CN107498874B - 三维打印同步微层析成像在线监控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维打印同步微层析成像在线监控方法及系统，涉及三维打印技术领域，以解决现有的三维打印在线监测无法实现成像体积扩大和全纵深成像的技术问题。本发明所述的三维打印同步微层析成像在线监控方法中，通过打印固化层的纵深分段扫描和纵向自动拼接算法实现整个打印过程的全纵深成像监测，并实时利用纵深分段扫描结果反馈指导下一个增加深度段的打印参数优化与控制，以实现打印同步微层析成像在线监控；在打印制品完成制造的同时，获得打印制品内部结构的三维模型，完成质控。

Description

三维打印同步微层析成像在线监控方法及系统

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，特别涉及一种三维打印同步微层析成像在线监控方法及系统。

背景技术

三维打印基于快速成型分层制造原理，可以将材料/细胞按照设计定位组装形成三维结构，为制造非均质、复杂结构的工业零件、消费制品、医疗器械和组织器官提供了新技术。但是当前的三维打印技术仍然存在许多问题，如产品内部存在的微小气孔，存在未熔化的金属粉末缺陷，面向医疗领域的生物三维打印支架的内部微观结构与设计的一致性。造成这些问题的原因有很多，如三维打印复杂的热过程，材料的不均匀，设备状态参数的不稳定，产品形状结构复杂以及工艺设计等等，例如对于生物三维打印存在的问题，是由于打印材料的形变特性和打印过程的随机误差，导致打印结构的精准性降低和批次差，难以发挥设计对打印制品机械和生物学性能的精准控制优势，不仅直接影响打印制品的几何、机械、流体、细胞活动等特性，也会对打印制品的结构和功能重建带来更大不确定性。

这样一个复杂的过程，普通的技术手段很难确保在产品内部不同区域，产品与产品之间以及不同设备生产产品的性能一致性，很难确保工艺的可重复性。工艺可重复性和质量一致性是三维打印技术普及和应用的关键，在医疗领域尤为重要。因此借助先进的科学技术手段，严密监控三维打印过程状态的变化，创建闭环控制系统，实时调节工艺参数是最好的解决方法。在三维打印过程中高分辨、全纵深在线监测打印过程，实时检测打印缺陷，量化反馈调控打印参数，降低打印与设计的偏差，提高打印结构的保真度，对于充分发挥三维打印的结构定制优势至关重要。

为实现打印过程在线监测，目前市场上的三维打印装备的监测设备都采用高清摄像方式来监测打印当前层表面的成型效果，提示流涎、断丝等打印缺陷，反馈打印参数调整；此类技术可实时无损检测打印面的形貌特征，但无法探测到打印面之下各层的结构和成型误差，并不能对成型的三维结构内部进行在线检测。在实际三维打印过程中，当前打印层的结构，再覆盖粘结一层或数层打印材料时，其结构会发生改变，尤其对于有较大形变特性和应力的材料，打印层结构的定型会出现明显的滞后性。这就要求三维打印在线监测技术必须具有一定的深度探测成像能力，因此三维高分辨无损成像技术成了优先选择。

现有的三维成像技术，如显微计算层析术(micro－computedtomography，micro－CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技术、等曾用于工业、医疗器械和组织工程的非破坏性成像与检测，但是这些成像技术用于三维打印在线监测仍然存在问题。如micro－CT对于高含水量材料成像对比度过低，且X射线的离子效应会损伤有活性的材料；MRI分辨率有限，设备庞大，且其工作的超导磁体价格昂贵，使用成本过高；这些都不太适合三维打印过程中的在线无损监测。

