CN206261600U - 一种基于oct的原位三维打印皮肤修复设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备。设备包括OCT系统模块和皮肤3D生物打印模块；OCT系统模块包括光源、低相干干涉模块、样品扫描模块、干涉信号探测模块、数据采集与处理模块、图像显示模块。本设备采用OCT系统模块获取皮肤缺损部位的三维高分辨结构信息从而指导皮肤3D打印模块定位装配生物材料和活细胞，以达到缺损皮肤原位内部血管网络与3D打印通道连通目的，此外OCT系统模块与三维打印的联动方式可降低直接大面积打印对细胞富集速度的要求。

Description

一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备

技术领域

本实用新型属于生物医学工程技术领域，涉及用于皮肤修复的基于光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)的三维打印设备，具体是一种用于皮肤修复的基于OCT的在体原位三维打印设备。

背景技术

生物3D打印是在数字模型驱动下，定位装配活细胞/生物材料单元的技术，为制造非均质、复杂结构组织器官提供了新的理论和技术，该技术为原位皮肤缺损修复提供了一种新的思路。临床医学研究表明大面积的皮肤缺损会引起体液丢失、电解质紊乱、低蛋白血症及严重感染等，如果皮肤缺损直径大于4cm时，创面不能自行愈合，传统的治疗方法是采用商业皮肤或自体皮肤来移植修复，但是该方法所需材料的来源及尺寸有限，准备时间长，在患者病情严重的情况下，可能会延误治疗时机危及患者的生命，而原位3D生物打印技术的便携性、即时性和移动性能够很好的解决上述难题。原位生物3D打印可将病患自体细胞经细胞富集技术获取足够多的活细胞作为打印材料，再结合临床影像采集数据对缺损部位直接进行定制化、形态适配化的打印修复治疗，不仅可及时修复损伤组织，同时在体环境也保证了修复的微创性。

原位3D打印皮肤修复需要利用非侵入性技术获得创口的三维形貌结构信息并基于此信息进行皮肤缺损部位的三维建模设计，从而指导3D打印定位装配生物材料和活细胞修复创面。但是，CT技术投射的X射线对人体器官具有一定的伤害，核磁共振技术(MRI)测量时间过长。而且这些设备都比较庞大，测量精度有限，难以实现皮肤组织缺损扫描和测量。

光学测量方法可以实现非接触、快速测量，经过清创手术以后，可以直接进行测量组织缺损。但由于皮肤的高散射特性，常规测量方法穿透深度有限，还有扫描、测量速度慢等限制。OCT是基于低相干干涉发展起来的一种新型生物医学成像技术，兼具高分辨(1～15um)、良好穿透深度 (1～5mm)和快速成像优势。人体皮肤厚度一般为0.5mm～4mm，OCT技术的上述优点非常适合用于皮肤缺损部位的外部轮廓和内部缺损信息采集，从而构建皮肤缺损部位组织分层界面的三维模型及内部血管网络，设计出与原位皮肤血管网络相通的通道网络，指导皮肤修复的三维结构建模，实现功能化的全面皮肤修复。

因此，本实用新型提出一种基于OCT的原位3D打印皮肤修复设备。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种用于皮肤修复的基于光学相干层析成像(OCT)的原位三维打印设备。

本实用新型设备包括OCT系统、3D生物打印设备；

所述的OCT系统模块包括光源、低相干干涉模块、样品扫描模块、干涉信号探测模块、数据采集与处理模块、图像显示模块。光源发出的光经光纤进入低相干干涉模块，低相干干涉模块发出的探测光经光纤进入样品扫描模块，再通过扫描物镜聚焦到皮肤缺损区域，缺损区域的后向散射光原路返回至低相干干涉模块，低相干干涉模块产生干涉光谱信号经光纤送入干涉信号探测模块，然后经数据采集与处理模块、图像显示模块获取扫描区域的图像。

所述的低相干干涉模块包括一条参考臂和部分样品臂，其中，参考臂固定不动，由参考臂和样品臂返回的光在2×2的耦合器(推荐50/50)中汇合并产生干涉，干涉信号通过信号探测模块进行光电转换。

