基于嵌入式的骨科手術在3D打印圖像控制系統的硬件設計

（牡丹江醫學院 黑龍江 157011）

骨折多由嚴重創傷和高能量損傷所致，近年來發生率明顯呈增長趨勢[1]。內固定，手術創傷度對骨折手術尤其重要，除了預防并發癥外，復位內固定質量與創傷程度對治療骨折極其關鍵[2]。大多數骨科臨床研究表明，平面顯示的二維圖像不能完全給人直觀、立體的感覺，影響醫患雙方溝通，醫生不易解釋手術方案，不利于構建和諧醫患關系[3]。為使手術更精準、安全，本研究將3D打印技術用于打印骨骼以及骨骼修復體的基于嵌入式的FDM型3D打印圖像控制系統，主要研發了系統的圖像控制模塊的framebuffer的驅動程序，完成了framebuffer的驅動程序設計，在治療時，能夠利用3D技術打印出患者的骨骼實物模型，根據骨骼模型對植入導板進行精確塑形，再將塑形后的骨導板移植到骨骼中進行骨骼的修復。

1 3D打印圖像控制系統中圖像的傳輸與顯示

嵌入式系統傳輸圖像數據信息，需要通過Linux系統下的幀緩沖（framebuffer）結構控制器來實現。因此framebuffer的相關知識對于本系統的實驗十分重要，本研究主要完成framebuffer的驅動程序設計，完成控制系統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framebuffer設計

1.1.1 FDM 3D打印圖像傳輸系統framebuffer 總體控制設計

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

1.1.2 FDM 3D打印圖像傳輸系統framebuffer 驅動結構設計

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，應用程序對幀緩沖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/下的其的驅動程序進行部分編寫，驅動程序是應用程序與外部設備之間的操作的接口，對應我們所使用的Atmega 2560-16AU（AVR 核心處理器8 位16MHz，256KB Flash）芯片，才能實現具體的圖像顯示功能。framebuffer設備驅動包括在如下兩個內核文件中：

（1）linux/include/linux/fb.h

（2）linux/drivers/video/fbmem.c

fb.h中主要包括了framebuffer 驅動程序中占主要地位的數據結構。而fbmen.c 則是既為上層的應用程序提供操作framebuffer設備的函數接口，讓基本操作與硬件設備無關，又為底層的硬件設備提供了相應的操作接口，但這些操作也不由fbmen.c 完成，而是由系統使用的芯片處理器來決定的，本文中，我們由Atm2560fb.c來實現這些操作，需要根據不同的LCD 控制器來實現相關的接口。圖2為framebuffer設備驅動結構。

圖2 framebuffer 驅動結構

1.1.3 FDM 3D打印圖像傳輸系統framebuffer 驅動程序設計

1.1.2 中完成framebuffer 驅動程序的設計，才能使其正常工作，讓圖片正確的顯示。驅動程序與開發所使用的的硬件設備相關。所以，驅動程序分為了兩層：標準驅動和非標準驅動。

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

framebuffer的驅動程序就需要編寫Atm2560fb.c文件，主要包括以下幾個內容：

（1）初始化fb_info中成員函數。

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

2 系統測試

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的操作實驗，將骨手術患者術前CT 掃描數據導入三維建模軟件中生成三維骨結構，如圖3所示。圖4對術前骨手術患者骨骼進行復位后圖像還原對比，得到修復后的骨骼三維圖，利用3D打印機將術后骨三維模型打印成型，并對打印的模型進行骨導板復原手術，最后，將精準的骨導板植入到患者骨骼中，完成骨手術的固定復原。

圖3 骨手術前及術后CT圖

圖4 骨手術前三維重建以及術后三維重建圖

通過手術證明，FDM 3D打印圖像控制系統運行速度快，交互性高，性能穩定，可以精確打印骨科手術患者的三維骨模型，保證了骨科手術安全性和可靠性，使基于嵌入式的FDM型3D打印圖像控制系統更好服務于廣大骨科疾病患者。

3 結束語

在本研究中，3D打印技術已經用于打印骨骼及骨骼修復體等。在治療時，能夠利用3D技術打印出患者的骨骼實物模型，根據骨骼模型對植入導板進行精確塑形，再將塑形后的導板移植到骨手術中進行骨骼的修復。以往的3D打印圖像控制系統集成復雜，界面交互感差且效率低。本研究系統的圖像控制模塊的framebuffer的驅動程序，完成了framebuffer的驅動程序設計，通過系統測試結果表明，該圖像控制系統運行操作簡單，效率高且性能穩定，可以精確打印骨科手術患者的三維骨模型，保證了醫生能夠進行精準的骨科手術。