（信号与信息处理专业论文）嵌入式口腔一体化数字诊疗系统.pdf

摘要 本文研究课题来源于广州市科技计划项目“口腔一体化数字诊疗系统” ( 2 0 0 4 2 3 一e 0 2 4 1 ) 。该项目综合应用计算机控制、嵌入式和数字图像处理技术，研究 开发全电脑智能控制的综合牙科治疗台，口腔数字成像系统和医疗信息管理系统， 实现口腔医学影像的实时提取和分析，以及口腔疾病的计算机辅助诊疗。本文重点 对综合牙科治疗台智能控制器和口腔医学影像的实时采集系统进行研究丌发。 本文研究的主要内容和方法如下： 1 本文采用a r m 嵌入式处理器和l i n u x 嵌入式操作系统构建系统平台，开发 口腔诊疗台各功能模块的驱动程序，并将牙椅智能控制和口腔医学影像采集进行多 任务合理划分，分配到嵌入式系统上实现。把键盘任务分配成中断任务，l c d 显示 等其余各任务则分配成f i f o ，并在综合考虑各任务的重要性和所需执行时间丌销的 基础上设置相应的优先级。进程调度策略采用实时进程先到先服务调度方法。 2 根据对牙椅人体工程学和智能化的要求，应用光机电一体化技术对牙椅运动 的液压传动系统进行闭环控制。采取有效的抗干扰措施，保证系统可靠运行。通过 设计优化运动轨迹、个性化牙椅诊疗位置的记忆、恢复功能，满足系统运动平稳、 医生操作方便、患者舒适的要求。在优化系统功能方面，本文采用红外检测方法来 实现非接触控制开关无影灯；采用红外检测与超声波测液位的联合控制方法实现漱 口水杯的非接触式智能操作。这两种改进的控制方法有效降低了口腔诊疗过程中的 医源性交叉感染的危险性，为医生和病人的健康提供了重要保证。 3 本文总结了图像采集过程中的图像缓存几种常用方法的适用场合，根据x 光 图像采集的特点，采用”a 刚9 + f p g a + f i f o ”的图像采集方法设计了低剂量x 光c c d 牙科图像采集系统。在抗干扰方面，本文应用相关双采样技术对c c d 图像中的噪声 进行滤波降嗓处理。 本文设计开发的嵌入式口腔一体化数字诊疗系统具有较高的实用价值，牙科治 疗台控制器也通过调试，并在多家医院进行试用。 广东t 业大学t 学硕七学位论文 关键词：口腔一体化；嵌入式系统；数字诊疗系统；医源性交叉感染；x 光牙科图 像 n a b s t r a c t t h es u b j e c t w h i c ht h i sp a p e rs t u d y , d e r i v e 舶mt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi t e mo f g u a n g z h o uc i t y ： d i g i t a ld i a g n o s i sa n dt r e a t m e n ts y s t e mo fo r a li n t e g r a t i o n t h i si t e m i n t e g r a t e so p t i c a l e l e c t r o - m e c h a n i c a lt e c h n o l o g y ，e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya n d d i g i t a li m a g ev o 啷i n gt e c h n o l o g y , i no r d e rt od e v e l o pt h ep u r ec o m p u t e r c o n t r o l l e d d e n t a li n t e g r a t i o nu n i ta n dd i g i t a li m a g i n gs y s t e mo fo r a li n t e g r a t i o n t h i sp a p e ra l s o r e a l i z eo r a lm e d i c a li m a g ew i t h d r a w i n ga n di m a g ea n a l y s i z i n g ，a n dw o r ko u tt h ec o m p u t e r a i d e do r a ld i a g n o s i sa n dm e d i c a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t h i sp a p e rf o c u so nt h es t u d y o fi n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o l l e ro fd e n t a li n t e g r a t i o nu n i ta n dt h er e a l - t i m eo r a li m a g e a c q u i r i n g t h ei l i a i nc o n t e n t sa n dm e t h o d sc a nb ed e s e r i b e da sf o l l o w s 1 a r ma n dl i n u xa r ea p p l i e dt ob u i l du pt