CN104908324A - 一种生物组织光学仿体的三维打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物组织光学仿体的三维打印装置和方法，其主要利用三维打印原理，基于多通道熔融沉积喷头，快速制备能够准确模拟生物组织光学特性的非均质光学仿体，满足各种光学医疗影像仪器的校准标定。

Description

一种生物组织光学仿体的三维打印装置

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，更具体的说，属于利用三维打印原理方法来制作模拟生物组织光学特性的仿体模型。本发明实现了三维非均质生物组织光学仿体的制备，对生物组织光学测量标定及光学医疗影像标准化具有重要意义。

背景技术

生物组织光学仿体是模仿生物组织的光学特征(吸收特性，散射特性)的仿生模型，主要用于生物光学成像仪器的标定校准以及代替生物体进行模拟实验等方面，通常由基体材料、吸收材料、散射材料按照光学特性以一定的比例配制而成。

生物组织光学仿体的研究发展史最早可追溯至二十世纪八十年代初期，伴随着近红外冷强光透照检查乳腺癌研究的兴起与临床应用，生物组织光学仿体研究开始起步。随后，生物组织光学仿体被推广应用于光动力疗法、脉冲激光疗法等依据组织内光通量分布达到治疗效果的治疗方式。近年来，随着生物组织光学成像、医学光谱技术等研究的蓬勃发展，尤其是近红外光断层成像、发光成像、荧光分子成像、OCT等光学医疗影像技术的研究发展，传统的均质仿体已经无法满足需要，对能够准确模拟生物组织光学特性的光学仿体的需求日益迫切。

美国北达科他大学的研究人员曾利用复合模具法来制作生物组织光学仿体，采用不同形状的模具浇注不同光学特性的均质仿体模型，然后把这些仿体模型拼合在一起，从而形成具有一定形貌特征的非均质生物组织光学仿体。该技术的优点是制备装置结构简单；而其缺点是需要制作模具，过程复杂耗时，且制备过程人为因素影响较大。

三维打印技术是在现代CAD/CAM技术、数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术基础上集成发展起来的一项先进制造技术。不同种类的 三维打印系统，其所用成形材料、成形机制和系统特点也各有不同，但其原理基本上是"分层制造，逐层叠加"。三维打印系统可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计数据，快速制造出新产品。

美国杜克大学的研究人员在2014年的SPIE Medical Imaging-International Society for Optics and Photonics国际会议发表的论文“Design of anthropomorphic textured phantoms for CT performance evaluation”中提出采用三维打印方法来制备CT结构仿体模型，用于模拟生物组织的结构特性。但该方法打印的仿体并不能模拟生物组织的光学特性。

发明内容

本发明涉及的生物组织光学仿体制作方法，主要利用三维打印原理，基于多通道熔融沉积喷头，可快速制备能够准确模拟生物组织光学特性的非均质光学仿体，能满足各种光学医疗影像仪器的校准标定。

本发明的目的是根据不同组织光学参数自动调节仿体材料配比，并且利用三维打印方法快速制作高精度的标准非均质固态仿体，实现制作过程自动化、标准化、重复性好、节省材料、易于操作，且不需要模具，制作的仿体既能很好的模仿组织的非均质光学特征也能模拟组织的结构形貌特征，仿体具有良好的尺寸和光学特性精度。解决目前组织光学研究对非均质光学仿体的迫切需求和高精度长期稳定的固态非均质组织光学仿体制作困难的矛盾。

具体地，本发明一方面提供一种生物组织光学仿体的三维打印装置，其特征在于所述三维打印装置包括：

三维移动单元，用以带动打印喷头在三维空间内快速准确的移动；

伺服供料单元，用以储存和输送打印材料；

分段温度控制单元，用以控制打印平台、弹簧加热圈、伴热管道、打印喷头的温度；

打印喷头，用以混合打印材料并打印；

打印控制单元，用以读取生物组织光学仿体的三维模型数字文件，自动将三维模型切片和规划打印喷头移动路径，将运动、温度控制代码发送 到三维移动平台和温度控制器，以及将各通道材料输入流量比例与模型各空间区域光学属性建立三维映射，并转化为控制代码发送给多通道供料运动控制卡，进而驱动各通道的伺服供料单元控制器。

