（牡丹江醫(yī)學院 黑龍江 157011）

骨折多由嚴重創(chuàng)傷和高能量損傷所致，近年來發(fā)生率明顯呈增長趨勢[1]。內(nèi)固定，手術創(chuàng)傷度對骨折手術尤其重要，除了預防并發(fā)癥外，復位內(nèi)固定質(zhì)量與創(chuàng)傷程度對治療骨折極其關鍵[2]。大多數(shù)骨科臨床研究表明，平面顯示的二維圖像不能完全給人直觀、立體的感覺，影響醫(yī)患雙方溝通，醫(yī)生不易解釋手術方案，不利于構建和諧醫(yī)患關系[3]。為使手術更精準、安全，本研究將3D打印技術用于打印骨骼以及骨骼修復體的基于嵌入式的FDM型3D打印圖像控制系統(tǒng)，主要研發(fā)了系統(tǒng)的圖像控制模塊的framebuffer的驅(qū)動程序，完成了framebuffer的驅(qū)動程序設計，在治療時，能夠利用3D技術打印出患者的骨骼實物模型，根據(jù)骨骼模型對植入導板進行精確塑形，再將塑形后的骨導板移植到骨骼中進行骨骼的修復。

1 3D打印圖像控制系統(tǒng)中圖像的傳輸與顯示

嵌入式系統(tǒng)傳輸圖像數(shù)據(jù)信息，需要通過Linux系統(tǒng)下的幀緩沖（framebuffer）結(jié)構控制器來實現(xiàn)。因此framebuffer的相關知識對于本系統(tǒng)的實驗十分重要，本研究主要完成framebuffer的驅(qū)動程序設計，完成控制系統(tǒng)中圖像的傳輸與顯示。

工作原理如圖1。

圖1 framebuffer 工作原理圖

1.1 嵌入式系統(tǒng)framebuffer設計

1.1.1 FDM 3D打印圖像傳輸系統(tǒng)framebuffer 總體控制設計

本系統(tǒng)所使用的芯片為Atmega 2560-16AU（AVR 核心處理器8位16MHz，256KB Flash），集成了很多的外部設備來配合完成芯片控制功能，在linux系統(tǒng)下的源代碼中的linux/platform_device.h 頭文件中定義了platform_device數(shù)據(jù)結(jié)構來管理描述這些外部設備。在系統(tǒng)啟動時，就可以將所有芯片的平臺設備加載，結(jié)構體形如下：

1.1.2 FDM 3D打印圖像傳輸系統(tǒng)framebuffer 驅(qū)動結(jié)構設計

幀緩沖作為用戶與硬件之間的中間層，起到電腦顯卡的作用，應用程序?qū)彌_的操作即可看作是對顯存的操作。framebuffer 啟動后，需要我們對其linux/drivers/videos/下的其的驅(qū)動程序進行部分編寫，驅(qū)動程序是應用程序與外部設備之間的操作的接口，對應我們所使用的Atmega 2560-16AU（AVR 核心處理器8 位16MHz，256KB Flash）芯片，才能實現(xiàn)具體的圖像顯示功能。framebuffer設備驅(qū)動包括在如下兩個內(nèi)核文件中：

（1）linux/include/linux/fb.h

（2）linux/drivers/video/fbmem.c

fb.h中主要包括了framebuffer 驅(qū)動程序中占主要地位的數(shù)據(jù)結(jié)構。而fbmen.c 則是既為上層的應用程序提供操作framebuffer設備的函數(shù)接口，讓基本操作與硬件設備無關，又為底層的硬件設備提供了相應的操作接口，但這些操作也不由fbmen.c 完成，而是由系統(tǒng)使用的芯片處理器來決定的，本文中，我們由Atm2560fb.c來實現(xiàn)這些操作，需要根據(jù)不同的LCD 控制器來實現(xiàn)相關的接口。圖2為framebuffer設備驅(qū)動結(jié)構。

圖2 framebuffer 驅(qū)動結(jié)構

1.1.3 FDM 3D打印圖像傳輸系統(tǒng)framebuffer 驅(qū)動程序設計

1.1.2 中完成framebuffer 驅(qū)動程序的設計，才能使其正常工作，讓圖片正確的顯示。驅(qū)動程序與開發(fā)所使用的的硬件設備相關。所以，驅(qū)動程序分為了兩層：標準驅(qū)動和非標準驅(qū)動。

由圖2可以看出，標準驅(qū)動主要為應用程序提供操作接口[4]，主要操作在fbmem.c的file_operations 結(jié)構里，而底層驅(qū)動則是framebuffer 驅(qū)動程序真正需要完成的功能，需要進行相應程序的編寫，來實現(xiàn)真正的圖片顯示。本系統(tǒng)中幀緩沖驅(qū)動主要在drivers/video/Atm2560/Atm2560fb.c中，驅(qū)動的全部信息在Atm2560fb_info_t中。

framebuffer的驅(qū)動程序就需要編寫Atm2560fb.c文件，主要包括以下幾個內(nèi)容：

（1）初始化fb_info中成員函數(shù)。

（2）底層驅(qū)動需要與設備驅(qū)動實現(xiàn)綁定，這一過程就是在底層驅(qū)動的加載的過程中完成的，為了實現(xiàn)與方便綁定，每一個platform_device都定義了一個platform_driver。

2 系統(tǒng)測試

本文采用黑龍江拓盟科技有限公司的TMKJ-ET系列FDM 3D打印機進行圖像控制系統(tǒng)的操作實驗，將骨手術患者術前CT 掃描數(shù)據(jù)導入三維建模軟件中生成三維骨結(jié)構，如圖3所示。圖4對術前骨手術患者骨骼進行復位后圖像還原對比，得到修復后的骨骼三維圖，利用3D打印機將術后骨三維模型打印成型，并對打印的模型進行骨導板復原手術，最后，將精準的骨導板植入到患者骨骼中，完成骨手術的固定復原。

圖3 骨手術前及術后CT圖

圖4 骨手術前三維重建以及術后三維重建圖

通過手術證明，F(xiàn)DM 3D打印圖像控制系統(tǒng)運行速度快，交互性高，性能穩(wěn)定，可以精確打印骨科手術患者的三維骨模型，保證了骨科手術安全性和可靠性，使基于嵌入式的FDM型3D打印圖像控制系統(tǒng)更好服務于廣大骨科疾病患者。

3 結(jié)束語

在本研究中，3D打印技術已經(jīng)用于打印骨骼及骨骼修復體等。在治療時，能夠利用3D技術打印出患者的骨骼實物模型，根據(jù)骨骼模型對植入導板進行精確塑形，再將塑形后的導板移植到骨手術中進行骨骼的修復。以往的3D打印圖像控制系統(tǒng)集成復雜，界面交互感差且效率低。本研究系統(tǒng)的圖像控制模塊的framebuffer的驅(qū)動程序，完成了framebuffer的驅(qū)動程序設計，通過系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該圖像控制系統(tǒng)運行操作簡單，效率高且性能穩(wěn)定，可以精確打印骨科手術患者的三維骨模型，保證了醫(yī)生能夠進行精準的骨科手術。