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(jiàn)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。

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(kāi)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。

    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。

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(kāi)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。

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。

    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(kāi)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T(mén)1。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。

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。

    可見(jiàn)，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(jiàn)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。

    可見(jiàn)，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。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊宗炎．骨質(zhì)疏松與骨密度儀進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2012，11(2)：38-41.

[2] 李旭鴻，侯曼，仰紅慧.骨密度的測(cè)定方法及影響因素[J].天津體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(3)：62-65.

[3] 姚克純.超聲換能器的臨床應(yīng)用及發(fā)展[A].2005年全國(guó)超聲醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].北京：中國(guó)超聲醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)，2005.

[4] 肖哲，陳曉冬，李婉暉，等.醫(yī)用內(nèi)窺鏡超聲探頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005(3)：642-645.