三维高分辨无损成像技术，如共焦显微术(Confocal Microscopy，CM)、多光子显微技术(Multiphoton microscopy，MPM)、光学相干层析技术(optical coherencetomography，OCT)，能够无损、非接触、高分辨、纵深成像，具备适合三维打印在线监测的先天优势，但这些三维高分辨无损成像技术存在着成像体积有限的问题。如，CM对高散射样品的成像深度在0.1mm－1mm，MPM的成像深度为0.4mm－1.5mm，OCT成像深度在2mm－10mm，且五种技术的横向分辨率和横向成像范围存在耦合权衡关系。因此，将三维高分辨无损成像技术应用于三维打印在线监测，解决成像体积扩大和全纵深成像是技术的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维打印同步微层析成像在线监控方法及系统，以解决现有的三维打印在线监测无法实现成像体积扩大和全纵深成像的技术问题。

本发明提供一种三维打印同步微层析成像在线监控系统，包括：打印参数可控的三维打印设备和三维高精度无损成像系统；所述打印参数可控的三维打印设备包括：PC机、中心控制模块、打印平台、打印喷头、X/Y/Z三轴移动模块及喷头挂载臂，所述三维高精度无损成像系统包括：三维高精度无损成像主机和样品检测探头；所述PC机用于编辑分析三维支架模型，依据需求，编辑打印参数和检测参数，发送加工指令，并实时在线监控当前打印层的结构，以及累加覆盖粘结一层或多层打印材料时造成的误差；所述中心控制模块用于接收加工指令，并对所述打印喷头、所述X/Y/Z三轴移动模块及所述喷头挂载臂进行控制；所述样品检测探头挂载在所述喷头挂载臂上，并与所述喷头挂载臂共用运动驱动和控制模块；所述三维高精度无损成像主机与所述PC机连接，用于传输数据、并控制所述样品检测探头完成扫描和成像；所述样品检测探头配合所述打印平台或所述喷头挂载臂沿X轴/Y轴/Z轴运动，完成一次横向面积扫描和纵向深度的扫描，此时所述样品检测探头完成一次检测，所述打印喷头继续打印，打印一定厚度时，再次检测，重复此操作，直至打印结束；结束后，所述PC机将检测的数据重建成三维高分辨全局图像，实现全纵深成像。

其中，所述三维高精度无损成像主机包括：光学相干层析技术(OCT)、多光子显微成像技术(MPM)、共焦显微技术(CM)、超声成像技术、光声显微成像技术(PAM)主机的一种或多种组合。

具体地，所述样品检测探头包括：机器视觉成像模块和微层析成像检测模块；所述机器视觉成像模块用于视场监控，所述微层析成像检测模块用于小范围高精度图像采集。

进一步地，所述PC机编辑的打印参数和检测参数包括：三维高精度无损成像主机成像深度H、材料有效成像深度h、打印短时间内未能固化的顶部厚度h0，首次检测打印厚度h+h0，并且h+h0≤H，后续检测打印厚度h。

更进一步地，所述纵向深度的扫描是根据所述三维高精度无损成像主机成像深度H和所述材料有效成像深度h进行分段。

相对于现有技术，本发明所述的三维打印同步微层析成像在线监控系统具有以下优势：

本发明提供的三维打印同步微层析成像在线监控系统中，包括：打印参数可控的三维打印设备和三维高精度无损成像系统；其中，打印参数可控的三维打印设备包括：PC机、中心控制模块、打印平台、打印喷头、X/Y/Z三轴移动模块及喷头挂载臂，三维高精度无损成像系统包括：三维高精度无损成像主机和样品检测探头；具体地，PC机用于编辑分析三维支架模型，依据需求，编辑打印参数和检测参数，发送加工指令，并实时在线监控当前打印层的结构，以及累加覆盖粘结一层或多层打印材料时造成的误差；中心控制模块用于接收加工指令，并对打印喷头、X/Y/Z三轴移动模块及喷头挂载臂进行控制；样品检测探头挂载在喷头挂载臂上，并与喷头挂载臂共用运动驱动和控制模块；三维高精度无损成像主机与PC机连接，用于传输数据、并控制样品检测探头完成扫描和成像；进一步地，样品检测探头配合打印平台或喷头挂载臂沿X轴/Y轴/Z轴运动，完成一次横向面积扫描和纵向深度的扫描，此时样品检测探头完成一次检测，打印喷头继续打印，打印一定厚度时，再次检测，重复此操作，直至打印结束；结束后，PC机将检测的数据重建成三维高分辨全局图像，实现全纵深成像。由此分析可知，本发明提供的三维打印同步微层析成像在线监控系统，能够利用三维高精度无损成像系统集成于三维打印设备，根据材料的具体成像深度并配合三维打印设备的打印平台或喷头臂X/Y轴向或Z轴向的运动，进行纵深分段扫描，通过纵向自动拼接，实现三维全纵深成像，解决单层打印累加造成的误差；并且，在实现横向大范围监测及定量表征的基础上，进一步实现纵深段打印参数优化与有效控制，从而实现打印同步微层析在线监控，进而有效解决了三维打印在线监测横纵向大视场和高精度难以兼顾难题。

