基于FPGA的超声骨密度测量系统的设计

摘要

近年来，生活水平的提高，人的寿命的延长，导致人口老龄化日趋明显，从而使骨质疏松症(Osteoporosis，OP)患者日益增多并引起了全社会的关注，骨质疏松症的诊断和治疗也相应地成为了国际学术界和医学界研究的热点。骨密度(BoneMineral Density，BMD)的测量是诊断骨质疏松症的主要依据。目前骨密度的测量方法主要有单光子吸收法(SPA)、双光子吸收法(DPA)、单能X射线吸收法(SXA)、双能X射线吸收法(DXA)、定量CT法(QCT)等，由于这些方法采用的X射线对人体有辐射，因此本文采用无辐射的超声波来实现骨密度的测量，并取得了以下主要创新成果： 一、选择松质骨含量较多的跟骨作为测量部位，克服了以往超声波测量骨头的难题。由于超声波的衰减特性，对普通骨头的测量时，其衰减不很明显。本次设计对超声波高度衰减的松质骨进行测量，使得通过跟骨前后的信号变化比较大，易于测量，从而达到诊断的目的。 二、设计了测量系统的电路，包括超声发射电路、接收电路、数据采集电路、FPGA控制电路、USB控制电路等部分。在发射电路中采用独特的双脉冲控制设计，和以往对放大后信号进行控制的方法相比，更加快速方便地对超声波进行控制；另外，还将接收电路与发射电路设计在一起，通过隔离限幅，能够分时发射和接收超声波，避免了传统设计中探头的不断切换，使得产生的超声波幅度更加稳定。 三、编制了定量超声骨密度测量系统的系统软件，对传统超声测量的单一脉冲、单一频率的发射模式进行了改进，能够方便地改变超声波的发射频率、发射波数和发射脉冲重复时间等，为进一步提高系统的测量精度提供了条件。 在定量超声理论基础上，结合硬件和软件的设计，成功试制出样机，经初步测试基本达到了预期要求。

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论文说明：图表目录

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第1章 绪 论

1.1研究背景

1.1.1骨质疏松的诊断方法

1.1.2研究现状

1.2 QUS测量优越性

1.3论文主要内容

第2章定量超声骨密度测量原理

2.1定量超声相关参数

2.1.1超声声速(SOS)

2.1.2宽带超声衰减(BUA)

2.1.3硬度指数(SI)

2.1.4T_score和Z_score

2.2设计中其它相关理论

2.2.1超声波的反射和折射

2.2.2超声探头原理

2.3测量原理及实现方法

2.3.1测量部位的选择

2.3.2 SOS的测量

2.3.3 BUA的测量

2.4小结

第3章系统的硬件设计

3.1系统整体框架

3.2超声波的发射部分

3.2.1直流电源部分

3.2.2开关触发脉冲产生电路

3.2.3激励脉冲产生电路

3.3超声波的接收部分

3.3.1滤波电路

3.3.2隔离限幅电路

3.3.3过压保护电路

3.3.4放大电路

3.4 A／D转换电路

3.5数据暂存单元

3.6 FPGA控制模块

3.7 USB控制电路

3.8小结

第4章系统的软件设计

4.1 FPGA的软件设计

4.1.1 VHDL及其特点

4.1.2 VHDL的基本结构

4.1.3开发软件和设计流程

4.1.4具体设计过程

4.2 USB软件设计

4.2.1固件程序

4.2.2驱动程序

4.3人机界面设计

4.4系统调试结果

4.5小结

结 论

参考文献

致 谢

附录