基于3D打印技術(shù)的圖像控制系統(tǒng)設(shè)計

骨折多由嚴重創(chuàng)傷和高能量損傷所致，近年來發(fā)生率明顯呈增長趨勢。內(nèi)固定，手術(shù)創(chuàng)傷度對骨折手術(shù)尤其重要，除了預(yù)防并發(fā)癥外，復(fù)位內(nèi)固定質(zhì)量與創(chuàng)傷程度對治療骨折極其關(guān)鍵。大多數(shù)骨科臨床研究表明，平面顯示的二維圖像不能完全給人直觀、立體的感覺， 影響醫(yī)患雙方溝通，醫(yī)生不易解釋手術(shù)方案，不利于構(gòu)建和諧醫(yī)患關(guān)系。為使手術(shù)更精準、安全，本研究將3D 打印技術(shù)用于打印骨骼以及骨骼修復(fù)體的基于嵌入式的 FDM 型 3D 打印圖像控制系統(tǒng)，主要研發(fā)了系統(tǒng)的圖像控制模塊的 framebuffer 的驅(qū)動程序，完成了framebuffer 的驅(qū)動程序設(shè)計，在治療時，能夠利用 3D 技術(shù)打印出患者的骨骼實物模型，根據(jù)骨骼模型對植入導(dǎo)板進行精確塑形，再將塑形后的骨導(dǎo)板移植到骨骼中進行骨骼的修復(fù)。

1 3D 打印圖像控制系統(tǒng)中圖像的傳輸與顯示

嵌入式系統(tǒng)傳輸圖像數(shù)據(jù)信息，需要通過 Linux 系統(tǒng)下的幀緩沖（framebuffer）結(jié)構(gòu)控制器來實現(xiàn)。因此 framebuffer 的相關(guān)知識對于本系統(tǒng)的實驗十分重要，本研究主要完成 framebuffer 的驅(qū)動程序設(shè)計，完成控制系統(tǒng)中圖像的傳輸與顯示。

工作原理如圖 1。

圖 1 framebuffer 工作原理圖

1.1 嵌入式系統(tǒng) framebuffer 設(shè)計

1.1.1 FDM 3D 打印圖像傳輸系統(tǒng) framebuffer 總體控制設(shè)計

本系統(tǒng)所使用的芯片為 Atmega 2560-16AU（AVR 核心處理器 8 位 16MHz，256KB Flash），集成了很多的外部設(shè)備來配合完成芯片控制功能，在 linux 系統(tǒng)下的源代碼中的 linux/platform_device.h 頭文件中定義了 platform_device 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理描述這些外部設(shè)備。在系統(tǒng)啟動時，就可以將所有芯片的平臺設(shè)備加載，結(jié)構(gòu)體形如下：

struct platform_device Atm2560_device_fb = {

.name = “Atm2560-fb”， //設(shè)備名

.id = -1， //同種多個設(shè)備的編號

.num_resources = ARRAY_SIZE（Atm2560_fb_resource），//資源數(shù)量

.resource = Atm2560_fb_resource，//資源結(jié)構(gòu)體數(shù)組首地址

.dev.dma_mask = &Atm2560_device_fb.dev.coherent_dma_mask，

.dev.coherent_dma_mask = 0xffffffffUL，

};

1.1.2 FDM 3D 打印圖像傳輸系統(tǒng) framebuffer 驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計

幀緩沖作為用戶與硬件之間的中間層，起到電腦顯卡的作用，應(yīng) 用程序?qū)彌_的操作即可看作是對顯存的操作。framebuffer 啟動后，需要我們對其 linux/drivers/videos/下的其的驅(qū)動程序進行部分編寫，驅(qū)動程序是應(yīng)用程序與外部設(shè)備之間的操作的接口，對應(yīng)我們所 使用的 Atmega 2560-16AU（AVR 核心處理器 8 位 16MHz，256KB Flash）芯片，才能實現(xiàn)具體的圖像顯示功能。framebuffer 設(shè)備驅(qū)動包括在如下兩個內(nèi)核文件中：

