基于柔性超聲傳感器的骨質狀況檢測系統

王博智，牛麒銘，趙云楠，王 偉，劉衛國，林大斌

（西安工業大學 光電工程學院，西安 710021）

0 引言

隨著國防科技和外空探索領域的不斷發展，外太空失重和高壓低氧環境對宇航員身體的影響引起廣泛關注，骨質狀況的定期檢測已成為宇航員在太空中所面臨的主要問題［1］。人體骨骼在正常環境下，骨形成與骨吸收會處于動態平衡，當處于太空微重力環境中時，骨骼會為了適應環境變化而發生一系列改變，如骨吸收的增加［2］和骨形成的減少，進而引發骨質丟失和骨脆性增加［3］，增高骨折罹患率［4-8］。Grigoriev等［9］研究發現身體部位越低，骨丟失越嚴重。宇航員在太空中的骨質流失情況已經越來越被重視，各個國家提出各種對策來減小骨質流失對宇航員的影響，太空的微重力環境仍然會導致宇航員骨丟失、骨力學特性減弱和骨基質分解加強［3］。因此，定期對骨質進行檢測是宇航員保持健康的必要手段。然而，目前大多數可用的檢測系統體積較大、剛性（應變量小于5%）和檢測部位單一，不便于宇航員在太空中使用。

可穿戴式柔性傳感器因其兼具生物相容性和可拉伸性，逐漸成為研究熱點［10-12］。柔性傳感器以信號傳導的形式將生理信號轉化為可視的電信號，在人體健康檢測、生物醫學和柔性電子皮膚等方面有著巨大的潛力［13］。香港城市大學的楊征保教授采用PZT 剪紙結構和柔性材料PDMS制備了預防關節紊亂的柔性壓電剪紙型傳感器，用來檢測關節的活動情況［14］。清華大學的馮雪教授團隊用柔性印刷電路技術生產超薄、柔性印刷電路，使用回流焊接技術將超聲波傳感器以梅花形焊接到預制電路上，將預制電路放置在模具內，并用柔性基座硅酮作為封裝，制備出了柔性超聲傳能器件和用于監測血流速度的柔性多普勒超聲裝置［15］。

基于此，本文提出一款基于軸向透射技術［16］的超聲骨質測量系統設計，該系統立足于定量超聲理論，以FPGA（field programmable gate array）為核心，用高速數模轉換（A／D）芯片進行模數轉換，電路高度集成，從采樣率（50 MHz）、效率功耗、集成度和數據傳輸速率（115 200bps）等方面改善系統的性能。并且將傳感器部分改為柔性基底，設計出一種高靈敏度柔性超聲（HSFU，high sensitivity flexible ultrasound）傳感器，該傳感器可以覆蓋不同人體部位并測得該部位的骨質情況。系統通過WIFI（wireless fidelity）模塊技術與移動端進行交互，并在移動端設計了一個功能完善、界面簡單、操作方便的可視化人機界面，方便使用者的查看與操作，從而達到便攜易檢測的目的。與傳統檢測設備相比，該系統縮小了設備體積，擺脫了檢測部位單一的缺點，提高了系統的響應速度。

1 骨質狀況檢測系統設計

1.1 總體系統設計

整個系統由6個模塊構成：FPGA 主控模塊、脈沖激勵模塊、超聲陣列模塊、信號放大模塊、數模轉換模塊和無線傳輸模塊，系統結構如圖1所示。

圖1 骨質狀況檢測系統設計

主控芯片（FPGA）控制脈沖激勵模塊產生80 V、2 MHz的脈沖信號，超聲發射換能器發出超聲，經過骨骼和軟組織傳播后被超聲接收陣列所接收，聲能轉換為電信號。接收到的超聲信號經AD8331 放大，接著模數轉換器3PA1030將模擬信號轉為數字信號，獲取的數據經SRAM緩存，最終進入FPGA 進行處理與分析。骨質狀況信息通過WIFI模塊ESP8266傳輸到移動端顯示出來。系統中除超聲陣列模塊外，其余五個模塊均集成在柔性PCB上。

