CN109887395A - 一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型及其制备方法 - Google Patents

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丁秋萍
郭澳
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Abstract

本发明公开了一种用于弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型及其制备方法。制备时，用同轴静电纺丝技术结合三轴运动控制平台，获得按照预设轨迹排布的由电纺中空纤维精确堆叠而成的纤维束，其中每股纤维束由N根电纺中空纤维组成，每根电纺中空纤维的外径为1‑20微米，电纺中空纤维的外壳材料为非水溶性高分子材料，内核材料为水溶性高分子材料；然后将获得的纤维束在纯水中浸泡，除去其内核材料，即可获得最终的电纺直写仿生模型，电纺中空纤维呈中空管道状，因此可为水分子提供运动通道。该模型可由三轴运动控制平台精确控制纤维束之间的平面交叉角度，因此可为磁共振弥散张量成像重建算法的验证提供高精度的仿生模型。

Description

一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生 模型及其制备方法
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型及其制备方法。
背景技术
磁共振弥散成像是一种广泛应用于基础研究和临床诊断的白质纤维结构无损检测技术，通过检测水分子的微观扩散运动特征，间接描述大脑神经细胞轴突的形态结构特征，并宏观地揭示基于纤维结构连接的脑网络。基于该方法的大脑的纤维束重建技术在脑疾病、脑科学和神经科学研究中发挥着越来越重要的作用。
近年来，随着磁共振梯度等硬件性能的提升，弥散模型和追踪方法得到了快速发展。诸如平面回波快速扫描技术已经普遍应用于弥散成像以减少扫描时间。通过并行加速技术，可以在更少的时间内在特定区域中获得高空间分辨率、高角度分辨率图像。在给定的影像参数下，如何选择最优化的神经重建方法，重建的结果和实际的人脑纤维分布吻合程度仍然不是很清楚。迫切需要一种精确的、已知物理结构的仿生纤维模型进行测试和验证，以期为神经纤维精准追踪方法的选择和优化提供参考。
磁共振弥散成像测量的是富含H质子的液体(通常是水分子)的弥散运动，也就是布朗运动。弥散是一个矢量，不仅有大小，而且有方向，水分子在平行于神经纤维的方向上较垂直其方向更容易弥散，进而可以测量弥散系数、进行神经纤维追踪成像。人体的神经纤维髓鞘是中空管道结构，直径大约1-20微米，通常以神经纤维束的形式分布在大脑中。中空纺丝纤维管径可控，可以根据需要控制纤维束的长短、粗细，因此可以从结构上模拟人体神经纤维的髓鞘结构。
传统的方向性静电纺丝纤维的制备方法多使用滚筒进行批量收集，虽然可获得具有一定群体取向性的纤维，但其单根纤维的方向往往与预期方向存在至少±5～10°的误差，并且其堆叠厚度并不均匀，往往存在距离纺丝喷头近处堆叠较厚，而距离纺丝喷头较远处堆叠较薄的现象，因此单位截面积内纤维的根数难以精确定量，纤维方向也很难严格控制，宏观上大致同一方向的平行的纤维束内部也存在较多交叉的现象(非常可能会干扰交叉纤维的重建算法的验证，验证纤维束和纤维束之间的交叉能否判定和重建，纤维束内部纤维的交叉属于额外的现象且无法避免)，并且此情况比较随机，很难量化，因此利用滚动收集的方式所制备的仿生纤维束并不能完全满足弥散张量成像重建算法验证的需求，因此急需一种能够精确制备具有预设的纤维束排布的仿生纤维模型。
发明内容
基于磁共振弥散成像新技术神经纤维束重建算法的验证需求，本发明提出了一种用于弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型及其制备方法。该方法可根据预设的轨迹制备出具有确定纤维尺寸、方向和交叉结构的仿生纤维模型，组成该模型的单根纤维呈中空管状结构，管壁为非水溶性高分子材料。由于模型的精细物理结构预先知道且可控，可以作为扩散成像方法比较的相对客观的标准。进一步地，可用于磁共振弥散成像重建算法的定量验证。
本发明所采用的技术方案如下：一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型，所述仿生模型由若干股共面的纤维束组成，每股纤维束由N根电纺中空纤维组成，每根电纺中空纤维的外径为1-20微米，其管壁材料为非水溶性高分子材料。
进一步的，所述非水溶性材料选自聚己内酯(PCL)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纤维素(EC)。
本发明的另一目的是一种用于弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，该仿生模型的制备方法具体为：用同轴静电纺丝技术结合三轴运动控制平台，获得若干股共面的由电纺中空纤维堆叠而成的纤维束，其中每股纤维束由N根电纺中空纤维组成，每根电纺中空纤维的外径为1-20微米，电纺中空纤维的外壳材料为非水溶性高分子材料，内核材料为水溶性高分子材料；然后将获得的纤维束在纯水中浸泡，除去其内核材料，即可获得最终的电纺直写仿生模型。
