基于FPGA 的脉搏波速度测量系统设计*

舒文斌，党艳军

(中南民族大学 生物医学工程学院，湖北 武汉430074)

0 引 言

流行病学资料表明:心血管病已经成为危害我国人民生命的主要疾病之一，其重要病因是动脉硬化。动脉僵硬度与心血管的发病率和死亡率相关，是独立于其他心血管危险因素的又一重要危险因素［1，2］。国外多年临床实验表明:脉搏波速度(pulse wave velocity，PWV)是动脉弹性的指示剂，并被视作反映血管损伤的表征，PWV 检测已成为世界各国学者公认的动脉僵硬度的评价方法［3］。目前，无创的PWV 的测量方法有:张力测量法、超声检测法以及示波测量法。其中，示波技术测量PWV 简单，无创，具有可重复性，操作人员不需要长期培训，适合在大规模人群的筛检和研究中使用［4，5］。本文设计了一种以FPGA 为核心处理器的PWV 测量系统，采用示波技术测量PWV，具有良好的人机交互界面，并且能准确地测得PWV。

1 PWV 测量原理

脉搏波由心脏周期收缩与舒张而产生，沿血管传遍全身。理论上选取2 个不同的测量点，记录它们波峰的时延差ΔT 和等效血管距离ΔL，就可以计算出脉搏波速度

实际情况下，由于本文采用的是压电脉搏传感器，脉搏波形状在不同测量点变化较大，不同位置的脉搏波峰值对应于心动周期的时间不一样，测量误差会很大［6］。因此，采用最大斜率点之间的时延差作为ΔT［7］。测量原理如图1所示。A，B 两点为测量点，ΔL 为 AB 的等效血管长度，ΔT 为时延差。

实际中采集的波形是离散化的点，对第n 个点，计算Δf(n)=f(n+2)－f(n－2)，当 Δf(n)＞0 时，取 maxΔf(n)作为最大斜率点。

图1 脉搏波速度测量原理Fig 1 Measurement principles of PWV

2 测量系统硬件组成

该采集系统按功能分为三大模块，分别是信号调理模块，AD 采集模块和控制显示模块。脉搏传感器将机械压力转换为模拟电信号，送入信号调理模块滤波与放大，然后由A/D 转换电路转换为数字信号，送入FPGA 核心处理器计算与显示。硬件构成框图如图2 所示。

图2 系统硬件构成框图Fig 2 Hardware constitution block diagram of system

2.1 信号调理电路

传感器转换后的电信号先经前置放大器放大，然后滤除干扰信号，再进行二次放大与基线调整后输出。整个电路用2 个定位器分别调整放大倍数和基线电平，电路原理图如图3 所示。

图3 信号调理电路Fig 3 Signal conditioning circuit

2.2 AD 采集模块

以MAX186 作为 AD 芯片。MAX186 是一种 8 通道12 位精度的超低功耗A/D 转换芯片，133 kHz 的采样率，并且具有非常稳定的性能，能够满足采集脉搏信号的要求［8］。MAX186 与 FPGA 以四线 SPI 的方式通信，FPGA 作为主器件，MAX186 作为从设备。由于用的是SPI 核模块，故不需要软件模拟时钟时序，节约大量CPU 资源。

2.3 触摸屏控制显示模块

该模块采用Altera 公司的EP2C35F672C6 芯片作主处理器，并配置SDRAM 和SRAM 作存储器。本文采用SOPC Builder 配置FPGA 的内核可以不选择硬件描述语言设计，大大简少设计工作量［9］。

首先，配置字符缓冲核，它能够记忆字符的ASCII 值，在液晶屏上显示一些字符来表示通道的状态和按钮的触摸位置。其次，需要绘出采集到信号的波形，故使用像素缓冲DMA 控制器、SRAM/SSRAM 控制器、RGB 重采样器、VGA控制器和分辨率规模器(Scaler)。像素缓冲DMA 控制器为VGA 控制器提供视频数据，且不具有记忆性。SRAM/SSRAM 作为像素的存储器使用。像素缓冲DMA 控制器读取SRAM/SSRAM 的图像数据，然后送往VGA 控制器。图像存储器配置是320 列240 行16 位色，而VGA 控制器的输入必须是640 行480 列30 位色，因此，需要RGB 重采样器和分辨率规模器做转换。用双时钟FIFO 为VGA 控制器提供25 MHz 的时钟。最后，还要配置一个Alpha 混合器。至此，主要的内核配置完成，配置后如图4 所示。

