可用于皮膚燒傷修復(fù)的基于視覺引導(dǎo)的原位打印系統(tǒng)
時(shí)間：2022-01-10 11:48 來源： EngineeringForLife 作者：admin 閱讀：次
治療大面積的皮膚燒傷的治療一直以來是一個(gè)難題，目前的燒傷處皮膚修復(fù)主要有兩種治療方案，其一是自體皮膚移植，這種治療方案只能修復(fù)小面積的皮膚燒傷，對(duì)于大面積的皮膚燒傷則不適用，同時(shí)這種治療方案的時(shí)效性較差，需要等待字體皮膚的培養(yǎng)，第二種方案是細(xì)胞療法，即將細(xì)胞噴灑在損傷處進(jìn)行皮膚修復(fù)，但是這種方案無法控制精度、制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組織。
史蒂文斯理工學(xué)院機(jī)械工程系Houzhu Ding博士團(tuán)隊(duì)研制出了一種基于視覺引導(dǎo)的原位打印系統(tǒng)，可以檢測(cè)燒傷傷口、進(jìn)行打印噴頭的路徑規(guī)劃，從而打印出傷口覆蓋物對(duì)燒傷處的皮膚進(jìn)行修復(fù)。相關(guān)成果“Simulating image-guided in situ bioprinting of a skin graft onto a phantom burn wound bed”發(fā)表于Additive Manufacturing上。
這種基于視覺引導(dǎo)的原位打印系統(tǒng)由傳統(tǒng)的3D打印機(jī)、3ml的打印頭、溫度傳感器以及攝像頭所組成，在實(shí)際工作中利用攝像頭獲取傷口的幾何形狀以及位置，然后將獲取的傷口形狀位置發(fā)送給打印機(jī)的控制器，通過路徑規(guī)劃算法可以打印出特定形狀的傷口覆蓋物（圖1）。
在本項(xiàng)研究中使用的路徑規(guī)劃算法如下，(1)從一個(gè)由多邊形表示的二維輪廓開始。(2) 閉合曲線中的關(guān)鍵點(diǎn)被按規(guī)定的方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）依次排序。然后用排序后的點(diǎn)生成一個(gè)二維多邊形來定義輪廓邊緣。(3) 在二維多邊形內(nèi)組成軌跡，并以均勻的間隙平行于X軸，構(gòu)成有序路徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輪廓的加工。(4) 獲得平行路徑和二維輪廓的交點(diǎn)，并按規(guī)定順序排列。(5) 交點(diǎn)作為關(guān)鍵連接點(diǎn)。根據(jù)這些連接點(diǎn)，以預(yù)定的順序連接每個(gè)點(diǎn)，作為打印路徑給3D打印機(jī)進(jìn)行打印。
如圖4所示為其打印系統(tǒng)在燒傷模型上直接打印水凝膠絲。燒傷模型被放置在打印機(jī)平臺(tái)上，生物墨水通過實(shí)施由路徑規(guī)劃算法生成的連續(xù)路徑直接沉積到傷口區(qū)域。總細(xì)胞數(shù)為2×10^6的被均勻地分散在5層組織中。該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是絲線之間有2毫米的間隔，形成一個(gè)多孔的結(jié)構(gòu)，這使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的輸送能夠維持細(xì)胞的生長(zhǎng)。
對(duì)大面積和深層皮膚傷口的治療是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，原位3D生物打印有可能大大減少愈合時(shí)間，改善結(jié)構(gòu)和功能。本文提出的原位打印方法是一種很有前途的技術(shù)。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.022
史蒂文斯理工學(xué)院機(jī)械工程系Houzhu Ding博士團(tuán)隊(duì)研制出了一種基于視覺引導(dǎo)的原位打印系統(tǒng)，可以檢測(cè)燒傷傷口、進(jìn)行打印噴頭的路徑規(guī)劃，從而打印出傷口覆蓋物對(duì)燒傷處的皮膚進(jìn)行修復(fù)。相關(guān)成果“Simulating image-guided in situ bioprinting of a skin graft onto a phantom burn wound bed”發(fā)表于Additive Manufacturing上。
這種基于視覺引導(dǎo)的原位打印系統(tǒng)由傳統(tǒng)的3D打印機(jī)、3ml的打印頭、溫度傳感器以及攝像頭所組成，在實(shí)際工作中利用攝像頭獲取傷口的幾何形狀以及位置，然后將獲取的傷口形狀位置發(fā)送給打印機(jī)的控制器，通過路徑規(guī)劃算法可以打印出特定形狀的傷口覆蓋物（圖1）。
圖1 原位打印系統(tǒng)
圖2 傷口檢測(cè)算法
在本項(xiàng)研究中，為了可以獲得傷口位置形狀和大小，作者首先將圖像的顏色空間由RGB色彩空降轉(zhuǎn)換到了HSV色彩空間，然后通過設(shè)定閾值將圖片的轉(zhuǎn)換為二值圖，隨后采用邊緣檢測(cè)算法對(duì)圖像傷口邊緣檢測(cè)得到其幾何形狀，最后通過圖像腐蝕和膨脹操作獲得更清楚的傷口邊緣。為了使3D打印機(jī)，知道傷口的位置，將傷口的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)為3D打印機(jī)所在的坐標(biāo)。
圖3 路徑規(guī)劃算法
在本項(xiàng)研究中使用的路徑規(guī)劃算法如下，(1)從一個(gè)由多邊形表示的二維輪廓開始。(2) 閉合曲線中的關(guān)鍵點(diǎn)被按規(guī)定的方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）依次排序。然后用排序后的點(diǎn)生成一個(gè)二維多邊形來定義輪廓邊緣。(3) 在二維多邊形內(nèi)組成軌跡，并以均勻的間隙平行于X軸，構(gòu)成有序路徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輪廓的加工。(4) 獲得平行路徑和二維輪廓的交點(diǎn)，并按規(guī)定順序排列。(5) 交點(diǎn)作為關(guān)鍵連接點(diǎn)。根據(jù)這些連接點(diǎn)，以預(yù)定的順序連接每個(gè)點(diǎn)，作為打印路徑給3D打印機(jī)進(jìn)行打印。
圖4 實(shí)際打印效果
如圖4所示為其打印系統(tǒng)在燒傷模型上直接打印水凝膠絲。燒傷模型被放置在打印機(jī)平臺(tái)上，生物墨水通過實(shí)施由路徑規(guī)劃算法生成的連續(xù)路徑直接沉積到傷口區(qū)域。總細(xì)胞數(shù)為2×10^6的被均勻地分散在5層組織中。該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是絲線之間有2毫米的間隔，形成一個(gè)多孔的結(jié)構(gòu)，這使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的輸送能夠維持細(xì)胞的生長(zhǎng)。
對(duì)大面積和深層皮膚傷口的治療是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，原位3D生物打印有可能大大減少愈合時(shí)間，改善結(jié)構(gòu)和功能。本文提出的原位打印方法是一種很有前途的技術(shù)。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.022
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