h es y s t e mp l a t f o r m t h et a s k so fd e n t a l u n i ta n di m a g eg a t h e r i n ga r ed i v i d e d ，w h i c ha r ea s s i g n e dt ot h ee m b e d d e ds y s t e m f o r e x a m p l e ，k e y b o a r dt a s ki sa s s i g n e dt ot h es y s t e mi n t e r r u p t i o nt a s k , a n do t h e r sa r e a s s i g n e dt ot h ef i f ot a s k s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fh 。g o m m aa n dt a s km a n a g i n g ，f i f o m a n a g i n gm e c h a n i s mi sa p p l i e dt ot h es y s t e m 2 t h ed r i v es y s t e mi sc o n t r o l l e dw i t hf e e d b a c k ，w h i c ho p t i c a l e l e c t r o m e c h a n i c a l t e c h n o l o g yi sa p p l i e dt o a f t e ra n a l y z i n gm e d i c a ls o u r c eo v e r l a p p i n gi n f e c t i o nd u r i n g d e n t a ld i a g n o s i s ，an e wm e t h o di sb r o u g h tu p ，i nw h i c ht h en o n - t o u c h i n gc o n t r o l l i n gi s a p p l i e dt ot h eg a r g l i n gc u pw a t e r - g i v i n ga n dt h en o n - s h a d o wl i g h ts w i t c h i n go p e r a t i o n 3 t h el o wd o s ex r a yc c dd e n t a li n , a g i n gs y s t e mi sd e s i g n e d ，t ow h i c ht h e d o u b l e c o r r e l a t e dt e c h n o l o g yi sa p p l i e d ，b a s e do nt h e o r yo fx - r a yi m a g i n ga n di m a g e g a t h e r i n gb yc c d t h ei t e mh a sa c c o m p l i s h e da n da c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dg o a lt h es t u d ya c h i e v e m e n t h a sa l li m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h ep r o m o t i o no fd i g i t a ld i a g n o s i ss y s t e mo fd e n t a l i n t e g r a t i o n , w h i c hb r i n gt h eb e n e f i t sb o t ho ne c o n o m i ca n ds o c i a ll e v e l n o w , t h ed e n t a l i n t e g r a t i o nu n i tc o n t r o l l e r , w h i c hi si n c l u d e dt ot h es y s t e m , i sp u to np r o b a t i o m 三奎：些奎兰三兰鎏圭兰堡丝兰 k e y w o r t h ：o r a li n t e g r a t e d ；e m b e d d e ds y s t e m ；d i g i t a ld i a g n o s i ss y s t e m ；m e d i c a ls o u r c e o v e r l a p p i n gi n f e c t i o n ；x r a yd e n t a li m a g e i i 独雹性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 摒璩 论文作者签字：套豇讷 纠年印月罗。开 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于广东工业大学与广州市侨健医用科技有限公司合作承担的广州 市科技计划项目“口腔一体化数字诊疗系统”。