口腔CT控制系统的设计

发布时间：2017-05-18 17:27

  本文关键词：口腔CT控制系统的设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：口腔健康是反映人类健康的一面镜子,世界卫生组织把其列为人体健康的十大标准之一。目前我国越来越多的民众也开始认识到口腔健康的重要性。而我国已开始进入老龄化阶段,口腔疾病的发展趋势也有所改变。在第三次全国口腔健康流行病学调查显示,我国5岁儿童乳牙患龋齿病率为66.0%,中年人患龋齿病率为88.1%,牙周健康率为14.5%,牙齿缺失率为37.0%；老年人患龋齿病率为98.4%,牙周健康率为14.1%,牙齿缺失率86.1%。由此可见我国龋齿病发病率比较高,影响人们的正常生活,但该类病是可以早期预防的,若早期预防可以减少30%的发病率,并且治疗费用也只要10%左右。 在口腔疾病的预防中,口腔诊断是必经手段。随着现代医疗器械技术的发展,不断涌现出新的诊断技术,为口腔疾病诊断提供了许多有力的工具。在X射线诊断领域有口腔牙片机、口腔全景机以及口腔CT等。其中,以口腔CT的诊断最为准确。口腔CT能够从三维(轴位、冠状位和矢状位)对口腔组织情况进行准确的反映,能够发现牙片机和全景牙科机无法看到的病变；这对于多数口腔医生来说,利用口腔CT获取高分辨率三维图像是诊断治疗较为理想的技术手段。另外,口腔CT还可以协助医生进行术前方案设计和术后疗效评价,因此,口腔CT在口腔整形、口腔种植领域有着广泛的应用。而传统CT机由于放射剂量大、体积大、成本高等缺点限制了在口腔医学领域中的应用。所以,具有辐射剂量低、成本低、占地面积小、操作方便且易于维护等优点的口腔CT逐渐取代传统CT在口腔领域的地位。口腔CT属于专科设备,性价比相对较低,目前在我国基本只在部分大医院才得以装配,不利于我国基层医疗水平的提高。 自20世纪末欧洲和日本设计出第一台口腔CT以来,口腔CT进入一个飞速发展的阶段,开始广泛应用于临床,目前国外的口腔CT技术已经相对成熟。由于技术门槛高,国内市场只能依赖进口。国内口腔CT的研发起步晚,而且我国工业基础相对差,相关的核心部件跟不上国外水平,目前国内只有有少数研究单位在研制口腔CT,但国产口腔CT尚未上市。 从原理上讲,口腔CT是锥形束CT(cone beam CT,CBCT)成像技术的一种具体应用。在重建算法上多采用Feldkamp、Dewis、Kress提出的锥形轨迹为单圆的重建方法即FDK算法。由于该算法数学理论和计算过程均相对简单,便于硬件加速和并行运算的实施,机械机构容易实现,因此该算法在CBCT中获得了广泛的应用。口腔CT的成像原理和传统CT成像原理类似,但是CBCT所获取的是二维投影数据,对应使用的是二维平板探测器,而传统CT得到的是一维数据,对应使用的是线状探测器。 从结构上讲,口腔CT具有卧式、坐式和立式,不管是哪一种形式,都包含有平板探测器、高压发生器、X射线管以及旋转机械结构等关键部件,并且其扫描方式都是不变的。 高精度的机械装置、扫描系统的协同控制、平板探测器的几何校正等是研发口腔CT系统必须解决的关键技术问题。 本文针对这些关键技术问题,做了以下工作： 1、平板探测器的实验校正 为了保证平板探测器采集投影图像的质量,通过实验对平板探测器的稳定性、线性一致性和信噪比进行了实验校正。 2、实现了平板探测器、高压发生器和机架旋转三者之间的同步控制。 (1).平板探测器的控制时序的分析。在了解平板探测器的结构以及成像原理的基础之上,通过实验,分析平板探测器控制接口的控制时序。结合实际应用,本文选择了10Hz的图像采集速率。 (2).高压发生器的控制时序以及通信协议的分析。应用Fluke的mAX射线测设备和示波器捕捉高压输出信号,分析X射线输出脉冲宽度和频率,确定高压发生器的控制时序。利用串口调试助手和虚拟串口对串口信号进行检测对比,确定高压发生器的通信协议。 在平板探测器和高压发生器控制时序的分析和实验的基础上,实现了探测器图像采集和高压发生器脉冲出射束的同步控制。 (3).平板探测、高压发生器和机架旋转三者之间的同步控制。 在机架旋转的的控制中,本设计通过分析比较选择了累积误差为0的步进电机。为了提高步进电机的控制精度,步进电机的控制采用硬件驱动器进行细分,通过调节频率来控制步进电机的速度。由于,步进电机自身原因,在启动和停止的过程中会出现震动、过冲等不平稳的运动现象,这严重影响系统的稳定性和口腔CT的成像质量。为了达到电机的平滑启停,本文在步进电机的启停软件设计中采用了步进电机加减速算法。步进电机加减速算法目前有直线型加减速算法,指数型加减速算法、7分段S型曲线加减速算法。本设计采用的是S型曲线算法,该算法并不是用7分段的方法拟合,而是采用余弦函数进行拟合,通过实际的应用,修正后得到S型拟合曲线。在机架控制平稳的情况下,才能通过光栅反馈信号来实现口腔CT机架、平板探测器以及高压发生器的同步控制。 最后,在上述分析和实验的基础上,设计出实现了平板探测器、高压发生器和机架旋转三者之间的同步控制方案,并根据方案设计了电路原理图,制作相应的电路板。该同步控制方案使用Altera公司生产的FPGA芯片EP4CE15F256为控制系统的核心芯片。