口腔CT控制系統(tǒng)的設(shè)計.pdf

1、口腔健康是反映人類健康的一面鏡子，世界衛(wèi)生組織把其列為人體健康的十大標(biāo)準(zhǔn)之一。目前我國越來越多的民眾也開始認(rèn)識到口腔健康的重要性。而我國已開始進(jìn)入老齡化階段，口腔疾病的發(fā)展趨勢也有所改變。在第三次全國口腔健康流行病學(xué)調(diào)查顯示，我國5歲兒童乳牙患齲齒病率為66.0％，中年人患齲齒病率為88.1％，牙周健康率為14.5％，牙齒缺失率為37.0％;老年人患齲齒病率為98.4％，牙周健康率為14.1％，牙齒缺失率86.1％。由此可見我國齲齒病發(fā)

2、病率比較高，影響人們的正常生活，但該類病是可以早期預(yù)防的，若早期預(yù)防可以減少30％的發(fā)病率，并且治療費用也只要10％左右。
　　 在口腔疾病的預(yù)防中，口腔診斷是必經(jīng)手段。隨著現(xiàn)代醫(yī)療器械技術(shù)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出新的診斷技術(shù)，為口腔疾病診斷提供了許多有力的工具。在X射線診斷領(lǐng)域有口腔牙片機、口腔全景機以及口腔CT等。其中，以口腔CT的診斷最為準(zhǔn)確?？谇籆T能夠從三維（軸位、冠狀位和矢狀位）對口腔組織情況進(jìn)行準(zhǔn)確的反映，能夠發(fā)現(xiàn)牙片機

3、和全景牙科機無法看到的病變;這對于多數(shù)口腔醫(yī)生來說，利用口腔CT獲取高分辨率三維圖像是診斷治療較為理想的技術(shù)手段。另外，口腔CT還可以協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前方案設(shè)計和術(shù)后療效評價，因此，口腔CT在口腔整形、口腔種植領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而傳統(tǒng)CT機由于放射劑量大、體積大、成本高等缺點限制了在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。所以，具有輻射劑量低、成本低、占地面積小、操作方便且易于維護等優(yōu)點的口腔CT逐漸取代傳統(tǒng)CT在口腔領(lǐng)域的地位?？谇籆T屬于?？圃O(shè)備，性

4、價比相對較低，目前在我國基本只在部分大醫(yī)院才得以裝配，不利于我國基層醫(yī)療水平的提高。
　　 自20世紀(jì)末歐洲和日本設(shè)計出第一臺口腔CT以來，口腔CT進(jìn)入一個飛速發(fā)展的階段，開始廣泛應(yīng)用于臨床，目前國外的口腔CT技術(shù)已經(jīng)相對成熟。由于技術(shù)門檻高，國內(nèi)市場只能依賴進(jìn)口。國內(nèi)口腔CT的研發(fā)起步晚，而且我國工業(yè)基礎(chǔ)相對差，相關(guān)的核心部件跟不上國外水平，目前國內(nèi)只有有少數(shù)研究單位在研制口腔CT，但國產(chǎn)口腔CT尚未上市。
　　 從原

5、理上講，口腔CT是錐形束CT(cone beam CT, CBCT)成像技術(shù)的一種具體應(yīng)用。在重建算法上多采用Feldkamp、Dewis、Kress提出的錐形軌跡為單圓的重建方法即FDK算法。由于該算法數(shù)學(xué)理論和計算過程均相對簡單，便于硬件加速和并行運算的實施，機械機構(gòu)容易實現(xiàn)，因此該算法在CBCT中獲得了廣泛的應(yīng)用?？谇籆T的成像原理和傳統(tǒng)CT成像原理類似，但是CBCT所獲取的是二維投影數(shù)據(jù)，對應(yīng)使用的是二維平板探測器，而傳統(tǒng)CT得

6、到的是一維數(shù)據(jù)，對應(yīng)使用的是線狀探測器。
　　 從結(jié)構(gòu)上講，口腔CT具有臥式、坐式和立式，不管是哪一種形式，都包含有平板探測器、高壓發(fā)生器、X射線管以及旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件，并且其掃描方式都是不變的。
　　 高精度的機械裝置、掃描系統(tǒng)的協(xié)同控制、平板探測器的幾何校正等是研發(fā)口腔CT系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　 本文針對這些關(guān)鍵技術(shù)問題，做了以下工作:
　　 1、平板探測器的實驗校正
　　

7、為了保證平板探測器采集投影圖像的質(zhì)量，通過實驗對平板探測器的穩(wěn)定性、線性一致性和信噪比進(jìn)行了實驗校正。
　　 2、實現(xiàn)了平板探測器、高壓發(fā)生器和機架旋轉(zhuǎn)三者之間的同步控制。
　　 (1).平板探測器的控制時序的分析。在了解平板探測器的結(jié)構(gòu)以及成像原理的基礎(chǔ)之上，通過實驗，分析平板探測器控制接口的控制時序。結(jié)合實際應(yīng)用，本文選擇了10Hz的圖像采集速率。
　　 (2).高壓發(fā)生器的控制時序以及通信協(xié)議的分析。應(yīng)用F