该项目已经完成，通过了广州市 科技局组织的专家会议验收。 1 1 2 课题研究的意义 w h o 于2 0 0 6 年在中国：医疗卫生、贫困和经济发展报告中总结了中国所 面l 临的健康方面的挑战，以及中国政府制定旨在应对在经济发展过程中所出现的 这些挑战的战略，同时该报告还强调了医疗卫生与经济发展的联系，并且强调指 出贫困人群更多地受到可预防和可治愈疾病的困扰w 。许多地方把有限的资金投 入到了提高牙科医疗学术地位，但忽略牙科医生的技术水平的提高”- 。我国牙医 与人口之比为1 ：1 0 00 0 0 ，与发达国家相比该比例严重失调，远远不能满足人群 的口腔就诊需要。牙椅是牙医治疗病人所必须的设备，是评价口腔卫生服务最基本 的项目。在我国，牙科医生平均使用o 8 台牙椅，牙医还没有达到每人使用一台牙 椅的情况，许多医生还共用牙椅。但是牙科医生平均每天接待1 5 个病人，平均每 3 0 m i n 看一个牙科病人1 3 1 。以上这些说明国内对牙椅的需求具有非常大的潜力，我 国政府需要大力扶持、发展适合我国国情的口腔医疗设备。 我国目前口腔医疗器械厂家大多只能生产低档牙椅及其配套器械，此类牙椅 自动化程度不高。这种状况影响了我国口腔医疗器械的市场竞争力，也限制了国 内的口腔医疗器械向高尖端方向发展。在口腔医疗器械的配套的辅助诊疗软件方 面，国外已有相对完善的口腔诊疗信息管理库软件和一些口腔内窥镜和x r a y 牙 片的辅助诊疗的图像处理软件，如美国p c a 公司生产牙医专用的d e x i s 口腔x 广东t 业大学t 学硕十学位论文 光数字成像系统。国内厂家的口腔诊疗信息管理库软件也取得了一定的进展，如 我国公安部第一研究所设计的o d i s 1 口腔数字成像系统具有病例数据库管理、图 像采集、管理和处理等功能。但是对比国外产品。我国在口腔医疗器械的技术水 平还存在着较大差距开发出拥有独立知识产权的高端口腔医疗器械是国内口腔 医疗器械行业面临的迫切任务。 综合考虑成本、使用场合、安全性和稳定性后，本课题制定了基于嵌入式系 统的研发方案。嵌入式系统是面向特定应用的，能满足硬件平台的多样性，集成 度高，能够把通用系统中许多由单独芯片或板卡完成的功能集成在芯片内部；有 实时多任务操作系统的支持，针对不同任务能合理调度以保证系统的高实时性， 因而嵌入式系统能满足口腔诊疗系统的需求。 目前，我们对嵌入式系统开发也有了一定的理论基础和经验积累，为现阶段 在口腔医疗器械上应用嵌入式系统提供了可能性和可行性。本课题目的在于运用 现有的技术实现嵌入式口腔一体化数字诊疗系统。 1 2 口腔一体化数字诊疗系统的国内外研究现状 目前，我国国内能自主丌发的口腔数字诊疗系统功能也比较齐全，但国外和 台湾地区厂家在牙椅控制的智能化和人性化方面有明显的改善。图1 1 是在苏州 开设的台商独资企业华邦齿科医疗器械有限公司生产的h b 2 2 0 0 型牙科综合治 疗机【4 l 。h b 一2 2 0 0 属中高档综合治疗机，具备低档牙椅的所有功能，其优点在于 依照人体工程学设计的，靠背椅座联动装置，坐卧舒适；驱动电源和控制电源均 采用低电压，使用操作安全、工作可靠；作为选配件的口腔内窥镜系统能让病人 随时看到医生的操作进度和诊治细节，也对自己的口腔病情的认识更加详细，直 观，彻底改变了过去那种只能通过医生的诊断、介绍来了解并在一定程度上盲目 接受医生的治疗的被动局面，将大大强化了医生和病人之间的互动，减少医患纠 纷的出现。 在配套的辅助诊疗方面，法国摄谱公司研发的s o p i x 影像系统是同行中较为 典型的，采用了e c s 曝光控制系统技术，基于3 2 位的d s p 数字信号处理芯片 图像处理模块能实时获取高解析度的口腔图像，功能也较为齐全，能做牙根管测 量，齿骨密度测量，为医生诊断提供了比较有力依据。 2 图1 1h b 2 2 0 0 型牙科综合治疗机 f i g 1 - 1t h eh b 2 2 0 0d e n t a li n t e g r a t e du n i t 近年来，口腔医学设备发展方向主要是数字化、智能化。特别是医学成像的 多能源化、医学影像的计算机自动定量分析，使医生诊疗的准确性得到保证。 当前，嵌入式系统的发展也为口腔医疗器械发展带来了机遇。虽然把嵌入式 应用于医疗器械方面的文章和报道还比较少见，但嵌入式在工业控制、数控技术、 实时图像处理和数据库、网络通信等方面已经得到广泛应用，相关的成果为嵌入 式医疗器械发展提供了理论基础和物质条件。 1 3 嵌入式口腔一体化数字诊疗系统概述 嵌入式口腔一体化数字诊疗系统包括牙科治疗台和数字成像系统两大部分。 牙科治疗台由牙医椅、诊疗装置及控制系统组成，包括：两个高速涡轮手机、一 个微电机直弯手机、光固化机、超声波洁牙机、感应式口腔无影灯、漱口槽、器 械盘、助手架、操作台、底座、靠垫、红外线感应装置、超声波检测液位、电动 马达、液压气动及控制系统等。数字成像系统由口腔内窥镜、x 射线医学影像采 集装置等组成。 “口腔一体化数字诊疗系统”采用模块化结构，分为控制模块、图像采集模块、 图像分析模块、病例库管理模块、计算机辅助诊疗模块五个主要功能部分。 1 控制模块：采取闭环控制方式控制牙科椅和靠背的升降以及位置的记忆恢 复功能。