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基于FPGA的口腔牙周结构采集系统设计

发布时间:2021-05-08 17:25所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:针对目前国内口腔牙周测量设备成本高,设备资源严重不足,不能适应现代社会发展需求的问题,设计了一套基于FPGA的口腔牙周结构采集系统。系统采用FPGA作为主控芯片,通过陀螺仪记录空间位置坐标,获取口腔牙齿图像,以USB通信方式将数据传送给PC机端。

  摘要:针对目前国内口腔牙周测量设备成本高,设备资源严重不足,不能适应现代社会发展需求的问题,设计了一套基于FPGA的口腔牙周结构采集系统。系统采用FPGA作为主控芯片,通过陀螺仪记录空间位置坐标,获取口腔牙齿图像,以USB通信方式将数据传送给PC机端。通过完成系统硬件与软件设计,实现初始化图像采集模块、控制图像采集模块工作、产生图像采集的触发控制信号,读取陀螺仪的数据、存储RGB三色数据等功能,从而获取口腔牙周结构数据。

  关键词:FPGA;牙周测量;数据采集

口腔卫生

  0引言

  牙体、牙列缺损及其畸形和牙列缺失是人类的常见病、多发病,是危害人类健康的三大疾病之一。随着我国生活水平的提高及人口结构的老龄化,人们对口腔健康关注程度也在提高,特别是中老年龋齿的治疗需求非常大。传统的口腔修复体手工制作流程几乎每一步都是手工操作,流程繁琐,存在效率低、治疗周期长、修复精度不高、患者痛苦大、修复结果无法仿真模拟等缺点,不能满足患者快速恢复牙体功能的要求,这种方式越来越不能满足市场的需求[1]。随着集成电路、先进制造业及软件算法的发展,计算机系统的性能得到了大幅度的提升,计算机视觉作为一项可以辅助医学诊断的技术正在崭露头角,使用数字化口腔测量系统是一种有效解决该问题的捷径。

  口腔论文范例:珠海市12岁小学生牙病状况调查与口腔健康行为分析

  国外口腔专用测量系统在技术起步较早,比较有代表性的研究机构或公司是:瑞士苏黎世大学牙科学院,德国的Sirona公司,德国的Kavo公司,美国的3M公司,丹麦的3Shape公司等[2]。国内数字化口腔测量技术起步较晚,技术路后,尽快开发出满足市场需求的国产化产品,并将其应用在相关领域,为口腔修复体的智能化制作提供技术保障,具有较大的现实意义。本文设计基于FPGA的口腔牙周结构采集系统,实现数字化口腔测量,切实推动数字化技术在我国口腔修复医学领域的应用发展,具有为我国数字化口腔医学发展起到一定推动作用,开发出性价比高的实用化系统意义重大。

  1系统整体方案设计

  本设计为基于FPGA的口腔牙周结构采集系统。系统由EP4CE10F17C8可编程逻辑门阵列FPGA作为主控芯片,通过触发驱动控制光机拍摄口腔牙齿图片,读取陀螺仪状态数据,将口腔牙齿结构数字化,并通过USB接口实现FPGA与PC机数据处理端通信,完成口腔数字化测量功能。测量系统需要完成的主要功能包括:初始化图像采集模块、控制图像采集模块工作、产生图像采集的触发控制信号,读取陀螺仪的数据、存储RGB三色数据等功能,从而获取口腔牙周结构数据。根据系统的工作需求,采用可编程逻辑FPGA作为核心器件,实现对口腔数据的快速采集、存储、传输。

  数字化口腔测量是直接对人口内牙齿进行数据印模的一种方式,无需咬模、倒模、佩戴假牙等繁琐耗时的中间环节,速度快,精度高。但若对牙齿全周的成像,单视角图像无法精确对牙齿三维成像,因此需要采用多视角成像,然后对多视角的图像进行定位配准和数据的拼接融合,形成全周牙齿的三维图像,实现牙周三维模型的重建。为此需要获取图像的空间信息,故系统采用陀螺仪获取图像空间信息。采集到的口腔结构数据需要传输给PC端上位机,对数据进行处理,构建数据口腔印模,系统以USB接口方式实现数据通信。