8、luke的mAX射線測設(shè)備和示波器捕捉高壓輸出信號，分析X射線輸出脈沖寬度和頻率，確定高壓發(fā)生器的控制時序。利用串口調(diào)試助手和虛擬串口對串口信號進(jìn)行檢測對比，確定高壓發(fā)生器的通信協(xié)議。
　　 在平板探測器和高壓發(fā)生器控制時序的分析和實驗的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了探測器圖像采集和高壓發(fā)生器脈沖出射束的同步控制。
　　 (3).平板探測、高壓發(fā)生器和機架旋轉(zhuǎn)三者之間的同步控制。
　　 在機架旋轉(zhuǎn)的的控制中，本設(shè)計通過分析比較選

9、擇了累積誤差為0的步進(jìn)電機。為了提高步進(jìn)電機的控制精度，步進(jìn)電機的控制采用硬件驅(qū)動器進(jìn)行細(xì)分，通過調(diào)節(jié)頻率來控制步進(jìn)電機的速度。由于，步進(jìn)電機自身原因，在啟動和停止的過程中會出現(xiàn)震動、過沖等不平穩(wěn)的運動現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和口腔CT的成像質(zhì)量。為了達(dá)到電機的平滑啟停，本文在步進(jìn)電機的啟停軟件設(shè)計中采用了步進(jìn)電機加減速算法。步進(jìn)電機加減速算法目前有直線型加減速算法，指數(shù)型加減速算法、7分段S型曲線加減速算法。本設(shè)計采用的是S型曲線

10、算法，該算法并不是用7分段的方法擬合，而是采用余弦函數(shù)進(jìn)行擬合，通過實際的應(yīng)用，修正后得到S型擬合曲線。在機架控制平穩(wěn)的情況下，才能通過光柵反饋信號來實現(xiàn)口腔CT機架、平板探測器以及高壓發(fā)生器的同步控制。
　　 最后，在上述分析和實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計出實現(xiàn)了平板探測器、高壓發(fā)生器和機架旋轉(zhuǎn)三者之間的同步控制方案，并根據(jù)方案設(shè)計了電路原理圖，制作相應(yīng)的電路板。該同步控制方案使用Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片EP4CE15F256

11、為控制系統(tǒng)的核心芯片。由于電機是大電流設(shè)備，高壓發(fā)生器是高壓設(shè)備，探測器是貴重物品，所以在各個部件的控制接口處采用光耦進(jìn)行隔離。本設(shè)計方案還使用了兩個串口用于通信，一個串口用于和圖像工作站的通信，一個串口用于對高壓發(fā)生器參數(shù)的設(shè)定和狀態(tài)的監(jiān)測。為了實現(xiàn)系統(tǒng)掃描的協(xié)調(diào)，設(shè)計采用光柵尺進(jìn)行角度的反饋，利用FPGA讀取反饋信號，并將該信號作為系統(tǒng)的一個同步信號。另外，系統(tǒng)外部電路還設(shè)計有用于交互的按鍵和顯示功能。由于，使用的是FPGA作為控制

12、核心，在其中嵌入32位處理器NiosⅡ，大大提高了FPGA的控制性能，并且FPGA還能將許多邏輯芯片集成在芯片內(nèi)部，有效的簡化了電路，軟件設(shè)計也更加靈活。
　　 3、設(shè)計實現(xiàn)了同步控制方案的相關(guān)軟件，主要包括:
　　 1.FPGA軟件設(shè)計。該軟件包含探測器控制時序、高壓發(fā)生器時序、步進(jìn)電機加減速模塊以及NiosⅡ內(nèi)核的定制等模塊。其中，步進(jìn)電機加減速采用的S型曲線算法擬合出來的參數(shù)有MATLAB生成，存儲在FPGA生成的

13、ROM中，系統(tǒng)運行過程中，通過讀取ROM中的數(shù)據(jù)來改變步進(jìn)電機的分頻數(shù)，以此來達(dá)到對電機加減速的控制。
　　 2.在NiosⅡ軟件設(shè)計中。該軟件設(shè)定了同步控制系統(tǒng)獨有的通信協(xié)議，另外，以及串口通信模塊、定時器模塊的調(diào)用和按鍵顯示等交互模塊。
　　 3.上位機軟件的設(shè)計。該軟件包含了串口通信類和串口通信協(xié)議函數(shù)的編寫。用于高壓發(fā)生器參數(shù)的設(shè)定以及高壓發(fā)生器狀態(tài)的檢測。本上位機軟件設(shè)計的一個重點在于圖像數(shù)據(jù)采集部分的軟件設(shè)計

14、，圖像采集部分的函數(shù)雖然使用的是探測器自帶的開發(fā)包，但是需要根據(jù)實際需求進(jìn)行裁剪，比如采集圖像大小的選擇，采集圖像預(yù)處理方式選擇，采集圖像的實時存儲等，同時還要能與控制系統(tǒng)協(xié)同運行。
　　 本設(shè)計完成了以后，進(jìn)行了相關(guān)的實驗和調(diào)試。對于平板探測器的實驗，利用該控制系統(tǒng)獲取平板探測器不同模式下的采集速率和采集脈寬;對于同步時序的實驗，利用示波器捕捉分析系統(tǒng)輸出的控制脈沖;對于通信協(xié)議的實驗，通過串口調(diào)試助手和虛擬串口檢測串口控制狀