[發(fā)明專利]一種三維生物打印水凝膠支架的優(yōu)化控制系統(tǒng)與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510977596.5
• 申請日: 2015-12-22
• 公開（公告）號: CN105479751B
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王玲;徐銘恩
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: B29C64/386
• 分類號: B29C64/386;B33Y50/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 杜軍

1.一種三維生物打印水凝膠支架的優(yōu)化控制方法，基于打印參數(shù)可控的三維生物打印設(shè)備和基于光學(xué)相干層析掃描的三維生物打印水凝膠支架定量可視化裝置集成設(shè)備，其特征在于該方法采用光學(xué)相干層析掃描成像技術(shù)定量表征三維打印水凝膠支架的形態(tài)參數(shù)，同時對照初時設(shè)計(jì)與實(shí)際打印間的形態(tài)差異，獲得初時設(shè)計(jì)與實(shí)際打印之間的量化關(guān)聯(lián)性，并基于該量化關(guān)聯(lián)性反饋指導(dǎo)打印參數(shù)設(shè)置，通過兩次閉環(huán)反饋制造出與設(shè)計(jì)形態(tài)參數(shù)盡量匹配的支架結(jié)構(gòu)；

其中兩次閉環(huán)反饋具體如下：

(1)第一次閉環(huán)采用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)支架，用來評價(jià)水凝膠三維打印過程的內(nèi)在可控性：

通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)同一幾何結(jié)構(gòu)，某支架形態(tài)參數(shù)作為變量的一組支架，并采用生物三維打印技術(shù)打印出支架，并記錄下不同支架的各形態(tài)參數(shù)作為設(shè)計(jì)值；

所述的支架形態(tài)參數(shù)為能夠表征支架特征結(jié)構(gòu)和功能的參數(shù)，包括但不限于支架整體的孔隙尺寸PS、實(shí)體支撐尺寸StS、孔隙率VP、孔隙體積PV、孔隙表面積PSA；

(2)第二次閉環(huán)采用設(shè)計(jì)與實(shí)際打印的形態(tài)差異作為輸入，反饋控制支架的設(shè)計(jì)與打印，以獲得預(yù)期的支架結(jié)構(gòu)，用以定量評價(jià)水凝膠三維打印過程的內(nèi)在可控性：

對依據(jù)上一步設(shè)計(jì)生物三維打印得到的支架整體進(jìn)行掃描成像，得到支架的三維OCT圖像，然后對其進(jìn)行圖像處理和定量分析，得到打印支架各形態(tài)參數(shù)的打印實(shí)際值；比較該支架各形態(tài)參數(shù)的設(shè)計(jì)值與打印實(shí)際值間的差異，分析打印支架各形態(tài)參數(shù)的打印實(shí)際值與作為變量的某形態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)值之間的定量關(guān)聯(lián)性，建立打印支架各形態(tài)參數(shù)打印實(shí)際值與作為變量的某形態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)值的經(jīng)驗(yàn)公式，定量評價(jià)水凝膠三維打印過程的內(nèi)在可控性；最后使用經(jīng)驗(yàn)公式調(diào)整設(shè)計(jì)和生產(chǎn)間支架形態(tài)參數(shù)的差異；

所述的對依據(jù)設(shè)計(jì)值生物三維打印得到的支架整體進(jìn)行掃描成像具體是首先通過高速物鏡前掃描模塊獲取支架局部的高分辨三維OCT圖像，并利用二維電機(jī)運(yùn)動模塊在整個檢測區(qū)域運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)整個檢測區(qū)域內(nèi)所有待檢測支架的整體掃描，然后利用特征點(diǎn)匹配算法三維拼接成支架的整體三維OCT圖像；

高速物鏡前掃描模塊、二維電機(jī)運(yùn)動模塊和樣品臺有兩種組合方式，一種是高速物鏡前掃描模塊通過夾持裝置直接安裝在二維電機(jī)運(yùn)動模塊上，兩者組合為一個整體探頭，而樣品臺獨(dú)立，僅負(fù)責(zé)Z軸方向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)掃描光束聚焦調(diào)節(jié)；一種是高速物鏡前掃描模塊與二維電機(jī)運(yùn)動模塊分離，二維電機(jī)運(yùn)動模塊與樣品臺整合，樣品臺需方便支架專用培養(yǎng)皿的固定和更換，且負(fù)責(zé)Z軸方向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)掃描光束聚焦調(diào)節(jié)；

采用的基于光學(xué)相干層析掃描的三維生物打印水凝膠支架定量可視化裝置集成設(shè)備的成像范圍為10mm×10mm×10mm；

所述的圖像處理和定量分析是指利用切面重組算法從上述整體三維OCT圖像中提取正前面序列圖，并對en face序列圖經(jīng)過增強(qiáng)優(yōu)化、背景去噪、圖像分割、形態(tài)開閉操作圖像處理，提取出每層圖像中的孔結(jié)構(gòu)，通過公式(1)、(2)計(jì)算出孔隙尺寸PS和實(shí)體支撐尺寸StS；最后再將此孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，然后根據(jù)圖像分割出的支架實(shí)體結(jié)構(gòu)、孔隙、通道自動選擇相互隔離的感興趣目標(biāo)區(qū)域，并基于智能模式識別算法進(jìn)行自動標(biāo)記和分類，且基于形態(tài)操作算法對相互隔離的ROI進(jìn)行量化分析，定量分析ROI的形態(tài)參數(shù)，包括其直徑、面積、形狀因子參數(shù)，并通過公式(3)、(4)、(5)計(jì)算得到支架整體的孔隙率VP、孔隙體積PV及孔隙表面積PSA；

孔隙尺寸PS是指支架相鄰支撐部分間距，可表示為：

其中b代表孔隙邊界，s代表孔隙骨架；

實(shí)體支撐尺寸StS是指相鄰孔隙I，J邊緣間的最短距離，可表示為：

孔隙率VP是指支架內(nèi)部的孔隙體積V_pore占支架總體積V_total的百分率，可表示為：

其中孔隙體積V_pore和總體積V_total都是通過對三維重建后的OCT圖像進(jìn)行量化分析得到，以像素?cái)?shù)量的形式呈現(xiàn)；

孔隙表面積PSA是指孔隙部分的像素表面積值之和，可表示為：

其中g(shù)(x_i,y_j,z_k)代表坐標(biāo)為x_i,y_j,z_k的像素表面積；

孔隙體積PV是指孔隙部分的像素體積值之和，可表示為：

其中I(x_i,y_j,z_k)代表坐標(biāo)為x_i,y_j,z_k的像素體積。