錐形束CT(Cone Beam Computed Tomography，CBCT)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代后期[1-2]。因其具有輻射劑量小、分辨率高和軸向視野大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于口腔診斷等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[3]。其中專用于口腔醫(yī)學(xué)的又稱為口腔CT(或牙科CT)，其主要由機(jī)架、C形臂、X射線高壓發(fā)生器、X射線源和平板探測器等部件構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，C形臂旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)X射線源出束，平板探測器采集圖像，經(jīng)過重建獲得三維圖像。口腔CT 具有成本低、占地面積小、劑量較低、圖像分辨率較高以及使用靈活等優(yōu)點(diǎn), 在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。國內(nèi)已經(jīng)有少數(shù)幾家單位在研究該類型設(shè)備，但尚沒有真正的產(chǎn)品推向市場。同步控制是口腔CT采集系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)技術(shù)研究的文獻(xiàn)介紹也較少。本文旨在實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)、X射線源以及平板探測的同步工作，確保獲取高質(zhì)量的投影圖像。利用Quartus II和Nios II的開發(fā)軟件設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)，大大減少外圍電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減短開發(fā)周期，同時(shí)也使得系統(tǒng)開發(fā)更加靈活[4]。

1 平板探測器時(shí)序信號(hào)特征
    本研究所使用的平板探測器是美國Varian公司的PS1313。該型平板探測器讀取數(shù)據(jù)有兩種控制模式：一種是內(nèi)觸發(fā)模式，另外一種是外觸發(fā)模式。為了使探測器更好地與X射線源以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)同步并實(shí)現(xiàn)劑量的控制，本研究采用外觸發(fā)模式[5]。根據(jù)采集圖像的大小，采集窗寬有所變化， 但均在100 ms內(nèi)。
    為了減少人體輻射劑量，口腔CT的X射線一般采用脈沖式出束。所以，不同的采集寬度影響著采集同步時(shí)序的控制。理想情況下，平板探測器采集時(shí)間、X射線出束時(shí)間以及機(jī)械結(jié)構(gòu)起止時(shí)間一致，就完成一次投影采集。但由于探測元的遲滯性，在采集完后需要充分放電，才能進(jìn)行下一次采集。因此中間需要停止一段時(shí)間，一般是2~3個(gè)采集周期。同時(shí)，C型臂的旋轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致殘影的出現(xiàn)，所以也需要停止一段時(shí)間后再進(jìn)行曝光和圖像采集。另外，從X射線的開啟到X射線出束穩(wěn)定有一個(gè)上升時(shí)間，所以X射線的開啟時(shí)間應(yīng)該比探測器早。而C型臂的旋轉(zhuǎn)速度與圖像重建需要采集的投影數(shù)有關(guān)，C型臂旋轉(zhuǎn)的速度T按式(1)計(jì)算：
    
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)軟件頂層模塊設(shè)計(jì)
    頂層模塊包含Nios II內(nèi)核、鎖相環(huán)、高壓發(fā)生器和平板探測器脈沖控制模塊以及步進(jìn)電機(jī)控制模塊。Nios II內(nèi)核和鎖相環(huán)在Quartus II平臺(tái)上根據(jù)設(shè)計(jì)需求手動(dòng)生成；鎖相環(huán)有3路時(shí)鐘信號(hào)，分別作為Nios II、高壓發(fā)生器、探測器脈沖控制模塊以及步進(jìn)電機(jī)控制模塊的時(shí)鐘信號(hào)；高壓發(fā)生器和探測器脈沖控制模塊以及步進(jìn)電機(jī)控制模塊則用Verilog HDL語言編寫[6]，然后封裝成模塊。
3.2 高壓發(fā)生器和探測脈沖控制軟件設(shè)計(jì)
    該脈沖控制軟件由3個(gè)模塊組成：(1)通信模塊，用于與Nios II內(nèi)核通信；(2)X射線源高壓發(fā)生器控制脈沖生成模塊；(3)探測器脈沖生成模塊。代碼設(shè)計(jì)應(yīng)用了狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思想，通信模塊接收到Nios II內(nèi)核信號(hào)后，將這些信號(hào)分成3個(gè)狀態(tài)：狀態(tài)1，高壓發(fā)生器和探測器均為關(guān)閉狀態(tài)；狀態(tài)2，高發(fā)生器打開，探測器關(guān)閉；狀態(tài)3，高壓發(fā)生器關(guān)閉，探測器開啟。該部分代碼流程圖如圖3所示。

3.3 步進(jìn)電機(jī)控制模塊軟件設(shè)計(jì)
    步進(jìn)電機(jī)的控制是通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)的。步進(jìn)電機(jī)控制脈沖是FPGA通過系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到的，所以為了達(dá)到調(diào)速的目的，本設(shè)計(jì)通過Nios II控制步進(jìn)電機(jī)模塊改變分頻系數(shù)來達(dá)到改變步進(jìn)電機(jī)速度的目的[7]。步進(jìn)電機(jī)控制的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)速，步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的方法有很多，這里采用S型曲線進(jìn)行調(diào)速[8]。用Quartus II生成一個(gè)Rom用于存儲(chǔ)調(diào)速的頻率值，Rom和電機(jī)控制共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。該部分模塊化的結(jié)果如圖4所示。

