文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.011
中文引用格式： 游張華. 基于超聲傳感器的骨密度儀的研究與設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：45-47.
英文引用格式： You Zhanghua. A research and design of bone density instrument based on ultrasonic sensor[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：45-47.
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，通過測量指骨反射回來的超聲波能量，可以很好地測出指骨密度，進(jìn)而反映出骨質(zhì)疏松的程度。
1 骨密度儀總體設(shè)計
骨密度儀總體設(shè)計如圖1所示，整個系統(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下發(fā)生振動，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，并將電信號進(jìn)行一系列的處理，最后傳輸?shù)紸RM單片機(jī)中。ARM嵌入式平臺采用Freescale公司的i.MX27作為主控器，對輸入的電信號波形進(jìn)行采樣、計算，并比較骨密度數(shù)據(jù)庫，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
2.1 超聲發(fā)射電路
通過控制電路和高壓脈沖驅(qū)動電路來驅(qū)動中心頻率為2 MHz的超聲探頭。其中Q1為大功率場效應(yīng)管，i.MX27提供脈沖來控制Q1的開關(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的高壓來驅(qū)動超聲傳感器。超聲發(fā)射電路圖如圖2所示。
2.2 超聲接收電路
反射回來的超聲波通過超聲傳感器轉(zhuǎn)化為電信號后，經(jīng)過一級放大、二級放大、比較電路輸出波形信號到i.MX27。接收電路原理如圖3所示。
電信號經(jīng)過一級放大電路后，可得到比較雜亂的波形，如圖4所示。
經(jīng)過二級放大電路后，可得到2個帶尖峰的特征波形，如圖5所示。
經(jīng)過比較電路后，可得到2個負(fù)脈沖，這就是最后輸入到i.MX27中的波形，如圖6所示。
2.3 嵌入式平臺硬件
嵌入式平臺選擇7寸群創(chuàng)AT070TN83-V.1(800×480)TFT液晶屏來顯示檢測結(jié)果。該屏與i.MX27的LCDC控制器主要通過18根數(shù)據(jù)線(LD[17:0])、幀同步(VSYNC)、行同步(HSYSNC)、時鐘(LSCLK)進(jìn)行連接。使用三星的K9F2G08R0A NAND Flash芯片(256 MB×8 bit)來儲存系統(tǒng)的Bootloader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)和骨密度數(shù)據(jù)庫。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i.MX27片內(nèi)的PLL倍頻可得到400 MHz的時鐘。設(shè)計10針的JTAG接口用來調(diào)試程序。使用MAX3232連接UART接口，輸出調(diào)試信息。
通過PWM提供脈沖來控制大功率場效應(yīng)管的開關(guān)。經(jīng)過比較電路的波形由GPIO口輸入到i.MX27。嵌入式平臺的硬件組成如圖7所示。
3 骨密度儀的軟件設(shè)計
3.1 骨密度判定標(biāo)準(zhǔn)
T值指測量值與同性別、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下降沿之間的時間間隔，T2為發(fā)射脈沖波形的下降沿到反射波形第二個下降沿之間的時間間隔。
經(jīng)過驗(yàn)證，T1和T2都對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GPIO和一個計時器來獲取T1和T2的值。當(dāng)作為輸出的GPIO檢測到發(fā)射脈沖波形的下降沿時，計時器開始計時。當(dāng)作為輸入的GPIO檢測到反射波形第一個下降沿時，記錄下計時器值1，該值即為T1。當(dāng)反射波形第二個下降沿時，記錄下計時器值2，則T2=計時器值2-計時器值1。計算的流程如圖9所示。
3.4 建立T值和Z值數(shù)據(jù)庫
通過臨床對大量人群的測量，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?，F(xiàn)給出最具參考價值的男性30歲的T值數(shù)據(jù)庫，如圖10所示。
可見，當(dāng)T1一定時，T2越大，T值越小，骨質(zhì)減少。當(dāng)T2一定時，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 骨密度儀測試
測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)計的骨密度儀與市場上常見的定量超聲骨密度儀對相同的人進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表1和表2所示。
可見，設(shè)計的骨密度儀與定量超聲骨密度儀的測試結(jié)果基本一致，從而達(dá)到了骨密度儀測量的要求。
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，該儀器具有無放射性、便攜、廉價等優(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。
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