本发明还提供一种三维打印同步微层析成像在线监控方法，包括：打印参数可控的三维打印设备和三维高精度无损成像系统；其中，所述打印参数可控的三维打印设备包括：PC机、中心控制模块、打印平台、打印喷头、X/Y/Z三轴移动模块及喷头挂载臂，所述三维高精度无损成像系统包括：三维高精度无损成像主机和样品检测探头；所述三维高精度无损成像系统集成于所述打印参数可控的三维打印设备，进行三维打印同步在线监测，整合多视场协同视觉成像，实现打印过程表面监测的快速横向范围定位；通过打印固化层的纵深分段扫描和纵向自动拼接算法实现整个打印过程的全纵深成像监测，并实时利用纵深分段扫描结果反馈指导下一个增加深度段的打印参数优化与控制，以实现打印同步微层析成像在线监控；在打印制品完成制造的同时，获得打印制品内部结构的三维高分辨全局图像，完成质控。

其中，所述全纵深成像监测是将模型设计模块设计的支架模型导入三维打印机，并在打印、检测参数设置模块设置打印参数；在整个打印过程中，所述样品检测探头中的微层析成像检测模块实时进行扫描检测，机器视觉成像模块实时成像，打印和检测在整个过程中交替进行；每完成一次扫描后，实现一次纵深分段扫描，监测判断模块判断是否需要继续打印；如打印未完成，需要继续打印，打印调整信息反馈给打印机打印模块，持续打印；如打印已经完成不需要再打印，结束提示模块提示打印结束，检测也同时结束；在打印监测过程中，微层析成像检测模块在监测打印过程时，将检测信息输入给图像拼接模块，图像拼接模块通过纵向拼接算法，将两次相邻的扫描结果完成图像拼接，最终在三维重建模块完成产品的三维高分辨全局图像；机器视觉成像模块也将图像传输给数据存储模块；在全纵深成像监测过程中，所述PC机依据设定参数生成打印路径和微层析成像检测模块检测探头的运动路径。

具体地，所述纵深分段扫描是所述样品检测探头配合三维打印设备的所述打印平台或喷头臂Z轴向的运动，实现设定成像深度的扫描；超出设定横向扫描范围的支架，配合三维打印设备的所述打印平台或喷头臂X/Y轴向的运动，采取棋盘式检测方式或其他便于图像拼接的检测方式进行扫描，实现设定横向扫描面积的扫描；在此基础上，所述PC机通过纵向拼接算法，实现多次扫描图像拼接和纵向叠加，完成三维高分辨全局图像的重建。

进一步地，所述纵向拼接算法的拼接过程为：首先进行纵深分段扫描，得到的数据通过图像拼接算法，将图片按照顺序横向拼接，完成所有单次检测的图片拼接并得到效果图，再把不同批次扫描的数据拼接起来，最终得到三维高分辨全局图像。

实际应用时，所述打印参数可控的三维打印设备包括：面向工业的三维打印设备，面向生物的三维打印设备及面向医疗的三维打印设备。

所述三维打印同步微层析成像在线监控方法与上述三维打印同步微层析成像在线监控系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

