孫建其，張 博，張文棟，周傳剛

(太原理工大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉中 030600)

3D打印可再生人工組織主要用于藥品檢測(cè)，組織移植(皮膚、骨骼、血管)等各個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域。中國人口數(shù)量龐大，近年來，由于工傷、交通事故、自然災(zāi)害和環(huán)境污染，人體神經(jīng)組織和免疫器官功能受損或免疫功能完全缺失的疾病患者的總?cè)藬?shù)也在快速增加；與此同時(shí)，隨著近年我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和我國人民對(duì)于生活品質(zhì)水平的要求持續(xù)不斷提高，人們對(duì)生物再生材料等醫(yī)療產(chǎn)品的需求持續(xù)上漲，行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展空間廣闊[1]。同時(shí)，我國燒傷年發(fā)病率約為1.5%～2%，即每年大約有2 000萬人遭受不同程度燒傷，其中200萬的燒傷病人需要進(jìn)行植皮手術(shù)治療[2]。2016年11月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出要加快推進(jìn)組織器官修復(fù)和替代材料及植入醫(yī)療器械產(chǎn)品的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化[3-4]。

生物活性支架作為組織工程三要素的核心，它不僅可以為生物組織提供立體的生存環(huán)境，而且其結(jié)構(gòu)可以創(chuàng)造出有利于創(chuàng)傷處細(xì)胞生長(zhǎng)的環(huán)境。支架通過增加對(duì)受損部位的覆蓋來減少出血、組織液滲出以及二次感染。支架材料所具有的特殊生物活性及其多孔結(jié)構(gòu)有利于受損部位細(xì)胞的黏附遷移、物質(zhì)交換，十分適合細(xì)胞等人體組織的生長(zhǎng)。因此科研人員對(duì)如何制備生物活性支架的問題越發(fā)重視。與傳統(tǒng)制備生物活性支架的方法相比，通過3D打印技術(shù)打印出的支架不僅可以根據(jù)預(yù)設(shè)的大小和孔間距離打印出完全連通的立體結(jié)構(gòu)，而且更具有靈活性及可重復(fù)性[5-9]。

但是現(xiàn)有的3D生物打印機(jī)存在打印精度低、打印時(shí)間長(zhǎng)、材料擠出不穩(wěn)定的問題?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZYNQ的皮膚支架打印機(jī)，利用其內(nèi)嵌的ARM處理器為核心，輔助以內(nèi)嵌的可編程邏輯器件來控制三軸位移平臺(tái)，通過在可編程邏輯器件上實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的加減速器控制來提高打印的精度，利用可編程邏輯器件的并行性提高打印的速度。在一定程度上解決了現(xiàn)有打印機(jī)的精度、速度和出料不均勻問題。并且研制了基于ARM的嵌入式軟件，利用該軟件可以靈活地根據(jù)打印的支架材料來調(diào)節(jié)噴頭打印的壓力、噴頭的開啟時(shí)間和打印間隙，制備出完全連通的皮膚支架，同時(shí)簡(jiǎn)化了相關(guān)醫(yī)護(hù)人員的操作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方式來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)。首先是搭建硬件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要包括在ZYNQ的PL端實(shí)現(xiàn)3個(gè)電機(jī)的控制信號(hào)的輸出[10-12]，再通過控制電路將PL端輸出信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)化為電機(jī)正常工作的電壓；其次，在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上在搭建嵌入式Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)通過硬件驅(qū)動(dòng)層來管理控制硬件系統(tǒng)；最后在應(yīng)用層利用QT技術(shù)開發(fā)圖形界面[13-14]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of whole system

1.2 電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要由三部分構(gòu)成。首先是ZYNQ芯片及其外圍電路。其次是控制電路，主要包括電機(jī)控制電路、噴嘴控制電路和比例閥控制電路。由于打印需要，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了霧化電路和溫度控制電路，其中霧化電路是由于在打印海藻酸鈉時(shí)需要利用氯化鈣進(jìn)行交聯(lián)，所以需要將氯化鈣霧化，以便其可以均勻地灑在海藻酸鈉上；由于在制備支架時(shí)可能會(huì)打印對(duì)溫度敏感的材料(如明膠等)并且需要控制打印平臺(tái)的溫度，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)加熱電路。

