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摘要：針對目前國內口腔牙周測量設備成本高，設備資源嚴重不足，不能適應現代社會發展需求的問題，設計了一套基于FPGA的口腔牙周結構采集系統。系統采用FPGA作為主控芯片,通過陀螺儀記錄空間位置坐標，獲取口腔牙齒圖像，以USB通信方式將數據傳送給PC機端。通過完成系統硬件與軟件設計，實現初始化圖像采集模塊、控制圖像采集模塊工作、產生圖像采集的觸發控制信號，讀取陀螺儀的數據、存儲RGB三色數據等功能，從而獲取口腔牙周結構數據。
關鍵詞：FPGA；牙周測量；數據采集
0引言
牙體、牙列缺損及其畸形和牙列缺失是人類的常見病、多發病，是危害人類健康的三大疾病之一。隨著我國生活水平的提高及人口結構的老齡化，人們對口腔健康關注程度也在提高，特別是中老年齲齒的治療需求非常大。傳統的口腔修復體手工制作流程幾乎每一步都是手工操作，流程繁瑣，存在效率低、治療周期長、修復精度不高、患者痛苦大、修復結果無法仿真模擬等缺點，不能滿足患者快速恢復牙體功能的要求，這種方式越來越不能滿足市場的需求[1]。隨著集成電路、先進制造業及軟件算法的發展，計算機系統的性能得到了大幅度的提升，計算機視覺作為一項可以輔助醫學診斷的技術正在嶄露頭角，使用數字化口腔測量系統是一種有效解決該問題的捷徑。國外口腔專用測量系統在技術起步較早，比較有代表性的研究機構或公司是：瑞士蘇黎世大學牙科學院，德國的Sirona公司，德國的Kavo公司，美國的3M公司，丹麥的3Shape公司等[2]。國內數字化口腔測量技術起步較晚，技術路后，盡快開發出滿足市場需求的國產化產品，并將其應用在相關領域，為口腔修復體的智能化制作提供技術保障，具有較大的現實意義。本文設計基于FPGA的口腔牙周結構采集系統，實現數字化口腔測量，切實推動數字化技術在我國口腔修復醫學領域的應用發展，具有為我國數字化口腔醫學發展起到一定推動作用，開發出性價比高的實用化系統意義重大。
1系統整體方案設計
本設計為基于FPGA的口腔牙周結構采集系統，本系統的總體框架如圖1所示。系統由EP4CE10F17C8可編程邏輯門陣列FPGA作為主控芯片，通過觸發驅動控制光機拍攝口腔牙齒圖片，讀取陀螺儀狀態數據，將口腔牙齒結構數字化，并通過USB接口實現FPGA與PC機數據處理端通信，完成口腔數字化測量功能。測量系統需要完成的主要功能包括：初始化圖像采集模塊、控制圖像采集模塊工作、產生圖像采集的觸發控制信號，讀取陀螺儀的數據、存儲RGB三色數據等功能，從而獲取口腔牙周結構數據。根據系統的工作需求，采用可編程邏輯FPGA作為核心器件，實現對口腔數據的快速采集、存儲、傳輸。數字化口腔測量是直接對人口內牙齒進行數據印模的一種方式，無需咬模、倒模、佩戴假牙等繁瑣耗時的中間環節，速度快，精度高。但若對牙齒全周的成像，單視角圖像無法精確對牙齒三維成像，因此需要采用多視角成像，然后對多視角的圖像進行定位配準和數據的拼接融合，形成全周牙齒的三維圖像，實現牙周三維模型的重建。為此需要獲取圖像的空間信息，故系統采用陀螺儀獲取圖像空間信息。采集到的口腔結構數據需要傳輸給PC端上位機，對數據進行處理，構建數據口腔印模，系統以USB接口方式實現數據通信。
2數字化測量系統硬件實現
設計采用模塊化設計思路，將系統電路分為不同的功能模塊進行設計?；贔PGA的口腔牙周結構采集系統可分為最小控制系統電路、視頻圖像采集電路、陀螺儀空間數據獲取電路、USB通信電路、電源電路等部分。最小控制系統電路是采集系統的基本工作單元，包括時鐘電路、復位電路、調試接口。視頻圖像采集電路實現拍照控制和圖像數據獲取功能。陀螺儀空間數據獲取電路用來記錄圖像的空間信息，為圖像拼接提供數據條件。USB通信電路用來將測量的口腔數據信息上傳給上位機系統，對數據進一步處理。電源是系統工作的前提，由于系統中由不同供電需求，需要對電源進行轉換處理，適應電路需求。
