《电子技术应用》

基于超声传感器的骨密度仪的研究与设计

2016年电子技术应用第12期 作者:游张华
2017/1/12 13:34:00

游张华

(深圳市华海联能科技有限公司,广东 深圳518100)


    摘  要: 超声骨密度仪可以很好地对人体的骨质疏松程度进行测量,具有无放射性、廉价等优点。从硬件和软件两个方面讨论了基于超声传感器的骨密度仪的设计,主要包括超声发射、超声接收、信号处理以及嵌入式平台的搭建,骨密度仪判定标准T值Z值数据库的建立。从实际测试结果验证了此设计方案的可行性。

    关键词: 超声传感器;骨密度仪;T值;Z值

    中图分类号: TP368.1

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.011


    中文引用格式: 游张华. 基于超声传感器的骨密度仪的研究与设计[J].电子技术应用,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

    原发性骨质疏松症是老年人,尤其是绝经后老年妇女的一种常见病、多发病。腰椎及股骨近端是早期易发现骨质疏松的理想部位,然而现代医学发现,左手中指第3节指骨骨密度的特征也能很好地反映骨质疏松的程度。利用超声传感器,通过测量指骨反射回来的超声波能量,可以很好地测出指骨密度,进而反映出骨质疏松的程度。

1 骨密度仪总体设计

    骨密度仪总体设计如图1所示,整个系统由超声传感器、超声发射电路、超声接收电路和ARM嵌入式平台组成。超声传感器采用A超纵波双晶探头,探头的中心频率为2 MHz。超声发射电路使超声传感器中的换能晶片在电压的激励下发生振动,进而产生超声波。超声接收电路将超声传感器接收到的超声波转化为电信号,并将电信号进行一系列的处理,最后传输到ARM单片机中。ARM嵌入式平台采用Freescale公司的i.MX27作为主控器,对输入的电信号波形进行采样、计算,并比较骨密度数据库,从而得出患者的骨质疏松程度。

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2 骨密度仪的硬件设计

2.1 超声发射电路

    通过控制电路和高压脉冲驱动电路来驱动中心频率为2 MHz的超声探头。其中Q1为大功率场效应管,i.MX27提供脉冲来控制Q1的开关;D1、D2为二极管,使发射电路只输出负脉冲;R1为负载电阻。使用160 V的高压来驱动超声传感器。超声发射电路图如图2所示。

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2.2 超声接收电路

    反射回来的超声波通过超声传感器转化为电信号后,经过一级放大、二级放大、比较电路输出波形信号到i.MX27。接收电路原理如图3所示。

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    电信号经过一级放大电路后,可得到比较杂乱的波形,如图4所示。

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    经过二级放大电路后,可得到2个带尖峰的特征波形,如图5所示。

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    经过比较电路后,可得到2个负脉冲,这就是最后输入到i.MX27中的波形,如图6所示。

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2.3 嵌入式平台硬件

    嵌入式平台选择7寸群创AT070TN83-V.1(800×480)TFT液晶屏来显示检测结果。该屏与i.MX27的LCDC控制器主要通过18根数据线(LD[17:0])、帧同步(VSYNC)、行同步(HSYSNC)、时钟(LSCLK)进行连接。使用三星的K9F2G08R0A NAND Flash芯片(256 MB×8 bit)来储存系统的Bootloader、Linux内核、文件系统和骨密度数据库。将2片HYB18M512160AF-7.5芯片(4Banks×8 MB×16 bit)构成128 MB的DDR,以运行操作系统。

    系统输入电源为5 V,经过DC-DC转换器完成3.3 V、1.8 V、1.5 V的电压转换。外部晶振使用26 MHz,经过i.MX27片内的PLL倍频可得到400 MHz的时钟。设计10针的JTAG接口用来调试程序。使用MAX3232连接UART接口,输出调试信息。

    通过PWM提供脉冲来控制大功率场效应管的开关。经过比较电路的波形由GPIO口输入到i.MX27。嵌入式平台的硬件组成如图7所示。

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3 骨密度仪的软件设计

3.1 骨密度判定标准

    骨密度主要通过T值来判定,Z值辅助判定。

    T值指测量值与同性别、年龄在30岁左右的健康人群的平均骨密度进行比较后得出的值。T值≥-1,表示健康骨;-2.5<T值<-1,表示骨质减少;T值≤-2.5,表示骨质疏松。

    Z值指测量值与同性别、同年龄段健康人群的平均骨密度进行比较后得出的值。Z值>-2,表示骨密度值在正常同龄人范围内;Z值≤-2,表示骨密度低于正常同龄人。

3.2 影响T值和Z值的因素

    在实际的实验过程中,发射脉冲波形和反射波形存在如图8所示的关系。

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    发射脉冲波形为周期性驱动超声传感器发射的脉冲波形。反射波形即为图6中输入到i.MX27中的波形。T1为发射脉冲波形的下降沿到反射波形第一个下降沿之间的时间间隔,T2为发射脉冲波形的下降沿到反射波形第二个下降沿之间的时间间隔。

    经过验证,T1和T2都对T值、Z值有影响。T1的取值范围为0.5 μs~7 μs,T2的取值范围为6 μs~17 μs。

3.3 获取T1和T2的方法

    使用i.MX27的2个GPIO和一个计时器来获取T1和T2的值。当作为输出的GPIO检测到发射脉冲波形的下降沿时,计时器开始计时。当作为输入的GPIO检测到反射波形第一个下降沿时,记录下计时器值1,该值即为T1。当反射波形第二个下降沿时,记录下计时器值2,则T2=计时器值2-计时器值1。计算的流程如图9所示。

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3.4 建立T值和Z值数据库

    通过临床对大量人群的测量,建立了男性T值、男性Z值、女性T值、女性Z值的数据库。现给出最具参考价值的男性30岁的T值数据库,如图10所示。

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    可见,当T1一定时,T2越大,T值越小,骨质减少。当T2一定时,T1越大,T值越小,骨质减少。T值的变化并不是线性的,而是呈曲线变化。

4 骨密度仪测试

    测试之前需在手指的表皮上涂抹耦合剂,以便超声探头能完全地贴合手指。使用设计的骨密度仪与市场上常见的定量超声骨密度仪对相同的人进行测试。测试结果如表1和表2所示。

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    可见,设计的骨密度仪与定量超声骨密度仪的测试结果基本一致,从而达到了骨密度仪测量的要求。

5 结论

    本文详细介绍了基于超声传感器的骨密度仪的硬件和软件设计,该仪器具有无放射性、便携、廉价等优点,可以很好地在不同人群中作为骨质疏松的筛查工具。

参考文献

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