在优选的实施方案中，所述伺服供料单元包括微流量挤出装置、微流量注射器、供料通道、伺服供料单元控制器、多通道供料运动控制卡；其中包括三个以上供料通道，各通道可根据控制代码插补的同时供料，每个通道中的打印材料由一台所述微流量挤出装置挤出；各打印材料在微流量注射器中储存，微流量注射器外壁紧贴弹簧加热圈；供料通道为耐热毛细管道，供热通道用伴热带保温；

在优选的实施方案中，所述伺服供料单元的微流量注射器和供料通道耐受300℃以上温度，且伺服供料单元能推动粘度大于3.0Pa·s的熔融流体；各供料通道设有单向阀。

在优选的实施方案中，所述分段温度控制单元包括多通道可编程温度控制器、弹簧加热圈、热敏电阻、热电偶、伴热带、陶瓷加热棒、加热板。

在优选的实施方案中，所述打印喷头包括加热器、喷嘴、混合器、止回阀、电磁阀；其中的供料通道设置有止回阀，打印喷头由黄铜或纯铝制成，所有供料通道连接处均采用密封连接方式，打印喷头喷嘴前端控温到材料软化点±0.5℃，喷嘴开合由电磁截止阀控制。

在优选的实施方案中，所述打印材料包括光学吸收材料、光学散射材料、基体材料、荧光添加剂；其中材料的混合比例根据材料属性和层片光学属性映射关系实时调节。

在优选的实施方案中，所述温度控制单元温控范围大于0-300℃，温度控制精度高于±0.5℃。

另一方面，本发明提供一种生物组织光学仿体三维打印方法，所述方法包括以下步骤：

(1)利用生物医学光子学相关断层扫描仪器扫描组织结构特征，利用双积分球测量组织各部分光学特征，利用压力传感器测量力学特征，逆向重构组织三维数字模型；

(2)配置含高浓度吸收材料、基体材料均匀混合的材料，高浓度散射材料、基体材料均匀混合的材料，荧光添加剂与基体材料均匀混合的材料。

(3)利用真空保温设备抽出各混合材料中所含有的气泡，而后抽入微流量注射器中并移至微流量挤出装置上。

(4)将重构出的组织三维数字模型文件读入打印控制单元。

(5)打印控制单元根据所设定的成型方向和层片厚度自动对模型进行切片划分。

(6)打印控制单元自动分析层片信息后映射材料配比矩阵并生成控制代码。

(7)3D打印机读取控制代码，控制材料多通道插补伺给，在打印喷头中均匀混合挤出，最后配合打印平台的层层扫描，在打印平台上堆积成型。

(8)完成打印并作后处理并且测试仿体各部分的光学属性。

在优选的实施方案中，步骤(7)中所述混合为动力搅拌的方式或利用三维交叉结构的静态混合。

在优选的实施方案中，所述吸收材料选自石墨、炭黑、色素，所述散射材料选自TiO₂、Al₂O₃、SiO₂粉末，基体材料选自树脂、合成蜡、凝胶、聚酯、聚氨酯、糖。

发明详述

为实现上述本发明的目的，本发明提供的装置包含三维移动单元、伺服供料单元、分段温度控制单元、打印喷头、打印控制单元；伺服供料单元包括微流量挤出装置、微流量注射器、供料通道、伺服供料单元控制器、多通道供料运动控制卡；分段温度控制单元包括多通道可编程温度控制器、弹簧加热圈、热敏电阻、热电偶、伴热带、陶瓷加热棒、加热板；打印喷头包括加热器、喷嘴、混合器、止回阀、电磁阀。本发明提供的打印控制单元具有打印模型文件读取、模型文件分层切片、打印喷头运动路径规划、材料混合比例映射、温度设置、控制代码转化与发送等功能；本发明所用的仿体打印材料主要包括光学吸收材料(石墨粉、炭黑等)、光学散射材料(SiO₂微粒、Al₃O₂粉末、TiO₂粉末等)、基体材料(合成蜡、树脂、凝胶、聚酯、聚氨酯、糖等)、荧光添加剂等。

所述装置的三维移动单元特征是：应能带动打印喷头在三维空间内快速准确的移动；系统工作幅面应满足光学仿体需求；系统应包含可自动调 平校准的恒温打印平台。

所述装置的伺服供料单元特征是：应有三个以上供料通道，各通道可根据控制代码插补的同时供料，每个通道材料由一台微流量挤出装置挤出；各材料在注射器中储存，注射器外壁紧贴弹簧加热圈；供料通道亦采用耐热毛细管道，供料通道用伴热带保温，确保材料在输送过程中保持流体状态；供料单元的微流量注射器和供料通道应耐受300℃以上温度，系统应能推动粘度大于3.0Pa·s的熔融流体；各供料通道有单向阀以防止供料压力不均导致材料逆流。

