情況下，衰減量（Δf)(A）即BUA隨著骨密度程現(xiàn)正向比例變化，因此骨質(zhì)疏松患者的骨密度小，所測得的BUA值也就小于健康者。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)以FPGA為控制核心，包括超聲波發(fā)射、超聲波接收、高速AD轉(zhuǎn)換、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）存儲、通用串行總線（USB）傳輸。整體系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

超聲波發(fā)出電路將FPGA發(fā)出的激勵信號放大后，驅(qū)動探頭1產(chǎn)生超聲波，當(dāng)超聲波穿過被測骨時絕大部分超聲波被反射和吸收，穿過被測骨的超聲波被探頭2收集進(jìn)入超聲波接收電路，進(jìn)行過壓保護(hù)、放大，濾波處理后傳給高速AD芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存。最后再由FPGA通過USB傳給上位機(jī)，上位機(jī)運(yùn)用式（1）計算得出測量骨的BUA，與健康骨比較，從而判斷骨質(zhì)疏松。

2.2 硬件設(shè)計

（1）超聲波發(fā)射電路。在超聲波測量原理中提到：超聲波在傳輸?shù)倪^程中會因?yàn)榉瓷?、吸收等產(chǎn)生損耗。因此超聲波探頭需要產(chǎn)生足夠大的超聲波強(qiáng)度。由此超聲波發(fā)射電路分為直流電源電路，脈沖產(chǎn)生電路等。①直流電源電路。發(fā)射電路中的電源部分采用外部供電，對外部電壓源進(jìn)行濾波處理。利用電感，電容并聯(lián)就可以有效消除直流電源中高頻的部分，實(shí)現(xiàn)較為理想的穩(wěn)定直流電壓。②脈沖產(chǎn)生電路。脈沖產(chǎn)生電路運(yùn)用變壓器對脈沖信號進(jìn)行處理。但是變壓器輸入為交流信號，因而需要對直流部分做一定的變換。本系統(tǒng)中為實(shí)現(xiàn)電流的放大，利用兩個不同開關(guān)脈沖控制變壓器的初級電流交換。具體電路如下圖2所示。

圖2 脈沖產(chǎn)生電路

要是實(shí)現(xiàn)交流電的產(chǎn)生，兩脈沖開關(guān)應(yīng)當(dāng)正好相反。當(dāng)脈沖開關(guān)la為高，lb為低時場效應(yīng)管T1導(dǎo)通，T2截止，產(chǎn)生由a流向b的電流。同理當(dāng)la為低，lb為高時產(chǎn)生由a到c的電流。由于兩次電流正好相反所以在這段時間內(nèi)就產(chǎn)生了交變電流。

（2）超聲波接收電路。雖然發(fā)射電路產(chǎn)生的電壓足夠高，但經(jīng)由探頭2接收到的電流卻十分小，需要對其進(jìn)行濾波放大處理?；诖私邮詹糠值碾娐贩譃檫^電壓保護(hù)電路、放大電路、濾波電路等。①放大電路。超聲回波和穿透波被超聲探頭接收后，信號比較微弱，易產(chǎn)生錯誤而不能直接用于數(shù)模轉(zhuǎn)換，因此在A/D轉(zhuǎn)換之前要對信號進(jìn)行放大。本系統(tǒng)選用增益放大器為AD604。②濾波電路。濾波電路采用是4階貝賽爾低通濾波器，可通過改變其電路中預(yù)留的可變電阻將帶寬調(diào)節(jié)到需要的頻率。圖3是其在1 MHz下的幅值相應(yīng)。

圖3 濾波器的幅值相應(yīng)

2.3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用FPGA主要完成產(chǎn)生超聲波發(fā)射器的激勵信號，控制AD轉(zhuǎn)換，運(yùn)用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）存儲轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)通過USB上傳上位機(jī)的功能。整個軟件部分框如下圖4所示。

圖4 軟件框圖

2.4 信號發(fā)射部分的軟件設(shè)計

軟件的發(fā)射部分主要分為長脈沖開關(guān)激勵和頻率為1 MHz的超聲波信號激勵的產(chǎn)生。其時序如下圖5所示。

圖5 發(fā)射軟件時序圖

根據(jù)圖5，當(dāng)按下按鍵后，將產(chǎn)生相位先查180度兩個1MHz的脈沖信號pulse1a和pulse1b ，與硬件的脈沖產(chǎn)生電路相結(jié)合。

2.5 信號接收部分的軟件設(shè)計

信號接收部分由FPGA模擬SPI通信來與AD芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。SPI是一種用于設(shè)備與設(shè)備之間串行接口技術(shù)采用主從工作方式，設(shè)備之間運(yùn)用MISO（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入）、MOSI（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時鐘）、CS（片選）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.6 USB傳輸

USB采用FT232H通信，其需要嚴(yán)格按照時序圖來進(jìn)配置。FT232H工作在同步FIFO模式下的讀寫時序圖如圖6所示：

圖6 FT232H工作在同步FIFO模式下的讀寫時序圖

RXT#的高低與否決定著芯片是否執(zhí)行讀數(shù)據(jù)操作。當(dāng)RXT#有效時將OE#設(shè)為有效，保持一個周期后，再將RD#設(shè)為有效，此時數(shù)據(jù)總線將有效數(shù)據(jù)傳輸并保持到下一個時鐘上升沿到來。TXE#的高低與否決定著芯片是否執(zhí)行寫數(shù)據(jù)操作。將OE#，RD#和WR#設(shè)為有效，當(dāng)時鐘上升沿到來時，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總結(jié)傳輸?shù)叫酒?/p>

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)使用FPGA控制16位的AD以100 MHz進(jìn)行高速采集，并通過USB2.0高速芯片F(xiàn)T232H進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，USB2.0傳輸速度最快達(dá)到每秒40兆字節(jié)，使得每次采集數(shù)據(jù)的時間小于20 ms，使得系統(tǒng)的效率大大提高。

對超聲波透過疏松骨和正常骨后的波形進(jìn)行采集如下圖7所示左為正常骨，右為疏松骨。

圖7 正常骨與疏松骨波形

由上圖可知正常骨的BUA高于疏松度，這與超聲波測量理論中的結(jié)論相對應(yīng)。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)相較于其他單片機(jī)控制的骨密度儀，F(xiàn)PGA以其獨(dú)特的并行運(yùn)行方式，而不再是傳統(tǒng)單片機(jī)的串行運(yùn)行，大大加速了運(yùn)行速度。當(dāng)然，相對成熟的產(chǎn)品，本系統(tǒng)還是實(shí)驗(yàn)室成果，集成度、實(shí)用性方面還有待改善。