通过分流阀控制流量的大小来控制升降速度以及是否联动或者单动，底 广东t 业大学t 学硕+ 学位论文 座带有升降台的自保护装置，此外还可以控制灯光的强弱与丌关，超声波检测水 杯液位。系统应具有响应速度快、控制精度高等优点，可达到较高的性能指标。 2 图像采集模块：通过口腔内窥镜实时采集牙科图像，通过数字化x 射线探 头采集x 射线牙片，或通过网络传输、扫描仪把传统的普通胶片牙片输入计算机， 以获得口腔图像。运用基于数学形态学等图像处理理论，实时分析和处理采集到 的牙科图像。在计算机中实现图像分析诊断和相关数据的处理。 3 图像处理模块：灰度图像二值化、亮度调节、对比度调节、反置、伪色彩 变换、高频滤波、低频滤波、边缘加强、消除随机噪声等；还可以调节图像窗宽 与窗位、缩小、放大、旋转等。测量图像长度、面积、平均值、均方差、角度等； 用户自己定义图像显示调色板；根据所选任意区域计算出密度分布直方图。利用 该系统对龋齿病进行体外研究，可以获得可靠的龋齿程度指标，提高邻面龋的检 出率：可以对根管、牙周袋、牙槽骨水平高度等进行正确测量。 4 病例库管理模块：基于s q l 数据库技术，支持单机和网络两种方式运行， 实现病例库管理，包括数据导入导出、数据备份恢复、数据打印等，图像的分 类存储调用等。将病人的基本信息资料与图像资料自动结合，存入病例库，便 于后期的查询和处理。 数据打印可以满足检查科室对报告书写的各种要求，写完后可以与病人图像 信息一起存入数据库中，为以后的查阅和修改提供了方便。诊断报告中的格式、 字体，以及报告项目和数据库中字段的对应关系都可以在诊断报告界面中自己定 义和修改，完成各种图文混排的报告格式。 5 计算机辅助诊疗模块：计算机辅助模块主要包括牙科诊疗专家系统模块和 远程访问模块，专家系统模块为用户提供了一个友好的界面，允许用户通过人机 交互方式输入信息，推理机利用知识库中存放的口腔医学专家的l 临床经验以及规 则库中的推理规则，按照一定的控制搜索策略对问题进行推理求解，得出治疗的 最佳方案，并允许口腔医生对方案进行修订。远程访问模块允许授权用户在异地 浏览采集的不失真图像、分析数据以及诊断专家系统给出的诊治方案，便于异地 交流。 本文研究设计该系统中的部分主要内容，包括： 1 嵌入式口腔一体化数字诊疗系统硬件和软件； 2 基于闭环控制的牙椅控制器智能系统； 4 3 基于x 光c c d 的1 3 腔图像信息的采集、传输。 1 4 本章小结 本章总结了口腔一体化数字诊疗系统的国内外现状，对嵌入式1 3 腔一体化数 字诊疗系统的基本功能和总体结构进行概述，并讲述项目研究已有的基础和实现 的方法，以及本论文的研究内容。 广东t 业大学t 学硕十学位论文 第二章相关技术理论基础 嵌入式口腔一体化数字诊疗系统的实现是光机电，自动化和计算机的综合技 术体现，具体涉及液压传动控制、智能控制、计算机数控、通信、医学影像术、 数字图像处理、计算机网络等等多学科理论和技术的交叉应用关键技术基础有 嵌入式技术、x 射线图像采集技术和c c d 成像技术等。 2 1 嵌入式技术 2 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用对象为中心，以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格 要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或 管理等功能【5 1 。 1 嵌入式微处理器( e m p u ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) 的基础是通用计算机中的 c p u 。在应用中，将e m p u 装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有 关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特 殊要求，e m p u 虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗 电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式 微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点【6 l 。 常用的e m p u 构架体系有： ( 1 ) a r m 体系：l p c 2 l x x ，l p c 2 2 x x ，s 3 c 4 4 b o x ，s 3 c 2 4 1 0 ，s 3 c 2 4 a 0 a ( 2 ) x 8 6 体系：a m d 4 x x ，i n t e l3 8 6 e x ，a 1 i 3 8 6 ( 3 ) 6 8 k p o w e r p c 体系：m o t o r o l a 公司的龙珠系列、冷火系列 ( 4 ) m i p s 体系：m i p sr 3 9 1 0 ，m i p sr 4 0 0 1 6 第二章相天技术理论基础 目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，已遍及工业控制、消 费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技 术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技 术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 采用雕s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快；指令长度固定； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高。 