所述的样品扫描模块包括扫描探头、3D生物打印机的三维移动臂和样品台；其中扫描探头包括光纤准直器、二维高速扫描振镜、微型Charge-coupled Device(CCD)成像系统、光电探测位置校准系统、扫描物镜，所述的微型CCD系统包括二向色镜、准直透镜、CCD。光纤准直器在光路中位于二维高速扫描振镜前，二者水平同轴；二向色镜位于二维高速扫描振镜下方，两者在竖直方向同轴；准直透镜和CCD位于二向色镜光路反射光方向，三者水平同轴；扫描物镜位于二向色镜透射光方向，与二向色镜在竖直方向同轴，用于扫描过程中对样品实时监测及机器视觉识别。

所述的光电探测位置校准系统由四个光电位置探测器构成，安装在扫描物镜底座(例如四个角处)，该光电探测位置校准系统用于对扫描探头在扫描过程中位置校准，使其在竖直方向始终保持一个固定的值H，以确保缺损部位聚焦成像。

作为优选，在调节CCD前的准直透镜的焦距时，使得CCD的成像范围比二维高速扫描振镜的最大扫描范围略大，推荐大10％。

所述的干涉信号探测模块为现有成熟器件，主要用于将从干涉模块输出的干涉光学信号转换成电信号；

所述的数据采集与处理模块为现有成熟器件，主要用于A/D转换，并将数字信号提供给数据处理器进行数字信号处理，数据处理器可以选用CPU、GPU、DSP、FPGA等，主要用于对原始信号进行处理并转化为最终的图像信号；数据采集与处理模块可采用数据采集卡(推荐ATS9350，GL2048L)，以及数据处理模块(主处理器可选用CPU Intel E5-1620 v3)；

所述的图像显示模块为现有成熟器件，主要用于显示图像信号并负责图像的后处理以及测量工作，可选用主芯片GPU NVIDIA Quadro M4000。

本实用新型还可以包括时序控制模块，所述的时序控制模块用于控制光源的触发，样品扫描模块中二维高速扫描振镜的扫描时序以及三维移动臂运动的时序。

所述的打印参数可控的3D生物打印设备主要包括打印主机、中心控制模块、打印喷头、三维移动臂、打印成型平台、独立温控模块。打印主机负责配置打印参数、编辑打印模型、运行分层算法、发送加工指令并监控打印状态，中心控制模块负责接收数据采集与处理模块反馈的信息和加工指令，并对三维移动臂进行运动控制和对打印喷头进行挤出气压的调节/开闭，独立温控平台负责打印喷头和打印成型平台的温度调节。

所述的打印喷头下方集成带有环形LED照明的两个对称分布的微型成像模组，用于对打印过程的实时监测。该微型成像模组为现有成熟器件。

进一步地，本实用新型装置采用扫频OCT成像系统或谱域OCT成像系统；

所述的扫频OCT成像系统采用宽带扫频光源，干涉信号探测模块采用光电平衡探测器。其中宽带扫频光源的扫频范围要求在80nm～220nm,推荐在100nm～140nm，以确保轴向成像分辨率和系统谱宽匹配的平衡。

所述的谱域OCT成像系统采用宽带连续光源，干涉信号探测模块采用高速线阵光谱探测器。

本实用新型的有益效果包括：

(1)整合皮肤创面扫描成像和原位打印技术的在体原位皮肤修复系统和方法，与传统组织工程技术相比，可以实现个性化、差异化、即时化的皮肤修复。

(2)OCT设备体积小，能够满足原位打印对设备便携性的要求。

(3)基于OCT与三维生物打印的联动分区域扫描-原位打印的方式可以降低直接大面积打印对细胞富集速度的要求，使得整体皮肤原位修复手术操作更顺畅。

(4)提出在OCT系统的扫描模块及3D生物打印机的打印模块中分别加入实时成像功能模块，不仅方便了扫描时对受损皮肤区域的快速识别，同时还实现了对打印过程的实时监测，节省了扫描打印的时间，保证了打印修复的质量。

