0　引言

骨质疏松是一种矿物质从骨骼中流失而导致的疾病，会引起骨矿物质密度(bone mineral density，BMD)的下降和骨骼微结构的退化，将会提高骨折发生的概率[1]，因缺少有效治疗的方式，主要以预防为主。与传统的双能X射线吸收计量法(dual-energy X-ray absorptiometry，DEXA)测量骨密度的技术相比，超声技术由于成本低、无电离辐射等优点，在评价骨状况方面得到了广泛关注[2]。根据超声发射和接收方式的不同，目前用于评价骨质状况的超声技术主要分为3种:超声透射技术、超声轴向传输技术和超声背向散射技术。目前商用的超声骨密度仪主要基于前两种技术[3]，但是这两种技术无法获得骨骼微结构的信息。超声背向散射技术可以提供上述两种技术无法提供的骨骼微结构信息[4]，通过测量松质骨的平均骨小梁间距(mean trabecular bone spacing，MTBS)可以评价骨的密度情况[5]，但是背向散射信号相比于透射技术和轴向传输技术所获取的信号要微弱很多。

复旦大学于2013年研制出首台超声背向散射骨密度仪[6]。为进一步减轻仪器重量以提高便携性，一种比较好的方式是采用虚拟仪器技术[7]。出于使用方便的考虑，虚拟仪器的数据采集模块最好采用USB供电。由于USB供电的功率较低且电源质量不高，因此需要精心设计电源、高压激励、信号调理等模块。

本文设计了一款高性能、便携式超声背向散射骨密度仪，该系统数据采集模块使用USB接口通信和供电，在低功耗及供电质量较差的情况下能够有效检测出背向散射信号，为便携式背向散射骨密度仪的小型化、商用化打下基础。

1　方法

系统结构如图1所示。系统的主控芯片为Xilinx公司的现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)，使用的超声探头为Olympus公司的非聚焦超声圆探头V606[8]，其中心频率为2.25 MHz，-6 dB带宽为1.6 MHz。系统采用USB接口进行供电和数据传输，以实现便携性。系统使用了14位高速模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)AD6645，其采样频率最高可达200 MHz，信噪比可达到75 dB，为系统的后续信号分析提供质量保证。此外，系统还使用了高性能可控增益放大器AD8331，增益范围可达48 dB，为增益控制提供了充足的余量。通信方案选择FT232H芯片，高达60 MB/s的传输速率能满足系统检测的实时性要求。

1980年，“学成下山”的拉加德踌躇满志，向法国乃至全球多家律师事务所投出求职申请，但结果却令她再一次失望。她去一家法国律师事务所面试时，刚进去就被面试官告诫：女人只有在非正式及一些特殊情况下，才可能成为合伙人，一般只能整理档案。“这实在令人难以接受，于是我头也不回地走了。”后来另有一个面试机会，来自总部设在芝加哥的贝克·麦坚时国际律师事务所。“谈话的是位女性，我受雇了。这里的不同在于，并非美国人当头，欧洲人是跟班，也不是年长的就是领导，年轻的就只干记笔记之类的杂活。”25岁的她从一个实习生做起，先是在巴黎办事处，而后因业绩出色，直接调入位于美国芝加哥的全球运营中心。

要想取得这样的成绩，需要付出大量的时间精力，而同时Arneis还要兼顾2场侍酒师比赛，3个专业考试，并到5个国家产区进行考察学习，这样的强度是可想而知的。在这样的情况下，Arneis只能尽量挤出时间来学习。“我们一般是下午一两点去公司上班，早一点的话晚上11点半左右下班，晚一点凌晨1点下班。早上早起看书，例如早上八九点，看书到上班，有些活动不可避免要推掉，很难兼顾那么多东西。”如今，Arneis在冲刺WSET Diploma，对于2019年，他希望明年能顺利通过WSET Diploma考试，至于MS考试，“如果明年年初有名额的话，一定全力以赴去准备。”Arneis说。

图1　系统结构 Figure 1　System block diagram

1.1　高压激励模块

由于实际使用中可能需要激励不同频率的探头，为获得最佳激励效果，需要激励脉宽可调。

在AD8331选择HI增益模式的情况下，dB增益GAIN和控制电压VGAIN的关系为:

