基于FPGA的超声波骨密度仪研究

臧海桦

（南京信息工程大学，江苏 南京 210044）

研究背景。目前中国已步入老年化社会，60岁以上的老年人口达1.32亿，各种中老年人群所面临的问题越发被人们所重视。骨质疏松症就是其中之一。据统计中国老年人患骨质疏松症的比率为37.7%，并随着年龄的增长不断上涨。骨质疏松作为一种严重威胁老年人健康的常见病，具有发病率高、致残率高、死亡率高、医药费高和生活质量低的特点。在临床上判断患者骨质疏松的方法价格高，过程繁琐等。需要一种高效方便的判断骨质疏松的方法。

研究现状。目前有检测骨密度的最常用方法为定量超声法（QUS）——基于超声波在骨介质中的不同传输速度来判断骨密度。根据QUS测量法诞生了许多基于单片机（如单片机8031）的骨密度仪。这类骨密度仪具有价格低、体积小、适应性强的优点。同时因单片机的运行速度有限，导致了这类骨密度仪大都效率不高。

文章针对上述提到的基于单片机的超声骨密度仪对数据采集速度不足的问题，采用现场可编程门阵列（FPGA）作为系统采集数据的核心，利用FPGA的高速特性来解决数据传输的问题。设计了基于FPGA的超声波骨密度仪。

1 定量超声法测量原理

超声波通过介质（骨组织）时，骨介质可以改变超声波的速度，也可以使超声波能量减弱，发生衰减。定量超声法就能够根据超声波的衰减测量计算幅衰减系数（BUA），并使用BUA判断骨密度。由于测量骨特性的最佳超声频率范围为0.2~1.7 MHz，文章的骨密度仪选择1 MHz。该频率范围下衰减函数f)(A遵循如公式（1）所示。

式中Vs(f)是C超声BU波A穿f过骨后接收到的信号，Vr(f)是超声波穿V过f水或空气时的信号，C是常数。由上式得到f)(A是关于频率f的线性函数，该函数的线性曲线的斜率就是BUA。在频率相同的情况下，衰减量（Δf)(A）即BUA随着骨密度程现正向比例变化，因此骨质疏松患者的骨密度小，所测得的BUA值也就小于健康者。

2 系统设计

2.1 系统整体框图

系统以FPGA为控制核心，包括超声波发射、超声波接收、高速AD转换、静态随机存取存储器（SRAM）存储、通用串行总线（USB）传输。整体系统框图如下图1所示。

图1 系统框图

超声波发出电路将FPGA发出的激励信号放大后，驱动探头1产生超声波，当超声波穿过被测骨时绝大部分超声波被反射和吸收，穿过被测骨的超声波被探头2收集进入超声波接收电路，进行过压保护、放大，滤波处理后传给高速AD芯片进行模数转换，并利用SRAM进行数据的缓存。最后再由FPGA通过USB传给上位机，上位机运用式（1）计算得出测量骨的BUA，与健康骨比较，从而判断骨质疏松。

2.2 硬件设计

（1）超声波发射电路。在超声波测量原理中提到：超声波在传输的过程中会因为反射、吸收等产生损耗。因此超声波探头需要产生足够大的超声波强度。由此超声波发射电路分为直流电源电路，脉冲产生电路等。①直流电源电路。发射电路中的电源部分采用外部供电，对外部电压源进行滤波处理。利用电感，电容并联就可以有效消除直流电源中高频的部分，实现较为理想的稳定直流电压。②脉冲产生电路。脉冲产生电路运用变压器对脉冲信号进行处理。但是变压器输入为交流信号，因而需要对直流部分做一定的变换。本系统中为实现电流的放大，利用两个不同开关脉冲控制变压器的初级电流交换。具体电路如下图2所示。

图2 脉冲产生电路

要是实现交流电的产生，两脉冲开关应当正好相反。当脉冲开关la为高，lb为低时场效应管T1导通，T2截止，产生由a流向b的电流。同理当la为低，lb为高时产生由a到c的电流。由于两次电流正好相反所以在这段时间内就产生了交变电流。

（2）超声波接收电路。虽然发射电路产生的电压足够高，但经由探头2接收到的电流却十分小，需要对其进行滤波放大处理。基于此接收部分的电路分为过电压保护电路、放大电路、滤波电路等。①放大电路。超声回波和穿透波被超声探头接收后，信号比较微弱，易产生错误而不能直接用于数模转换，因此在A/D转换之前要对信号进行放大。本系统选用增益放大器为AD604。②滤波电路。滤波电路采用是4阶贝赛尔低通滤波器，可通过改变其电路中预留的可变电阻将带宽调节到需要的频率。图3是其在1 MHz下的幅值相应。

图3 滤波器的幅值相应

2.3 软件设计

本系统采用FPGA主要完成产生超声波发射器的激励信号，控制AD转换，运用静态随机存取存储器（SRAM）存储转换，并将数据通过USB上传上位机的功能。整个软件部分框如下图4所示。

图4 软件框图

2.4 信号发射部分的软件设计

软件的发射部分主要分为长脉冲开关激励和频率为1 MHz的超声波信号激励的产生。其时序如下图5所示。

图5 发射软件时序图

根据图5，当按下按键后，将产生相位先查180度两个1MHz的脉冲信号pulse1a和pulse1b ，与硬件的脉冲产生电路相结合。

2.5 信号接收部分的软件设计

信号接收部分由FPGA模拟SPI通信来与AD芯片进行数据交互。SPI是一种用于设备与设备之间串行接口技术采用主从工作方式，设备之间运用MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）进行数据交互。

2.6 USB传输

USB采用FT232H通信，其需要严格按照时序图来进配置。FT232H工作在同步FIFO模式下的读写时序图如图6所示：

图6 FT232H工作在同步FIFO模式下的读写时序图

RXT#的高低与否决定着芯片是否执行读数据操作。当RXT#有效时将OE#设为有效，保持一个周期后，再将RD#设为有效，此时数据总线将有效数据传输并保持到下一个时钟上升沿到来。TXE#的高低与否决定着芯片是否执行写数据操作。将OE#，RD#和WR#设为有效，当时钟上升沿到来时，数据由数据总结传输到芯片。

3 实验结果

本系统使用FPGA控制16位的AD以100 MHz进行高速采集，并通过USB2.0高速芯片FT232H进行数据传输，USB2.0传输速度最快达到每秒40兆字节，使得每次采集数据的时间小于20 ms，使得系统的效率大大提高。

对超声波透过疏松骨和正常骨后的波形进行采集如下图7所示左为正常骨，右为疏松骨。

图7 正常骨与疏松骨波形

由上图可知正常骨的BUA高于疏松度，这与超声波测量理论中的结论相对应。

4 总结

本系统相较于其他单片机控制的骨密度仪，FPGA以其独特的并行运行方式，而不再是传统单片机的串行运行，大大加速了运行速度。当然，相对成熟的产品，本系统还是实验室成果，集成度、实用性方面还有待改善。