1.2.1ZYNQ及其外圍電路

設(shè)計(jì)采用的ZYNQ芯片XC7Z020，具體的外圍電路包括晶振、串口、SD卡、電源、DDR等。其中UART是在調(diào)試時(shí)與PC上位機(jī)的串口調(diào)試，4 GB的SD卡來充當(dāng)系統(tǒng)的硬盤，DDR暫時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)。

1.2.2控制電路

電機(jī)的控制電路主要是將ZYNQ的PL端所提供的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的使能、脈沖、方向信號(hào)進(jìn)行電壓的控制。噴嘴使用德國的高精度噴嘴，它的保持電壓為+5 V，開啟電壓為+24 V.所以設(shè)計(jì)通過一個(gè)相加電路使其達(dá)到噴嘴所需的保持電壓。通過三極管電路將電壓拉高到24 V，由于打印不同的材料所需的開啟時(shí)間不同，為了便于在硬件上調(diào)節(jié)它的開啟時(shí)間，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的軟硬件兼容，電路通過添加555定時(shí)器來達(dá)到調(diào)節(jié)噴嘴時(shí)間的目的，關(guān)鍵電路如圖2所示。

圖2 控制電路Fig.2 Pilot circuit

1.2.3霧化電路

霧化電路原理是通過超聲波換能的方法來產(chǎn)生高頻振動(dòng)使水面發(fā)生霧化。系統(tǒng)通過TTP227和TTP320芯片輔助以三極管和三腳電感來實(shí)現(xiàn)；由于每一個(gè)霧化片的最佳頻率(一般在92～180 kHz)有差別，所以為了找到微孔霧化片的最佳頻率，設(shè)計(jì)在TTP320的6引腳上通過一個(gè)1 Ω的反饋機(jī)制來檢測(cè)電壓的大小，達(dá)到檢測(cè)電流大小的目的。檢測(cè)到最大電壓時(shí)所發(fā)送的頻率即為該霧化片的最佳頻率，圖3為霧化電路原理圖。

圖3 霧化電路Fig.3 Atomization circuit

1.2.4加熱電路

加熱電路是通過溫度傳感器來讀取實(shí)時(shí)的溫度，再通過可控硅和電阻絲來達(dá)到設(shè)定的溫度。系統(tǒng)選擇了DS18B20溫度傳感器來測(cè)試溫度。在可控硅和電阻絲的加熱電路里加入了繼電器，使得加熱模塊有了繼電器和可控硅的雙重保護(hù)，只有繼電器和可控硅同時(shí)開啟才有電流流入電阻絲達(dá)到加熱的效果。具體電路如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括在主控中心程序設(shè)計(jì)和在FPGA的程序設(shè)計(jì)。前者代碼運(yùn)行于XC7Z020芯片PS端的Linux系統(tǒng)下，采用C++編寫。后者運(yùn)行于XC7Z020芯片PL端下，采用Verilog編寫。

2.1 主控中心程序設(shè)計(jì)

主控中心程序設(shè)計(jì)主要包括兩部分：一是在XC7Z020芯片PS端搭載Linux系統(tǒng)；二是應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。

2.1.1嵌入式操作系統(tǒng)的搭建

搭載嵌入式操作系統(tǒng)的目的在于方便對(duì)系統(tǒng)中全部的資源進(jìn)行合理分配，對(duì)于任務(wù)的調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)提供了有力的保證，增加系統(tǒng)的可靠性。Linux系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所占用的內(nèi)存相對(duì)來說比較少，用戶可動(dòng)態(tài)地向內(nèi)核插入和卸載，能滿足復(fù)雜任務(wù)的需求。

