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口腔CT控制系统的设计
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NiosⅡ，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NiosⅡ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NiosⅡ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。
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