基于嵌入式眶壁骨折在3D打印控制系統(tǒng)設(shè)計

孔明茹，教瑩瑩，王海艷，李洪義，呂曉紅，王 珺

(1. 牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 信息中心，黑龍江 牡丹江 157000；2. 牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 一分院，黑龍江 牡丹江 157000；3. 牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 磁共振科，黑龍江 牡丹江 157000；4. 牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 麻醉科，黑龍江 牡丹江 157000)

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基于嵌入式眶壁骨折在3D打印控制系統(tǒng)設(shè)計

孔明茹1，教瑩瑩2，王海艷2，李洪義3，呂曉紅4，王 珺2

(1. 牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 信息中心，黑龍江 牡丹江 157000；2. 牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 一分院，黑龍江 牡丹江 157000；3. 牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 磁共振科，黑龍江 牡丹江 157000；4. 牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 麻醉科，黑龍江 牡丹江 157000)

傳統(tǒng)的3D打印控制系統(tǒng)操作復(fù)雜，且效率低下。為此，文中開發(fā)了一種應(yīng)用于眶壁骨折的基于嵌入式的FDM型3D打印系統(tǒng)，其將STL文件格式的3D模型轉(zhuǎn)化為2D平面的數(shù)據(jù)，并以G代碼的形式發(fā)送給下位機。3D打印機接收到G代碼中的指令后進行打印操作，同時系統(tǒng)對打印機實時監(jiān)控，保證打印操作成功執(zhí)行。通過系統(tǒng)的實驗測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠精確打印眶壁骨折患者的三維眼眶模型，從而使醫(yī)生能夠進行眶壁復(fù)原鈦網(wǎng)的精確塑性，方便了醫(yī)生對患者進行眶壁復(fù)原，滿足設(shè)計要求。

嵌入式；眶壁骨折；FDM型3D打印控制系統(tǒng)

隨著我國汽車持有量程指數(shù)形式增長，人們生活節(jié)奏加快等多方因素，造成交通事故，工傷以及暴力行為等惡性事故逐步增加，導(dǎo)致眶壁骨折發(fā)病率逐年增長[1]。眶壁骨折會損壞眼球、眼神經(jīng)等，若未能及時得到修復(fù)，將會對傷者眼睛造成無法挽回的損壞，嚴(yán)重者將會失明。傳統(tǒng)手術(shù)治療在植入鈦網(wǎng)修復(fù)骨折區(qū)域時，需要不斷調(diào)整和塑形，使得軟組織更易受到創(chuàng)傷[2]。3D打印技術(shù)由于能夠快速準(zhǔn)確打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)實體，在社會各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3-5]。在臨床醫(yī)學(xué)中，3D打印技術(shù)已經(jīng)用于打印骨骼以及骨骼修復(fù)體等。在治療眶壁骨折時，能夠利用3D技術(shù)打印出患者的眼眶實物模型，根據(jù)眼眶模型對植入鈦網(wǎng)進行精確塑形，再將塑形后的鈦網(wǎng)移植到眼眶中進行眶壁骨折的修復(fù)。

傳統(tǒng)的3D打印控制系統(tǒng)操作復(fù)雜，且效率低下。為此，本文開發(fā)了一種應(yīng)用于眶壁骨折的基于嵌入式的FDM型3D打印系統(tǒng)，其將STL文件格式的3D模型轉(zhuǎn)化為2D平面的數(shù)據(jù)，并以G代碼的形式發(fā)送給下位機。3D打印機接收到G代碼中的指令后進行打印操作，同時系統(tǒng)對打印機實時監(jiān)控，保證打印操作成功執(zhí)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示為控制系統(tǒng)的總體框架[6-7]。其中，控制器采用三星公司的基于ARM9內(nèi)核的S3C2440處理器，其完成對整個系統(tǒng)，包括材料加熱裝置、電機、送料機、顯示器等模塊的控制，以及實時更新溫度傳感器和觸摸顯示模塊的輸入數(shù)據(jù)。電源電路模塊為系統(tǒng)提供3.3 V及12 V的電源電壓，以維持系統(tǒng)的正常運行。觸摸顯示模塊用于查看系統(tǒng)信息以及對運行參數(shù)作出修改；溫度傳感器用于檢測打印噴頭的實時溫度，保障其溫度處于正常工作范圍內(nèi)；步進電機帶動打印噴頭的垂直運動及水平運動，實現(xiàn)3D模型的精確打印。