2.1視頻圖像采集電路。系統采用了豪威科技公司生產的CMOS圖像傳感器OV5640，視頻圖像采集電路圖如圖2所示。OV5640是一款1/4英寸5百萬像素的高性能圖像傳感器，支持DVP和MIPI接口。模塊集成雙LED閃光燈，自動對焦功能(AF)，可輸出RGB565、RGB555、RGB444、YUV(422/420)、YCbCr422、以及JPEG格式，可以對圖像進行白平衡、飽和度、色度、銳度、gamma曲線等調節[3-4]。同時支持圖像分辨率、幀率調節。
2.2陀螺儀空間數據獲取電路。為了將拍攝的口腔牙周結構數據圖像拼接、重建，在口腔牙周圖像信息拍攝時需要記錄圖像的空間位置信息。系統選擇了MPU6050內部三軸陀螺儀可獲取圖像拍攝的空間信息，可將其測量的模擬量轉化為數字量輸出。陀螺儀的可測范圍為±250、±500、±1000、±2000°/秒（dps）可調，用戶可根據系統測量精度選擇合適的測量范圍。芯片內部集成了1k字節的FIFO，可降低系統的功率消耗。陀螺儀芯片可通過串口和IIC接口進行數據通信[5]。電路使用MPU6050的I2C接口，以滿足訪問底層測量數據的需求。芯片采用先進的數字濾波技術，能有效降低測量噪聲，提高測量精度。模塊內部自帶電壓穩定電路，可以兼容3.3V/5V的系統供電，連接方便。電路結構圖如圖3所示。
2.3USB通信電路。系統采用USB通信方式將數據傳輸給PC端上位機處理系統，通信接口電路如圖4所示。使用CH340芯片將FPGA的串口輸出方式轉換為USB通信方式，芯片兼容5V供電和3.3V供電。接口電路支持硬件全雙工串口，內部具有數據收發緩沖區，數據傳輸速率達到50bps～2Mbps，非常適合大數據量的信息傳輸。電路在TXD端口加入了LED指示，當有數據發送時LED的亮滅狀態受發送數據bit位決定，可用來提示正在進行數據發送狀態。在電路的數據發送、接收端口加入了緩沖電阻，防止數字信號產生浪涌。該電路將FPGA的數據輸出轉換為了USB通信方式，方便了PC機與下位機測量系統的連接。
3系統的軟件設計
口腔牙周結構采集系統將口腔內部結構數字化，系統上電后首次對系統寄存器進行復位初始化操作，同時配置系統各部分工作的模式，如IIC協議、串口速率、圖像數據格式等。系統初始化狀態完成后等待圖像采集的控制觸發信號，當檢測到觸發信號產生時驅動執行一次口腔信息采集任務，同時將空間狀態信息數據從MPU6050陀螺儀中獲取。將采集到的圖像信息和空間位置信息存儲并通過USB接口發送給上位機系統進一步處理。系統軟件流程圖如下圖5所示。OV5640使用的是兩線式SCCB接口總線，兼容IIC接口協議[6]。OV5640的寄存器地址由兩個字節（16位bit）表示，通過SCCB接口總線配置寄存器地址，實現對不同寄存器的對寫操作。寫傳輸協議如下圖6所示。IDAddress為芯片的硬件連接地址，寫操作時首先發送器件地址，然后依次發送兩個8bit的16位寄存器地址，再寫入操作字節命令字。OV5640正常工作之前必須首先對傳感器進行初始化，配置相應的寄存器的參數，使OV5640以系統需要的方式進行采集圖像數據。MPU6050陀螺儀采用IIC接口通信，上電后需要首次初始化IIC驅動程序，同時配置MPU6050陀螺儀的工作模式。對IIC接口以及MPU6050進行初始化配置后,即可讀取寄存器數據,獲得12個原始數據,將高八位和低八位合并后獲得16進制數值,即可獲得六個基礎數據(ACCEL＿X,ACCEL＿Y,ACCEL＿Z,GYRO＿X,GYRO＿Y,GYRO＿Z)。本測量系統只關注空間位置狀態信息，從MPU6050中獲取X、Y、Z軸信息即可。
4總結
本文基于FPGA的口腔牙周結構采集系統通過硬件、軟件設計，完成了對口腔牙周圖像數據獲取，圖像空間位置狀態記錄，數據存儲，數據USB通信，實現了對口腔牙周結構數字化采集，改變了傳統咬牙模測量的方式，將口腔結構數字化，同時為后期通過計算機三維重建實現3D牙齒修復提供了前端數據支持。
作者:武丹 舒鑫華 武宏濤 江東瑤 李恒豐 單位:西安石油大學