2 嵌入式实时多任务操作系统( i h o s ) 实时操作系统是指能对外部事件在限定的时间内作出并完成响应的多任务操 作系统。具有实时性、可靠性和可裁剪性的特点。嵌入式实时系统有两种类型的： 硬实时系统和软实时系统【7 l 。 在实时多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配c p u 时间，并且负责任务之间的通讯。内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内 核可以将应用分成若干个任务。由实时内核来管理它们，从而简化应用系统的设 计。多数实时内核是基于优先级调度算法的。每个任务根据其重要程度的不同被 赋予一定的优先级。基于优先级的调度算法是指c p u 总是让处在就绪态的优先级 最高的任务先运行。 嵌入式实时操作系统的典型产品有v x w o r k s 、n u c l e u s 、w i n d o w sc e 、r t - l i n u x 和u c o s 1 1 1 7 l 。 2 1 2 嵌入式系统的软件组成 1 嵌入式系统的软件组成 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统、嵌入式应用软件、引导启动程序、 设备驱动程序和操作系统的应用程序接口函数a p i 组成。 其中嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相 关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏 7 广东丁业大学丁学硕士学位论文 览器等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相 关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 2 嵌入式操作系统 目前的嵌入式系统一般会选用嵌入式操作系统，这些嵌入式操作系统一般可 以分为两类，一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，如w i n c e ，l i n u x 等； 另一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、 a t i 的n u c l e u s 、q n x 系统软件公司的q n x 、i s i 的p s o s 等。 3 嵌入式操作系统的选型 简单的嵌入式产品开发不需要操作系统的支持，但对于复杂的口腔一体化数 字诊疗系统来说，既要便于控制台的操作又要突出辅助诊疗作用就需要一套功能 强大的操作系统的支持了。使用操作系统可以使复杂问题分而治之，减轻开发人 员的劳动、提高产品的可靠性、加快产品的上市时间。 综合各方面的考虑后，本项目选取了源代码开放的l i n u x 操作系统。它具有如 下优势【t 2 1 ： ( 1 ) 丌发成本低。大多数商业嵌入式操作系统，如w i nc e 、v x w o r k s 等对每 一套嵌入式操作系统均收取一定的许可证使用费用。相对而言，l i n u x 是一个免费 的优良操作系统，公丌源代码，而且，l i n u x 系统内核是层次结构，不同领域和不 同层次的用户可以根据自己的应用需要很容易地对内核进行改造，在低成本的i j 提下，设计和丌发出真讵满足自己需要的嵌入式系统。 ( 2 ) 高度稳定性。与目| ； 流行的桌面操作系统相比，l i n u x 是非常稳定和可靠 的，并且由于内核的稳定性使得l i n u x 在移植到特定平台后与通用平台具有一样的 高稳定性，即使新平台下的外围设备可能完全不同。 ( 3 ) 移植容易。l i n u x 是一个多平台的操作系统，可以运行于x 8 6 、p o w e r p c ， m i p s 等多种处理器之上，对嵌入式应用尤为重要，据统计一个设计优良的嵌入式 系统移植到另一平台只需改动其中的4 代码。同时由于l i n u x 采用的模块机制， 使设备驱动几乎不需要修改就可适用于其它平台，方便移植。 ( 4 ) 完整的开发工具链。l i n u x 提供c 、c + + 、j a v a 以及其他很多的开发工具。 更重要的是，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨 越嵌入式系统的开发中仿真工具的障碍。l i n u x 基于g n u 的工具包提供了完整的 与无缝交叉平台开发工具，从编辑器到底层调试，并充分考虑到了支持各种不同 第二章杯天技术理论萆础 的微处理器和调试环境。 