也即，本发明提供的三维打印同步微层析成像在线监控系统及方法，通过打印过程表面监测的快速横向范围定位及整个打印过程的全纵深成像监测，实现纵深段的打印参数优化与控制，从而实现打印同步微层析在线监控，进而实现工业、消费或生物等三维产品打印过程中，高精度、全纵深的三维监测与反馈调控。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控方法中全纵深成像监测的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控方法中纵深分段扫描的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控方法中纵向拼接算法的流程示意图。

图中：1－PC机；2－中心控制模块；3－打印平台；4－三维高精度无损成像主机；5－打印喷头；6－X/Y/Z三轴移动模块；7－喷头挂载臂；8－样品检测探头。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控系统的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供一种三维打印同步微层析成像在线监控系统，包括：打印参数可控的三维打印设备和三维高精度无损成像系统；打印参数可控的三维打印设备包括：PC机1、中心控制模块2、打印平台3、打印喷头5、X/Y/Z三轴移动模块6及喷头挂载臂7，三维高精度无损成像系统包括：三维高精度无损成像主机4和样品检测探头8；PC机1用于编辑分析三维支架模型，依据需求，编辑打印参数和检测参数，发送加工指令，并实时在线监控当前打印层的结构，以及累加覆盖粘结一层或多层打印材料时造成的误差；中心控制模块2用于接收加工指令，并对打印喷头5、X/Y/Z三轴移动模块6及喷头挂载臂7进行控制；样品检测探头8挂载在喷头挂载臂7上，并与喷头挂载臂7共用运动驱动和控制模块；三维高精度无损成像主机4与PC机1连接，用于传输数据、并控制样品检测探头8完成扫描和成像；样品检测探头8配合打印平台3或喷头挂载臂7沿X轴/Y轴/Z轴运动，完成一次横向面积扫描和纵向深度的扫描，此时样品检测探头8完成一次检测，打印喷头5继续打印，打印一定厚度时，再次检测，重复此操作，直至打印结束；结束后，PC机1将检测的数据重建成三维高分辨全局图像，实现全纵深成像。

相对于现有技术，本发明实施例所述的三维打印同步微层析成像在线监控系统具有以下优势：

本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控系统中，如图1所示，包括：打印参数可控的三维打印设备和三维高精度无损成像系统；其中，打印参数可控的三维打印设备包括：PC机1、中心控制模块2、打印平台3、打印喷头5、X/Y/Z三轴移动模块6及喷头挂载臂7，三维高精度无损成像系统包括：三维高精度无损成像主机4和样品检测探头8；具体地，PC机1用于编辑分析三维支架模型，依据需求，编辑打印参数和检测参数，发送加工指令，并实时在线监控当前打印层的结构，以及累加覆盖粘结一层或多层打印材料时造成的误差；中心控制模块2用于接收加工指令，并对打印喷头5、X/Y/Z三轴移动模块6及喷头挂载臂7进行控制；样品检测探头8挂载在喷头挂载臂7上，并与喷头挂载臂7共用运动驱动和控制模块；三维高精度无损成像主机4与PC机1连接，用于传输数据、并控制样品检测探头8完成扫描和成像；进一步地，样品检测探头8配合打印平台3或喷头挂载臂7沿X轴/Y轴/Z轴运动，完成一次横向面积扫描和纵向深度的扫描，此时样品检测探头8完成一次检测，打印喷头5继续打印，打印一定厚度时，再次检测，重复此操作，直至打印结束；结束后，PC机1将检测的数据重建成三维高分辨全局图像，实现全纵深成像。由此分析可知，本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控系统，能够利用三维高精度无损成像系统集成于三维打印设备，根据材料的具体成像深度并配合三维打印设备的打印平台或喷头臂X/Y轴向或Z轴向的运动，进行纵深分段扫描，通过纵向自动拼接，实现三维全纵深成像，解决单层打印累加造成的误差；并且，在实现横向大范围监测及定量表征的基础上，进一步实现纵深段打印参数优化与有效控制，从而实现打印同步微层析在线监控，进而有效解决了三维打印在线监测横纵向大视场和高精度难以兼顾难题。