图2　高压激励模块 Figure 2　High voltage excitation module

1.2　模拟电源

由于USB电源供电质量不高，纹波系数较大，因此不能直接使用USB电源对信号处理电路供电，否则微弱的背向散射信号会淹没在电源引入的噪声中；另一方面，本系统的前置放大器需要双电源供电。结合上述两个因素，本系统的模拟电源应该是低噪声的±5 V双电源。

鉴于USB电源电压可能低于5 V，因此设计思路是先将USB电源提供的电压通过直流-直流变换提升到5.5 V，经过LC滤波后，再使用低噪声线性稳压电源降压至5 V，这样即可以实现稳定的5 V输出电压同时具有较高的电源效率。-5 V电源的设计思路类似，也是先得到-5.5 V然后通过线性稳压模块得到高精度的-5 V电源。

近一个月以来，“心态”一词我不止一次提起。当前市场，经销商备肥意识不似以往，愈加谨慎的操作模式让市场行情变得难以琢磨，就连传统的旺季也丧失了原有的强势。“小量多次”“随销随买”的操作让行情难以集中爆发，特别是在价格高位之时，下游显得更加谨慎，这也一定程度上影响了价格的上限。

MAX538的分辨率为12位，当MAX538的参考电压为VREFIN，输入数字量为DIG时，输出的增益控制电压VGAIN为:

平方根以及无理数的引入是“实数”这章重要内容，我们选取这两部分知识作为研究对象，从知识呈现方式、知识背景、例习题综合难度进行微观比较.

1.3　前置放大

HPF的低频截止频率由下式给出:

图3是使用AD8099构成的前置放大示意图。由于信号的收发共用一个探头，而激励脉冲幅度很大，因此需要在前置放大中加入对接收信号的限幅电路，避免高压脉冲击穿OPA。电阻R4和二极管D1、D2构成限幅电路。在激励超声换能器时，高压脉冲通过由R1、D1和D2构成的回路，使得OPA输入端电压被钳位在0.7 V左右从而实现对OPA的保护；而接收回波信号时，因为信号幅度低于二极管的“死区”电压，D1、D2不导通使得回波信号几乎无损地被OPA采样。

图3　前置放大 Figure 3　Preamplifier circuit

AD8099的高带宽将会引入较强的噪声功率，因此前置放大部分应该限制其工作带宽，即需要滤波器。鉴于降低系统功耗的目的，此处使用电容C1构成低通滤波器(low-pass filter，LPF)以降低白噪声功率而不是通过级联的方式引入滤波器。LPF的高频截止频率由下式给出:

ωH=1/(R6C1)

(1)

在我国旅游业民族体育旅游尚处于新兴旅游项目之一。在进行旅游产品设计时，应依托现有民族体育资源，以娱乐休闲为主要目标对民族体育进行宣传，从而使民族体育得到合理的项目设计。高端定制式的民族体育具有一定的针对性，属于小众的体育旅游，只有具有一定经济能力的人才有意愿选择消费。但高端定制民族体育产品也具有较大的弹性，这些特定的消费人群能够根据自身情况对活动项目进行调整。因此，高端定制民族体育项目发展不能拘泥于传统旅游产品发展模式，而要细致分析消费者心理，致力于满足多样化的消费者需求。

我感到头顶的天空裂开一道口子，灿烂的夕阳照耀着我。太神奇了，偌大的武汉城，李大头纵然头大，也不过是海里的一根针，我居然这么轻松地找到了他。他坐在马路牙子上，好像就是为了等我，真是天无绝人之路。莫非我的福气来了？此刻，我想起我的父亲，他给我起名“吕有福”，我一直觉得这个名字土，俗气，想改回来。现在看来，这名字还真的给我带来好运。

1.4　增益控制

探头接收到的超声回波由于其应用场景、传播路径的不同在信号幅值上会有较大的变化，因此需要可变增益放大器实现回波信号的幅度调节，以保证回波信号能被有效检测。本系统选用Analog公司的可变增益放大器AD8331，AD8331的增益由电压控制，控制电压由数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)MAX538提供。主控FPGA根据预期增益调整DAC的输出电压从而实现增益控制。