3.4 Nios II內(nèi)核軟件設(shè)計(jì)
    Nios II內(nèi)核[9]的作用與初級(jí)版本中Atmege128的功能相似。根據(jù)圖2，Nios II內(nèi)核代碼包含了以下模塊：串口通信、按鍵處理、電源控制、LCD、高壓發(fā)生器和探測脈沖控制和步進(jìn)電機(jī)控制模塊。開機(jī)后系統(tǒng)讓高壓發(fā)生器、探測器、步進(jìn)電機(jī)等處于初始狀態(tài)。按下復(fù)位按鍵后，可以通過電腦上位機(jī)軟件設(shè)定高壓發(fā)生器參數(shù)kV和mA值。按下掃描按鍵開始掃描，若發(fā)現(xiàn)有參數(shù)未設(shè)置，或者設(shè)備初始狀態(tài)出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)停止運(yùn)行，同時(shí)在LCD和電腦上提示錯(cuò)誤；若一切正常，則進(jìn)入掃描狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過串口定時(shí)檢查高壓發(fā)生器的狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)停止運(yùn)行，并提示錯(cuò)誤；若正常則系統(tǒng)運(yùn)行直至掃描結(jié)束。其控制流程圖如圖5所示。
3.5 串口通信
    該控制系統(tǒng)中兩個(gè)串口均采用應(yīng)答包方式實(shí)現(xiàn)握手機(jī)制，命令的字段均采用ASCII編碼方式，各數(shù)據(jù)段發(fā)送順序?yàn)橛筛咦止?jié)到低字節(jié)，數(shù)據(jù)包最大長度為16 B。上位機(jī)控制軟件采用Visaul Studio 2008開發(fā)[10]，控制系統(tǒng)電路板軟件開發(fā)采用Nios II 11.0 Software Build for Eclipse和Quartus II[11]。
    串口UART0的參數(shù)設(shè)置為：115 200 b/s，Even Parity，8 bit Data位，1 bit Stop位。該串口的命令格式如表1所示。

    STX為數(shù)據(jù)包起始數(shù)據(jù)，固定十六進(jìn)制值為0x02；CMD為命令字符；SP為間隔字符0x20；ARG為設(shè)定參數(shù)的范圍；分號(hào)字符為命令數(shù)據(jù)包中的固定字符；CS為校驗(yàn)字符，是2的補(bǔ)碼；CR和LF為結(jié)束字符，十六進(jìn)制數(shù)分別為0x0D和0x0A。
    串口UART1的參數(shù)設(shè)置為：115 200 b/s，Odd，8 bit Data位，1 bit Stop位。該串口的命令格式如表2所示。
    STX為數(shù)據(jù)包的起始段，固定為0x3C；TYPE為命令標(biāo)志字段；CONT為命令類型字段；PARAM為命令參數(shù)；LF為數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志字段，固定為0x3A。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試，并將系統(tǒng)上位機(jī)軟件與口腔CT圖像處理軟件整合，調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行良好。
    在預(yù)設(shè)同步頻率值為10 Hz的情況下，用示波器分別采集光柵尺反饋信號(hào)、平板探測器觸發(fā)信號(hào)以及X射線脈沖信號(hào)。通過示波器中CURDOR鍵進(jìn)行光標(biāo)測量，這3個(gè)脈沖信號(hào)頻率均為10 Hz。平板探測器信號(hào)和光柵尺信號(hào)延遲為40 μs，X射線脈沖信號(hào)為20 ms。時(shí)序結(jié)果與理論分析一致。
    該平板探測器自帶一個(gè)上位機(jī)軟件，利用這個(gè)上位機(jī)軟件可以設(shè)定圖像采集速率，采集完圖像后也可以獲得實(shí)際的圖像采集速率。下面表3中對(duì)圖像采集速率設(shè)定值與實(shí)際的圖像采集反饋值以及同步控制系統(tǒng)設(shè)定的圖像采集頻率值進(jìn)行了比較。從結(jié)果看，相對(duì)誤差均不大于0.2%。根據(jù)采集窗寬的變化范圍，本設(shè)計(jì)選擇了10 Hz的同步控制速率，根據(jù)采集投影數(shù)目的多少，掃描一周所需要時(shí)間為20 s～36 s，實(shí)際出射線時(shí)間為4 s～7.2 s；而同樣投照面積下德國kavo 3D口腔CT所用時(shí)間為26.9 s，出射線時(shí)間12.6 s。
      本文描述了利用嵌入Nios II處理器的FPGA實(shí)現(xiàn)口腔CT控制的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了同步脈沖的輸出控制，同時(shí)完成了PC機(jī)上位機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)、高壓發(fā)生器的狀態(tài)監(jiān)測以及顯示和存儲(chǔ)等附帶功能。系統(tǒng)初級(jí)版本是采用Atmega128和Altera公司的EMP570實(shí)現(xiàn)的，而該方案不僅使得外部電路復(fù)雜，而且穩(wěn)定性相對(duì)低。本設(shè)計(jì)采用EP4CE15F256為核心，嵌入32位內(nèi)核處理器Nios II，相當(dāng)于把MCU和CPLD集成在一起，在穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性上都優(yōu)于初級(jí)版的設(shè)計(jì),并且電路設(shè)計(jì)更加簡單，軟件設(shè)計(jì)更加靈活，縮短了開發(fā)周期。

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