此处需要补充说明的是，上述的样品检测探头8配合三维打印设备的打印平台3或喷头臂X/Y轴或Z轴向的运动，如不能满足横向扫描要求，可增加三轴运动模组或六自由度机械臂等。

其中，上述三维高精度无损成像主机4可以包括：光学相干层析技术(OCT)、多光子显微成像技术(MPM)、共焦显微技术(CM)、超声成像技术、光声显微成像技术(PAM)主机的一种或多种组合。其中基于OCT技术，可以是时域OCT系统、扫频OCT系统、谱域OCT系统、全场OCT系统、光纤式OCT系统、自由空间的OCT系统以及这类技术的变体如多普勒OCT、偏振OCT、OCPM等，或者商用的OCT系统，例如thorlabs公司的Telesto系列、GANYMEDE－II系列和Santec公司的IVS－1000/2000等；基于MPM技术，可以是双光子荧光显微成像技术、三光子荧光显微成像技术、多焦点多光子显微技术、商用的多光子荧光显微成像技术，例如奥林巴斯公司的FVMPE－RS系统和Thorlabs公司的Bergamo－II系列等；基于CM技术，可以是激光扫描共聚焦光谱成像系统、转盘共聚焦显微系统、可编程序阵列显微镜系统或选用商用CM系统，例如蔡司公司的蔡司LSM800和奥林巴斯公司的LEXT－OLS4100等。

此处需要补充说明的是，本发明实施例并不局限于以上所述的此类高精度无损成像技术，所有具有一定成像深度的三维高精度无损成像技术应都在保护范围内。

具体地，上述样品检测探头8可以包括：机器视觉成像模块和微层析成像检测模块；该机器视觉成像模块用于视场监控，该微层析成像检测模块用于小范围高精度图像采集。

进一步地，上述PC机1编辑的打印参数和检测参数可以包括：三维高精度无损成像主机成像深度H、材料有效成像深度h、打印短时间内未能固化的顶部厚度h0，首次检测打印厚度h+h0，后续检测打印厚度h。产品首次打印厚度h+h0，可根据材料有效成像深度h和OCT、MPM或CM主机成像深度H设定，且h+h0应小于等于最大成像深度H。

更进一步地，上述纵向深度的扫描是根据三维高精度无损成像主机成像深度H和材料有效成像深度h进行分段。如CM对高散射样品的成像深度在0.1mm－1mm，MPM的成像深度为0.4mm－1.5mm，OCT成像深度在2mm－10mm，推荐分段有效成像深度h为成像深度H的40％－70％之间。

图2为本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控方法中全纵深成像监测的流程示意图；图3为本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控方法中纵深分段扫描的流程示意图；图4为本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控方法中纵向拼接算法的流程示意图。

本发明实施例还提供一种三维打印同步微层析成像在线监控方法，如图1所示，包括：打印参数可控的三维打印设备和三维高精度无损成像系统；其中，打印参数可控的三维打印设备包括：PC机1、中心控制模块2、打印平台3、打印喷头5、X/Y/Z三轴移动模块6及喷头挂载臂7，三维高精度无损成像系统包括：三维高精度无损成像主机4和样品检测探头8；三维高精度无损成像系统集成于打印参数可控的三维打印设备，进行三维打印同步在线监测，整合多视场协同视觉成像，实现打印过程表面监测的快速横向范围定位；如图2－4所示，通过打印固化层的纵深分段扫描和纵向自动拼接算法实现整个打印过程的全纵深成像监测，并实时利用纵深分段扫描结果反馈指导下一个增加深度段的打印参数优化与控制，以实现打印同步微层析成像在线监控；在打印制品完成制造的同时，获得打印制品内部结构的三维高分辨全局图像，完成质控。