图4 部分内核配置Fig 4 Partial configuration of kernel

3 测量系统软件设计

系统的软件设计在NIOS II 集成开发环境(IDE)里完成。NIOS II 集成开发环境(IDE)是NIOS II 系列嵌入式处理器的基本软件开发工具。所有软件开发任务都可以在NIOS II IDE 下完成，包括编辑、编译和调试程序。首先初始化触摸屏，包括触摸屏内置AD 的参数配置和初始化界面的显示。此时的初始化界面是数字键盘，等待输入等效血管的长度值。若成功输入该值后，会进入波形显示界面，并初始化定时器，定时器时间用来精确控制采样频率，设置的采样频率为200 Hz。然后进入循环，不断进行模式检测和波形描绘并计算出PWV。当中断到来时，初始化AD 的通道并采样，使用SPI 时序对AD 进行操作。整个软件流程图如图5 所示。考虑到单个通道的波形需要调整，设置运行模式有通道一模式、通道二模式和双通道模式。

对触摸屏的驱动要结合软核的配置情况。配置的触摸屏分辨率为 400 ×240，X－Y 坐标模式(横向为 X 坐标，纵向为Y 坐标，左上角为原点)，则屏幕上任意坐标为(x，y)的像素点得地址为:像素缓冲器基址+(y ＜＜m)+x。其中，m=ceil(log2400)=9，n =ceil(log2240)=8。X－Y 模式下的地址格式如图6 所示。

图5 软件流程图Fig 5 Software flow chart

图6 X-Y 模式下地址格式Fig 6 Address format of X-Y mode

4 实验结果与分析

实验时测试者静坐，取手腕桡动脉和颈部大动脉为2 个测量点，输入测量点的等效血管长度，先进入单通道模式，调节信号调理模块的定位器，待出现较好波形后调整另一通道波形。然后进入到双通道模式，触摸屏会显示两通道的脉搏波形并计算出PWV 值。每隔2 s 计算一次PWV的值，并显示到触摸屏。对实验室的A，B 2 名成员测试的结果如表1 所示。

表1 实验结果Tab 1 Experimental result

从表1 可以看出:测试者A 测得的PWV 值比较稳定，通过计算，平均PWV 为10.344 m/s，标准差为0.283。测试者B 的PWV 平均值为10.429 m/s，标准差为0.445。测试者B 的第4 次测量出现较大偏差，可能是由于传感器移动位置造成的。整体的测量情况比较稳定，标准差均小于0.5，表明该系统能够准确测量出PWV。

5 结 论

本文设计了一种PWV 测量系统，用FPGA 作为核心处理器，可以完全脱离PC 机独立工作。采用SOPC Builder 配置FPGA 的内核，同步采集2 路脉搏信号，计算PWV 并显示波形。由于医学上对于脉搏波速度并没有统一的定义，不同检测方法对PWV 的定义和算法各不相同，使得目前市面上各种仪器测得的PWV 可比性不大，因此，稳定性成为评价测量方法好坏的重要指标［10］。从本系统实验结果来看，该测量系统具有较高的稳定性，测得实验室一成员的PWV 平均值为10.344 m/s，而且标准差小于0.5。此外，系统以彩色触摸屏作为人机交互接口，十分方便。

［1］ 王宏宇，张维忠，龚兰生，等.脉搏波传导速度测定的新认识［J］.国外医学·心血管分册，2000，27(2):69 －70.

［2］ 刘宝华.脉搏波传导速度测量算法的研究及其进展［J］.生物医学工程学杂志，2010，27(1):231 －235.

［3］ Yoshinori F，Paulo C，Ryutaro T，et al.Relationships between brachial ankle pulse wave velocity and conventional atherosclerotic risk factors in community dwelling people［J］.Preventive Medicine，2004，39(6):1135.

［4］ Naidu M U，Reddy B M，Yashmaina S，et al.Validity and reproducibility of arterial pulse wave velocity measurement using new device with oscillometric technique:A pilot study［J］.Biomed Eng Online，2005，4(2):49.

［5］ 黎秀龙.基于外周动脉波形分析的Multi－PWV 获取方法［D］.合肥:中国科学技术大学，2011.

［6］ 梁妃学，姚 翔，于 巍，等.双通道脉搏波速度测量系统的研制［J］.中国医学物理学杂志，2006，23(3):209 －212.

［7］ 刘宝华，朱红莲，任晓华.小波用于脉搏波速度测量及去噪［J］.生物医学工程学杂志，2011，28(1):54 －57.

［8］ 王峻峰，罗 闻，史铁林.MAX186 与 DSP 的 SPI 接口及设计［J］.微计算机信息，2005，21(11):104 －106.

［9］ 陈钦树，文爱军.应用 SoPC Builder 开发电子系统［J］.电子设计应用，2004(9):86 －88.

［10］ 王东明，张 松，杨益民，等.脉搏波的无创检测方式［J］.北京生物医学工程，2010，29(4):436 －439.