基于嵌入式的颌面手术3D打印LCD图像控制器设计与应用

宋铁石，关富龙，孔明茹，王 磊

颌面肿物为口腔临床常见疾病，多见于男性，严重影响患者的语言功能与咀嚼功能，使患者产生亚健康自卑心理，今年来，颌面肿物发病率呈增长趋势［1］。如何安全，美观同时减少手术复杂性简化时间对颌面肿物手术极其关键［2］。由于颌面构造复杂且每个患者的颌面构造尺寸均不相同，因此平面显示的二维图像不能完全给人直观、立体的感觉，影响医患双方沟通，手术方案难以沟通［3］。为使手术更精准、可靠性高，本研究将3D 打印颌面图像LCD 控制技术用于打印机，在治疗时，能够利用3D技术打印出患者的颌面实物模型，根据颌面模型进行切除手术。

本文研究FDM 技术的原理以及图像传输与显示的原理开发了应用于颌面手术的3D 打印LCD 图像控制器。介绍了图像显示过程中最重要的LCD 设备的相关知识，完成了LCD 的驱动程序设计，可以使基于嵌入式的FDM 型3D 打印机的LCD 图像控制器更好的应用。

1 3D 打印LCD 图像控制设计

基于FDM 的3D 打印机传输图像数据信息，需要通过Linux 系统下开发板内部的LCD 控制器来实现，本研究主要使用LCD12864 控制器完成LCD 控制器的相关参数设置和寄存器的设置，完成LCD 控制器中图像的传输与显示。工作原理如图1。

1.1 FDM 3D 打印图像传输系统LCD 控制器设计

1.1.1 FDM 3D 打印图像传输系统LCD 控制器

控制器是用来控制显示模式，图像数据的组织格式，控制时序，控制信号的极性，控制调色板的使用等［5］。

本系统所使用的Atmega 2560-16AU（AVR 核心处理器8 位16MHz，256KB Flash）有自己的LCD 设备驱动，定义XXfb_info 来标识一个LCD 设备，具体结构体如下：

图1 LCD控制器工作原理图

1.1.2 FDM 3D 打印图像传输系统LCD 控制时序

一般LCD 的显示刷新频率是60Hz，也就是每秒钟显示60 帧画面。而我们视频播放帧率是23～30 fps，是用LCD 控制器一般是每秒钟送20～30 帧的RGB 信息给LCD 让其显示，是通过LCD 控制器把RGB数据送给LCD驱动器，LCD驱动器就把它放到缓存中，然后以60fps 的速度送给显示屏显示。LCD 控制器时序控制着视频帧率；LCD 驱动器时序控制着显示器刷新率。

1.1.3 FDM 3D 打印图像传输系统寄存器设置

驱动程序中最重要的是修改init_registers（）函数来实现寄存器的设置［5］。上述时序图中各信号的时间参考都可以在寄存器中进行设置，将帧同步、色调-饱和度、时钟等信号的时间参数设置好之后，并将帧内存地址告诉LCD 控制器，它既可自动地发起存储器直接访问传输从帧内存中得到图像数据，控制信号出现在数据总线上。

2 系统测试

本文采用黑龙江拓盟科技有限公司的TMKJ -ET系列FDM 3D 打印机进行图像LCD 控制器的实现本文研究。如图2 所示为3D 打印机的LCD 功能界面，图3 所示为LCD 屏幕的界面，打印机在打印期间会在界面上实时显示当前打印参数。同时，临床工作人员能够对打印参数作出实时调整，使打印效果更精准。

图2 LCD功能界面图

将颌面肿物手术患者术前CT 扫描数据转化为STL 文件，将STL 文件导入三维建模软件中生成三维颌面结构，对术前颌面肿物手术患者颌面骼进行复位后图像还原对比，得到修复后的颌面三维图，使用3D 打印机对术前颌面三维模型打印，并对打印的模型进行颌面肿物精准切除。

图3 LCD操作界面图

通过手术证明，FDM 3D 打印LCD 图像控制器运行速度快，界面交互性高，性能稳定，可以精确打印颌面肿物手术患者的三维颌面模型，保证了颌面肿物手术安全性和可靠性，使基于嵌入式的FDM型3D 打印LCD 图像控制器更好的服务于广大颌面科疾病患者。

3 结束语

通过颌面肿物手术证明，在治疗时，口腔科医生能够利用3D 技术打印出患者的颌面实物模型，根据颌面模型对患者进行精准定位切除手术，最大程度保证患者面部美感。以往的3D 打印LCD 图像控制器集成复杂，界面交互感差且效率低。为此，本文开发了一种应用于颌面手术的嵌入式FDM 型3D打印LCD 图像控制器，主要研究了FDM 技术的原理以及LCD 图像传输与显示的原理。介绍了图像显示过程中最重要的LCD 设备的相关知识，完成了LCD的驱动程序设计，通过临床手术可知，LCD 图像控制器运行操作便捷高效安全性能好，可以精确控制颌面手术患者的三维颌面图像信息，保证了医生能够进行精准的颌面肿物手术，可以使基于嵌入式的FDM 型3D 打印图像控制器更好的应用。