附图说明

图1是基于光学相干层析成像的在体原位三维生物打印皮肤修复系统的原理框图；

图2(a)是基于扫频光源相干层析成像(SS-OCT)的在体原位三维生物打印皮肤修复系统的详细图示；

图2(b)是基于谱域相干层析成像(SD-OCT)的在体原位三维生物打印皮肤修复系统的详细图示；

图3是3D生物打印的设备装置图；

图4(a)是打印模块装置图；

图4(b)是打印模块功能器件位置分布的正视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明

在体原位三微生物打印系统包括基于光学相干层析扫描的三维生物打印装置和打印参数可控的三维生物打印设备，其原理框图如图1所示。

图2(a)是基于扫频光源相干层析成像(SS-OCT)的在体原位三维生物打印系统的详细视图，图2(b)是基于谱域相干层析成像(SD-OCT)的在体原位三维生物打印皮肤修复系统的详细视图。工作原理是：光源1(其中图2(a)为扫频光源，图2(b)为宽带光源)发出的光经1×2光纤耦合器2分成两路，其中一路为参考臂，光经过光纤环形器3、光纤偏振控制器4及准直透镜5直射到平面镜6上然后原路返回，另一路为样品臂，光经过光纤环形器3、光纤偏振控制器4、准直透镜5及X振镜7、Y振镜8、二向色镜9(对探测光全透，对环形LED 10的光全反)、带有环形LED 10照明的扫描物镜11入射到样品12上，样品12放置在可固定肢体的样品台13上，样品背向散射及反射光按原路经过二向色镜9时被分为两路，其中LED发出的光被反射后，经过准直透镜5进入到微型CCD 14中，可实现对样品的实时成像，另一路光为OCT探测光，经样品散射和反射后原路返回经过环形器3后和参考臂反射回的光经过一个2×1的光纤耦合器后，干涉信号被探测器15(其中图2(a)为光电探测器，图2(b)为光谱仪)转换为电信号后再由数据采集与处理模块16采集、处理。处理好的数据信息发送给3D生物打印17，同时发给图像显示模块显示。

图3是3D生物打印的设备装置图，主要包括打印主机18、中心控制模块19、打印模块20、旋转电机21、X/Y/Z移动臂22、打印成型平台23、独立温控系统24。打印主机18负责配置打印参数、编辑打印模型、运行分层算法、发送加工指令并监控打印状态，中心控制模块19负责接收加工指令，并对旋转电机21，X/Y/Z移动臂22进行运动控制，和对打印模块20中的喷头进行挤出气压的调节/开闭，独立温控系统24负责调控打印喷头和打印成型平台23的温度。

图4(a)是打印模块20的装置图，包括OCT扫描探头25和打印喷头26两部分，其中扫描探头25由准直透镜5、X振镜7、Y振镜8、微型CCD 14、二向色镜9、带有环形LED 10照明的物镜11及固定在物镜安装底座上的四个光电位置探测器27组成；打印喷头由环形LED 10、打印料 筒及针头28和两个对称分布的微型成像模组29构成。扫描探头25的尺寸和打印喷头26的尺寸一致，二者可以并排集成固定在旋转电机21上，然后再整体固定在三维打印机的X/Y/Z移动臂22上，操作时，OCT扫描探头25完成扫描且打印主机18接收处理后的数据信息并完成打印设置后，首先发送指令给中心控制模块19，命令X/Y/Z移动臂22将打印喷头26移动到OCT扫描探头25的起始位置，然后再发送打印指令给中心控制模块19，控制X/Y/Z移动臂22及打印喷头26完成当次OCT扫描区域的原位打印修复。另外，为了便于实时监测打印情况，可在打印喷头26下方集成带有环形LED10照明的两个对称分布的微型成像模组29，用于对打印过程的实时监测。

图4(b)是打印模块功能器件位置分布的正视图。

工作过程：

为了方便操作人员观测可以在扫描物镜前构建微型CCD成像系统对损伤区域进行成像，在扫描成像前可通过对放置在CCD前的准直透镜焦距的选择，使得CCD的成像范围略大于二维扫描振镜的最大扫描范围(推荐大10％)。首先对扫描探头与受损皮肤部位两者间的位置进行校准，使两者之间的位置保持垂直且为一固定值H，校准时通过安装在扫描模块周围的四个光电位置探测器实时检测位置参数，并通过固定扫描探头的旋转电机做相应的转动，从而带动所述的扫描探头旋转直到其与被扫描的位置垂直，然后再通过驱动三维移动臂移动扫描探头，确保扫描探头垂直于样品表面而且与样品表面距离等于H，使得后续受损皮肤其他位置与扫描探头均保持为H，从而保证扫描图像是清晰和稳定的。