柔性電路可以設計成復雜的三維結構，彎曲成各種形狀，可以用于高度重復性的應用。在不同的變形狀態下，柔性電路仍舊可以完成相應的電氣功能，能夠完整地發射脈沖信號以及完成數模信號的轉換。通過外殼設計，使系統可以固定在身體的各個部位。外殼采用黑尼龍材料，通過3D打印制備。

1.2 超聲特征參量測量

系統采用軸向透射檢測原理，將三組單發雙收式超聲換能器作為前端信號采集器。每組換能器由A、B、C 三塊超聲換能器組成，位于同一水平線上，其中A 換能器用于發射超聲波，B、C兩塊換能器用于接收超聲波，內部隔聲層將A 換能器與B、C換能器分隔開，如圖2所示。

圖2 超聲傳輸路徑與時間

發射換能器工作時，超聲波以臨界角的方向入射到骨組織內，產生側波。側波沿骨骼內表面傳輸一段距離后以相等的角度折射出骨骼，由接收端換能器接收并通過FPGA處理后獲取骨質相關信息。

FPGA 內部計數器會記錄發射器與各接收器之間的超聲傳輸時間。超聲由A 換能器發出，由B 換能器接收的傳輸時間記為TAB；超聲由A 換能器發出，由C 換能器接收的傳輸時間記為TAC。由圖2可知：

由于A、B、C所在平面與骨骼表面平行，則聲波射出時，經過軟組織的時間和距離相等，即t3＝t5，SBB1＝SCC1，則：

由式（3）可知，當A、B、C 所在平面與骨骼表面平行時，只需知道超聲波從換能器A 分別到達換能器B、C的傳輸時間，即可求出骨骼中的超聲聲速SOS。

T-Score和Z-Score目前已成為骨質疏松癥的診斷標準。T-Score表示測試者的骨質量與同性別青年人群的骨質量相比較而得出的結果。其具體計算公式如下：

式中，SOS為受試者特定骨骼部位的超聲聲速，為超聲聲速參考標準值，SD為標準偏差。

2 系統硬件設計

2.1 FPGA主控模塊

本系統的主控模塊芯片選用Xilinx公司的Artix7系列，其具體型號為xc7a35tfgg484-2，用戶可用IO 口為250個，可以滿足大多數設計需求。該芯片的I／O 驅動電壓寬泛，從1.2V 到3.3V 都支持，并且支持DDR3的800Mb／s高速輸入輸出。采用JTAG-10規格接口下載調試程序，將JLink的TDI、TMS、TDO、TCK 四個引腳與FPGA 相連，VCC引腳接3.3V 電壓便可用于程序的調試與下載；芯片外置復位電路，提高系統電路的穩定性與可靠性；系統采用N25Q128芯片作為外部FLASH 代碼存儲器，其具有與磁存儲器一樣無需電能也可以保持數據的優勢，與EPROM（電可編程只讀存儲器）的紫外線擦除方式相比，FLASH的電擦除功能可以為開發者節省大量時間，也為開發者更新存儲器提供了便利條件；外部有源晶振信號質量好，比較穩定，連接簡單，為系統提供50MHz時鐘頻率。主控模塊部分電路如圖3所示。

圖3 FPGA 主控模塊部分電路圖

2.2 脈沖激勵模塊

脈沖激勵電路是在脈沖信號的控制下產生一個持續時間很短的脈沖電壓，激勵換能器產生超聲波，用來獲得骨質情況。本電路采用的VMOS 管為IRFP450，其參數為VDSS＝500 V，RDS（on）＝0.4 Ω，ID＝14 A。電 路 中 三 極 管8050和8550構成一級驅動電路。一般的中功率VMOS管會有nF級的柵電容，開關電壓為7～10V，最大上升時間為幾十納秒。

模塊以VMOS 為開關元件，采用脈沖輸入方式，靠電感儲能形成觸發脈沖，不需要較高直流供電，其儲能僅與換路時的電感電流的平方成正比。當觸發脈沖在負脈沖期間，L1、C1、R2 和R3 組成諧振電路快速放電，形成尖端激勵脈沖。電路中，電阻R2用來調節脈沖的幅值大小，當增加R2的阻值時，脈沖的幅值會變大。脈沖激勵塊如圖4所示。

