三维打印技术用于多模态、非均质组织光学仿体制备的基础研究

三维打印技术用于多模态、非均质组织光学仿体制备的基础研究生物光学影像技术利用光与生物组织的交互作用,从结构、功能和分子特性等各层面对生物组织进行非侵入检测,在疾病诊断和治疗中起到了重要作用。然而,生物光学影像设备的准确性和可重复性受到元器件的性能、测试环境、操作方法等因素的影响非常大,因此需要建立可溯源标准来对他们的参数进行校准。组织光学仿体有望成为光学影像领域的可溯源标准,但是目前关于光学仿体的制备大多局限于均质和单模态。如何制备可以模拟生物组织结构功能和动态特性的非均质、多模态仿体已经成为光学影像技术可溯源标准建立的关键。针对当前光学仿体制备所面临的困境,本文提出了将不同的增材制造技术整合到三维打印生产线来制作多模态非均质组织光学仿体的思路,并且设计、搭建了包含打印模块和切换模块的一体化仿体打印生产线。基于生产线制备的光学仿体可以用来检验和校准光学影像系统,提高光学影像设备的检测精度和准确性,为重大疾病的有效诊断和及时治疗提供影像技术保障。本文的主要研究内容如下:1.首次提出集成不同的增材制造技术来制备多模态、非均质、多尺度组织光学仿体的思路,并设计和搭建了一套基于上述思路的自动化仿体打印生产线。生产线整合了旋涂式、PolyJet光固化式和熔融沉积式(FDM)三种不同的打印模块,在搭建的过程中解决了一批涉及工程学、控制学与计算机科学的难题。以包含组织结构与光学数据的“数字光学仿体”为源文件,可自动完成组织光学仿体的三维打印,为推进医疗影像技术标准的建立打下了坚实的基础。2.完成了多层、多尺度、非均质组织光学仿体的三维打印材料及工艺的研究。以带有皮肤纹路阳模的硅片为基板、光固化墨水为基底材料、二氧化钛(TiO2)为散射材料,在旋涂模块上制作有纹路的表皮层光学仿体。接着在旋涂打印完成的仿体基础上,以光固化墨水为基底材料、Ti02为散射材料、石墨粉为吸收材料,在PolyJet打印模块上可以制作带有网状血管的真皮层光学仿体(血管网络为可选模态)。紧接着,以果冻蜡为基底材料、TiO2为散射材料、石墨粉为吸收材料,在FDM打印模块上可以制作皮下组织层光学仿体。结合浇铸技术,还可制备在皮下组织中嵌有肿瘤结构和中空血管网络的多模态、非均质组织光学仿体。这些包含有特定结构与可调光学参数的组织仿体不仅可用于光学影像设备的校准,还可以帮助多模态影像技术的配准,从而推进光学影像技术在临床应用上的发展。3.首次提出把静电纺丝的PLA纤维键合在预浇铸的PDMS层中间来制造具有特定偏振参数仿体的思路,并且完成了制造工艺的探索。研究过程中搭建了一套由供料机构、高压电源、喷嘴、可高速旋转的滚筒收集模块组成的静电纺丝系统。纺丝纤维在不同滚筒转速下被收集,在等离子体处理技术的帮助下,完成制备中间镶嵌有不同转速下收集的PLA纺丝纤维的PDMS固态仿体。偏振测试结果表明使用高/低滚筒转速收集的纺丝纤维制备的仿体可分别实现正常组织/纤维瘤病变组织偏振特性的模拟。这种具有长期稳定性的仿体不仅可以用于校准和验证偏振光学影像设备,也可以用来帮助相关光学治疗手段的研究与开发。4.首次提出结合三维打印与浇铸制作用于连体儿手术方案规划与验证的组织仿体。以患者CT数据为基础,完成了涉及手术分离路径的组织器官模型三维重建、浇铸模具和装配的定位系统的设计。骨架和模具使用ABS塑料3D打印而成,其他的器官使用硅胶混合不同颜色的显影液浇铸,最终得到器官之间存在视觉和CT区分度的等比例连体儿仿体。同时,提出了比较三维模型相似度的算法用于验证仿体制造精度。结果表明,这种方法可个