所述装置的分段温度控制单元特征是：应能控制打印平台、弹簧加热圈、伴热管道的温度、打印喷头温度，喷嘴前端应有加热棒与热电偶准确控制喷嘴温度使材料处于玻璃态软化点±0.5℃。

所述装置的打印喷头特征是：打印材料供料通道有止回阀，内部有快速混合装置可以将各种材料快速均匀的混合在一起，打印喷头采用黄铜或纯铝等导热材料制成，所有供料通道连接处均采用密封连接方式，打印喷头喷嘴前端控温到材料软化点，电磁截止阀控制喷嘴开合。

所述装置的打印控制单元特征是：能读取仿体三维模型数字文件，可自动将三维模型切片和规划打印喷头移动路径，能将运动、温度控制代码发送到三维移动平台和温度控制器，此外，其重要特征在于将各通道材料输入流量比例与模型各空间区域光学属性建立三维映射，并转化为控制代码发送给多通道供料运动控制卡，进而驱动各通道的伺服供料单元控制器。

所述装置的材料特征是：打印材料为A纯基体材料、B吸收材料与基体高浓度混合母料、C散射材料与基体高浓度混合母料、D荧光添加剂与基体高浓度混合母料，基体材料应在300-1200nm测试光波段低散射与吸收，应有低冷缩率以保障形态精度；散射材料、吸收材料应颗粒均匀，可以很好的分散在基体材料中，有较长时期的物理稳定特性，对散射、吸收系数的调节是线性的而且它们之间不存在串扰；所述材料应按特定参数事先均匀配置，不能含有杂质和气泡。

为实现上述发明目的，本发明利用上述装置制作生物组织光学仿体具体步骤如下：

(1)利用生物医学光子学相关断层扫描仪器扫描组织结构特征，利用双积分球等测量组织各部分光学特征，利用压力传感器等测量力学特征，逆向重构组织三维数字模型。

(2)配置特定比例的含高浓度吸收材料、基体材料均匀混合的材料，高浓度散射材料、基体材料均匀混合的材料，荧光添加剂与基体材料均匀混合的材料。

(3)利用真空保温设备抽出各混合材料中所含有的气泡，而后抽入微流量注射器中并移至微流量挤出装置上。

(4)将三维数字模型文件读入打印控制单元。

(5)打印控制单元根据所设定的成型方向和层片厚度自动对模型进行切片划分。

(6)打印控制单元自动分析层片信息后映射材料配比矩阵并生成控制代码。

(7)3D打印机读取控制代码，控制材料多通道插补伺给，在打印喷头中均匀混合挤出，最后配合打印平台层层扫描，在打印平台上堆积成型。

(8)完成打印并作后处理并且测试仿体各部分的光学属性。

所述方法的打印模型特征是：其打印的模型是利用生物医学光子学仪器测量重构得到的标准三维数字模型，含有非均质三维结构、光学特征信息、力学特征信息等。

所述方法的材料特征是：吸收材料为石墨、炭黑、色素等，散射材料材料为TiO₂、Al₂O₃、SiO₂粉末等，基体材料为树脂、合成蜡、聚酯、聚氨酯等透明材料；材料应事先标定，以确定其光学特性；材料应按特定比例事先均匀配置并利用真空保温装置排出气泡；材料混合比例应根据材料属性和层片光学属性映射关系实时调节。材料在喷头出口前端事先混合均匀，既可以是动力搅拌的方式也可以是利用三维交叉结构等静态混合的方式。

所述方法的软件特征是：软件能读取数字模型，并对模型进行缩放、平移、旋转、复制等调整，能设置选用的材料、打印成型方向和打印层片厚度，能将模型切片并规划材料伺给比例和喷头移动路径，能将生成的控制代码发送给打印系统并控制打印机打印。

所述方法的模型成型特征是：打印的模型是不同的材料均匀混合后由喷嘴挤出，再配合打印平台的三维移动在打印平台上层层扫描堆积而成的。

所述方法后处理及表征特征是：打印的模型需要在完全冷固后从平台取下封装，利用标准生物医学光子学仪器、几何学测量仪器、力学测量仪等作分区分层的光学特性表征、几何形貌表征、力学特征表征等，并标记误差范围。

