1 绪论
1.1 引言
近年来，老年人的泌尿系统疾病患病率呈明显上升趋势。泌尿系统疾病是老年人的常见病，患病率随着年龄的增加而显著增加[1]，据相关资料统计国内泌尿系统患病率为 33.4％，死亡率为 1.39%[2]。膀胱残余尿量常被用作了解膀胱功能、判断尿道梗阻情况的重要依据，已经成为国际上众多机构和组织诊断、治疗泌尿系统疾病和评估治疗效果的重要指标之一。
广泛子宫切除术常被用于妇科恶性肿瘤的手术治疗，该手术必须切除膀胱与子宫相连接的韧带与结缔组织，手术并发症较多，术后膀胱尿潴留和尿失禁是常见的并发症。尿潴留的临床表现为膀胱内尿液过多但无法主动排出，直接导致膀胱过度膨胀和逼尿肌永久损伤，病人腹痛难忍。患者出现排尿不畅、尿潴留和尿失禁是导致泌尿系统感染和肾功能衰竭的重要因素。此类疾病潜伏期较长，不易发觉，病因复杂，一旦发病将不易被治愈，严重影响患者术后康复，使患者长期忍受痛苦，给患者的生活带来极大的不便，因此对于膀胱残余尿量的早期诊断尤其重要。
导尿术是患者正常排尿后将导管插入尿道引出膀胱中的残余尿液[3]，目的是消除尿潴留症状，同时测定膀胱内残余尿量，在此过程中患者需要承受较大的痛苦和增加了尿路感染的机会[4]。为了减少患者的痛苦，研究人员提出了植入传感器法、生物阻抗法和体外成像法来取代导尿术，但各有其优缺点。本文在对三种方法进行比较的基础上，设计了一种新型的超声膀胱容积检测系统，并对残余尿量的测试效果进行了探讨。
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1.2 课题的研究现状
目前，膀胱容积测量方法研究热点主要有植入传感器法、生物阻抗法和体外成像法，由于其有各自的优缺点，测量效果也存在差异。
（一）植入传感器法
针对导管排尿法出现的问题，研究人员提出了植入式传感器法测量膀胱容积，并取得了很大的成就。2014 年，Albert Kim 团队开发出使用可闻声提供动力的可植入应变传感器（长 40mm，直径 8mm），该系统由可闻声频范围内的机械振动提供动力。该技术显着增大了感应范围，解决了感应供电中常见的未对准问题，并简化了外部接收器电路[5]。图 1-1 是植入膀胱的应变传感器的示意图，图 1-2 是应变传感器系统功能示意图。系统的运行机制是：扬声器发出声音，压电悬臂充当声学接收器，通过压电悬臂产生共振将声能转换成电能来对电容器充电；当悬臂不振动时，膀胱形变的压力可以改变电感器的阻抗值，存储的电荷通过对压力敏感的 LC 槽放电，当 LC 槽以固有的谐振频率振荡时，它会发出一个高频信号，该信号可以使用外部接收器检测到，并且其频率对应于测量的压力。经实验证明，接收器的最远应答距离是 10cm，膀胱容积和压力呈线性关系。但是，此方法带来了功率、生物兼容性和遥测等问题。比如，被传感器附着的膀胱组织可能会在一段时间后发生纤维化，这会改变组织的物理性质，例如降低其拉伸能力，使得该技术无法长期使用。
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2 超声检测系统方案设计
2.1 引言
本文旨在设计一种无需成像的用于膀胱容积测量的超声检测系统，根据课题的研究目的设计具体的电路和程序，本章将介绍超声检测系统的整体设计方案。超声发射电路采用 MOS 场效应管作为开关控制高压脉冲信号的产生，非常符合本文超声检测系统小型化的要求。超声接收电路将回波信号中的高频谐波成分去除掉，提高了膀胱容积测量的准确度。更为重要的是，本文主要采用两种算法进行信号处理：一是“三点定位”算法，二是希尔伯特解调算法。本文提出了一种新型的膀胱容积算法——“三点定位”算法，解决了已有的膀胱容积算法计算复杂和准确度差的问题；采用希尔伯特算法对回波信号进行信号处理，加快了 FPGA 的运算速度，提高了容积测量效率；根据我们提出的新型膀胱容积算法设计相应的超声探头。本章内容将对超声检测系统的设计方案进行详细的介绍。
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2.2 系统整体方案
本文所研究的用于膀胱容积测量的超声检测系统主要由两部分组成，一是 FPGA开发平台，主要作用是产生驱动超声发射电路的控制信号、存储超声回波信号和计算膀胱容积；二是超声发射和接收电路，主要作用是产生激励超声探头的高压脉冲信号、放大回波信号、去除回波信号中的高次谐波成分和进行模拟信号与数字信号之间的转换。