（1）linux/include/linux/fb.h

（2）linux/drivers/video/fbmem.c

fb.h 中主要包括了 framebuffer 驅(qū)動程序中占主要地位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而 fbmen.c 則是既為上層的應(yīng)用程序提供操作 framebuffer 設(shè)備的函數(shù)接口，讓基本操作與硬件設(shè)備無關(guān)，又為底層的硬件設(shè)備提供 了相應(yīng)的操作接口，但這些操作也不由 fbmen.c 完成，而是由系統(tǒng)使用的芯片處理器來決定的，本文中，我們由 Atm2560fb.c 來實現(xiàn)這些操作，需要根據(jù)不同的 LCD 控制器來實現(xiàn)相關(guān)的接口。圖 2 為framebuffer 設(shè)備驅(qū)動結(jié)構(gòu)。

圖 2 framebuffer 驅(qū)動結(jié)構(gòu)

1.1.3 FDM 3D 打印圖像傳輸系統(tǒng) framebuffer 驅(qū)動程序設(shè)計

1.1.2 中完成 framebuffer 驅(qū)動程序的設(shè)計，才能使其正常工作， 讓圖片正確的顯示。驅(qū)動程序與開發(fā)所使用的的硬件設(shè)備相關(guān)。所以， 驅(qū)動程序分為了兩層：標準驅(qū)動和非標準驅(qū)動。

由圖 2 可以看出，標準驅(qū)動主要為應(yīng)用程序提供操作接口［4］，主要操作在 fbmem.c 的 file_operations 結(jié)構(gòu)里，而底層驅(qū)動則是framebuffer 驅(qū)動程序真正需要完成的功能，需要進行相應(yīng)程序的編寫，來實現(xiàn)真正的圖片顯示。 本系統(tǒng)中幀緩沖驅(qū)動主要在drivers/video/Atm2560/Atm2560fb.c 中 ，驅(qū)動的全部信息在Atm2560fb_info_t 中。

framebuffer 的驅(qū)動程序就需要編寫 Atm2560fb.c 文件，主要包括以下幾個內(nèi)容：

（1）初始化 fb_info 中成員函數(shù)。

底層驅(qū)動需要與設(shè)備驅(qū)動實現(xiàn)綁定，這一過程就是在底層 驅(qū)動的加載的過程中完成的， 為了實現(xiàn)與方便綁定， 每一個platform_device 都定義了一個 platform_driver。

2 系統(tǒng)測試

本文采用黑龍江拓盟科技有限公司的 TMKJ -ET 系列 FDM 3D 打印機進行圖像控制系統(tǒng)的操作實驗，將骨手術(shù)患者術(shù)前 CT 掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件中生成三維骨結(jié)構(gòu)，如圖 3 所示。圖 4 對術(shù)前骨手術(shù)患者骨骼進行復(fù)位后圖像還原對比，得到修復(fù)后的骨骼三維圖， 利用 3D 打印機將術(shù)后骨三維模型打印成型，并對打印的模型進行骨導(dǎo)板復(fù)原手術(shù)，最后，將精準的骨導(dǎo)板植入到患者骨骼中，完成骨手術(shù)的固定復(fù)原。

圖 3 骨手術(shù)前及術(shù)后 CT 圖

圖 4 骨手術(shù)前三維重建以及術(shù)后三維重建圖

通過手術(shù)證明，F(xiàn)DM 3D 打印圖像控制系統(tǒng)運行速度快，交互性高，性能穩(wěn)定，可以精確打印骨科手術(shù)患者的三維骨模型，保證了骨 科手術(shù)安全性和可靠性，使基于嵌入式的 FDM 型 3D 打印圖像控制系統(tǒng)更好服務(wù)于廣大骨科疾病患者。

3 結(jié)束語

在本研究中，3D 打印技術(shù)已經(jīng)用于打印骨骼及骨骼修復(fù)體等。在治療時，能夠利用 3D 技術(shù)打印出患者的骨骼實物模型，根據(jù)骨骼模型對植入導(dǎo)板進行精確塑形，再將塑形后的導(dǎo)板移植到骨手術(shù)中進行骨骼的修復(fù)。以往的 3D 打印圖像控制系統(tǒng)集成復(fù)雜，界面交互感差且效率低。本研究系統(tǒng)的圖像控制模塊的 framebuffer 的驅(qū)動程序， 完成了 framebuffer 的驅(qū)動程序設(shè)計，通過系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該圖像控制系統(tǒng)運行操作簡單，效率高且性能穩(wěn)定，可以精確打印骨科手術(shù)患者的三維骨模型，保證了醫(yī)生能夠進行精準的骨科手術(shù)。