所述方法的温控特征是：所用的温度控制单元温控范围应大于0-300℃，温度控制精度应高于±0.5℃，以适宜将各种打印材料精确控制到玻璃态软化点。

本发明具有以下优点和积极效果：

本发明利用三维打印的原理；采用多通道伺服插补控制供料，快速调节材料供给比例，改变成型材料光学特性；配合高精度的温控、动力混合的喷头及三维移动平台的运动，制作非匀质组织光学仿体。

该方法和装置制作的组织光学能很好的模仿生物组织的光学、形貌结构特征的非匀质性，且成型精度高(轮廓相似度大于95％、平均尺寸误差小于1mm)、速度快、无需模具、重复性强、操作简单、节省材料。与现有技术相比，该发明拓展了三维打印的应用领域，提供了一种直接制造非均质仿体的方法，并提升了非均质组织光学仿体制作质量与复杂度，简化了人工操作，节省了材料，为可溯源的标准生物组织光学仿体制备提供了可行途径。

附图说明

图1为本非均质组织光学仿体的打印流程图

图2为本非均质组织光学仿体制造装置的系统结构示意图

图3为本非均质组织光学仿体制造装置的一种喷头结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的阐释

本发明设计的制造方法如图1的流程图所示，其设计思路为：首先根 据CT、OCT、MRI等医学断层扫描文件重构得到需要打印的标准化的三维组织光学数字仿体，将该数字仿体文件读入打印控制单元中，打印控制单元自动判断仿体的几何特征和光学特征，如果各参数均在三维打印机打印范围之内则根据打印精度与成型难度设定切片厚度与成型方向成型速度等参数，如果不满足需求则提示读入模型错误，需继续读入正确的模型。在设定好切片参数后自动对模型分层切片，然后自动分析该连续层片文件的几何参数信息与光学参数信息，并根据这些信息映射打印时对应的材料配比矩阵。处理完成之后自动生成打印机控制代码并发送给打印机执行打印，打印机在接收到控制代码之后实时的调节材料混合比例完成仿体的打印，最后利用双积分球、光谱仪等标准表征系统测量打印误差。

实施例1：

使用材料为合成蜡等热熔材料。

系统结构图参见图2，三维光学仿体系统的供料,由多通道供料运动控制卡2控制多个伺服供料单元控制器3驱动步进电机4协调插补的推动储有不同材料的微流量金属注射器5，通过有伴热带10伴热的供料通道输送到混合喷头12内，PID温度控制器6控制弹簧加热圈7、伴热带10温度使材料在输送的过程中保持熔融流动的状态，控制加热棒8的温度使材料在挤出的时候保持玻璃态，控制加热板9的温度使得材料在堆积成型的过程中避免过激的温度变化产生翘曲影响形貌精度。喷头12固定在三维移动平台11的z轴末端，由三维移动平台带动在空间将材料层层堆积，供料单元置于移动平台旁边，打印控制单元1将控制信号发送给三维移动平台11、PID温度控制器6、运动控制卡2实现整个系统的协调运作。

喷头的结构图如图3，材料通过多个伴热管道19进入混合仓20，靠近入口管道处装有单向阀21避免逆流，混合仓外部有恒温加热器17，由热电偶18精确控温至材料玻璃态温度上方5℃，靠近出口处设置有截止阀16，防止压胀及重力的流涎，喷嘴13由黄铜制成，密封连接到加热块上，加热块由加热棒15和热敏电偶14精确控制温度至材料玻璃态温度±0.5℃。

混合仓20如果是静态混合，则其内布置有X型或三维交叉导流型混合装置；如果是动态混合，则布置有由电机驱动的螺旋混合装置。

以打印三层皮肤组织光学仿体为例：

皮肤组织分为表皮层、真皮层、皮下组织层，建立表皮厚度0.1mm、散射系数280/cm^-1、吸收系数25/cm^-1，真皮厚度1.5mm、散射系数87/cm^-1、吸收系数2.7/cm^-1，皮下组织厚度1.0mm、散射系数20/cm^-1、吸收系数0.2/cm^-1的三维数字模型。