圖1 系統(tǒng)總體框架

首先，通過電腦將3D模型進行切片處理，其將STL文件格式的3D模型轉(zhuǎn)化為2D平面的數(shù)據(jù)，并生成G代碼發(fā)送至控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)啟動加熱裝置使打印噴頭加熱至預(yù)定溫度后，送料機自動輸送材料至打印噴頭加熱融化，然后步進電機根據(jù)2D平面數(shù)據(jù)操縱打印噴頭的運動，來確定材料的落點，最終打印出3D模型。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1.1 步進電機驅(qū)動模塊

步進電機采用L298N電機驅(qū)動模塊[8]來控制，其驅(qū)動電壓為5～35 V，可直接采用電源電路模塊的12 V直流電壓進行供電。有系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)動的力矩大小及平穩(wěn)性、噪聲等方面要求較高。本文采用八拍工作模式，其各相通電順序為 。此外，可采用PWM方式控制電機的轉(zhuǎn)速。步進電機驅(qū)動模塊，如圖2所示。其中，輸入IN1，IN2，IN3，IN4與ARM處理器相連，輸出OUT1，OUT2，OUT3，OUT4與步進電機相連。系統(tǒng)運行時，處理器產(chǎn)生電平信號并發(fā)送給L298N電機驅(qū)動模塊來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。

圖2 步進電機驅(qū)動模塊

1.1.2 溫度傳感模塊

溫度傳感模塊[9]主要用于監(jiān)控打印噴頭的實時溫度。由于噴頭的溫度會對材料的粘結(jié)程度及流動能力等造成影響，因此需要實時監(jiān)控噴頭的溫度以使噴頭保持在一個合理的溫度范圍內(nèi)，避免噴頭堵塞，影響加工速度與成品質(zhì)量。這里采用熱電偶來進行溫度測量，并通過MAX6675串行A/D轉(zhuǎn)換器將熱電偶產(chǎn)生的溫度模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出，其可結(jié)合PID來對溫度進行調(diào)節(jié)。溫度感應(yīng)模塊，如圖3所示。

圖3 溫度感應(yīng)模塊

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3D控制系統(tǒng)軟件[10-11]框圖，如圖4所示。其分為主控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及執(zhí)行機構(gòu)。主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)人機交互及數(shù)據(jù)處理，文件和通訊管理等。主控系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)角度胧教幚砥?，嵌入式處理器解析識別出指令后，分別控制步進電機以及加熱裝置，進行打印噴頭的移動及加熱。

圖4 系統(tǒng)軟件總體框圖

系統(tǒng)軟件工作流程，如圖5所示。系統(tǒng)初始化后分為3個線程執(zhí)行，分別為溫度控制線程、步進電機控制線程以及數(shù)據(jù)接收處理線程。溫度控制線程首先判斷溫度傳感模塊是否開啟，若已開啟，則進行溫度采集，并通過PID調(diào)節(jié)溫度[12-15]；若接收到停止溫度采集的指令，則停止加熱；反之，返回到第一步判斷溫度傳感模塊是否開啟。步進電機控制線程首先判斷是否有新數(shù)據(jù)傳送，若有，則判斷電機是否處于工作狀態(tài)，若電機處于工作狀態(tài)，則繼續(xù)回到上一步；若電機處于非工作狀態(tài)，則向電機驅(qū)動寫入新數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收處理線程是最重要的部分，其用于從接收到的數(shù)據(jù)中解析出電機以及溫度傳感與加熱裝置的控制指令。首先，其判斷是從本地還是網(wǎng)絡(luò)遠程接收數(shù)據(jù)，若是從本地接收數(shù)據(jù)，則直接處理接收到的數(shù)據(jù)；若為從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，則需先判斷TCP是否有數(shù)據(jù)接收，若有，則處理接收到的數(shù)據(jù)；反之，繼續(xù)判斷TCP是否有接收數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖

