文獻標識碼： 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計[J].電子技術應用，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
原發性骨質疏松癥是老年人，尤其是絕經后老年婦女的一種常見病、多發病。腰椎及股骨近端是早期易發現骨質疏松的理想部位，然而現代醫學發現，左手中指第3節指骨骨密度的特征也能很好地反映骨質疏松的程度。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，進而反映出骨質疏松的程度。
1 骨密度儀總體設計
骨密度儀總體設計如圖1所示，整個系統由超聲傳感器、超聲發射電路、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。超聲發射電路使超聲傳感器中的換能晶片在電壓的激勵下發生振動，進而產生超聲波。超聲接收電路將超聲傳感器接收到的超聲波轉化為電信號，并將電信號進行一系列的處理，最后傳輸到ARM單片機中。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行采樣、計算，并比較骨密度數據庫，從而得出患者的骨質疏松程度。
2 骨密度儀的硬件設計
2.1 超聲發射電路
通過控制電路和高壓脈沖驅動電路來驅動中心頻率為2 MHz的超聲探頭。其中Q1為大功率場效應管，i.MX27提供脈沖來控制Q1的開關；D1、D2為二極管，使發射電路只輸出負脈沖；R1為負載電阻。使用160 V的高壓來驅動超聲傳感器。超聲發射電路圖如圖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化為電信號后，經過一級放大、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。
電信號經過一級放大電路后，可得到比較雜亂的波形，如圖4所示。
經過二級放大電路后，可得到2個帶尖峰的特征波形，如圖5所示。
經過比較電路后，可得到2個負脈沖，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AT070TN83-V.1(800×480)TFT液晶屏來顯示檢測結果。該屏與i.MX27的LCDC控制器主要通過18根數據線(LD[17:0])、幀同步(VSYNC)、行同步(HSYSNC)、時鐘(LSCLK)進行連接。使用三星的K9F2G08R0A NAND Flash芯片(256 MB×8 bit)來儲存系統的Bootloader、Linux內核、文件系統和骨密度數據庫。將2片HYB18M512160AF-7.5芯片(4Banks×8 MB×16 bit)構成128 MB的DDR，以運行操作系統。
系統輸入電源為5 V，經過DC-DC轉換器完成3.3 V、1.8 V、1.5 V的電壓轉換。外部晶振使用26 MHz，經過i.MX27片內的PLL倍頻可得到400 MHz的時鐘。設計10針的JTAG接口用來調試程序。使用MAX3232連接UART接口，輸出調試信息。
通過PWM提供脈沖來控制大功率場效應管的開關。經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 骨密度儀的軟件設計
3.1 骨密度判定標準
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，表示骨質減少；T值≤-2.5，表示骨質疏松。
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；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
在實際的實驗過程中，發射脈沖波形和反射波形存在如圖8所示的關系。
發射脈沖波形為周期性驅動超聲傳感器發射的脈沖波形。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。
經過驗證，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。當作為輸出的GPIO檢測到發射脈沖波形的下降沿時，計時器開始計時。當作為輸入的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值數據庫
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值的數據庫?，F給出最具參考價值的男性30歲的T值數據庫，如圖10所示。
可見，當T1一定時，T2越大，T值越小，骨質減少。當T2一定時，T1越大，T值越小，骨質減少。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行測試。測試結果如表1和表2所示。
可見，設計的骨密度儀與定量超聲骨密度儀的測試結果基本一致，從而達到了骨密度儀測量的要求。
5 結論
本文詳細介紹了基于超聲傳感器的骨密度儀的硬件和軟件設計，該儀器具有無放射性、便攜、廉價等優點，可以很好地在不同人群中作為骨質疏松的篩查工具。
參考文獻
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