2 1 3 嵌入式l i n u x 系统 1 l i n u x 内核特征 l i n u x 内核包含5 大部分：内存管理、进程调度、进程间通信、。虚拟文件系统 及网络接口m 】。l i n u x 不仅继承了u n i x 的特征，而且在许多方面超过了u n i x 。作为 u n i x 类操作系统，l i n u x t 勾核具有下列基本特征m ： ( 1 ) l i n u x 内核的组织形式为整体式结构。 ( 2 ) l i n u x 的进程调度方式简单而有效。 ( 3 ) l i n u x 支持内核线程( 或称守护进程) ，内核线程是在后台运行的，系统中有 许多标准的内核进程，其中有一些周期性地运行来完成特定的任务f 如交换进程 s w a p d ) ，而其余一些则连续运行，等待处理某些特定的事件( 如i n e t d 和l p d ) ( 4 ) l i n u x 支持多种平台的虚拟内存管理l 。 ( 5 ) l i n u x 内核另一个独具特色的部分是虚拟文件系统( v f s ) 。 ( 6 ) l i n u x 的模块化使内核保持独立又易于扩充。 ( 7 ) 增加系统调用以满足用户的特殊需求。 ( 8 ) 网络部分面向对象的设计思想使得l i n u x 内核支持多种协议、多种网卡驱 动程序变得容易。 ( 9 ) 支持多种硬件平台：a l p h a 、i 3 8 6 、m i p s 、p p c 、s p a r e 、m 6 8 k ( a m i g a ) 及a t a r i s ， 支持扩展的i d e 和s c s i 设备，以太网适配器，模块，a r p 守护进程，多处理机， j a v a ，支持i s d n 等等d 6 1 。 2 嵌入式l i n u x 系统移植 在专用的嵌入式板卡运行g n u l i n u x 系统已经变得越来越流行，一个嵌入式 l i n u x 系统从软件的角度看可以分为四个层次 1 ： ( 1 ) b o o t l o a d e r ：用来引导嵌入式操作系统或应用程序的引导程序： ( 2 ) 嵌入式l i n u x 内核：适应于嵌入式系统硬件配置的定制内核； ( 3 ) 文件系统：l i n u x 操作系统运行所必须的文件系统的支持，通常使用 r a m d i s k 支持根文件系统； ( 4 ) 嵌入式应用程序：基于特定嵌入式系统的专用应用程序。 9 广东t 业大学_ 学硕十学位论文 其中，b o o t l o a d e r 就是在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一段 程序，其主要功能是完成处理器和周边电路正常运行所需要的初始化工作，建立 内在空间的映射，包括设置系统堆栈和系统启动参数区，将系统的软、硬件环境 带到一个合适的状态，并可以从r o m 、f l a s h 等非易失存储器上，或者网络上 加载操作系统，以便最终引导操作系统或用户应用程序。通常，b o o t l o a d e r 是高 度依赖于硬件而设计和实现的，每种不同的c p u 体系结构的b o o t l o a d e r 都各有不 同，因此为多种嵌入式系统建立一个通用的b o o t l o a d e r 是很困难的。在目标板上 构建嵌入式系统时，必须根据相应的硬件配置及嵌入式应用的需求，对b o o t l o a d e r 和l i n u x 内核作一些必要的移植修改工作，才能构建适合嵌入式硬件配置和嵌入 式应用软件的l i n u x 系统。 3 u b o o t 简介 一般来说，b o o t l o a d e r 有两种操作模式( o p e r a t i o nm o d e ) ，即启动加载模式 和下载模式。这种操作模式的划分仅仅对于开发人员才有意义，从最终用户的角 度看，b o o t l o a d e r 的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模 式与下载模式的区别。 ( 1 ) 启动加载( b o o t i n g & l o a d i n gm o d e ) 模式：这种模式也称为自主模式 ( a u t o n o m o u sm o d e ) ，即b o o t l o a d e r 从目标机上的非易失存储设备上将操作系统 加载到r a m 中运行，整个过程并不需要用户的介入。这种模式是b o o t l o a d e r 的 正常工作模式，也是j 下式发布的嵌入式产品中b o o t l o a d e r 的默认操作模式。 ( 2 ) 下载模式( d o w n l o a d i n gm o d e ) ：在这种模式下，目标机上的b o o t l o a d e r 将通过串口连接或网络连接等通信方式从开发机主机( h o s t ) 上下载文件( 包括 内核映像、根文件系统映像等) 并进行操作系统的引导。从主机下载的文件通常 首先被b o o t l o a d e r 保存到目标机的r a m 中，然后再写到目标机上的f l a s h 等非 易失存储设备中。b o o t l o a d e r 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时 被使用；此外，以后的系统更新( s y s t e m u p d a t e ) 也会使用这种工作模式。