其中，如图2所示，上述全纵深成像监测是将模型设计模块2.1设计的支架模型导入三维打印机2.2，并在打印、检测参数设置模块2.3设置打印参数；在整个打印过程中，样品检测探头中的微层析成像检测模块2.51实时进行扫描检测，机器视觉成像模块2.52实时成像，打印和检测在整个过程中交替进行；每完成一次扫描后，实现一次纵深分段扫描，监测判断模块2.6判断是否需要继续打印；如打印未完成，需要继续打印(用Y表示)，打印调整信息反馈给打印机打印模块2.4，持续打印；如打印已经完成不需要再打印(用N表示)，结束提示模块2.7提示打印结束，检测也同时结束；在打印监测过程中，微层析成像检测模块2.51在监测打印过程时，将检测信息输入给图像拼接模块2.8，图像拼接模块2.8通过纵向拼接算法，将两次相邻的扫描结果完成图像拼接，最终在三维重建模块2.9完成产品的三维高分辨全局图像；机器视觉成像模块2.52也将图像传输给数据存储模块2.10；在全纵深成像监测过程中，PC机依据设定参数生成打印路径和微层析成像检测模块检测探头的运动路径。

具体地，如图3结合图1所示，上述纵深分段扫描是样品检测探头8配合三维打印设备的打印平台3或喷头臂Z轴向的运动，实现设定成像深度的扫描，如步骤3.1所示；超出设定横向扫描范围的支架，配合三维打印设备的打印平台3或喷头臂X/Y轴向的运动，采取棋盘式检测方式进行扫描，实现设定横向扫描面积的扫描，如步骤3.2所示，也即检测系统先检测模型的某一区域，再通过打印平台3或喷头臂移动到其相邻的另一区域检测，以此类推，直至单次检测完成；在此基础上，PC机1通过纵向拼接算法，实现多次扫描图像拼接和纵向叠加，完成三维高分辨全局图像，如步骤3.3所示。

进一步地，如图4所示，上述纵向拼接算法的拼接过程为：首先按照步骤4.1进行纵深分段扫描，得到的数据通过图像拼接算法，按照4.2将图片按照顺序横向拼接，完成所有单次检测的图片拼接并得到效果图4.3，再按照步骤4.4把不同批次扫描的数据拼接起来，最终得到三维高分辨全局图像4.5。

此处需要补充说明的是，上述纵向拼接算法，根据成像原理的不同，有两种生成方式，方式一是XZ方向拼接，方式二是XY方向拼接；方式二与方式一同理，只是图像从XZ方向拼接改成XY方向拼接。

实际应用时，上述打印参数可控的三维打印设备包括：面向工业的三维打印设备，面向生物的三维打印设备及面向医疗的三维打印设备。当然，也不仅限于上述三种三维打印设备，其它合理的三维打印设备均可。

本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控系统及方法，针对三维打印在线监测需求，结合三维打印和打印误差累计特点，提出将三维高精度无损成像技术集成于三维打印设备，应用于三维打印在线监测，整合多视场协同视觉成像，实现打印过程表面监测的快速横向范围定位。通过打印固化层的纵深分段成像和纵向自动拼接算法实现整个打印过程的全纵深成像监测，获取整体打印制品的高精度内部结构信息，同时可利用纵深分段成像结果，实现纵深段的打印参数优化与控制，从而实现打印同步微层析在线监控。

具体实施例一：

三维打印同步OCT微层析成像在线监控系统具体实施例如下，常用OCT的成像深度H为2－10mm，成像范围10×10mm。以下选取具有代表性的三个成像深度：2mm、6mm、10mm。样品为水凝胶支架，尺寸为20×20×20mm。由于一般三维打印机打印的出丝直径在0.15－0.3mm之间，h0的厚度控制在2－4层，因此h0定为0.6mm。由于OCT成像深度不同，因此有效成像深度h需根据OCT成像深度确定。具体实验结果见下表：

成像深度H	2mm	6mm	10mm
				顶部厚度h0	0.6mm	0.6mm	0.6mm
有效成像深度h	1mm	4mm	7mm
				产品打印厚度	20h+h0	5h+h0	3h+h0
成像结果	√	√	√