圖4 加熱電路Fig.4 Heater circuit

ZYNQ啟動(dòng)Linux流程如圖5所示。XC7Z020芯片上電復(fù)位后，對(duì)SD卡、串口等BootROM里包含外設(shè)進(jìn)行初始化，使得ARM處理器可以訪問這些外設(shè)，該代碼還負(fù)責(zé)加載階段1的啟動(dòng)鏡像文件(FSBL)，加載完FSBL后，F(xiàn)SBL代碼將對(duì)DDR、時(shí)鐘、MIO口等進(jìn)行初始化。初始化完畢后，F(xiàn)SBL 將獲取分區(qū)信息并驗(yàn)證header，驗(yàn)證通過后則加載分區(qū)，若加載的分區(qū)屬于比特流，則將比特流文件燒寫到PL端，若不是比特流則將其拷到DDR中，進(jìn)行階段2的啟動(dòng)，即 SSBL；在SSBL階段，主要由U-boot負(fù)責(zé)初始化啟動(dòng)Linux前的所必須的硬件，然后加載Linux內(nèi)核、設(shè)備樹和文件系統(tǒng)，最后啟動(dòng)Linux[15].

圖5 Linux操作系統(tǒng)啟動(dòng)Fig.5 Start-up Linux operating system

2.1.2應(yīng)用軟件的開發(fā)

為了進(jìn)行更好的人機(jī)交互，設(shè)計(jì)通過在Linux上運(yùn)行QT來開發(fā)便于操作人員操作的GUI界面。

應(yīng)用程序主要有4個(gè)功能塊：一為控制面板，在這個(gè)界面可以進(jìn)行每一層的參數(shù)設(shè)置；二為狀態(tài)檢測(cè)，它可以控制進(jìn)行打印的開始和停止；三為參數(shù)設(shè)置，它主要設(shè)置電機(jī)和噴嘴的參數(shù)；四為串口設(shè)置，功能是方便了程序的調(diào)試。

控制面板界面如圖6所示，用戶可以利用該界面來添加每一層的起始位置、打印尺寸、打印通道及打印方式。

圖6 控制面板界面Fig.6 Control panel interface

狀態(tài)檢測(cè)界面如圖7(a)所示，用戶可以通過該界面來實(shí)時(shí)監(jiān)控打印的進(jìn)度。參數(shù)設(shè)置界面如圖7(b)所示，主要用來設(shè)置電機(jī)細(xì)分、打印速度、單圈位移等。

圖7 狀態(tài)檢測(cè)界面和參數(shù)設(shè)置界面Fig.7 State detection and parameter seting interface

2.2 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

FPGA邏輯設(shè)計(jì)主要包括PS端的指令接受、指令解析、霧化電路控制、電機(jī)及噴嘴控制、參數(shù)設(shè)定和停止打印5個(gè)模塊。

指令主要包括打印命令、霧化命令、打印參數(shù)命令、停止命令。所有的命令都是以十六進(jìn)制的68 68開頭，在命令里加入CRC校驗(yàn)來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。不同的命令有不同的幀頭。通過將上位機(jī)的命令進(jìn)行解析來啟動(dòng)霧化電路控制、電機(jī)及噴嘴控制。具體的流程如圖8所示。

圖8 FPGA流程圖Fig.8 Flow diagram of FPGA

為了提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和精度，本設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)的控制采用了加減速控制的方法。具體框圖如圖9所示，其中位置判斷模塊根據(jù)脈沖總數(shù)，以及對(duì)輸入指令脈沖和輸出進(jìn)給脈沖的計(jì)數(shù)值，控制指令脈沖的產(chǎn)生和進(jìn)給脈沖的輸出，實(shí)現(xiàn)定量脈沖控制。同時(shí)，位置處理模塊還需實(shí)現(xiàn)減速點(diǎn)位置判斷功能。加減速控制模塊的自動(dòng)加減速控制功能是通過一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