设置打印层厚为0.05mm，打印控制单元自动对模型分层切片，并将每一层的几何特征和光学特征与材料比例矩阵映射，生成控制代码后发送给打印机，材料供给系统按控代码先供给符合皮下组织光学特征比例的材料，喷头依控制指令按最优路径扫描堆积20层，每层厚度为0.05mm，然后打印喷头抬起并移动至废料区，材料供给系统供给符合真皮层组织光学特性比例的材料，打印喷头在废料区将系统中残余的上一比例的材料彻底排出后移至待打印区域按照指定路径扫描30层，然后再抬起并移动至废料区，材料供给系统供给符合表层材料的混合比例的材料，将上一比例的废料排出后移动至打印区域打印2层，最后打印喷头抬起移动至废料区，完成打印。

取出模型并做后期处理，利用光学仪器测量其各部分的光学参数，标定误差后封装保存。

Claims (10)

1.一种生物组织光学仿体的三维打印装置，其特征在于所述三维打印装置包括：

三维移动单元，用以带动打印喷头在三维空间内快速准确的移动；

伺服供料单元，用以储存和输送打印材料；

分段温度控制单元，用以控制打印平台、弹簧加热圈、伴热管道、打印喷头的温度；

打印喷头，用以混合打印材料并打印；

打印控制单元，用以读取生物组织光学仿体的三维模型数字文件，自动将三维模型切片和规划打印喷头移动路径，将运动、温度控制代码发送到三维移动平台、温度控制器，以及将各通道材料输入流量比例与模型各空间区域光学属性建立三维映射，并转化为控制代码发送给多通道供料运动控制卡，进而驱动各通道的伺服供料单元控制器。

2.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于所述伺服供料单元包括微流量挤出装置、微流量注射器、供料通道、伺服供料单元控制器、多通道供料运动控制卡；其中包括三个以上供料通道，各通道可根据控制代码插补的同时供料，每个通道中的打印材料由一台所述微流量挤出装置挤出；各打印材料在微流量注射器中储存，微流量注射器外壁紧贴弹簧加热圈；供料通道为耐热毛细管道，供热通道用伴热带保温。

3.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于所述伺服供料单元的微流量注射器和供料通道耐受300℃以上温度，且伺服供料单元能推动粘度大于3.0Pa·s的熔融流体；各供料通道设有单向阀。

4.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于所述分段温度控制单元包括多通道可编程温度控制器、弹簧加热圈、热敏电阻、热电偶、伴热带、陶瓷加热棒、加热板。

5.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于所述打印喷头包括加热器、喷嘴、混合器、止回阀、电磁阀；其中的供料通道设置有止回阀，打印喷头由黄铜或纯铝制成，所有供料通道连接处均采用密封连接方式，打印喷头喷嘴前端控温到材料软化点±0.5℃，喷嘴开合由电磁截止阀 控制。

6.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于所述打印材料包括光学吸收材料、光学散射材料、基体材料、荧光添加剂；其中材料的混合比例根据材料属性和层片光学属性映射关系实时调节。

7.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于所述温度控制单元温控范围大于0-300℃，温度控制精度高于±0.5℃。

8.一种生物组织光学仿体三维打印方法，所述方法包括以下步骤：

(1)利用生物医学光子学相关断层扫描仪器扫描组织结构特征，利用双积分球测量组织各部分光学特征，利用压力传感器测量力学特征，逆向重构组织三维数字模型；

(2)配置含高浓度吸收材料、基体材料均匀混合的材料，高浓度散射材料、基体材料均匀混合的材料，荧光添加剂与基体材料均匀混合的材料。

(3)利用真空保温设备抽出各混合材料中所含有的气泡，而后抽入微流量注射器中并移至微流量挤出装置上。

(4)将重构出的组织三维数字模型文件读入打印控制单元。

(5)打印控制单元根据所设定的成型方向和层片厚度自动对模型进行切片划分。

(6)打印控制单元自动分析层片信息后映射材料配比矩阵并生成控制代码。

(7)3D打印机读取控制代码，控制材料多通道插补伺给，在打印喷头中均匀混合挤出，最后配合打印平台的层层扫描，在打印平台上堆积成型。

(8)完成打印并作后处理并且测试仿体各部分的光学属性。

9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤(7)中所述混合为动力搅拌的方式或利用三维交叉结构的静态混合。

10.根据权利要求1-7任一项所述的装置和权利要求8-9任一项所述的方法，其中所述吸收材料选自石墨、炭黑、色素，所述散射材料选自TiO₂、Al₂O₃、SiO₂粉末，基体材料选自树脂、合成蜡、凝胶、聚酯、聚氨酯、糖。