基于FPGA的脉搏波速度测量系统设计.pdf

在当今的生物医学工程领域，对于心血管系统的研究是一个非常重要的研究方向，而动脉脉搏波速度（Pulse Wave Velocity, PWV）测量技术，是当前心血管疾病研究与临床诊断中一个非常重要的技术手段。PWV测量能够很好地反映出人体动脉的弹性状态，对于动脉硬化的早期发现、心血管疾病的预防和治疗都具有十分重要的意义。然而，传统的PWV测量方法往往需要专业医疗设备和经验丰富的医疗人员，给大规模人群的筛查和研究带来了限制。为解决这一问题，中南民族大学的研究团队提出了一种基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）的脉搏波速度测量系统设计方案。 FPGA是一种可以通过编程来实现不同数字逻辑功能的集成电路，具有灵活性高、重配置能力强、响应速度快等优点，非常适合用于处理生物信号。在该研究中，研究者利用FPGA的这些优势，构建了一个新型的脉搏波速度测量系统。系统主要由调理模块、模数转换（AD）采集模块和触摸屏控制显示模块三个部分组成。调理模块负责对脉搏信号进行初步处理，以适应模数转换模块的要求；AD采集模块负责对调理后的模拟信号进行数字化转换，以便FPGA处理；触摸屏控制显示模块则提供了系统的人机交互界面。 系统中的FPGA核心是通过SOPCBuilder工具进行配置的。SOPCBuilder是一种系统设计工具，它允许设计师快速构建和配置基于FPGA的片上系统（System On a Programmable Chip，SOPC）。在本研究中，SOPCBuilder被用来同步采集两路脉搏信号，并计算脉搏波速度，最后将计算结果显示在触摸屏上。这种系统设计实现了对脉搏波速度的实时测量，既提高了测量的准确性，又具备了良好的交互界面和稳定性。 该系统设计的一个关键点是，通过示波技术来测量脉搏波速度。示波技术具有操作简便、非侵入性、可重复性高、无需长时间操作培训等优势，非常适合用于大规模人群的筛查和研究。实验结果表明，由该系统测得的脉搏波速度平均值为10.344米/秒，且测量的标准差小于0.5，说明系统的测量结果具有很高的稳定性和重复性。 在技术实现上，研究团队面临的一个挑战是如何在不同的测量点准确记录脉搏波波峰的时延差。由于脉搏波在不同测量点传播时可能会出现波形变化，研究者需要在硬件设计和信号处理算法上作出相应的调整，以确保测量数据的准确性和可靠性。 此外，本研究还提到动脉僵硬度和心血管发病率及死亡率之间的关联性。动脉的硬化程度是一个独立于其他心血管危险因素的重要指标，而脉搏波速度作为一种动脉弹性的指标，可以帮助医生评估心血管疾病的风险。由于心血管疾病已成为我国乃至全球的一个主要健康问题，基于FPGA的脉搏波速度测量系统的提出，对于心血管疾病的预防和控制无疑具有十分积极的意义。 基于FPGA的脉搏波速度测量系统不仅为心血管疾病的诊断与研究提供了一种新的非侵入性测量方法，而且其高稳定性、良好的人机交互界面和实时处理能力使其在实际应用中具有极高的应用价值。