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,?？谇籆T 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,，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,；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)核信號后，將這些信號分成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用于存儲調(diào)速的頻率值,，Rom和電機(jī)控制共用一個(gè)時(shí)鐘信號。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、平板探測器觸發(fā)信號以及X射線脈沖信號,。通過示波器中CURDOR鍵進(jìn)行光標(biāo)測量,，這3個(gè)脈沖信號頻率均為10 Hz。平板探測器信號和光柵尺信號延遲為40 μs,，X射線脈沖信號為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)測以及顯示和存儲等附帶功能,。系統(tǒng)初級版本是采用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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