基于FPGA 的脈搏波速度測量系統設計*

舒文斌，黨艷軍

(中南民族大學 生物醫學工程學院，湖北 武漢430074)

0 引 言

流行病學資料表明:心血管病已經成為危害我國人民生命的主要疾病之一，其重要病因是動脈硬化。動脈僵硬度與心血管的發病率和死亡率相關，是獨立于其他心血管危險因素的又一重要危險因素［1，2］。國外多年臨床實驗表明:脈搏波速度(pulse wave velocity，PWV)是動脈彈性的指示劑，并被視作反映血管損傷的表征，PWV 檢測已成為世界各國學者公認的動脈僵硬度的評價方法［3］。目前，無創的PWV 的測量方法有:張力測量法、超聲檢測法以及示波測量法。其中，示波技術測量PWV 簡單，無創，具有可重復性，操作人員不需要長期培訓，適合在大規模人群的篩檢和研究中使用［4，5］。本文設計了一種以FPGA 為核心處理器的PWV 測量系統，采用示波技術測量PWV，具有良好的人機交互界面，并且能準確地測得PWV。

1 PWV 測量原理

脈搏波由心臟周期收縮與舒張而產生，沿血管傳遍全身。理論上選取2 個不同的測量點，記錄它們波峰的時延差ΔT 和等效血管距離ΔL，就可以計算出脈搏波速度

實際情況下，由于本文采用的是壓電脈搏傳感器，脈搏波形狀在不同測量點變化較大，不同位置的脈搏波峰值對應于心動周期的時間不一樣，測量誤差會很大［6］。因此，采用最大斜率點之間的時延差作為ΔT［7］。測量原理如圖1所示。A，B 兩點為測量點，ΔL 為 AB 的等效血管長度，ΔT 為時延差。

實際中采集的波形是離散化的點，對第n 個點，計算Δf(n)=f(n+2)－f(n－2)，當 Δf(n)＞0 時，取 maxΔf(n)作為最大斜率點。

圖1 脈搏波速度測量原理Fig 1 Measurement principles of PWV

2 測量系統硬件組成

該采集系統按功能分為三大模塊，分別是信號調理模塊，AD 采集模塊和控制顯示模塊。脈搏傳感器將機械壓力轉換為模擬電信號，送入信號調理模塊濾波與放大，然后由A/D 轉換電路轉換為數字信號，送入FPGA 核心處理器計算與顯示。硬件構成框圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件構成框圖Fig 2 Hardware constitution block diagram of system

2.1 信號調理電路

傳感器轉換后的電信號先經前置放大器放大，然后濾除干擾信號，再進行二次放大與基線調整后輸出。整個電路用2 個定位器分別調整放大倍數和基線電平，電路原理圖如圖3 所示。

圖3 信號調理電路Fig 3 Signal conditioning circuit

2.2 AD 采集模塊

以MAX186 作為 AD 芯片。MAX186 是一種 8 通道12 位精度的超低功耗A/D 轉換芯片，133 kHz 的采樣率，并且具有非常穩定的性能，能夠滿足采集脈搏信號的要求［8］。MAX186 與 FPGA 以四線 SPI 的方式通信，FPGA 作為主器件，MAX186 作為從設備。由于用的是SPI 核模塊，故不需要軟件模擬時鐘時序，節約大量CPU 資源。

2.3 觸摸屏控制顯示模塊

該模塊采用Altera 公司的EP2C35F672C6 芯片作主處理器，并配置SDRAM 和SRAM 作存儲器。本文采用SOPC Builder 配置FPGA 的內核可以不選擇硬件描述語言設計，大大簡少設計工作量［9］。

首先，配置字符緩沖核，它能夠記憶字符的ASCII 值，在液晶屏上顯示一些字符來表示通道的狀態和按鈕的觸摸位置。其次，需要繪出采集到信號的波形，故使用像素緩沖DMA 控制器、SRAM/SSRAM 控制器、RGB 重采樣器、VGA控制器和分辨率規模器(Scaler)。像素緩沖DMA 控制器為VGA 控制器提供視頻數據，且不具有記憶性。SRAM/SSRAM 作為像素的存儲器使用。像素緩沖DMA 控制器讀取SRAM/SSRAM 的圖像數據，然后送往VGA 控制器。圖像存儲器配置是320 列240 行16 位色，而VGA 控制器的輸入必須是640 行480 列30 位色，因此，需要RGB 重采樣器和分辨率規模器做轉換。用雙時鐘FIFO 為VGA 控制器提供25 MHz 的時鐘。最后，還要配置一個Alpha 混合器。至此，主要的內核配置完成，配置后如圖4 所示。

