基于ZYNQ的皮膚支架打印機

孫建其，張 博，張文棟，周傳剛

(太原理工大學 信息與計算機學院，新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室，山西 晉中 030600)

3D打印可再生人工組織主要用于藥品檢測，組織移植(皮膚、骨骼、血管)等各個醫療領域。中國人口數量龐大，近年來，由于工傷、交通事故、自然災害和環境污染，人體神經組織和免疫器官功能受損或免疫功能完全缺失的疾病患者的總人數也在快速增加；與此同時，隨著近年我國國民經濟的快速發展和我國人民對于生活品質水平的要求持續不斷提高，人們對生物再生材料等醫療產品的需求持續上漲，行業市場發展空間廣闊[1]。同時，我國燒傷年發病率約為1.5%～2%，即每年大約有2 000萬人遭受不同程度燒傷，其中200萬的燒傷病人需要進行植皮手術治療[2]。2016年11月，國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，提出要加快推進組織器官修復和替代材料及植入醫療器械產品的創新和產業化[3-4]。

生物活性支架作為組織工程三要素的核心，它不僅可以為生物組織提供立體的生存環境，而且其結構可以創造出有利于創傷處細胞生長的環境。支架通過增加對受損部位的覆蓋來減少出血、組織液滲出以及二次感染。支架材料所具有的特殊生物活性及其多孔結構有利于受損部位細胞的黏附遷移、物質交換，十分適合細胞等人體組織的生長。因此科研人員對如何制備生物活性支架的問題越發重視。與傳統制備生物活性支架的方法相比，通過3D打印技術打印出的支架不僅可以根據預設的大小和孔間距離打印出完全連通的立體結構，而且更具有靈活性及可重復性[5-9]。

但是現有的3D生物打印機存在打印精度低、打印時間長、材料擠出不穩定的問題。基于此，本文設計了一種基于ZYNQ的皮膚支架打印機，利用其內嵌的ARM處理器為核心，輔助以內嵌的可編程邏輯器件來控制三軸位移平臺，通過在可編程邏輯器件上實現電機控制的加減速器控制來提高打印的精度，利用可編程邏輯器件的并行性提高打印的速度。在一定程度上解決了現有打印機的精度、速度和出料不均勻問題。并且研制了基于ARM的嵌入式軟件，利用該軟件可以靈活地根據打印的支架材料來調節噴頭打印的壓力、噴頭的開啟時間和打印間隙，制備出完全連通的皮膚支架，同時簡化了相關醫護人員的操作。

1 系統結構

1.1 系統整體結構

本次設計采用軟硬件協同設計的方式來實現整個系統。首先是搭建硬件系統，硬件系統主要包括在ZYNQ的PL端實現3個電機的控制信號的輸出[10-12]，再通過控制電路將PL端輸出信號的電壓轉化為電機正常工作的電壓；其次，在硬件系統的基礎上在搭建嵌入式Linux操作系統，Linux操作系統通過硬件驅動層來管理控制硬件系統；最后在應用層利用QT技術開發圖形界面[13-14]。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構Fig.1 Structure of whole system

1.2 電路設計

系統的硬件設計主要由三部分構成。首先是ZYNQ芯片及其外圍電路。其次是控制電路，主要包括電機控制電路、噴嘴控制電路和比例閥控制電路。由于打印需要，系統還設計了霧化電路和溫度控制電路，其中霧化電路是由于在打印海藻酸鈉時需要利用氯化鈣進行交聯，所以需要將氯化鈣霧化，以便其可以均勻地灑在海藻酸鈉上；由于在制備支架時可能會打印對溫度敏感的材料(如明膠等)并且需要控制打印平臺的溫度，所以設計了一個加熱電路。

1.2.1ZYNQ及其外圍電路

設計采用的ZYNQ芯片XC7Z020，具體的外圍電路包括晶振、串口、SD卡、電源、DDR等。其中UART是在調試時與PC上位機的串口調試，4 GB的SD卡來充當系統的硬盤，DDR暫時存儲系統運行的數據。

