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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:巫建興
研究生(外文):Jian-Xing Wu
論文名稱:以FPGA及LabVIEW為基礎之可攜式超音波骨密度檢查儀之製作
論文名稱(外文):Implementation of a portable ultrasound densitometry based on FPGA& LabVIEW
指導教授:陳培展陳培展引用關係
指導教授(外文):Pei-Jarn Chen
學位類別:碩士
校院名稱:南台科技大學
系所名稱:電機工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:可攜式超音波骨密度檢查儀
外文關鍵詞:portableultrasounddensitometryFPGALabVIEW
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目前臨床上所使用之腳跟骨超音波骨密度儀,大部份皆以個人電腦結合超音波擷取卡為量測系統,因此最大之脈衝高壓因受限制只能達到 300伏左右。在此情形下目前之個人電腦超音波骨密度系統只能量取穿透腳跟骨後之脈衝信號,而無法量取腳跟骨之回波信號,使得利用超音波量取腳跟骨的骨組織特性受到限制。
本研究主要運用電力電子技術建立高功率因數可調變式直流300~500伏特超音波發射器(pulser),並結合FPGA硬體描述技術製作高速類比/數位轉換器(ADC)之超音波接收器(receiver),最後本系統設計將超音波訊號透過FPGA控制溝通USB傳輸至NB端,以LabVIEW做訊號即時顯示並分析超音波波速(SOS)與波衰減(BUA) 於筆記型電腦,成為一可量取穿透之可攜式超音波骨密度儀系統。
系統驗證可為兩部份,第一部份運用壓克力及假體進行檢測以評估系統的精確度與準確度,結果顯示出模擬假體SOS值準確度為 (正常骨假體97.3%;疏鬆骨假體99.4%),模擬假體BUA值之的準確度為 (正常骨假體97.4%;疏鬆骨假體88.8%)。第二部份進行實際人體量測,並與商用骨密度儀UBIS-5000量測值做系統準確度校正比對,結果顯示出SOS值準確度為98.5%,BUA值之的準確度為92.1%。綜合以上兩項測試結果,模擬假體量測與人體量測實驗的結果皆能得到高準確度之SOS值與BUA值,故本研究為有效之簡易型超音波骨密度檢查儀。
In clinic, the ultrasonic densitometry on calcaneus is always based on PC type I/O card technique. As the pulser voltage was limited up to 300 V, the estimation of bone tissue characteristic only could be estimated by the transmitted pulser, not by the echo pulse.
This work was major in utilizing the power electronics technology to build a high-voltage ultrasonic pulser (300 ~ 500 volts ) with high power factor. Then the high-speed AD converters and the ultrasonic receiver were integrated with FPGA technology. Finally the transmitted or the echo ultrasound signal was designed to transfer to a notebook (NB) with USB port through the designed platform between the FPGA and the LabVIEW. In addition, the speed of sound (SOS) and the broadband ultrasound attenuation (BUA) could be measured by the NB on real time. AS a result, the ultrasonic densitometry can estimate the characteristic of bone tissue based on transmitted signal with the portable system based on proposed FPGA technique.
The system verification can be divided into two parts. The first part is to estimate the precision and validity from investigation examining acrylic plastic and phantoms. The results show the accuracy of SOS in simulating bone phantom is (normal bone phantom: 97.3%, osteoporotic bone phantom: 99.4%). The accuracy of BUA in simulating bone phantom is (normal bone phantom: 97.4%, osteoporotic bone phantom: 88.8%).The second part is in vivo test and comparing with densitometry (UBIS-5000) to calibrate precision of the system. The results show the accuracy of SOS is 98.5%, and the accuracy of BUA is 92.1%.Furthermore, high accuracy of SOS and BUA in bone phantom simulation and in vivo measurement are showed on the results. It concludes that this system is an effective portable ultrasound densitometry.
摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目次 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 骨骼構造之簡介 2
1.3 骨質疏鬆症之簡介 3
1.3.1 骨質疏鬆症 3
1.3.2 臨床上診斷骨質疏鬆症之方法 4
1.3.3 臨床上超音波診斷骨質疏鬆症之儀器 5
1.4 電源供應器之簡介 6
1.4.1 功率因數之意義 7
1.4.2 綠色醫療儀器 9
1.5 FPGA系統之簡介 9
1.6 研究動機與目的 10
第二章 原理與背景 11
2.1功率因數修正器原理 11
2.1.1 功率因數修正器種類 11
2.1.2 升壓型主動式PFC 12
2.1.3 升壓的控制方式 12
2.1.4 功率修正器IC6562原理 13
2.2 超音波發射與接收原理 14
2.2.1 醫用超音波 14
2.2.2 超音波發射器 15
2.2.3 超音波接收器 16
2.3 超音波量化參數之量測原理 17
2.3.1 超音波量化參數之SOS量測原理 17
2.3.2 超音波量化參數之BUA量測原理 20
2.3.3 超音波量化參數之STI量測原理 22
2.4 數位類比轉換器原理 22
2.4.1 解析度 23
2.4.2 雜訊比 23
2.4.3 訊號與雜訊失真比 24
2.4.4 動態範圍 24
2.4.5 非線性度 25
2.5 FPGA 26
2.6 系統原理 27
第三章 系統設計 28
3.1 實驗架構 28
3.2 電源供應器 29
3.3 超音波發射器 32
3.3.1 脈波重複產生器 32
3.3.2 脈波產生器 33
3.4 超音波接收器 34
3.5 類比對數位轉換器 37
3.6 USB傳輸平台 38
3.7 硬體系統結合 40
3.8 超音波量測流程 41
3.9 軟體系統結合 42
3.9.1 LabVIEW人機介面設計 42
3.9.2 FPGA設計 43
第四章 結果與討論 46
4.1 電源供應器效能評估 46
4.2 超音波發射器評估 47
4.3 超音波接收器評估 49
4.4 類比數位轉換器與USB傳輸評估 50
4.5 簡易型SOS值計算結果 52
4.6 簡易型BUA值計算結果 54
4.7 假體量測結果 54
4.7.1 壓克力量測結果 54
4.7 2 模擬骨(正常)量測結果 57
4.7.3 模擬骨(異常)量測結果 60
4.7.4 人體腳跟骨量測結果 63
第五章 結論與未來展望 69
5.1 結論 69
5.2 未來展望 70
參考文獻 71

圖目錄
圖1.1 骨骼的型態 2
圖1.2 CUBA 6
圖1.3 Achilles Lunar 6
圖1.4 DBM 2000 6
圖1.5 Panametrics 5052PR 6
圖1.6 Panametrics 5058PR 6
圖1.7 純電阻性負載的電路簡圖和波形 7
圖1.8 純電感性負載的電路簡圖和波形 7
圖1.9 純電容性負載的電路簡圖和波形 8
圖2.1 升壓型功因修正器 11
圖2.2 Boost昇壓電路方塊圖 12
圖2.3 功率修正器ICL6562內部方塊圖 13
圖2.4 超音波壓電材料 15
圖2.5 傳遞模式量測示意圖 16
圖2.6 反射模式量測示意圖 17
圖2.7 SOS量測(a)超音波經過水得到的相位 20
圖2.7 SOS量測(b) 超音波經過待測物得到的相位 20
圖2.7 SOS量測(c)兩訊號相位差 20
圖2.7 SOS量測(d)相位速度cp(f) 20
圖2.8 BUA量測(a)超音波經過水得到的訊號 21
圖2.8 BUA量測(b) 超音波經過待測物得到的相位 21
圖2.8 BUA量測(c)為(a)的頻率響應 21
圖2.8 BUA量測(d)為(b)的頻率響應 21
圖2.8 BUA量測(e)衰減函數a(f) 21