工作 于这种模式下的b o o t l o a d e r 通常都需要向它的终端用户提供一个简单的命令行接 口l i t | o u b o o t 、v i v i 或b l o b 等功能强大的b o o t l o a d e r 通常同时支持以上两种工作 模式，并且允许用户在这两种工作模式间进行切换。本系统使用u b o o t 作为 引导嵌入式l i n u x 的b o o t l o a d e r 。u b o o t ，全称u n i v e r s a lb o o t l o a d e r ，是遵循g p l 第二章相天技术理论摹础 条款的开放源码项目，从f a d s r o m 、8 x x r o m 、p p c b o o t 逐步发展演化而来， 其源码目录、编译形式与l i n u x 内核很相似。在本系统中，u b o o t 的主要功能包 括：建立和初始化r a m ：初始化一个串口；检测机器的体系结构，传递 m a c h t y p e x ) 【) 的值( s m d k 2 4 1 0 ) 给内核；建立内核的标记列表( t a g g e dl i s t ) ； 调用内核镜像。 u b o o t 主要目录结构：b o a r d 是目标板相关文件，主要包含s d r a m 、f l a s h 驱动；c o m m o n 是独立于处理器体系结构的通用代码，如内存大小探测与故障检 测；c p u 是与处理器相关的文件，如m p c 8 x x 子目录下含串口、网1 2 1 、l c d 驱动 及中断初始化等文件；d r i v e r 是通用设备驱动，如c f if l a s h 驱动( 目前对i n t e l f l a s h 支持较好) ；d o c 是u b o o t 的说明文档；e x a m p l e s 是可在u b o o t 下运行的示例 程序，如h e l l o w o r l d c ，t i m e r c ；i n c l u d e 是u b o o t 头文件，c o n f i g s 予目录下与目标 板相关的配置头文件是移植过程中经常要修改的文件；l i bx x x 是处理器体系相关 的文件，如l i bp p c ，l i ba r m 目录分别包含与p o w e r p c 、a r m 体系结构相关的文 件；n e t 是与网络功能相关的文件目录，如b o o t p 、n f s 、f l i p ；p o s t 是上电自检文 件目录；r t c 是r t c 驱动程序；t o o l s 是用于创建u b o o ts r e c o r d 和b i n 镜像 文件的工具。 4 b o o t l o a d e r 的移植 对于嵌入式系统的b o o t l o a d e r 的实现一般采用两种方法，一为根据嵌入式系 统的硬件设备重新编写代码，二为移植现有的b o o t l o a d e r ，根据嵌入式系统的硬 件设备对现有b o o t l o a d e r 的代码进行修改以使其符合硬件配置1 。第一种方法费 时费力，开发周期长。第二种方法简便易行，开发时间短。在本课题中就是使用 方法二来为嵌入式系统丌发b o o t l o a d e r ，所使用的b o o t l o a d e r 为u b o o t 。 b o o t l o a d e r 就是在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一段程序， 其主要功能是完成处理器和周边电路正常运行所需要的初始化工作，建立内在空 间的映射，包括设置系统堆栈和系统启动参数区，将系统的软、硬件环境带到一 个合适的状态，并可以从r o m 、f l a s h 等非易失存储器上，或者网络上加载操 作系统，以便最终引导操作系统或用户应用程序。 5 l i n u x 的进程状态描述 ( 1 ) l i n u x 的进程状态描述 l i n u x 将进程状态描述为如下五种： 广东下业大学下学硕十学位论文 t a s kr u n n i n g ：可运行状态。处于该状态的进程可以被调度执行而成为当 前进程。 t a s ki n t e r r u p t i b l e ：可中断的睡眠状态。处于该状态的进程在所需资 源有效时被唤醒，也可以通过信号或定时中断唤醒。 t a s ku n i n t e r r u p t i b l e ：不可中断的睡眠状态。处于该状态的进程仅当 所需资源有效时被唤醒。 t a s kz o m b i e ：僵尸状态。表示进程结束且已释放资源，但其t a s ks t r u c t 仍未释放。 t a s ks t o p p e d ：暂停状态。处于该状态的进程通过其他进程的信号彳能被 唤醒。 ( 2 ) 调度方式 l i n u x 中的每个进程都分配有一个相对独立的虚拟地址空间。该虚存空间分 为两部分：用户空间包含了进程本身的代码和数据；内核空间包含了操作系统的 代码和数据。 l i n u x 采用“有条件的可剥夺”调度方式。