1.2.2控制電路

電機的控制電路主要是將ZYNQ的PL端所提供的步進電機運轉所需要的使能、脈沖、方向信號進行電壓的控制。噴嘴使用德國的高精度噴嘴，它的保持電壓為+5 V，開啟電壓為+24 V.所以設計通過一個相加電路使其達到噴嘴所需的保持電壓。通過三極管電路將電壓拉高到24 V，由于打印不同的材料所需的開啟時間不同，為了便于在硬件上調節它的開啟時間，實現調節的軟硬件兼容，電路通過添加555定時器來達到調節噴嘴時間的目的，關鍵電路如圖2所示。

圖2 控制電路Fig.2 Pilot circuit

1.2.3霧化電路

霧化電路原理是通過超聲波換能的方法來產生高頻振動使水面發生霧化。系統通過TTP227和TTP320芯片輔助以三極管和三腳電感來實現；由于每一個霧化片的最佳頻率(一般在92～180 kHz)有差別，所以為了找到微孔霧化片的最佳頻率，設計在TTP320的6引腳上通過一個1 Ω的反饋機制來檢測電壓的大小，達到檢測電流大小的目的。檢測到最大電壓時所發送的頻率即為該霧化片的最佳頻率，圖3為霧化電路原理圖。

圖3 霧化電路Fig.3 Atomization circuit

1.2.4加熱電路

加熱電路是通過溫度傳感器來讀取實時的溫度，再通過可控硅和電阻絲來達到設定的溫度。系統選擇了DS18B20溫度傳感器來測試溫度。在可控硅和電阻絲的加熱電路里加入了繼電器，使得加熱模塊有了繼電器和可控硅的雙重保護，只有繼電器和可控硅同時開啟才有電流流入電阻絲達到加熱的效果。具體電路如圖4所示。

2 軟件設計

系統的軟件設計主要包括在主控中心程序設計和在FPGA的程序設計。前者代碼運行于XC7Z020芯片PS端的Linux系統下，采用C++編寫。后者運行于XC7Z020芯片PL端下，采用Verilog編寫。

2.1 主控中心程序設計

主控中心程序設計主要包括兩部分：一是在XC7Z020芯片PS端搭載Linux系統；二是應用軟件的設計。

2.1.1嵌入式操作系統的搭建

搭載嵌入式操作系統的目的在于方便對系統中全部的資源進行合理分配，對于任務的調度、控制和協調并發活動提供了有力的保證，增加系統的可靠性。Linux系統運行時所占用的內存相對來說比較少，用戶可動態地向內核插入和卸載，能滿足復雜任務的需求。

圖4 加熱電路Fig.4 Heater circuit

ZYNQ啟動Linux流程如圖5所示。XC7Z020芯片上電復位后，對SD卡、串口等BootROM里包含外設進行初始化，使得ARM處理器可以訪問這些外設，該代碼還負責加載階段1的啟動鏡像文件(FSBL)，加載完FSBL后，FSBL代碼將對DDR、時鐘、MIO口等進行初始化。初始化完畢后，FSBL 將獲取分區信息并驗證header，驗證通過后則加載分區，若加載的分區屬于比特流，則將比特流文件燒寫到PL端，若不是比特流則將其拷到DDR中，進行階段2的啟動，即 SSBL；在SSBL階段，主要由U-boot負責初始化啟動Linux前的所必須的硬件，然后加載Linux內核、設備樹和文件系統，最后啟動Linux[15].

圖5 Linux操作系統啟動Fig.5 Start-up Linux operating system

2.1.2應用軟件的開發

為了進行更好的人機交互，設計通過在Linux上運行QT來開發便于操作人員操作的GUI界面。

應用程序主要有4個功能塊：一為控制面板，在這個界面可以進行每一層的參數設置；二為狀態檢測，它可以控制進行打印的開始和停止；三為參數設置，它主要設置電機和噴嘴的參數；四為串口設置，功能是方便了程序的調試。