由于电机是大电流设备,高压发生器是高压设备,探测器是贵重物品,所以在各个部件的控制接口处采用光耦进行隔离。本设计方案还使用了两个串口用于通信,一个串口用于和图像工作站的通信,一个串口用于对高压发生器参数的设定和状态的监测。为了实现系统扫描的协调,设计采用光栅尺进行角度的反馈,利用FPGA读取反馈信号,并将该信号作为系统的一个同步信号。另外,系统外部电路还设计有用于交互的按键和显示功能。由于,使用的是FPGA作为控制核心,在其中嵌入32位处理器Nios II,大大提高了FPGA的控制性能,并且FPGA还能将许多逻辑芯片集成在芯片内部,有效的简化了电路,软件设计也更加灵活。 3、设计实现了同步控制方案的相关软件,主要包括： 1.FPGA软件设计。该软件包含探测器控制时序、高压发生器时序、步进电机加减速模块以及Nios II内核的定制等模块。其中,步进电机加减速采用的S型曲线算法拟合出来的参数有MATLAB生成,存储在FPGA生成的ROM中,系统运行过程中,通过读取ROM中的数据来改变步进电机的分频数,以此来达到对电机加减速的控制。 2.在Nios II软件设计中。该软件设定了同步控制系统独有的通信协议,另外,以及串口通信模块、定时器模块的调用和按键显示等交互模块。 3.上位机软件的设计。该软件包含了串口通信类和串口通信协议函数的编写。用于高压发生器参数的设定以及高压发生器状态的检测。本上位机软件设计的一个重点在于图像数据采集部分的软件设计,图像采集部分的函数虽然使用的是探测器自带的开发包,但是需要根据实际需求进行裁剪,比如采集图像大小的选择,采集图像预处理方式选择,采集图像的实时存储等,同时还要能与控制系统协同运行。 本设计完成了以后,进行了相关的实验和调试。对于平板探测器的实验,利用该控制系统获取平板探测器不同模式下的采集速率和采集脉宽；对于同步时序的实验,利用示波器捕捉分析系统输出的控制脉冲；对于通信协议的实验,通过串口调试助手和虚拟串口检测串口控制状态；同时利用X射线测试设备检测X射线源的输出状况。整个系统经过合理调试后,将上位机软件和图像工作站的图像处理软件整合,并且在实验过程中运行良好： 本研究从口腔CT各个关键部件着手,经过综合分析和实际实验操作,设计出了控制方案,并制作了相应的电路板,最终配合机械结构联机调试,与图像处理软件相结合,完成了口腔CT功能样机系统的设计。但该控制系统在稳定性、电磁兼容性方等方面尚需要进一步实验。
【关键词】：口腔CT 同步控制 平板探测器 Nios Ⅱ
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R814.42
【目录】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-18
• 第一章 绪论18-24
• 1.1 课题背景及研究意义18-21
• 1.2 国内外现状21-23
• 1.2.1 国外研究现状21-22
• 1.2.2 国内研究现状22-23
• 1.3 课题的来源及研究内容23-24
• 1.3.1 课题来源23
• 1.3.2 课题研究内容23-24
• 第二章 口腔CT系统原理24-30
• 2.1 口腔CT重建算法24-25
• 2.2 口腔CT原理过程25-27
• 2.3 口腔CT的机械结构和扫描方式27-28
• 2.4 口腔CT控制系统的分析28-30
• 第三章 探测器分析30-42
• 3.1 探测器组成原理及性能分析30-34
• 3.2 探测器校正34-39
• 3.2.1 稳定性35-36
• 3.2.2 线性一致性36-37
• 3.2.3 信噪比37-39
• 3.3 探测器时序分析39-42
• 第四章 高压发生器42-48
• 4.1 高压发生器原理42-45
• 4.2 高压发生器的控制45-48
• 第五章 步进电机控制48-56
• 5.1 步进电机原理48-51
• 5.2 步进电机驱动参数及控制信号51-52
• 5.3 步进电机加减速算法研究52-56
• 第六章 口腔CT控制系统设计56-70
• 6.1 方案的选择56-57
• 6.2 硬件系统设计57-58
• 6.3 同曝光控制硬件设计58-59
• 6.4 控制系统软件设计59-70
• 6.4.1 高压发生器和探测脉冲控制软件设计59-60
• 6.4.2 步进电机控制模块软件设计60-61
• 6.4.3 系统软件顶层模块设计61-62
• 6.4.4 NiosⅡ内核软件设计62-63
• 6.4.5 平板探测的校正控制软件设计63-64
• 6.4.6 系统几何校正软件设计64-65
• 6.4.7 系统扫描模式控制软件设计65-66
• 6.4.8 串口通信66-67
• 6.4.9 上位机软件设计67-70
• 第七章 实验结果70-74
• 7.1 步进电机仿真结果70-71
• 7.2 实际运行采集的结果71-72
• 7.3.上位机软件调试结果72-74
• 第八章 总结与展望74-75
• 参考文献75-79
• 研究生期间成果79-80
• 致谢80-81

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本文编号：376709