圖4 脈沖激勵模塊電路圖

2.3 信號放大模塊

超聲信號經過軟組織和骨質傳播后被接收換能器接收，由超聲信號轉為電信號，再由接收電路進行處理。雖然脈沖激勵電路產生的初始聲能強度足夠大，但是由于超聲在傳輸過程中發生散射和衰減，到達接收換能器時會有相當多的能量損失，導致電壓信號較低，所以在接收電路里面需要對超聲信號進行放大。為了能夠得到較為準確的測量結果，系統采用以AD8331為核心的可變增益放大模塊對回波信號進行放大。

AD8331是一款單通道、噪聲超低的增益線性可調的放大器，輸入頻率高達120 MHz，僅需5V 單電壓供電。前置放大器單端輸入，差分輸出，增益為19dB。可編程后置放大器所提供的增益范圍在LO 增益模式下由-4.5dB 至＋43.5dB，在HI增益模式下由7.5dB至55.5dB。MODE引腳接地，所以模塊的增益控制斜率為正。RCLMP引腳通過7.5K 電阻接地，HILO 引腳由FPGA 控制，當HILO＝LO 時，輸出的峰峰值將被限制到2V。系統AD8331的外圍電路如圖5所示。

圖5 AD8331外圍電路

2.4 數模轉換模塊

A／D轉換部分負責完成信號的模數轉換工作，以便微處理器進行復雜的信號處理。本系統選用的采集芯片是一款單電壓芯片3PA1030，轉換速度為50 Msps，可在2.7～5.5V 范圍內工作，非常適合高速應用中的低功耗操作。3PA1030 芯片的輸入模擬電壓轉換范圍是0～2V，所以電壓輸入端需要先經過電壓衰減電路，使輸入的-5～＋5V之間的電壓衰減到0～2V 之間，然后經過3PA1030芯片將模擬電壓信號轉換成數字信號。數模轉換模塊電路圖如圖6所示。

圖6 數模轉換模塊電路圖

2.5 無線發射模塊

本系統的無線發射模塊采用ESP8266，該模塊內部集成MCU，通過串口與微處理器進行數據通信。模塊的TXD引腳為數據發送腳，與FPGA 的UART 數據接收腳連接在一起。模塊的RXD引腳為數據接收腳，與FPGA 的UART數據發送腳連接在一起。VCC 一般選用5 V 供電，選用3.3V 會由于供電不足引起不斷復位。ESP8266 有三種模式，本系統采用AP 模式，工作狀態時ESP8266產生一個熱點，上位機通過連接ESP8266配置好的IP和端口，從而接收WIFI 發過來的信息。FPGA 的UART 輸出端與ESP8266的輸入端連接，控制WIFI信息發送，波特率選用115 200bps。ESP8266與FPGA 的連接如圖7所示。

圖7 ESP8266與FPGA 連接圖

2.6 超聲陣列模塊

超聲傳感器貼合在皮膚表面，檢測該部位骨質情況，幫助預防上肢骨質疏松。超聲發射換能器接收激勵電路發射脈沖后發出超聲信號，超聲信號沿骨頭內表皮傳播后分別折射進入兩個超聲接收換能器，接收換能器由于壓電效應將聲信號轉換為電信號。電信號通過FPGA 不間斷傳輸到智能設備進行數據分析和存儲。每個超聲換能器由PZT壓電材料和電極構成，其電信號通過導線進行傳輸。傳感器由三組超聲陣列構成，每組與平面的角度不同，分別為17°、20°和23°。三組超聲陣列都封裝在柔軟的PDMS 中，這使得超聲傳感器柔軟、適應性強，能夠貼合大多數人體部位。

超聲陣列的制備過程需要兩個主要步驟，首先制備復合壓電材料，然后將陣列封裝起來。將壓電材料固定好，兩面噴涂電極材料，噴涂的時候將基底加熱到40 ℃，噴嘴35℃，設備頻率7 500Hz；噴涂完畢后在80℃的加熱器上干燥10min，復合材料制備完成。焊接導線后，將復合材料放入模具，滴管滴下PDMS液體，填滿模具。將模具放在55～60 ℃的真空干燥箱固化處理2～4h，超聲陣列制備完成。