图2是产生高压激励脉冲的示意图,HV为高压，Triger节点的高低电平可以控制Q1的导通与截止，通过Q1的导通与截止控制C1的充放电从而实现高压负脉冲的产生。显然，通过调整Triger端的脉冲时长就可以实现激励脉冲脉宽的调整。电阻R3是阻尼电阻，其作用是避免高压负脉冲上升沿上出现振铃，防止超声探头接收的背向散射信号被强振铃淹没。R3值越小其抑制振铃的效果越好，但是过低的R3会导致激励脉冲的能量大量损失在R3上，因此R3的实际取值需要反复调整，经过反复实验，本系统最终的取值为50 Ω。

GAIN(dB)=50VGAIN+5.5

(2)

本设计中+5 V采用的稳压芯片为TI公司的TPS7350芯片,该芯片的输出电压噪声的均方根值(root mean square，RMS)为28 μV。-5 V电源采用的稳压芯片为LT1964，该芯片输出电压噪声的RMS为30 μV。这两块芯片保证了本系统的放大电路以及ADC有稳定的电源供电，从而降低因电源的波动而引入的噪声。

VGAIN=VREFIN DIG/4095

(3)

系统通过USB接口与PC机相连，不需要任何接口转接设备。为解决ADC的高采样速率带来的上位机和下位机之间的通信带来压力，USB通信的方案选择使用FTDI公司的FT232H芯片[9]，使用FT232H的同步FIFO模式。当FT232H工作在USB 2.0高速模式时，传输速率可以达到60 MB/s，完全能够满足本系统对于通信的要求。

DIG=4095(GAIN-5.5)/50VREFIN

(4)

1.5　高通滤波

在本设计中，出于便携式的考虑，高压模块与小信号的检测是在同一块PCB板上的，因此高压模块开关时产生的浪涌会有部分耦合进信号检测链路从而形成低频噪声。本设计中，整个系统的增益较高，为避免因耦合进来的噪声导致运放饱和从而造成输出信号失真，有必要加入高通滤波器(high-pass filter，HPF)以滤除低频噪声。

在本设计中的HPF是通过选择合适的级间交流耦合电容配合下一级的输入电阻实现的。这种实现方法在本设计环境下是一种比较合适的方案，因为在本系统中对于截止频率没有精确的要求，而且使用无源器件相比于有源器件，其功耗要低。

AD8099与AD8331之间的耦合需要使用交流耦合，因此考虑利用耦合电容实现HPF。根据数据手册可知，AD8331的输入电阻在外部反馈链路确定的情况下是一个固定值R，这也是选择在此处设计HPF的一个原因。图4给出HPF的电路拓扑图。

为降低电阻的热噪声以及输入失调电流引入的误差，R4、R5、R6在系统功耗允许的情况下应尽可能取小。本设计中R4=430 Ω，R5=71.5 Ω，R6=365 Ω。取高频截止频率为10 MHz，根据公式(1)可以得出电容C1=43.6 pF，取标准电容47 pF作为本系统设计值。

图4　HPF　拓扑图 Figure 4　Topological graph of HPF

前置放大对整个系统的信噪比影响至关重要，因此需要精心设计。本系统的前置放大器使用Analog公司的低噪声运算放大器(operational amplifier，OPA)AD8099，其低失调电压、高带宽和高增益带宽积特性使其非常适合对高频小信号进行放大。

ωL=1/(RC)

(5)

1.6　主控模块

整个设计的主控芯片为FPGA，其主要任务包括控制超声脉冲收发、数模转换、数据传输等各个部分的协调工作。因为主控芯片主要任务是实现时序逻辑控制，不需要较强的计算能力，所以选择FPGA作为整个系统的主控芯片。结合片上资源的丰富程度、容量大小、管脚数量、功耗和封装等方面的因素，本系统选用Xilinx公司的XC6SLX9芯片作为主控芯片。

第二，要加大农村金融机构的支农职能。在乡村振兴战略推进下，农村金融机构要完善现代金融企业的治理结构，才能保障金融企业高质量发展。要根据乡村振兴和市场化发展的形势要求，从内部经营体系、组织保证以及金融企业发展规划、资金供应等方面满足支农、惠农的资金需求，更好地发挥农村金融机构支持农业农村现代化建设的优势[3]。

FPGA内部实现的模块如图5所示,FPGA读取AD6645采集到的数据并存入异步FIFO缓存，随后从异步FIFO中将数据通过FT232写入USB总线。另一方面，当需要调整OPA的增益时，FPGA将上位机发送来的的增益控制值写入DAC。