圖9 加減速控制器Fig.9 Acceleration and deceleration controller

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過上述介紹，設(shè)計(jì)了打印成型尺寸可以達(dá)到400 mm×400 mm×400 mm，打印移動(dòng)精度為10～50 μm，打印速度閾值范圍為0.5～80 mm/s，對(duì)于材料擠出方式為氣動(dòng)擠壓和電磁閥的方式來進(jìn)行控制，使得出料更加可控的皮膚支架打印機(jī)。為驗(yàn)證系統(tǒng)的打印功能，分別對(duì)海藻酸鈉、明膠、海藻酸鈉與明膠的混合物進(jìn)行了打印[16-18]；通過對(duì)材料的濃度、噴頭的開啟時(shí)間、壓力、打印間隙的不斷調(diào)試，成功打印出了皮膚支架。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和打印機(jī)PrototypeSK00(采用龍門式機(jī)械結(jié)構(gòu)，選用國際公認(rèn)的高穩(wěn)定性能高速步進(jìn)電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)單元和滾珠式線性滑軌作為導(dǎo)向單元，保證運(yùn)行速度的同時(shí)，提高運(yùn)行的流暢度和精準(zhǔn)度。配合高效的控制程序，實(shí)現(xiàn)最佳效果的運(yùn)動(dòng)過程。它采用的材料擠出方式為氣動(dòng)擠壓。它的打印成型尺寸可以達(dá)到150 mm×150 mm×150 mm.打印移動(dòng)精度為0.1 mm，打印速度閾值范圍為0.1～50 mm/s，可設(shè)置為0.1 mm層高)對(duì)比，表明本次設(shè)計(jì)在打印時(shí)間和精度以及穩(wěn)定性上有了不錯(cuò)的改觀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10(其中(a)、(b)、(c)為PrototypeSK00打印效果圖，(d)、(e)、(f)為本次設(shè)計(jì)的打印機(jī)打印效果圖)所示；從圖中(a)和(d)、(b)和(e)、(c)和(f)對(duì)比表明，設(shè)計(jì)的打印機(jī)與PrototypeSK00打印機(jī)在打印單條直線、打印局部圖和打印整體圖中，該打印機(jī)在精度和穩(wěn)定性上明顯優(yōu)于PrototypeSK00.其中在打印局部圖中，本次設(shè)計(jì)的打印機(jī)打印了30層依然沒出現(xiàn)材料聚集的情況，而PrototypeSK00在打印了13層時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)了聚集。對(duì)現(xiàn)有打印機(jī)材料聚集的問題有了極大的改善。表1為與PrototypeSK00在時(shí)間上的對(duì)比，從表1中可以看出本次設(shè)計(jì)在打印時(shí)間上有顯著優(yōu)勢(shì)。圖11-圖13為具體實(shí)物圖。

圖10 打印效果圖Fig.10 Print effect picture

表1 打印時(shí)間對(duì)比Table 1 Comparison of print time

圖11 打印機(jī)及硬件實(shí)物圖Fig.11 Printer and hardware drawings

圖12 打印出的皮膚支架實(shí)物照片F(xiàn)ig.12 Printed photo of skin support

圖13 打印出的皮膚支架(帶細(xì)胞)圖Fig.13 Printed image of skin support(with cell)

4 結(jié)束語

本文為了迎合市場(chǎng)對(duì)醫(yī)療器材的需求，采用以ZYNQ為主控的方案實(shí)現(xiàn)了打印皮膚支架的軟硬件設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有的打印機(jī)相比，具有精度高、穩(wěn)定性好、時(shí)間短、出料均勻的優(yōu)點(diǎn)。且操作簡(jiǎn)單、方便，便于醫(yī)護(hù)人員上手。在后續(xù)的研究中將會(huì)在利用膠原、海藻酸鈉、明膠和成纖維細(xì)胞的混合物打印的支架的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)試，并與醫(yī)院進(jìn)行合作，進(jìn)行打印測(cè)試打印機(jī)在打印細(xì)胞方面的性能測(cè)試。