PZT壓電材料選用11mm×11mm×1mm 規格，傳感器固化后，共振頻率從2 MHz略微偏移至2.11 MHz。該傳感器有著較高的能量傳遞效率，激勵峰峰值電壓為10V時，響應峰峰值電壓為2.36V，傳輸距離為5mm，采用水為傳輸介質。也有較低的能量衰減，類似激勵條件下，傳輸距離為2～5mm，響應峰峰值電壓為1.28～3.34V。此外，還測量了該傳感器的功率傳遞效率在特定距離下可達35%，（水為傳輸介質，輸入功率為208mW，接收功率為72 mW）接收功率強度為59.5 mW／cm2（接收功率為72mW，接收超聲換能器面積為1.21cm2）。裝置的能量轉移效率如表1所示。

表1 不同傳輸深度和激勵峰值電壓對超聲能量傳輸效率的影響

2.7 電源模塊

JW5060T 是一款單晶片式降壓開關穩壓器，可實現快速瞬態響應。在輕負載時，穩壓器以低頻運行，以保持高效率和低輸出紋波。JW5060T 通過電源適配器輸入12V 的電壓，經過內部電路，最終輸出5V 的穩定直流電壓，供其他電源芯片、A／D 電路及其他電路使用。通過輸出短路保護、熱保護、電流失控保護和輸入欠壓鎖定保證了其應用穩定性。JW5060T＿6供電電路如圖8所示。

圖8 DC JW5060T＿6供電電路圖

EA3059是四路電源管理芯片，適用于由一節鋰電池或一個DC-5V 適配器供電的應用。EA3059的輸入電壓范圍為4.5～6V，在輸入5V 電壓時，經過內部芯片作用和外部電路，最終輸出1.0V、1.5V、1.8V 和3.3V 的電壓供系統各模塊正常工作。EA3059供電電路如圖9所示。

圖9 EA3059供電電路圖

3 系統軟件設計

3.1 系統整體軟件設計

系統總體軟件設計將各個功能軟件部分進行整合。在系統開始運行時，主函數對所有軟件部分進行初始化設置。對UART 數據傳輸部分進行波特率和數據傳輸位數設置，對WIFI信息交互功能部分進行模式選擇、波特率設置、端口號設置和IP地址設置。

上電后，系統確定適合所測部位的陣列組，主控模塊控制脈沖激勵發射模塊發出頻率為2MHz，幅值為80V 的超聲信號。超聲信號接收后根據算法計算出所需結果，最后通過WIFI交互軟件部分發送到上位機并顯示。系統整體軟件設計流程如圖10所示。

圖10 系統整體軟件設計流程圖

3.2 超聲特征參量測量算法

超聲特征參量的測量需要FPGA 來完成，FPGA 主要通過算法設計來對模塊進行功能控制。系統啟動時，載入與所測人群對應的和SD，FPGA 控制脈沖激勵模塊給出脈沖信號，超聲陣列發射超聲波。同時，FPGA 內部兩個計時器t1和t2開始計時，當系統檢測到接收換能器有信號輸入時，所對應的計時器分別停止計時，計算兩個計數器的時間差，進而得出SOS。數據有效時，記錄數據，數據無效時，重新進行檢測。數據量設定為4，四個有效數據測量完成后取平均值并計算骨質參數。超聲特征參量測量算法流程如圖11所示。

圖11 超聲特征參量測量算法流程圖設計

3.3 WIFI信息交互軟件設計

本系統選用ESP8266WIFI模塊，該模塊可以實現透傳，數據接收后將原封不動的發出去，極大提高系統的響應速度。AT 指令在WIFI等嵌入式模塊中發揮著重要作用，簡化了相關設備聯網的復雜度。