控制面板界面如圖6所示，用戶可以利用該界面來添加每一層的起始位置、打印尺寸、打印通道及打印方式。

圖6 控制面板界面Fig.6 Control panel interface

狀態檢測界面如圖7(a)所示，用戶可以通過該界面來實時監控打印的進度。參數設置界面如圖7(b)所示，主要用來設置電機細分、打印速度、單圈位移等。

圖7 狀態檢測界面和參數設置界面Fig.7 State detection and parameter seting interface

2.2 FPGA邏輯設計

FPGA邏輯設計主要包括PS端的指令接受、指令解析、霧化電路控制、電機及噴嘴控制、參數設定和停止打印5個模塊。

指令主要包括打印命令、霧化命令、打印參數命令、停止命令。所有的命令都是以十六進制的68 68開頭，在命令里加入CRC校驗來保證數據的準確性。不同的命令有不同的幀頭。通過將上位機的命令進行解析來啟動霧化電路控制、電機及噴嘴控制。具體的流程如圖8所示。

圖8 FPGA流程圖Fig.8 Flow diagram of FPGA

為了提高設計的穩定性和精度，本設計對電機的控制采用了加減速控制的方法。具體框圖如圖9所示，其中位置判斷模塊根據脈沖總數，以及對輸入指令脈沖和輸出進給脈沖的計數值，控制指令脈沖的產生和進給脈沖的輸出，實現定量脈沖控制。同時，位置處理模塊還需實現減速點位置判斷功能。加減速控制模塊的自動加減速控制功能是通過一個狀態機實現。

圖9 加減速控制器Fig.9 Acceleration and deceleration controller

3 實驗結果

通過上述介紹，設計了打印成型尺寸可以達到400 mm×400 mm×400 mm，打印移動精度為10～50 μm，打印速度閾值范圍為0.5～80 mm/s，對于材料擠出方式為氣動擠壓和電磁閥的方式來進行控制，使得出料更加可控的皮膚支架打印機。為驗證系統的打印功能，分別對海藻酸鈉、明膠、海藻酸鈉與明膠的混合物進行了打印[16-18]；通過對材料的濃度、噴頭的開啟時間、壓力、打印間隙的不斷調試，成功打印出了皮膚支架。將實驗結果和打印機PrototypeSK00(采用龍門式機械結構，選用國際公認的高穩定性能高速步進電機作為運動單元和滾珠式線性滑軌作為導向單元，保證運行速度的同時，提高運行的流暢度和精準度。配合高效的控制程序，實現最佳效果的運動過程。它采用的材料擠出方式為氣動擠壓。它的打印成型尺寸可以達到150 mm×150 mm×150 mm.打印移動精度為0.1 mm，打印速度閾值范圍為0.1～50 mm/s，可設置為0.1 mm層高)對比，表明本次設計在打印時間和精度以及穩定性上有了不錯的改觀。實驗結果如圖10(其中(a)、(b)、(c)為PrototypeSK00打印效果圖，(d)、(e)、(f)為本次設計的打印機打印效果圖)所示；從圖中(a)和(d)、(b)和(e)、(c)和(f)對比表明，設計的打印機與PrototypeSK00打印機在打印單條直線、打印局部圖和打印整體圖中，該打印機在精度和穩定性上明顯優于PrototypeSK00.其中在打印局部圖中，本次設計的打印機打印了30層依然沒出現材料聚集的情況，而PrototypeSK00在打印了13層時就已經出現了聚集。對現有打印機材料聚集的問題有了極大的改善。表1為與PrototypeSK00在時間上的對比，從表1中可以看出本次設計在打印時間上有顯著優勢。圖11-圖13為具體實物圖。

圖10 打印效果圖Fig.10 Print effect picture

表1 打印時間對比Table 1 Comparison of print time

圖11 打印機及硬件實物圖Fig.11 Printer and hardware drawings

圖12 打印出的皮膚支架實物照片Fig.12 Printed photo of skin support

圖13 打印出的皮膚支架(帶細胞)圖Fig.13 Printed image of skin support(with cell)

4 結束語

本文為了迎合市場對醫療器材的需求，采用以ZYNQ為主控的方案實現了打印皮膚支架的軟硬件設計，與現有的打印機相比，具有精度高、穩定性好、時間短、出料均勻的優點。且操作簡單、方便，便于醫護人員上手。在后續的研究中將會在利用膠原、海藻酸鈉、明膠和成纖維細胞的混合物打印的支架的基礎上進行測試，并與醫院進行合作，進行打印測試打印機在打印細胞方面的性能測試。