校准完成后，扫描控制器驱动二维振镜开始扫描，此时，由低相干干涉模块发出的探测光经光纤进入扫描探头，然后再经扫描物镜聚焦到受损皮肤区域，从初始点开始在成像范围内(推荐10mm×10mm)进行快速扫描，一个区域模块扫描完成后，通过数据采集与处理模块16获得三维OCT图像通过图像显示模块显示，再将图像数据信息反馈给打印主机完成打印参数设置，最后打印主机发送指令控制打印喷头，对损伤皮肤区域进行逐层打印修复，修复完成后，打印模块恢复到本次扫描打印的起始位置，此 时，可以选择再次利用OCT对已修复区域进行扫描，来检验证修复的质量和进行反馈优化，也可以选择触发三维移动臂驱动扫描探头沿X或Y方向移动到相邻区域，移动的距离为二维扫描振镜在X或Y方向的最大扫描范围(推荐10mm)，进入下一次微型CCD成像识别、扫描探头校准、扫描及打印修复过程。按照上述连续区域的扫描-修复的流程可最终实现受损皮肤的在体原位三维生物打印修复。

上述实施例并非是对于本实用新型的限制，本实用新型并非仅限于上述实施例，只要符合本实用新型要求，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备，包括OCT系统、3D生物打印设备；其特征在于：

所述的OCT系统模块包括光源、低相干干涉模块、样品扫描模块、干涉信号探测模块、数据采集与处理模块、图像显示模块；光源发出的光经光纤进入低相干干涉模块，低相干干涉模块发出的探测光经光纤进入样品扫描模块，再通过扫描物镜聚焦到皮肤损伤区域，损伤区域的后向散射光原路返回至低相干干涉模块，低相干干涉模块产生干涉光谱信号经光纤送入干涉信号探测模块，然后经数据采集与处理模块进行数字信号处理，最后通过图像显示模块获取扫描区域的图像；

所述的打印参数可控的3D生物打印设备主要包括打印主机、中心控制模块、打印喷头、三维移动臂、打印成型平台、独立温控模块；其中三维移动臂可大范围三维移动的能力，克服OCT扫描范围小的局限，实现对受损皮肤的高精度大范围扫描，完成受损皮肤的整体修复。

2.如权利要求1所述的一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备，其特征在于所述的样品扫描模块的扫描探头包括光纤准直器、二维高速扫描振镜、微型CCD成像系统、光电探测位置校准系统、扫描物镜，微型CCD系统包括二向色镜、准直透镜、CCD；光纤准直器在光路中位于二维高速扫描振镜前，二者水平同轴；二向色镜位于二维高速扫描振镜下方，两者在竖直方向同轴；准直透镜和CCD位于二向色镜光路反射光方向，三者水平同轴；扫描物镜位于二向色镜透射光方向，与二向色镜在竖直方向同轴，用于扫描过程中对样品实时监测及机器视觉识别。

3.如权利要求2所述的一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备，其特征在于所述的光电探测位置校准系统由多个光电位置探测器构成，安装在扫描物镜底座，该光电探测位置校准系统用于对扫描探头在扫描过程中位置校准，使其在竖直方向始终保持一个固定的值H。

4.如权利要求1所述的一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备，其特征在于在调节CCD前的准直透镜的焦距时，使得CCD的成像范围大于 二维高速扫描振镜的最大扫描范围的10％。

5.如权利要求1所述的一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备，其特征在于所述的打印喷头下方集成带有环形LED照明的微型成像模组，用以打印过程中的实时监测。

6.如权利要求1所述的一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备，其特征在于，其特征在于该设备还包括时序控制模块，所述的时序控制模块用于控制光源的触发，样品扫描模块中二维高速扫描振镜的扫描时序以及三维移动臂运动的时序。

7.如权利要求1所述的一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备，其特征在于，其特征在于所述的OCT系统模块采用扫频OCT成像系统；扫频OCT成像系统采用宽带扫频光源，干涉信号探测模块采用光电平衡探测器；其中宽带扫频光源的扫频范围要求在80nm～220nm，以确保轴向成像分辨率和系统谱宽匹配的平衡。

8.如权利要求7所述的一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备，其特征在于，其特征在于宽带扫频光源的扫频范围要求在100nm～140nm，以确保轴向成像分辨率和系统谱宽匹配的平衡。

9.如权利要求1所述的一种基于OCT的原位三维打印皮肤修复设备，其特征在于，其特征在于所述的OCT系统模块采用谱域OCT成像系统；谱域OCT成像系统采用宽带连续光源，干涉信号探测模块采用高速线阵光谱探测器。