基于FPGA的超聲波骨密度儀研究

臧海樺

（南京信息工程大學，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1.32億，各種中老年人群所面臨的問題越發被人們所重視。骨質疏松癥就是其中之一。據統計中國老年人患骨質疏松癥的比率為37.7%，并隨著年齡的增長不斷上漲。骨質疏松作為一種嚴重威脅老年人健康的常見病，具有發病率高、致殘率高、死亡率高、醫藥費高和生活質量低的特點。在臨床上判斷患者骨質疏松的方法價格高，過程繁瑣等。需要一種高效方便的判斷骨質疏松的方法。

研究現狀。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中的不同傳輸速度來判斷骨密度。根據QUS測量法誕生了許多基于單片機（如單片機8031）的骨密度儀。這類骨密度儀具有價格低、體積小、適應性強的優點。同時因單片機的運行速度有限，導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的超聲骨密度儀對數據采集速度不足的問題，采用現場可編程門陣列（FPGA）作為系統采集數據的核心，利用FPGA的高速特性來解決數據傳輸的問題。設計了基于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（骨組織）時，骨介質可以改變超聲波的速度，也可以使超聲波能量減弱，發生衰減。定量超聲法就能夠根據超聲波的衰減測量計算幅衰減系數（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。由上式得到f)(A是關于頻率f的線性函數，該函數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隨著骨密度程現正向比例變化，因此骨質疏松患者的骨密度小，所測得的BUA值也就小于健康者。

2 系統設計

2.1 系統整體框圖

系統以FPGA為控制核心，包括超聲波發射、超聲波接收、高速AD轉換、靜態隨機存取存儲器（SRAM）存儲、通用串行總線（USB）傳輸。整體系統框圖如下圖1所示。

圖1 系統框圖

超聲波發出電路將FPGA發出的激勵信號放大后，驅動探頭1產生超聲波，當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收集進入超聲波接收電路，進行過壓保護、放大，濾波處理后傳給高速AD芯片進行模數轉換，并利用SRAM進行數據的緩存。最后再由FPGA通過USB傳給上位機，上位機運用式（1）計算得出測量骨的BUA，與健康骨比較，從而判斷骨質疏松。

2.2 硬件設計

（1）超聲波發射電路。在超聲波測量原理中提到：超聲波在傳輸的過程中會因為反射、吸收等產生損耗。因此超聲波探頭需要產生足夠大的超聲波強度。由此超聲波發射電路分為直流電源電路，脈沖產生電路等。①直流電源電路。發射電路中的電源部分采用外部供電，對外部電壓源進行濾波處理。利用電感，電容并聯就可以有效消除直流電源中高頻的部分，實現較為理想的穩定直流電壓。②脈沖產生電路。脈沖產生電路運用變壓器對脈沖信號進行處理。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。本系統中為實現電流的放大，利用兩個不同開關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 脈沖產生電路

要是實現交流電的產生，兩脈沖開關應當正好相反。當脈沖開關la為高，lb為低時場效應管T1導通，T2截止，產生由a流向b的電流。同理當la為低，lb為高時產生由a到c的電流。由于兩次電流正好相反所以在這段時間內就產生了交變電流。

（2）超聲波接收電路。雖然發射電路產生的電壓足夠高，但經由探頭2接收到的電流卻十分小，需要對其進行濾波放大處理。基于此接收部分的電路分為過電壓保護電路、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，易產生錯誤而不能直接用于數模轉換，因此在A/D轉換之前要對信號進行放大。本系統選用增益放大器為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留的可變電阻將帶寬調節到需要的頻率。圖3是其在1 MHz下的幅值相應。

圖3 濾波器的幅值相應

2.3 軟件設計

本系統采用FPGA主要完成產生超聲波發射器的激勵信號，控制AD轉換，運用靜態隨機存取存儲器（SRAM）存儲轉換，并將數據通過USB上傳上位機的功能。整個軟件部分框如下圖4所示。

圖4 軟件框圖

2.4 信號發射部分的軟件設計

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

圖5 發射軟件時序圖

根據圖5，當按下按鍵后，將產生相位先查180度兩個1MHz的脈沖信號pulse1a和pulse1b ，與硬件的脈沖產生電路相結合。

2.5 信號接收部分的軟件設計

信號接收部分由FPGA模擬SPI通信來與AD芯片進行數據交互。SPI是一種用于設備與設備之間串行接口技術采用主從工作方式，設備之間運用MISO（主設備數據輸入）、MOSI（主設備數據輸出）、SCLK（時鐘）、CS（片選）進行數據交互。

2.6 USB傳輸

USB采用FT232H通信，其需要嚴格按照時序圖來進配置。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行讀數據操作。當RXT#有效時將OE#設為有效，保持一個周期后，再將RD#設為有效，此時數據總線將有效數據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行寫數據操作。將OE#，RD#和WR#設為有效，當時鐘上升沿到來時，數據由數據總結傳輸到芯片。

3 實驗結果

本系統使用FPGA控制16位的AD以100 MHz進行高速采集，并通過USB2.0高速芯片FT232H進行數據傳輸，USB2.0傳輸速度最快達到每秒40兆字節，使得每次采集數據的時間小于20 ms，使得系統的效率大大提高。

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論相對應。

4 總結

本系統相較于其他單片機控制的骨密度儀，FPGA以其獨特的并行運行方式，而不再是傳統單片機的串行運行，大大加速了運行速度。當然，相對成熟的產品，本系統還是實驗室成果，集成度、實用性方面還有待改善。