（牡丹江医学院 黑龙江 157011）

骨折多由严重创伤和高能量损伤所致，近年来发生率明显呈增长趋势[1]。内固定，手术创伤度对骨折手术尤其重要，除了预防并发症外，复位内固定质量与创伤程度对治疗骨折极其关键[2]。大多数骨科临床研究表明，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，医生不易解释手术方案，不利于构建和谐医患关系[3]。为使手术更精准、安全，本研究将3D打印技术用于打印骨骼以及骨骼修复体的基于嵌入式的FDM型3D打印图像控制系统，主要研发了系统的图像控制模块的framebuffer的驱动程序，完成了framebuffer的驱动程序设计，在治疗时，能够利用3D技术打印出患者的骨骼实物模型，根据骨骼模型对植入导板进行精确塑形，再将塑形后的骨导板移植到骨骼中进行骨骼的修复。

1 3D打印图像控制系统中图像的传输与显示

嵌入式系统传输图像数据信息，需要通过Linux系统下的帧缓冲（framebuffer）结构控制器来实现。因此framebuffer的相关知识对于本系统的实验十分重要，本研究主要完成framebuffer的驱动程序设计，完成控制系统中图像的传输与显示。

工作原理如图1。

图1 framebuffer 工作原理图

1.1 嵌入式系统framebuffer设计

1.1.1 FDM 3D打印图像传输系统framebuffer 总体控制设计

本系统所使用的芯片为Atmega 2560-16AU（AVR 核心处理器8位16MHz，256KB Flash），集成了很多的外部设备来配合完成芯片控制功能，在linux系统下的源代码中的linux/platform_device.h 头文件中定义了platform_device数据结构来管理描述这些外部设备。在系统启动时，就可以将所有芯片的平台设备加载，结构体形如下：

1.1.2 FDM 3D打印图像传输系统framebuffer 驱动结构设计

帧缓冲作为用户与硬件之间的中间层，起到电脑显卡的作用，应用程序对帧缓冲的操作即可看作是对显存的操作。framebuffer 启动后，需要我们对其linux/drivers/videos/下的其的驱动程序进行部分编写，驱动程序是应用程序与外部设备之间的操作的接口，对应我们所使用的Atmega 2560-16AU（AVR 核心处理器8 位16MHz，256KB Flash）芯片，才能实现具体的图像显示功能。framebuffer设备驱动包括在如下两个内核文件中：

（1）linux/include/linux/fb.h

（2）linux/drivers/video/fbmem.c

fb.h中主要包括了framebuffer 驱动程序中占主要地位的数据结构。而fbmen.c 则是既为上层的应用程序提供操作framebuffer设备的函数接口，让基本操作与硬件设备无关，又为底层的硬件设备提供了相应的操作接口，但这些操作也不由fbmen.c 完成，而是由系统使用的芯片处理器来决定的，本文中，我们由Atm2560fb.c来实现这些操作，需要根据不同的LCD 控制器来实现相关的接口。图2为framebuffer设备驱动结构。

图2 framebuffer 驱动结构

1.1.3 FDM 3D打印图像传输系统framebuffer 驱动程序设计

1.1.2 中完成framebuffer 驱动程序的设计，才能使其正常工作，让图片正确的显示。驱动程序与开发所使用的的硬件设备相关。所以，驱动程序分为了两层：标准驱动和非标准驱动。

由图2可以看出，标准驱动主要为应用程序提供操作接口[4]，主要操作在fbmem.c的file_operations 结构里，而底层驱动则是framebuffer 驱动程序真正需要完成的功能，需要进行相应程序的编写，来实现真正的图片显示。本系统中帧缓冲驱动主要在drivers/video/Atm2560/Atm2560fb.c中，驱动的全部信息在Atm2560fb_info_t中。

framebuffer的驱动程序就需要编写Atm2560fb.c文件，主要包括以下几个内容：

（1）初始化fb_info中成员函数。

（2）底层驱动需要与设备驱动实现绑定，这一过程就是在底层驱动的加载的过程中完成的，为了实现与方便绑定，每一个platform_device都定义了一个platform_driver。

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打印机进行图像控制系统的操作实验，将骨手术患者术前CT 扫描数据导入三维建模软件中生成三维骨结构，如图3所示。图4对术前骨手术患者骨骼进行复位后图像还原对比，得到修复后的骨骼三维图，利用3D打印机将术后骨三维模型打印成型，并对打印的模型进行骨导板复原手术，最后，将精准的骨导板植入到患者骨骼中，完成骨手术的固定复原。

图3 骨手术前及术后CT图

图4 骨手术前三维重建以及术后三维重建图

通过手术证明，FDM 3D打印图像控制系统运行速度快，交互性高，性能稳定，可以精确打印骨科手术患者的三维骨模型，保证了骨科手术安全性和可靠性，使基于嵌入式的FDM型3D打印图像控制系统更好服务于广大骨科疾病患者。

3 结束语

在本研究中，3D打印技术已经用于打印骨骼及骨骼修复体等。在治疗时，能够利用3D技术打印出患者的骨骼实物模型，根据骨骼模型对植入导板进行精确塑形，再将塑形后的导板移植到骨手术中进行骨骼的修复。以往的3D打印图像控制系统集成复杂，界面交互感差且效率低。本研究系统的图像控制模块的framebuffer的驱动程序，完成了framebuffer的驱动程序设计，通过系统测试结果表明，该图像控制系统运行操作简单，效率高且性能稳定，可以精确打印骨科手术患者的三维骨模型，保证了医生能够进行精准的骨科手术。