实验结果显示，OCT的不同成像深度都可以达到在线监控的要求，并且重建出的三维高分辨全局图像差别不大，都符合要求。上述参数中OCT成像深度H与材料的类型和密度等有关，一般生物类应用推荐6mm深度。打印短时间内未能固化的顶部厚度h0(简称：顶部厚度)可根据不同打印机的出丝直径及打印材料确定，一般推荐h0的厚度为打印2－4层的厚度。有效成像深度h需根据OCT成像深度以及打印的材料确定，一般推荐有效成像深度h为成像深度H的40％－70％之间。

具体实施例二：

三维打印同步MPM微层析成像在线监控系统具体实施方式与OCT在线监测相同。其中由于MPM与OCT的成像深度不同，所以参数的选择也会有区别，以下为推荐的典型参数。

具体实施例三：

三维打印同步CM微层析成像在线监控系统具体实施方式与OCT和MPM在线监测相同。其中由于CM的成像深度原因，其较适合用于成像深度较小，单精度要求高的场合。

成像深度H	100um	200um	400um
				顶部厚度h0	10um	10um	10um
有效成像深度h	50um	160um	250um
				产品打印厚度	400h+h0	125h+h0	80h+h0
成像结果	√	√	√

综上所述，本发明实施例提供的三维打印同步微层析成像在线监控系统及方法，利用三维高精度无损成像系统集成于三维打印设备，整合多视场协同视觉成像，实现打印过程表面监测的快速横向范围定位，通过打印固化层的纵深分段成像和纵向自动拼接算法实现整个打印过程的全纵深成像监测，获取整体打印制品的高精度内部结构信息，同时可利用纵深分段成像结果，实现纵深段的打印参数优化与控制，从而实现打印同步微层析在线监控。有效解决三维打印在线监测成像深度及成像范围的问题，同时也解决了大视场和高精度难以兼顾的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维打印同步微层析成像在线监控方法，其特征在于，包括：打印参数可控的三维打印设备和三维高精度无损成像系统；其中，所述打印参数可控的三维打印设备包括：PC机、中心控制模块、打印平台、打印喷头、X/Y/Z三轴移动模块及喷头挂载臂，所述三维高精度无损成像系统包括：三维高精度无损成像主机和样品检测探头；

所述三维高精度无损成像系统集成于所述打印参数可控的三维打印设备，进行三维打印同步在线监测，整合多视场协同视觉成像，实现打印过程表面监测的快速横向范围定位，样品检测探头配合打印平台或喷头挂载臂沿X轴/Y轴/Z轴运动，完成一次横向面积扫描和纵向深度的扫描，则确定样品检测探头完成一次检测，打印喷头继续打印，打印到一定厚度时，样品检测探头重复所述检测操作，直至打印结束；

通过打印固化层的纵深分段扫描和纵向自动拼接算法实现整个打印过程的全纵深成像监测，并实时利用纵深分段扫描结果反馈指导下一个增加深度段的打印参数优化与控制，以实现打印同步微层析成像在线监控；

在打印制品完成制造的同时，PC机根据样品检测探头检测所获得的数据，重建三维模型，以获取打印制品的全纵深成像，以及获得打印制品内部结构的三维高分辨全局图像，完成质控。

2.根据权利要求1所述的三维打印同步微层析成像在线监控方法，其特征在于，所述全纵深成像监测是将模型设计模块设计的支架模型导入三维打印机，并在打印、检测参数设置模块设置打印参数；

在整个打印过程中，所述样品检测探头中的微层析成像检测模块实时进行扫描检测，机器视觉成像模块实时成像，打印和检测在整个过程中交替进行；

每完成一次扫描后，实现一次纵深分段扫描，监测判断模块判断是否需要继续打印；如打印未完成，需要继续打印，打印调整信息反馈给打印机打印模块，持续打印；如打印已经完成不需要再打印，结束提示模块提示打印结束，检测也同时结束；

在打印监测过程中，微层析成像检测模块在监测打印过程时，将检测信息输入给图像拼接模块，图像拼接模块通过纵向拼接算法，将两次相邻的扫描结果完成图像拼接，最终在三维重建模块完成产品的三维高分辨全局图像；机器视觉成像模块也将图像传输给数据存储模块；

