CN112829282A - 基于模型边界信息的水凝胶生物3d打印路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于模型边界信息的水凝胶生物3D打印路径规划方法属于3D打印领域，涉及到一种利用生物器官模型切片边界信息对模型的3D打印路径进行规划的方法。该方法先对生物模型进行切片，利用穷举法获取不同角度的扫描线与模型轮廓的交点数目信息，选取交点数目最少的角度为模型扫描角度。充分利用了生物模型切片的边界轮廓信息，控制拐角数量，减少路径的截断点，控制打印路径的整体连续性。确定拐角的合理取值范围，规划出适用于水凝胶生物3D打印的打印路径。本发明充分利用了生物器官模型切片的边界信息，减少了扫描线与轮廓交点数量和路径的截断点数量。提升路径的整体连续性，提高了模型精度。

Description

基于模型边界信息的水凝胶生物3D打印路径规划方法
技术领域
本发明属于3D打印领域，涉及到一种利用生物器官模型切片边界信息对模型的3D打印路径进行规划的方法。
背景技术
在临床医学中，一些患者器官的衰竭或缺损往往只能通过器官移植达到治疗效果，而目前器官的短缺是临床医生和患者面临的很大的问题。生物组织工程学就是为解决这一问题而诞生的学科。日本学者Nakumura首先提出3D生物打印的概念，其核心观念为直接打印负载细胞的生物材料构成支架，负载材料通常选用水凝胶。目前对于水凝胶生物3D打印的研究较少，缺少系统的路径规划方法。而传统3D打印路径规划方法，例如吴婷等人发明的“一种基于等值线的功能梯度材料3D打印路径规划方法”，申请号2020101611402。存在以下问题：水凝胶材料的自支撑性较差，整体应力分布不均匀，难以承载路径填充方法过多的填充方法，未能考虑到模型扫描角度对打印结果的影响，不适用于水凝胶生物3D打印领域。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺陷，发明了“基于模型边界信息的水凝胶生物3D打印路径规划方法”，该方法充分利用了生物模型切片的边界轮廓信息，控制拐角数量，减少路径的截断点，控制打印路径的整体连续性；确定拐角的合理取值范围，规划出适用于水凝胶生物3D打印的打印路径，能够有效的解决上述问题。
本发明采用的技术方案是基于模型边界信息的水凝胶生物3D打印路径规划方法，该方法先对生物模型进行切片，利用穷举法获取不同角度的扫描线与模型轮廓的交点数目信息，选取交点数目最少的角度为模型扫描角度；通过平行线扫描获得平行填充线与轮廓线的交点，在扫描线与轮廓交点数量变化的位置进行区域分割与合并，最后去除不合适的拐角连接线获得打印路径；方法充分利用了生物模型切片的边界轮廓信息，控制拐角数量，减少路径的截断点，控制打印路径的整体连续性；确定拐角的合理取值范围，规划出适用于水凝胶生物3D打印的打印路径；方法的具体步骤如下：
步骤一先选取切片层间距，然后，对生物器官模型进行切片；
步骤二为了提高打印结构的自支撑性与强度，选择正交平行填充作为打印路径的生成方法，使相邻片层间的平行填充线互相垂直；利用穷举法获取不同角度的扫描线与模型轮廓的交点数目信息；
选取交点数目最少的角度为模型扫描角度α，穷举法计算的角度范围为：
α＝[0°,180°],α∈N
步骤三选取扫描角度后，将模型顺时针旋转，使模型的扫描线平行于坐标轴，进行扫描；
步骤四通过平行线扫描获得平行填充线与轮廓线的交点，在扫描线与轮廓交点数量变化的位置直接进行区域分割；
步骤五进行路径填充；
1)选取起始点后进行连接，当连接到子区域边界时，如果可直接连接相邻子区域的起始点，则将相邻子区域与当前子区域合并；
2)当一个子区域中的填充路径连接结束后，每次均取未打印的其他子区域的最高点为新的起始点；
3)计算边界连接拐角处的过填充与欠填充面积；
同一拐点处的路径会产生两个拐角，Soverfill_1-上侧拐角的过填充面积，Soverfill_2-下侧拐角的过填充面积，Soverfill_turn-拐点处的总过填充面积，去除不合适的连接角；计算公式为：
Figure BDA0002881535340000031
Figure BDA0002881535340000032
Soverfill_turn＝Soverfill_1+Soverfill_2(3)
其中，θ为拐点角度，r为填充路径半径；
4)考虑到拐角处过填充面积过大会降低打印精度，选取30°到150°作为拐点角度的合理取值范围，并将范围外的拐角处连接线去除；
步骤六生成G-code代码，获取打印路径；
步骤七将G-code代码导入模拟器中获取模拟路径后，用于气动型水凝胶生物3D打印机中打印。
本发明的有益效果是发明了一种基于模型边界信息的水凝胶生物3D打印路径规划方法，该方法充分考虑了喷头在打印路径的拐角处会频繁经历加速和减速的过程，且会形成局部的过/欠填充现象，以及喷头频繁起停和加减速会对细胞造成较大的损伤。因此，控制拐角数量，对提高打印质量有重要的影响。喷头在开启关闭时，会在喷嘴处产生较大的剪切应力，损伤细胞活性，且残余打印材料还会在喷嘴处产生堆积。因此，需要控制打印路径的整体连续性，减少路径的截断点。因为，过大或过小的拐点角度均会导致拐角处过填充面积过大，从而大大降低打印精度。因此需要选取确定拐角的合理取值范围，并将范围外的拐角处连接线去除，从而避免过于尖锐的拐角出现。通过控制扫描角度减少边界拐点的数量，能够有效的减少路径截断点的数量，提升路径的整体连续性，提高了模型精度。
附图说明
图1为本发明的整体流程图。
图2为耳廓STL模型切片图像。
图3耳廓模型扫描线交点数目与扫描角度关系折线图。
图4为子区域分割合并示意图。
图5拐角处材料沉积示意图；其中，1-欠填充区域，2-过填充区域。
图6为拐角角度与过填充面积关系图像；
图7a)为传统zigzag算法结果，图7b)为本发明规划结果。
图8为本发明规划耳廓模型打印路径的G-code模拟路径示意图。
图9为本发明规划路径的水凝胶生物3D打印实例图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案对本发明做进一步的详细说明。
本实施例选择耳廓STL模型作为算例，利用软件matlabR2016a进行实现。方法的具体步骤如下：
步骤一利用matlab软件读取耳廓STL模型，并切片。如图2耳廓STL模型切片图像图所示。对扫描线与轮廓交点的数目计算。为了提高打印结构的自支撑性与强度，选择正交平行填充作为打印路径的生成方法，使相邻片层间的平行填充线互相垂直。图3为耳廓模型扫描线交点数目与扫描角度关系折线图。其中，横坐标为选取的扫描线角度，纵坐标为扫描线与轮廓边界交点数目。选取交点数目最少的扫描角度后，可以大大减少拐角数量。
步骤二选取交点数目最小的角度后旋转模型，使扫描线平行于坐标轴。
步骤三通过平行线扫描获得平行填充线与轮廓线的交点，在扫描线与轮廓交点数量变化的位置直接进行区域分割，获得子区域分割示意图；
步骤四根据平行填充线的特征进行连接与区域合并，当一个子区域中的填充路径连接结束后，每次均取未打印的其他子区域的最高点为新的起始点。合并结果如图4所示；
步骤五计算边界连接拐角处的过填充与欠填充面积，如图5所示；去除不合适的连接角，利用公式(1)-(3)计算，计算结果如图6所示。步骤六经计算，最佳拐点角度应为90°，而过大或过小的角度均会导致拐角处过填充面积过大，从而大大降低打印精度。本实施例选取30°作为拐角的合理取值范围，并将范围外的拐角处连接线去除，从而避免过于尖锐的拐角出现。
步骤六利用matlab编写代码，生成最终路径合并结果的打印G-code，耳廓模型切片层算例最后结果如图7b)所示，这是本发明规划结果；图7a)为传统zigzag算法结果，由图中可以看出本发明只启停2次，扫描结果优于传统zigzag算法切片路径的启停次数。本发明结果对比传统算法大大减少了切片层路径的截断点数量，模型精度高。
步骤七对耳廓模型整体规划后打印路径的G-code模拟路径示意图如图8所示；将G-code导入气动型水凝胶生物3D打印机中打印，图9为本发明规划路径的水凝胶生物3D打印实例图。