圖4 部分內核配置Fig 4 Partial configuration of kernel

3 測量系統軟件設計

系統的軟件設計在NIOS II 集成開發環境(IDE)里完成。NIOS II 集成開發環境(IDE)是NIOS II 系列嵌入式處理器的基本軟件開發工具。所有軟件開發任務都可以在NIOS II IDE 下完成，包括編輯、編譯和調試程序。首先初始化觸摸屏，包括觸摸屏內置AD 的參數配置和初始化界面的顯示。此時的初始化界面是數字鍵盤，等待輸入等效血管的長度值。若成功輸入該值后，會進入波形顯示界面，并初始化定時器，定時器時間用來精確控制采樣頻率，設置的采樣頻率為200 Hz。然后進入循環，不斷進行模式檢測和波形描繪并計算出PWV。當中斷到來時，初始化AD 的通道并采樣，使用SPI 時序對AD 進行操作。整個軟件流程圖如圖5 所示。考慮到單個通道的波形需要調整，設置運行模式有通道一模式、通道二模式和雙通道模式。

對觸摸屏的驅動要結合軟核的配置情況。配置的觸摸屏分辨率為 400 ×240，X－Y 坐標模式(橫向為 X 坐標，縱向為Y 坐標，左上角為原點)，則屏幕上任意坐標為(x，y)的像素點得地址為:像素緩沖器基址+(y ＜＜m)+x。其中，m=ceil(log2400)=9，n =ceil(log2240)=8。X－Y 模式下的地址格式如圖6 所示。

圖5 軟件流程圖Fig 5 Software flow chart

圖6 X-Y 模式下地址格式Fig 6 Address format of X-Y mode

4 實驗結果與分析

實驗時測試者靜坐，取手腕橈動脈和頸部大動脈為2 個測量點，輸入測量點的等效血管長度，先進入單通道模式，調節信號調理模塊的定位器，待出現較好波形后調整另一通道波形。然后進入到雙通道模式，觸摸屏會顯示兩通道的脈搏波形并計算出PWV 值。每隔2 s 計算一次PWV的值，并顯示到觸摸屏。對實驗室的A，B 2 名成員測試的結果如表1 所示。

表1 實驗結果Tab 1 Experimental result

從表1 可以看出:測試者A 測得的PWV 值比較穩定，通過計算，平均PWV 為10.344 m/s，標準差為0.283。測試者B 的PWV 平均值為10.429 m/s，標準差為0.445。測試者B 的第4 次測量出現較大偏差，可能是由于傳感器移動位置造成的。整體的測量情況比較穩定，標準差均小于0.5，表明該系統能夠準確測量出PWV。

5 結 論

本文設計了一種PWV 測量系統，用FPGA 作為核心處理器，可以完全脫離PC 機獨立工作。采用SOPC Builder 配置FPGA 的內核，同步采集2 路脈搏信號，計算PWV 并顯示波形。由于醫學上對于脈搏波速度并沒有統一的定義，不同檢測方法對PWV 的定義和算法各不相同，使得目前市面上各種儀器測得的PWV 可比性不大，因此，穩定性成為評價測量方法好壞的重要指標［10］。從本系統實驗結果來看，該測量系統具有較高的穩定性，測得實驗室一成員的PWV 平均值為10.344 m/s，而且標準差小于0.5。此外，系統以彩色觸摸屏作為人機交互接口，十分方便。

［1］ 王宏宇，張維忠，龔蘭生，等.脈搏波傳導速度測定的新認識［J］.國外醫學·心血管分冊，2000，27(2):69 －70.

［2］ 劉寶華.脈搏波傳導速度測量算法的研究及其進展［J］.生物醫學工程學雜志，2010，27(1):231 －235.

［3］ Yoshinori F，Paulo C，Ryutaro T，et al.Relationships between brachial ankle pulse wave velocity and conventional atherosclerotic risk factors in community dwelling people［J］.Preventive Medicine，2004，39(6):1135.

［4］ Naidu M U，Reddy B M，Yashmaina S，et al.Validity and reproducibility of arterial pulse wave velocity measurement using new device with oscillometric technique:A pilot study［J］.Biomed Eng Online，2005，4(2):49.

［5］ 黎秀龍.基于外周動脈波形分析的Multi－PWV 獲取方法［D］.合肥:中國科學技術大學，2011.

［6］ 梁妃學，姚 翔，于 巍，等.雙通道脈搏波速度測量系統的研制［J］.中國醫學物理學雜志，2006，23(3):209 －212.

［7］ 劉寶華，朱紅蓮，任曉華.小波用于脈搏波速度測量及去噪［J］.生物醫學工程學雜志，2011，28(1):54 －57.

［8］ 王峻峰，羅 聞，史鐵林.MAX186 與 DSP 的 SPI 接口及設計［J］.微計算機信息，2005，21(11):104 －106.

［9］ 陳欽樹，文愛軍.應用 SoPC Builder 開發電子系統［J］.電子設計應用，2004(9):86 －88.

［10］ 王東明，張 松，楊益民，等.脈搏波的無創檢測方式［J］.北京生物醫學工程，2010，29(4):436 －439.