可用于皮膚燒傷修復的基于視覺引導的原位打印系統
時間：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難題，目前的燒傷處皮膚修復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小面積的皮膚燒傷，對于大面積的皮膚燒傷則不適用，同時這種治療方案的時效性較差，需要等待字體皮膚的培養，第二種方案是細胞療法，即將細胞噴灑在損傷處進行皮膚修復，但是這種方案無法控制精度、制造結構復雜的組織。
史蒂文斯理工學院機械工程系Houzhu Ding博士團隊研制出了一種基于視覺引導的原位打印系統，可以檢測燒傷傷口、進行打印噴頭的路徑規劃，從而打印出傷口覆蓋物對燒傷處的皮膚進行修復。相關成果“Simulating image-guided in situ bioprinting of a skin graft onto a phantom burn wound bed”發表于Additive Manufacturing上。
這種基于視覺引導的原位打印系統由傳統的3D打印機、3ml的打印頭、溫度傳感器以及攝像頭所組成，在實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送給打印機的控制器，通過路徑規劃算法可以打印出特定形狀的傷口覆蓋物（圖1）。
在本項研究中使用的路徑規劃算法如下，(1)從一個由多邊形表示的二維輪廓開始。(2) 閉合曲線中的關鍵點被按規定的方向（順時針或逆時針）依次排序。然后用排序后的點生成一個二維多邊形來定義輪廓邊緣。(3) 在二維多邊形內組成軌跡，并以均勻的間隙平行于X軸，構成有序路徑，從而實現對輪廓的加工。(4) 獲得平行路徑和二維輪廓的交點，并按規定順序排列。(5) 交點作為關鍵連接點。根據這些連接點，以預定的順序連接每個點，作為打印路徑給3D打印機進行打印。
如圖4所示為其打印系統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平臺上，生物墨水通過實施由路徑規劃算法生成的連續路徑直接沉積到傷口區域。總細胞數為2×10^6的被均勻地分散在5層組織中。該網狀結構的特點是絲線之間有2毫米的間隔，形成一個多孔的結構，這使得營養物質和氧氣的輸送能夠維持細胞的生長。
對大面積和深層皮膚傷口的治療是一個具有挑戰性的問題，原位3D生物打印有可能大大減少愈合時間，改善結構和功能。本文提出的原位打印方法是一種很有前途的技術。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.022
史蒂文斯理工學院機械工程系Houzhu Ding博士團隊研制出了一種基于視覺引導的原位打印系統，可以檢測燒傷傷口、進行打印噴頭的路徑規劃，從而打印出傷口覆蓋物對燒傷處的皮膚進行修復。相關成果“Simulating image-guided in situ bioprinting of a skin graft onto a phantom burn wound bed”發表于Additive Manufacturing上。
這種基于視覺引導的原位打印系統由傳統的3D打印機、3ml的打印頭、溫度傳感器以及攝像頭所組成，在實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送給打印機的控制器，通過路徑規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
圖2 傷口檢測算法
在本項研究中，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色彩空降轉換到了HSV色彩空間，然后通過設定閾值將圖片的轉換為二值圖，隨后采用邊緣檢測算法對圖像傷口邊緣檢測得到其幾何形狀，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，知道傷口的位置，將傷口的像素坐標轉為3D打印機所在的坐標。
圖3 路徑規劃算法
在本項研究中使用的路徑規劃算法如下，(1)從一個由多邊形表示的二維輪廓開始。(2) 閉合曲線中的關鍵點被按規定的方向（順時針或逆時針）依次排序。然后用排序后的點生成一個二維多邊形來定義輪廓邊緣。(3) 在二維多邊形內組成軌跡，并以均勻的間隙平行于X軸，構成有序路徑，從而實現對輪廓的加工。(4) 獲得平行路徑和二維輪廓的交點，并按規定順序排列。(5) 交點作為關鍵連接點。根據這些連接點，以預定的順序連接每個點，作為打印路徑給3D打印機進行打印。
圖4 實際打印效果
如圖4所示為其打印系統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平臺上，生物墨水通過實施由路徑規劃算法生成的連續路徑直接沉積到傷口區域。總細胞數為2×10^6的被均勻地分散在5層組織中。該網狀結構的特點是絲線之間有2毫米的間隔，形成一個多孔的結構，這使得營養物質和氧氣的輸送能夠維持細胞的生長。
對大面積和深層皮膚傷口的治療是一個具有挑戰性的問題，原位3D生物打印有可能大大減少愈合時間，改善結構和功能。本文提出的原位打印方法是一種很有前途的技術。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.022
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