进一步的，所述同轴静电纺丝技术所用的装置包括第一注射泵、第二注射泵、高压电源、同轴静电纺丝喷头以及接收板，其中，所述第一注射泵内装有非水溶性高分子材料，第二注射泵内装有水溶性高分子材料，第一注射泵通过导管连接到同轴静电纺丝喷头的外层的进液口，第二注射泵通过导管连接到同轴静电纺丝喷头的内层的进液口，同轴静电纺丝喷头外壁与高压电源的正极相连，接收板固定于三轴运动控制平台上，与高压电源的接地端相连。
进一步的，所述高压电源提供0-30kV电压。
进一步的，所述第一注射泵和第二注射泵分别提供0.1-20ml/h流速。
进一步的，所述三轴运动控制平台的重复定位精度优于±0.02mm，机械精度优于±0.02mm。
进一步的，所述接收板为具有光滑平面的导电材料。
进一步的，所述非水溶性材料选自聚己内酯(PCL)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纤维素(EC)。
进一步的，所述水溶性材料选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)。
本发明的有益效果是：所述仿生模型的精细物理结构预先知道且高度可控，可精确设定单位体积的纤维根数和纤维束之间的交叉方式和所呈的角度，因此可作为一种精确的仿生纤维模型用于磁共振弥散成像重建算法的定量验证。
附图说明
图1为同轴静电纺丝技术所用的装置的示意图；
图2为直写结束后的交叉仿生纤维的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，该仿生模型的制备方法具体为：用同轴静电纺丝技术结合三轴运动控制平台，获得按照预设轨迹排布的由电纺中空纤维精确堆叠而成的纤维束，其中电纺中空纤维的外壳材料为非水溶性高分子材料，内核材料为水溶性高分子材料；然后将获得的纤维束在纯水中浸泡，除去其内核材料，即可获得最终的电纺直写仿生模型。所获得的仿生模型由若干股共面的纤维束组成，每股纤维束由N根电纺中空纤维组成，每根电纺中空纤维的外径为1-20微米，其管壁材料为非水溶性高分子材料。
如图1所示，所述同轴静电纺丝技术所用的装置包括第一注射泵1、第二注射泵2、高压电源3、同轴静电纺丝喷头4以及接收板5，其中，所述第一注射泵1内装有非水溶性高分子材料，第二注射泵2内装有水溶性高分子材料，第一注射泵1通过导管连接到同轴静电纺丝喷头4的外层的进液口，第二注射泵2通过导管连接到同轴静电纺丝喷头4的内层的进液口，同轴静电纺丝喷头4外壁与高压电源3的正极相连，接收板5固定于三轴运动控制平台上，与高压电源3的接地端相连，初始位置位于同轴静电纺丝喷头4正下方，所述同轴静电纺丝喷头4与接收板5之间的导电距离为0.5～2mm，可由三轴运动控制平台实时精确控制其位置，按照预设的轨迹收集同轴中空电纺纤维束。三轴运动控制平台能够实现XYZ三个方向上的移动，三轴运动控制平台为现有公知的技术，通过三轴运动控制平台的运动，能够得到各个方向与角度的纤维束。该模型可由三轴运动控制平台精确控制纤维束之间的平面交叉角度，因此可为弥散张量成像重建算法的验证提供高精度的仿生模型，用于验证弥散张量成像重建算法对于平面交叉神经纤维结构识别(能否准确判断有无交叉)，单股神经纤维的延伸方向和多股平面交叉神经纤维束之间所成角度的计算准确性。
其中，所述高压电源3提供0-30kV电压；所述第一注射泵1和第二注射泵2分别可提供0.1-20ml/h流速。
为了提供精细的物理结构模型，所述三轴运动控制平台可提供高精度运动轨迹控制，其重复定位精度优于±0.02mm，机械精度优于±0.02mm，可提供最大移动速度高于1000mm/s，作为扩散成像方法比较的相对客观的标准。
所述接收板5为具有光滑平面的导电材料，包括但不限于导电玻璃，不锈钢板，导电硅片等。
所述非水溶性材料选自聚己内酯(PCL)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纤维素(EC)等高分子材料。所述水溶性材料选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)等。
所述的同轴纺丝喷头4与接收板5之间的距离固定在0.5mm。在所述的高压电场的影响下，使同轴喷头4中的内外层纺丝溶液，在库仑力的作用下形成细小的复合泰勒锥，沉积到接收板5上形成具有设定图案的同轴核壳纤维。
实施例1：
将接收板5安装在三轴运动控制平台上，使接收板5能够在XYZ方向上任意移动。
将聚乙酸内酯(PCL)装5ml入第一注射泵中，作为外壳材料；将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)装5ml入第二注射泵中，作为内核材料。通过各自的注射泵将溶液分别以稳定流速输送到同轴静电纺丝喷头4，所述的同轴纺丝喷头4内径为0.2mm，外径为1mm。所述的喷头4和接收板5之间的距离固定在1mm。在直流电源电压为2KV，接收平台移动速度固定在100mm/s，外层溶液流速为0.5mL/h，内层溶液流速为0.1mL/h的条件下，获得规则堆叠的核壳纤维模型，如图2所示；再用纯水洗涤去除内层的水溶性物质，即可得到由中空纤维构成的仿生模型。