图5　FPGA内部模块框图 Figure 5　Block diagram in FPGA

1.7　数据采集与传输

AD6645的采样精度是14位，为保证上位机数据分析处理算法的质量，需要较高的采样速率。本设计中使用的采样频率为60 MHz，采样长度为16 000个点。

由式(2)和式(3)可以得到要达到GAIN(dB)增益时，DIG的值:

2　结果

将系统用USB传输线连接到PC机，PC机上使用LabVIEW开发的测试程序读取从USB上传的数据。由于前文的硬件滤波无法滤除高压电路的开关电源在可控放大器和ADC上引入的开关噪声，因此需要对接收的数据使用数字滤波器进行高通滤波。由于本系统中开关电源工作在50 kHz，背向散射信号的频谱范围约在1～7 MHz，因此可以设置低频截止频率为500 kHz。

结构化单据结算模式基于移动互联，通过移动APP、PC端与物资需求单和供应商协同，运用电子签章实现结算单据结构化。通过省级ESB通道、ODS数据中心与ERP集成，结合定时推送数据及根据关键字进行实时抽取的方式，进行合同签订及合同履约等全流程数据同步。涉及的关键技术包括移动协同办公、海量实时数据采集与处理、内存计算技术、流数据处理技术，构架图如下：

图6是系统接入换能器时测试的噪声波形，前置放大增益为15.7 dB，可控增益放大器的增益为30 dB，测试得到噪声折合到输入端的RMS约为235.1 μV。

勘查区面积较大，煤层结构复杂多变，煤层层数多，且标志层不明显，构造复杂程度为中等偏复杂的类型（二类）。单由钻探进行煤岩层对比，难度较大；且钻孔网度较稀，煤层沉缺、剥蚀、合并等现象较多，更增加了各钻孔间煤层对比的多解性。地震时间剖面具有波形时间延续性的特点，可连续追踪形成发射波的煤层。同时，通过时间剖面间层位闭合，在全区进行追逐对比。

图6　噪声波形 Figure 6　Noise waveforms

图7是实测的背向散射信号，测试时系统增益为50 dB，信号相对噪声十分明显。作为测试，使用对噪声较敏感的自回归(auto-regressive，AR)模型算法[10](Burg算法，82阶)来估算MTBS。图8给出用离体牛胫骨样本测得的背向散射信号通过AR谱估计得到的结果，实验水温22 ℃，相邻的两谱峰间距为Δf=0.46 MHz。22 ℃水的声速为c=1 488 m/s，依据公式MTBS=c/(2Δf) [10]可以得到MTBS=1.62 mm，这一值与通过光学显微镜得到的测量值1.58 mm的相对误差不超过5%。

图7　散射信号 Figure 7　Backscatter signal

图8　AR谱估计 Figure 8　AR spectral estimation

图9是本设计的实物图，其整体尺寸为15 cm×10 cm×3 cm，质量1 kg以内，其小尺寸和轻重量实现了骨密度仪的小型化。系统无需外部供电，使用普通USB端口供电即可让系统正常工作，因此本系统具有低功耗的特性。

图9　背向散射骨密度仪 Figure 9　Ultrasound bone densitometer with backscatter signal

3　讨论与结论

目前市面上还没有便携式超声背向散射骨密度仪出现。相比于前文提到的复旦大学研制出的样机[6]，本系统体积更小，重量更轻，具有良好的便携性。同时本系统使用PC端的USB供电即可，不需要外接电源，因此功耗较低。精心设计的脉冲激励源、放大电路、滤波器以及高速数据传输模块，使得获取到的背向散射信号具有较高的质量。即便使用对噪声较敏感的AR模型算法也能实现对MTBS的准确估计[11]，如果使用一些改进的算法，比如二次变换法[12]，MTBS的估计精度会更高，因此本设计能有效获取背向散射信号，并且所获得的信号能有效评价骨密度情况。本系统只需要单一探头，在进一步降低了测试系统成本的同时，也使得利用该系统诊断身体多个部分的骨密度成为了可能。另外相比于使用X线的设备，本系统还具有无辐射的优点。

综上，本文所设计的便携式背向散射骨密度仪具有携带轻便，功耗低，在供电质量不佳的情况下也能有效检测出背向散射信号并用于评价骨密度情况。本系统低成本、高性能、无辐射、便携的特点使其非常适合骨状况的常规检查和骨质疏松的预诊，在常规体检中有广泛的应用前景。

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