在全纵深成像监测过程中，所述PC机依据设定参数生成打印路径和微层析成像检测模块检测探头的运动路径。

3.根据权利要求2所述的三维打印同步微层析成像在线监控方法，其特征在于，所述纵深分段扫描是所述样品检测探头配合三维打印设备的所述打印平台或喷头臂Z轴向的运动，实现设定成像深度的扫描；

超出设定横向扫描范围的支架，配合三维打印设备的所述打印平台或喷头臂X/Y轴向的运动，采取棋盘式检测方式，实现设定横向扫描面积的扫描；

在此基础上，所述PC机通过纵向拼接算法，实现多次扫描图像拼接和纵向叠加，完成三维模型的重建。

4.根据权利要求3所述的三维打印同步微层析成像在线监控方法，其特征在于，所述纵向拼接算法的拼接过程为：首先进行纵深分段扫描，得到的数据通过图像拼接算法，将图片按照顺序横向拼接，完成所有单次检测的图片拼接并得到效果图，再把不同批次扫描的数据拼接起来，最终得到三维高分辨全局图像。

5.根据权利要求4所述的三维打印同步微层析成像在线监控方法，其特征在于，所述打印参数可控的三维打印设备包括：面向工业的三维打印设备，面向生物的三维打印设备及面向医疗的三维打印设备。

6.一种三维打印同步微层析成像在线监控系统，其特征在于，包括：打印参数可控的三维打印设备和三维高精度无损成像系统；所述打印参数可控的三维打印设备包括：PC机、中心控制模块、打印平台、打印喷头、X/Y/Z三轴移动模块及喷头挂载臂，所述三维高精度无损成像系统包括：三维高精度无损成像主机和样品检测探头；

所述PC机用于编辑分析三维支架模型，依据需求，编辑打印参数和检测参数，发送加工指令，并实时在线监控当前打印层的结构，以及累加覆盖粘结一层或多层打印材料时造成的误差；

所述中心控制模块用于接收加工指令，并对所述打印喷头、所述X/Y/Z三轴移动模块及所述喷头挂载臂进行控制；

所述样品检测探头挂载在所述喷头挂载臂上，并与所述喷头挂载臂共用运动驱动和控制模块；

所述三维高精度无损成像主机与所述PC机连接，用于传输数据、并控制所述样品检测探头完成扫描和成像；

所述样品检测探头配合所述打印平台或所述喷头挂载臂沿X轴/Y轴/Z轴运动，完成一次横向面积扫描和纵向深度的扫描，则确定所述样品检测探头完成一次检测，所述打印喷头继续打印，打印到一定厚度时，所述样品检测探头重复所述检测操作，直至打印结束；结束后，所述PC机根据所述样品检测探头检测所获得的数据，重建三维模型，以获取打印制品的全纵深成像，以及所述PC机将检测的数据重建成三维高分辨全局图像，实现全纵深成像。

7.根据权利要求6所述的三维打印同步微层析成像在线监控系统，其特征在于，所述三维高精度无损成像主机包括：光学相干层析技术(OCT)、多光子显微成像技术(MPM)、共焦显微技术(CM)的一种或多种组合。

8.根据权利要求6所述的三维打印同步微层析成像在线监控系统，其特征在于，所述样品检测探头包括：机器视觉成像模块和微层析成像检测模块；所述机器视觉成像模块用于视场监控，所述微层析成像检测模块用于小范围高精度图像采集。

9.根据权利要求6所述的三维打印同步微层析成像在线监控系统，其特征在于，所述PC机编辑的打印参数和检测参数包括：三维高精度无损成像主机成像深度H、材料有效成像深度h、打印短时间内未能固化的顶部厚度h0，首次检测打印厚度h+h0，并且h+h0<H，后续检测打印厚度h。

10.根据权利要求9所述的三维打印同步微层析成像在线监控系统，其特征在于，所述纵向深度的扫描是根据所述三维高精度无损成像主机成像深度H和所述材料有效成像深度h进行分段。