整个系统的示意图，如图 2-1 所示。直流电源为 FPGA 和超声发射接收电路供电，本文中我们采用交流转直流的电源适配器来实现直流供电。通过平台自带的电子开关控制 FPGA 开发平台产生控制信号，以此种方式控制整个系统的运行。在控制信号高电平期间，超声发射电路产生可以驱动超声探头的高压脉冲信号，超声探头发出超声波。超声波具有较强的指向性，可以沿一定方向传播[27]。超声波在遇到声阻抗不同的器官组织表面时会发生反射、折射和散射[28]。由于超声发射电路和超声接收电路共用一个超声探头，超声回波通过压电效应使沿着超声探头极化方向的两个相对的表面产生极性相反的电荷，超声探头表面产生微弱的电压信号。超声接收电路将这个电压小信号进行放大滤波之后，通过模数转换芯片将此电压信号采集为数字信号，保存在FPGA 的存储器中。FPGA 通过对超声回波进行信号处理，提取出有用的信息，进而得到膀胱的容积。
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3 硬件电路设计与实现 ....................... 233.1 引言 ............................... 23
3.2 超声发射电路设计与实现 ................................. 23
3.3 超声接收电路设计与实现 .................................. 25
4 FPGA 程序设计与实现 ....................................... 30
4.1 引言 ................................ 30
4.2FPGA 程序总体设计 ........................ 31
4.3FPGA 程序实现 ................................. 32
5 系统测试及验证 ................................. 38
5.1 引言 .......................... 38
5.2 实验装置整体设计 .......................... 38
5 系统测试及验证
5.1 引言
针对泌尿系统疾病的现状和存在的问题，本文设计了一种新型的用于测量膀胱容积的超声检测系统。前三章对超声检测系统的设计原理和设计方案进行了详细的介绍，给出了各个电路模块的电路结构图和测试结果。为了验证超声检测系统的硬件设计和FPGA 程序的可行性，本章将设计实验进行测试，并进行相关的理论计算和结果分析。
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6 总结与展望
6.1 全文总结
本文的主要工作有：
（一）设计了基于 FPGA 开发平台的测量膀胱容积的超声检测系统。现有的植入式膀胱测量设备生物相容性差，灵敏度低；生物阻抗测量法，皮肤的电接触不可靠以及导致阻抗变化的因素较多；磁共振成像检查膀胱，检查费用昂贵，检查持续时间长。相比之下，超声检测的优点包括无辐射、无痛苦、分辨率高、穿透力强和经济实用。针对现有技术存在的问题，本文提出了新型的超声膀胱容积检测系统。此系统不需要进行成像，明显缩小仪器的体积，降低了成本；采用三点定位法计算膀胱容积，简化了算法的复杂度；采用希尔伯特解调算法提取超声信号的包络线，降低了信号处理的难度，加快了信号处理的速度；本文根据新型的膀胱容积算法设计出配套的超声探头，实现了一个超声探头可以向多个方向发射超声波的目标。
（二）设计制作了驱动超声探头的超声发射电路。超声发射电路的设计方法众多，适用于不同的场合。驱动超声探头一般需要十几伏到一百伏的脉冲电压，直接导致超声发射电路体型巨大。本文的设计思路就是采用 MOSFET 作为开关电路，MOSFET电路可以在低电流和小电压的条件下工作，有助于减小电路规模和降低功耗。实验结果证明，本文的设计方案达到了最初的设计目标，产生了中心频率为 3M 的高压脉冲驱动超声探头。
（三）设计制作了超声回波接收电路。超声波由于遇到声阻抗系数不同的边界发生反射、散射和透射，同时超声波会被腔体中的液体吸收，所以接收到的超声回波信号较小，需要将信号放大几十至一百倍。本文采用的是多级放大电路，将信号放大 100倍，然后将信号中的高频成分去除掉，最后通过模数转换芯片将模拟信号量化采集为数字信号。
参考文献（略）