Claims (10)

1.一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型，其特征在于：所述仿生模型由若干股共面的纤维束组成，每股纤维束由N根电纺中空纤维组成，每根电纺中空纤维的外径约为1-20微米，其管壁材料为非水溶性高分子材料。
2.根据权利要求2所述的一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型，其特征在于：所述非水溶性材料选自聚己内酯(PCL)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纤维素(EC)。
3.一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，其特征在于：该仿生模型的制备方法具体为：用同轴静电纺丝技术结合三轴运动控制平台，获得若干股共面的由电纺中空纤维堆叠而成的纤维束，其中每股纤维束由N根电纺中空纤维组成，每根电纺中空纤维的外径为1-20微米，电纺中空纤维的外壳材料为非水溶性高分子材料，内核材料为水溶性高分子材料；然后将获得的纤维束在纯水中浸泡，除去其内核材料，即可获得最终的电纺直写仿生模型。
4.根据权利要求3所述的一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，其特征在于：所述同轴静电纺丝技术所用的装置包括第一注射泵、第二注射泵、高压电源、同轴静电纺丝喷头以及接收板，其中，所述第一注射泵内装有非水溶性高分子材料，第二注射泵内装有水溶性高分子材料，第一注射泵通过导管连接到同轴静电纺丝喷头的外层的进液口，第二注射泵通过导管连接到同轴静电纺丝喷头的内层的进液口，同轴静电纺丝喷头外壁与高压电源的正极相连，接收板固定于三轴运动控制平台上，与高压电源的接地端相连。
5.根据权利要求3所述的一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，其特征在于：所述高压电源提供0-30kV电压。
6.根据权利要求3所述的一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，其特征在于：所述第一注射泵和第二注射泵分别提供0.1-20ml/h流速。
7.根据权利要求3所述的一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，其特征在于：所述三轴运动控制平台的重复定位精度优于±0.02mm，机械精度优于±0.02mm。
8.根据权利要求3所述的一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，其特征在于：所述接收板为具有光滑平面的导电材料。
9.根据权利要求3所述的一种用于弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，其特征在于：所述非水溶性材料选自聚己内酯(PCL)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纤维素(EC)。
10.根据权利要求3或4所述的一种用于弥散张量成像重建算法验证的电纺直写仿生模型的制备方法，其特征在于：所述水溶性材料选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)。
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