基于激光CCD的人工关节测量系统的研究

论文摘要

随着国民经济和现代医学水平的发展,人工关节置换技术在骨科领域有着广泛的应用。进行人工关节置换术之前,需要为病人定做尺寸合适的人工关节。用于置换的人工关节在各个部位上的大小和形状应尽量与病人原关节保持一致,所以在人工关节的制造过程中,需要对成型的人工关节做表面尺寸测量,再与患者关节的X光片或CT图像数据进行比较,如果误差较大则需要重新修整人工关节。往往需要经过多次测量、多次修整后才能使人工关节的尺寸符合最终要求。对人工关节各个截面上的尺寸进行测量,通常使用接触式的测量仪器进行,测量准确度不高,使用不方便,且有可能给被测面带来创伤。若采用对人工关节的X光片或CT图像进行量测的方法,则成本很高。而激光CCD传感器具有测量速度快、分辨率和灵敏度高、非接触式及无创性等特点,对表面不太规则的人工关节进行测量犹为有效,是种经济、可行的办法。本课题研究了一种多用途、多功能的基于激光CCD的非接触式测量系统,测量速度和响应时间较快,测量精度和分辨率较高,满足对人工关节表面尺寸进行测量的要求。本论文阐述的人工关节测量系统利用的是激光三角法原理,研究内容包括光路设计、机械探头设计、系统硬件设计和软件设计。详细叙述了测量系统的各部分电路、信号处理及控制软件,包括激光二极管驱动电路、线阵CCD传感器驱动电路、CCD信号预处理及采集电路、DSP接口电路、基于DSP的信号处理及控制软件、上位机软件等几个模块。设计出的测量仪器包括探头、主控制器和显示面板三个部分。本系统的特点是,通过对发射激光光强自适应调节满足了不同环境下的测量需要,抵消环境因素对测量的影响;采用高速CCD、高速A/D转换器、高速FIFO和比较器筛选电路提高了数据采样和处理速度,从而提高系统对人工关节的测量速度;采用高像素的CCD传感器和有效的算法提高了测量系统的分辨率和测量精度;通过RS232接口能将人工关节的尺寸数据快速地传至上位机,以供上位机软件作进一步数据处理和图像分析。在实验中,用一段带关节头的猪骨来模拟人工关节进行测量,总共得到了5040个测量数据。将全部数据传至上位机,用MATLAB重建出了猪骨的三维表面图像,基本反映出了猪骨的表面形貌。实验结果表明,本课题通过合理的测量方法,实现了由二维数组构建三维表面图像的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题提出的背景及研究意义
• 1.1.1 问题提出的背景
• 1.1.2 问题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题的研究目的和研究内容
• 1.3.1 课题的研究目的
• 1.3.2 课题的研究内容
• 2 激光CCD 测量系统的构建
• 2.1 CCD 的工作原理
• 2.2 光路设计
• 2.2.1 激光三角法原理
• 2.2.2 光路参数计算
• 2.3 机械平台设计
• 2.4 系统总体设计
• 3 测量系统的硬件设计
• 3.1 线阵CCD 传感器
• 3.2 基于CPLD 的CCD 驱动电路
• 3.2.1 可编程逻辑器件简介
• 3.2.3 CPLD 的选择
• 3.2.3 EPM7064 的外围电路
• 3.3 激光驱动电路
• 3.3.1 激光驱动器
• 3.3.2 恒流源电路
• 3.3.3 激光光强自适应调节
• 3.4 线阵CCD 信号采集电路
• 3.4.1 放大滤波电路
• 3.4.2 高速A/D 采样电路
• 3.4.3 高速FIFO 存储器
• 3.4.4 比较器模块
• 3.4.5 数据采集时序
• 3.5 DSP 控制与信号处理电路
• 3.5.1 DSP 的选择
• 3.5.2 TM5320F2812 的特性
• 3.5.3 TM5320F2812 的功能模块设计
• 3.5.4 TM5320F2812 的时钟、复位和下载口设计
• 3.6 外部数据存储器SRAM
• 3.7 系统接口电路
• 3.7.1 键盘、指示灯和数码管
• 3.7.2 R5232 通信接口
• 3.7.3 电压兼容性
• 3.8 系统电源模块
• 4 基于VHDL 的CCD 驱动设计
• 4.1 ALTERA 开发平台及VHDL 简述
• 4.1.1 Altera 综合开发平台QuartusⅡ
• 4.1.2 VHDL 简述
• 4.2 TCD1703 的驱动时序
• 4.3 CCD 驱动设计
• 4.3.1 分频模块的设计
• 4.3.2 驱动信号的设计
• 4.3.3 顶层文件的设计
• 4.4 CCD 驱动信号仿真
• 5 PCB 板的设计与调试
• 5.1 PCB 板的设计
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 布局
• 5.1.3 布线
• 5.2 硬件调试
• 6 测量系统的软件设计
• 6.1 基于DSP 的软件设计
• 6.1.1 DSP 的开发环境及C 语言编程基础
• 6.1.2 DSP 软件开发步骤
• 6.1.3 整机软件设计
• 6.1.4 DSP 的初始化设置
• 6.1.5 DSP 的存储空间分配
• 6.1.6 测量系统的菜单设计
• 6.1.7 数据采集及结果处理
• 6.1.8 外部存储接口XINTF 的软件设置
• 6.1.9 激光光强自适应调节设计
• 6.1.10 与上位机的串口通信设计
• 6.2 上位机软件设计
• 6.2.1 软件界面简介
• 6.2.2 上位机软件功能
• 7 实验结果及分析
• 7.1 高速数据采集实验
• 7.2 激光光强自适应调节实验
• 7.2.1 被测物表面激光反射实验
• 7.2.2 激光智能调节实验
• 7.3 测量系统误差分析及修正
• 7.3.1 误差实验及分析
• 7.3.2 误差修正
• 7.4 人工关节尺寸测量
• 7.5 上位机分析及三维表面重建
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录 A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• 附录 B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录