  2数字化测量系统硬件实现

  设计采用模块化设计思路,将系统电路分为不同的功能模块进行设计。基于FPGA的口腔牙周结构采集系统可分为最小控制系统电路、视频图像采集电路、陀螺仪空间数据获取电路、USB通信电路、电源电路等部分。最小控制系统电路是采集系统的基本工作单元,包括时钟电路、复位电路、调试接口。视频图像采集电路实现拍照控制和图像数据获取功能。陀螺仪空间数据获取电路用来记录图像的空间信息,为图像拼接提供数据条件。USB通信电路用来将测量的口腔数据信息上传给上位机系统,对数据进一步处理。电源是系统工作的前提,由于系统中由不同供电需求,需要对电源进行转换处理,适应电路需求。

  2.1视频图像采集电路

  系统采用了豪威科技公司生产的CMOS图像传感器OV5640。OV5640是一款1/4英寸5百万像素的高性能图像传感器,支持DVP和MIPI接口。模块集成双LED闪光灯,自动对焦功能(AF),可输出RGB565、RGB555、RGB444、YUV(422/420)、YCbCr422、以及JPEG格式,可以对图像进行白平衡、饱和度、色度、锐度、gamma曲线等调节[3-4]。同时支持图像分辨率、帧率调节。

  2.2陀螺仪空间数据获取电路

  为了将拍摄的口腔牙周结构数据图像拼接、重建,在口腔牙周图像信息拍摄时需要记录图像的空间位置信息。系统选择了MPU6050内部三轴陀螺仪可获取图像拍摄的空间信息,可将其测量的模拟量转化为数字量输出。陀螺仪的可测范围为±250、±500、±1000、±2000°/秒(dps)可调,用户可根据系统测量精度选择合适的测量范围。芯片内部集成了1k字节的FIFO,可降低系统的功率消耗。陀螺仪芯片可通过串口和IIC接口进行数据通信[5]。电路使用MPU6050的I2C接口,以满足访问底层测量数据的需求。芯片采用先进的数字滤波技术,能有效降低测量噪声,提高测量精度。模块内部自带电压稳定电路,可以兼容3.3V/5V的系统供电,连接方便。电路结构图如图3所示。

  2.3USB通信电路

  系统采用USB通信方式将数据传输给PC端上位机处理系统,通信接口电路如图4所示。使用CH340芯片将FPGA的串口输出方式转换为USB通信方式,芯片兼容5V供电和3.3V供电。接口电路支持硬件全双工串口,内部具有数据收发缓冲区,数据传输速率达到50bps~2Mbps,非常适合大数据量的信息传输。电路在TXD端口加入了LED指示,当有数据发送时LED的亮灭状态受发送数据bit位决定,可用来提示正在进行数据发送状态。在电路的数据发送、接收端口加入了缓冲电阻,防止数字信号产生浪涌。该电路将FPGA的数据输出转换为了USB通信方式,方便了PC机与下位机测量系统的连接。

  3系统的软件设计

  口腔牙周结构采集系统将口腔内部结构数字化,系统上电后首次对系统寄存器进行复位初始化操作,同时配置系统各部分工作的模式,如IIC协议、串口速率、图像数据格式等。系统初始化状态完成后等待图像采集的控制触发信号,当检测到触发信号产生时驱动执行一次口腔信息采集任务,同时将空间状态信息数据从MPU6050陀螺仪中获取。将采集到的图像信息和空间位置信息存储并通过USB接口发送给上位机系统进一步处理。

  4总结

  本文基于FPGA的口腔牙周结构采集系统通过硬件、软件设计,完成了对口腔牙周图像数据获取,图像空间位置状态记录,数据存储,数据USB通信,实现了对口腔牙周结构数字化采集,改变了传统咬牙模测量的方式,将口腔结构数字化,同时为后期通过计算机三维重建实现3D牙齿修复提供了前端数据支持。

  参考文献

  [1]潘永初,李丹丹,孙雯,王华,张卫兵,严斌.三维打印技术在口腔正畸临床教学中的应用和发展[J].教育教学论坛,2020(48):248-250.

  [2]聂萍,姜宁,朱妍菲,杨秩,刘加强,朱敏.数字化口内扫描和三维模型分析技术在口腔临床教学中的应用[J].组织工程与重建外科,2020,16(05):433-436.

  [3]邢志恒,黄泽坤.基于FPGA的手势识别系统设计[J].科学技术创新,2020(28):122-124.

  [4]裴正雄,彭安金.基于FPGA和OV5640的图像采集和处理系统设计[J].机电信息,2019(32):159-160.

  [5]范永杰,陈华.基于MEMS陀螺仪的实时电子稳像技术[J].红外技术,2015,37(09):724-727

  作者:武丹,舒鑫华,武宏涛,江东瑶,李恒丰

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