FPGA 通過UART 與WIFI模塊實現信息通訊，即對WIFI模塊發送AT 指令來完成對WIFI模塊的設置，依次設置模式為AP 模式，波特率為115 200bps，端口號為1234，IP 地址為192.168.3.122。設置完成后，移動端與WIFI模塊發出的熱點與端口號配對，完成對WIFI模塊的配置，進入到上位機與下位機進行數據傳輸的狀態。上位機通過UDP（user datagram protocol）協議接收到WIFI模塊發過來的信號，并通過數據劃分將各信息分別顯示在相應位置上。WIFI信息交互軟件設計流程如圖12所示。

圖12 WIFI信息交互軟件設計流程圖

4 實驗結果與分析

4.1 系統軟件測試

通過信號發生器產生頻率為2 MHz的正弦波，并將其接入A／D轉換電路。大約兩秒后輸入第二個通道的信號，可以計算出設定的速度7.5mm／s（兩個接收傳感器距離為15mm）。FPGA 通過UART 將計算出的結果編碼成10位的二進制數據，上位機接收到WIFI模塊傳過來的信息，通過解碼將各個數據顯示到相應位置上。在本實驗中，將兩個通道的信號發生器的時間間隔從2秒逐步設置為5.5秒（步長約為0.7秒），顯示結果時，根據無線通信結果同步記錄設定速度和測量速度，結果的平均相對誤差約為0.3%，說明本系統無線發射模塊具有一定的可靠性。

4.2 系統功能測試

本次測試對象為30人，年齡段0～10歲、10～20歲、20～30歲、30～40歲和40～50歲各6人，選用脛骨作為測量部位，每位志愿者測試四次，測試結果取平均值，記為SOStibia，移動端顯示最終的檢查結果。

將整個系統固定在脛骨處，以水為耦合劑，打開開關，選擇發射單元，HSFU 開始工作，測得脛骨處骨質參數數據。打開APP，匹配WIFI模塊發出的熱點與端口號，APP接收FPGA 發送的信息，顯示出來供使用者查看。

本系統在一位受試者脛骨處所測量的脛骨超聲參量SOStibia為（3 814.26±0.2）m／s，T-Score為0.2，Z-Score為0.3。當T-Score的值大于-1時為正常，不會存在骨量減少或骨質疏松的情況，APP 顯示骨質狀況為A；當TScore的值在-1～-2.5之間時，提示骨量減少，但還達不到骨質疏松的程度，APP顯示骨質狀況為B；在T-Score小于-2.5時可以確定為骨質疏松［17］，APP 顯示骨質狀況為C。本次受試者均為健康人群，因此T-Score的值應大于-1，即APP顯示骨質狀況應為A。本系統在一位受試者脛骨處所測量的結果如圖13所示。

圖13 脛骨測量結果顯示情況

這與同類產品臨床測量結果一致，即脛骨處SOStibia在3 500～4 000m／s之間［18-20］。實驗結果與韓國Osteosys公司生產的SONOST-3000的測量結果進行比較如表2所示。

表2 SOStibia測試結果對比表

實驗結果表明：兩臺儀器的SOS檢測差別約為0.8%，這與探頭材料、系統硬件設計和算法的不同有關。兩個系統的檢測結果是一致的，即SOS值高的受試者在兩個儀器的測試下結果都比較高，因此本系統的檢測結果是合理的，進行足夠的對比實驗測試后，對系統進行合理校準便可提高系統的準確率。

5 結束語

本文展示了一種基于柔性傳感器的骨骼狀況檢測系統，該系統由柔性超聲傳感器、控制電路和移動端APP 構成，可多部位測量，且高效便攜。所開發的柔性超聲換能器陣列傳感器具有高柔韌性，能量傳遞效率高達35%，通過外殼設計使其適應人體的多個部位。一旦將HSFU 傳感器安裝在人體部位上，能在0.2s的時間內測得該部位的骨質情況，并將檢測結果通過WIFI發送至移動端。

如前所述，所開發的HSFU 傳感器骨骼狀況檢測系統具有多部位測量、高精度、便攜和即時檢測等優點，為現階段在醫療方面發展可穿戴式傳感器提供了新的思路。采用便攜式柔性傳感器檢測骨骼狀況的策略，將促進柔性傳感器在外太空對宇航員骨骼情況檢測方面的應用，并對骨質流失監測提供有益的參考數據。