圖2.8 BUA量測(f)為(e)圖中頻率0.2-0.6M Hz斜率值(BUA) 21
圖2.9 (a) 理想類比數位轉換器輸入/輸出特性曲線 23
圖2.9 (b) 量化誤差示意圖 23
圖2.10 動態範圍與訊號與雜訊失真比值關係圖 24
圖2.11 (a)偏移誤差(Offset Error) 25
圖2.11 (b)增益誤差Gain Error) 25
圖2.11 (c)轉態點誤差(Threshold Error) 25
圖2.11 (d)缺碼(Missing Code) 25
圖2.12 FPGA開發平台 26
圖2.13 簡易型超音波示意圖 27
圖3.1 系統的整體架構圖 28
圖3.2 電源供應器架構圖 29
圖3.3 MOSFET功率開關元件 31
圖3.4 電源供應器電路圖 31
圖3.5 以FPGA實現脈波重複產生器 32
圖3.6 脈波產生器架構方塊圖 33
圖3.7 脈波產生器電路圖 34
圖3.8 超音波接收器方塊圖 35
圖3.9 超音波接收器實際電路圖 36
圖3.10 類比對數位轉換器方塊架構圖 37
圖3.11 類比對數位轉換器(ADC)實際電路圖 39
圖3.12 USB平台架構圖 39
圖3.13 USB實際電路圖 39
圖3.14 硬體架構圖 40
圖3.15 量測操作流程 42
圖3.16 超音波人機操作界面 43
圖3.17 FPGA設計流程 44
圖3.18 FPGA設計BDF檔 45
圖4.1 輸入端電壓及電流功因 46
圖4.2 電感器量測電流 47
圖4.3 電源供應器實際圖 47
圖4.4 電源供應器電路圖 48
圖4.5 FPGA模擬輸出訊號 48
圖4.6 超音波發射器實施電路 49
圖4.7 脈波產生器電路圖 51
圖4.8 超音波接收器接收訊號 50
圖4.9 超音波接收器實際電路 50
圖4.10 電腦端同步訊號 51
圖4.11 AD轉換器實際電路圖 51
圖4.12 USB傳輸器實際電路圖 51
圖4.13 超音波分析系統 52
圖4.14 SOS人機介面 53
圖4.15 量測水之波形 53
圖4.16 量測模擬骨頭之波形 53
圖4.17 BUA人機介面 54
圖4.18 壓克力 54
圖4.19 壓克力SOS量測值 55
圖4.20 壓克力BUA量測值 56
圖4.21 正常模擬骨假體 57
圖4.22 正常模擬骨假體SOS量測值 58
圖4.23 正常模擬骨假體BUA量測值 59
圖4.24 異常模擬骨假體 57
圖4.25 異常模擬骨假體SOS量測值 61
圖4.26 異常模擬骨假體BUA量測值 62
圖4.27 (a)(b)受測者甲乙量測狀況 63
圖4.28 (a)(b) 受測者甲乙UBIS-5000結果 63
圖4.29 受測者甲SOS量測值 64
圖4.29 受測者甲BUA量測值 65
圖4.30 受測者乙SOS量測值 66
圖4.31 受測者乙BUA量測值 67
圖4.32 自製超音波量測系統 68
圖4.33 模擬假骨量測情形 68
圖4.34 壓克力量測情形 68

表目錄
表1.1 超音波在不同介質中的波速、衰減率、聲阻 14
表4.1 壓克力塊之SOS量測結果 55
表4.2 壓克力塊之BUA量測結果 56
表4.3 CIRS正常模擬骨標定值 57
表4.4 正常模擬骨假體之SOS量測結果 58
表4.5 正常模擬骨假體之BUA量測結果 59
表4.6 CIRS異常模擬骨標定值 60
表4.7 異常模擬骨假體SOS量測結果 61
表4.8 異常模擬骨假體之BUA量測結果 62
表4.9 受測者使用UBIS-5000量測結果 63
表4.10 受測者甲SOS量測結果 64
表4.11 受測者甲BUA量測結果 65
表4.12 受測者乙SOS量測結果 66
表4.13 受測者乙BUA量測結果 67
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