Claims (1)

1.基于模型边界信息的水凝胶生物3D打印路径规划方法，其特征是，该方法先对生物模型进行切片，利用穷举法获取不同角度的扫描线与模型轮廓的交点数目信息，选取交点数目最少的角度为模型扫描角度；通过平行线扫描获得平行填充线与轮廓线的交点，在扫描线与轮廓交点数量变化的位置进行区域分割与合并，最后去除不合适的拐角连接线获得打印路径；方法充分利用了生物模型切片的边界轮廓信息，控制拐角数量，减少路径的截断点，控制打印路径的整体连续性；确定拐角的合理取值范围，规划出适用于水凝胶生物3D打印的打印路径；方法的具体步骤如下：
步骤一先选取切片层间距，然后，对生物器官模型进行切片；
步骤二为了提高打印结构的自支撑性与强度，选择正交平行填充作为打印路径的生成方法，使相邻片层间的平行填充线互相垂直；利用穷举法获取不同角度的扫描线与模型轮廓的交点数目信息；
选取交点数目最少的角度为模型扫描角度α，穷举法计算的角度范围为：
α＝[0°,180°],α∈N
步骤三选取扫描角度后，将模型顺时针旋转，使模型的扫描线平行于坐标轴，进行扫描；
步骤四通过平行线扫描获得平行填充线与轮廓线的交点，在扫描线与轮廓交点数量变化的位置直接进行区域分割；
步骤五进行路径填充；
1)选取起始点后进行连接，当连接到子区域边界时，如果可直接连接相邻子区域的起始点，则将相邻子区域与当前子区域合并；
2)当一个子区域中的填充路径连接结束后，每次均取未打印的其他子区域的最高点为新的起始点；
3)计算边界连接拐角处的过填充与欠填充面积；
同一拐点处的路径会产生两个拐角，Soverfill_1-上侧拐角的过填充面积，Soverfill_2-下侧拐角的过填充面积，Soverfill_turn-拐点处的总过填充面积，去除不合适的连接角；计算公式为：
Figure FDA0002881535330000021
Figure FDA0002881535330000022
Figure FDA0002881535330000023
其中，θ为拐点角度，r为填充路径半径；
4)考虑到拐角处过填充面积过大会降低打印精度，选取30°到150°作为拐点角度的合理取值范围，并将范围外的拐角处连接线去除；
步骤六生成G-code代码，获取打印路径；
步骤七将G-code代码导入模拟器中获取模拟路径后，用于气动型水凝胶生物3D打印机中打印。
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