对于普通进程，当其时间片结束时， 调度程序挑选出下一个处于t a s kr u n n i n g 状态的进程作为当前进程( 自愿调 度) 。对于实时进程，若其优先级足够高，则会从当前的运行进程中抢占c p u 成 为新的当前进程( 强制调度) 。发生强制调度时，若进程在用户空间中运行，就会 直接被剥夺c p u ；若进程在内核空间中运行，即使迫切需要其放弃c p u ，也仍要 等到从它系统空间返回的i ； 夕才被剥夺c p u 。 ( 3 ) 三种调度策略 l i n u x 内核分为三种调度方法：分时调度法( s c h e do t h e r ) 、先到先服务 调度法( s c h e d _ f i f o ) 和时问片轮转调度法( s c h e d _ r r ) 。其中，分时调度法为 非实时调度，后两种为实时调度。 s c h e do t h e r 是面向普通进程的时间片轮转策略。采用该策略时，系统为 处于t a s k _ r u n n i n g 状态的每个进程分配一个时间片。当时间片用完时，进程 调度程序再选择下一个优先级相对较高的进程，并授予c p u 使用权。 s c h e d _ f i f o 策略适用于对响应时间要求比较高，运行所需时白j 比较短的实 时进程。采用该策略时，各实时进程按其进入可运行队列的顺序依次获得c p u 。 除了因等待某个事件主动放弃c p u ，或者出现优先级更高的进程而剥夺其c p u 1 2 第二章相天技术理论蕈础 之外，该进程将一直占用c p u 运行。 s c h e d _ r r 策略适用于对响应时间要求比较高，运行所需时间比较长的实时 进程。采用该策略时，各实时进程按时间片轮流使用c p u 。当一个运行进程的时 间片用完后，进程调度程序停止其运行并将其置于可运行队列的末尾。 2 2x 射线成像检测技术 1 ：3 腔医生在诊治牙科患者，特别是对于龋齿患者或进行牙种植、牙修复手术 时，必须要掌握牙齿的内部病患详细信息才能作出正确诊断。但普通的图像摄取 方法却因为可见光的局限性，只能得到牙齿表面的图像，而无法深入牙齿内部获 取相关信息。x 射线由于波长非常小，因此能穿透普通可见光无法透过的物体。 牙科数字化x 线影像技术己广泛应用于临床和科研，为研究和诊治疾病提供 了先进的手段1 2 0 】。 2 2 1x 射线采集 x 射线成像广泛用于医院病人的疾病诊断和健康检查，是一种对被检测对象 没有损伤的成像方法。在口腔临床中，x 线检查对疾病诊断、处理和预后评价有 重要意义。目i j 口腔x 射线成像方法有牙片和数字成像。 传统胶片牙片具有三大缺点：1 需要较高辐射剂量；2 胶片的化学处理过程 如定影、显像等不仅需要增加投资，而且处理过程易造成人为变化，形成曲影； 3 费时，干扰疾病的处理过程。 非胶片实时在线数字成像方法。特点是实时性强，是x 射线无损图像采集的 发展趋势。 数字成像系统在口腔医学领域中的大量应用表明其具有如下优点：1 辐射剂 量仅为传统牙片的2 0 这对医患双方和口腔诊疗环境的保护均非常有利。2 快 速成像，曝光后迅速在显示器上显像或打印机输出，不干扰疾病处理过程。3 数 字成像是以计算机技术( c o m p u t e r b a s e d ) 为基础，具有各种图像处理能力，如放大、 逆反、边缘增强等功能，有助于某种特定疾病的诊断。4 数字成像将信号数字 化可以进行量化分析因此对一些疾病可以进行动态观察 z l 捌。 广东工业大学t 学硕士学位论文 x 射线影像信息数字化技术，可分为直接数字化成像方式，间接数字化成像方 式，过渡方式： 1 直接数字化成像系统由x 射线源、c c d 采集头、图像采集卡和处理器组成 的图像采集系统。整个系统包括控制器和射线发生器两部分。射线源控制器控制 射线源产生x 射线强度，射线透过物体后射线强度分布携带了透过物体的信息， 在感光屏上形成图像，该图像透过透镜后由c c d 采集，或不经感光屏直接b 4 c c d 采集，a d 数字化输入计算机进行处理。一般传感器的有效成像面积( 1 7 x 6 m m ) d x 于相同用途的普通胶片( 3 lx 4 1 m m ) ，故数字化图像范围不及普通胶片。如s c h i c k 公司的c d r 系统。 2 自j 接数字化成像系统利用的信息载体为涂有辉尽性荧光物质感光层的磷 光板。磷光板其表面涂有一层特殊的磷光材料，可以被认为是一种能重复使用的 胶片，表面看起来与增感屏很相似，不同的是曝光后x 射线能量储存在卤化物层 中，形成的潜影必须用激光扫描释放储存的能量，并经电信号重建可见影像。典 型的产品有芬兰的d i q o r a 等。 3 过渡方式是指把传统x 射线摄影方式记录在胶片上的信息数字化的方式。 它使用扫描仪扫描x 射线照片，然后由密度计使扫描的x 射线信息数字化。这种 方式并未改变或省略传统x 线摄影的步骤，且在信息数字化过程中会丢失一部分 信息】。 影像诊断学的图像必须有良好的真实性、清晰度和较好的影像美学的要求。 控制这些特征的主要技术指标是：成像尺寸、信噪比、灰度级分辨率和空间分辨率。 本课题中采用直接数字化成像方式，并选用c c d 作为系统的x 光接收手段 2 4 1 。 2 3c c d 图像传感器 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) ，