2 系統(tǒng)測試

本文采用黑龍江拓盟科技有限公司的TM400型FDM 3D打印機進行控制系統(tǒng)的操作實驗。系統(tǒng)上電啟動后，首先會進行網(wǎng)絡(luò)連接情況確定是否需要更新軟件。如圖6所示為系統(tǒng)軟件的界面，打印機在打印期間會在界面上實時顯示當(dāng)前打印噴頭的三維坐標(biāo)、溫度以及移動速度等。同時，用戶能夠?qū)Υ蛴婎^的三維坐標(biāo)、溫度以及移動速度等作出實時調(diào)整，以達到更好的3D打印效果。

圖6 系統(tǒng)軟件界面圖

將眶壁骨折患者術(shù)前眼眶CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件中生成三維眼眶結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示。在對術(shù)前眶壁骨折患者眼眶進行修復(fù)后，得到修復(fù)后的眶壁三維圖，如圖7(b)所示。利用3D打印機將術(shù)后眶壁三維模型打印成型，并對打印的模型進行復(fù)原鈦網(wǎng)的精確塑型，如8(a)所示。最后，將鈦網(wǎng)植入到患者眼眶中，完成眶壁的固定復(fù)原。

圖7 眶壁術(shù)前三維重建以及術(shù)后三維重建圖

圖8 鈦網(wǎng)的塑型與植入圖

結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠精確打印眶壁骨折患者的三維眼眶模型。從而使醫(yī)生能進行眶壁復(fù)原鈦網(wǎng)的精確塑性，方便了醫(yī)生對患者進行眶壁復(fù)原，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

在臨床醫(yī)學(xué)中，3D打印技術(shù)已經(jīng)用于打印骨骼及骨骼修復(fù)體等。在治療眶壁骨折時，能夠利用3D技術(shù)打印出患者的眼眶實物模型，根據(jù)眼眶模型對植入鈦網(wǎng)進行精確塑形，再將塑形后的鈦網(wǎng)移植到眼眶中進行眶壁骨折的修復(fù)。傳統(tǒng)的3D打印控制系統(tǒng)操作復(fù)雜，且效率低下。為此，本文開發(fā)了一種應(yīng)用于眶壁骨折的基于嵌入式的3D打印系統(tǒng)，其將STL文件格式的3D模型轉(zhuǎn)化為2D平面的數(shù)據(jù)，并以G代碼的形式發(fā)送給下位機。3D打印機接收到G代碼中的指令后進行打印操作，同時系統(tǒng)對打印機實時監(jiān)控，保證打印操作成功執(zhí)行。通過系統(tǒng)的實驗測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠精確打印眶壁骨折患者的三維眼眶模型。從而使醫(yī)生能進行眶壁復(fù)原鈦網(wǎng)的精確塑性，方便了醫(yī)生對患者進行眶壁復(fù)原，滿足設(shè)計要求。

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Development and Design of 3D Print Control System Based on Embedded Orbital Wall Fracture

KONG Mingru1，JIAO Yingying2，WANG Haiyan2，LI Hongyi3，Lü Xiaohong4，WANG Jun2

(1. Information Center, Hongqi Hospital Affiliated to Mudanjiang Medical University,Mudanjiang 157000,hina; 2. First Branch,Hongqi Hospital Affiliated to Mudanjiang Medical University,Mudanjiang 157000,China; 3. Department of Magnetic Resonance, Hongqi Hospital Affiliated to Mudanjiang Medical University,Mudanjiang 157000, China; 4. Department of Anesthesiology,Hongqi Hospital Affiliated to MudanjiangMedical University, Mudanjiang 157000,China)

The operation of 3D printing control system the traditional complex and inefficient, therefore, 3D printing system based on embedded system is developed in this paper for orbital fracture, the 3D model of STL file format into 2D graphic data, and to send G code form to the next. The 3D printer receives the instructions in the G code and prints it, while the system monitors the printer in real time to ensure the successful execution of the print operation. Through the system test results show that the control system runs stably, can model with accurate printing three-dimensional orbital orbital wall fracture, so that the doctor can carry out precision plastic orbital titanium mesh restoration, which is convenient for doctors to patients with orbital wall restoration, meet the design requirements.

embedded; orbital wall fracture; FDM type 3D print control system

2017- 05- 23

孔明茹(1989-)，女，博士，助理工程師。研究方向：模式識別與智能控制。

教瑩瑩(1987-)，女，碩士。研究方向：臨床醫(yī)學(xué)-眼科疾病研究。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.024

TP316.85

A

1007-7820(2017)08-088-04