生物3D打印系统与方法
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN201910313928.8 | 申请日 | 2019-04-18 |
| 公开(公告)号 | CN111826262B | 公开(公告)日 | 2023-06-20 |
| 申请人 | 深圳先进技术研究院; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 郑海荣; 李飞; 王珊珊; 蔡飞燕; 孟龙; 苏敏; 黄继卿; | 第一发明人 | 郑海荣 |
| 权利人 | 深圳先进技术研究院 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 深圳先进技术研究院 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：广东省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：广东省深圳市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：广东省深圳市南山区西丽大学城学苑大道1068号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：518000 |
| 主IPC国际分类 | C12M1/00 | 所有IPC国际分类 | C12M1/00 ; B33Y99/00 |
| 专利引用数量 | 7 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 7 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 深圳中一联合知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 李艳丽; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 生物 3D打印系统与方法，该系统包括医学成像模 块 、声场反演模块、 人工智能 模块、声操控模块及 水 箱，其中，医学成像模块用于对人体组织进行成像，获得 组织切片 图像；声场反演模块用于将获得的组织切片图像作为目标声场，并计算合成目标声场对应的超声脉冲序列；人工智能模块用于将组织切片图像和超声脉冲序列输入预置的 深度神经网络 学习模型，获得目标三维结构数字模型和目标超声脉冲序列；声操控模块用于发射目标超声脉冲序列，建立与目标三维结构数字模型对应的声场，并利用该声场捕获水箱中的悬浮细胞，构建与人体组织对应的 生物组织 结构。本发明可以有效保障细胞的生物活性，以及在交联成型时避免对细胞造成损伤。 | ||
| 权利要求 | 1.一种生物3D打印系统，其特征在于，所述系统包括医学成像模块、声场反演模块、人工智能模块、声操控模块及水箱； |
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| 说明书全文 | 生物3D打印系统与方法技术领域[0001] 本发明涉及细胞打印技术领域，尤其涉及一种生物3D打印系统与方法。 背景技术[0003] 当前生物3D打印技术方面，最大的难点体现在细胞活性与交联成型。首先在细胞活性方面，对于液滴喷射式和挤压成型式的打印方式而言，二者共同特点是有喷嘴，而有喷嘴的打印方式细胞活性一直是个难题，由于在细胞打印时，对细胞造成损伤最大的因素，是打印时液体流动所造成的剪切力，而喷嘴结构在喷嘴口径较小时，会大大增加对细胞的损伤，所以在这种有喷嘴结构的打印方式中，细胞活性和打印精度是难以兼得的，增加喷嘴口径会降低打印分辨率，而减小喷嘴口径会降低细胞活性。其次在交联成型方面，交联成型就是将打印得到的生物墨水图样，通过温控、化学处理、紫外照射等方式固定成型，然而这些交联方式都有可能会对细胞造成损伤。 发明内容[0006] 所述医学成像模块用于对人体组织进行成像，获得组织切片图像； [0007] 所述声场反演模块用于将获得的组织切片图像作为目标声场，并计算合成所述目标声场对应的超声脉冲序列； [0009] 所述声操控模块用于发射所述目标超声脉冲序列，建立与所述目标三维结构数字模型对应的声场，并利用所述声场捕获所述水箱中的悬浮细胞，构建与所述人体组织对应的生物组织结构。 [0010] 优选地，所述声场反演模块具体用于： [0011] 以所述组织切片图像为目标声场，将虚拟点源按所述组织切片图像进行排列和分布，形成组织图案； [0015] 优选地，所述声操控模块还包括波束合成器； [0016] 所述阵列超声换能器上的每个阵元对应所述波束合成器、所述信号发生器及所述功率放大器中的一个发射/接收通道。 [0017] 优选地，所述阵列超声换能器位于所述水箱中。 [0018] 优选地，所述水箱内包括含有悬浮细胞和生长因子的生物墨水。 [0021] 本发明第二方面提供一种生物3D打印方法，该方法包括： [0022] 对人体组织进行成像，获得组织切片图像； [0023] 将获得的组织切片图像作为目标声场，并计算合成所述目标声场对应的超声脉冲序列； [0024] 将所述组织切片图像和所述超声脉冲序列输入预置的深度神经网络学习模型，获得目标三维结构数字模型和目标超声脉冲序列； [0025] 发射所述目标超声脉冲序列，建立与所述目标三维结构数字模型对应的声场，并利用所述声场捕获所述水箱中的悬浮细胞，构建与所述人体组织对应的生物组织结构。 [0026] 优选地，所述计算合成所述目标声场对应的超声脉冲序列，包括： [0027] 以所述组织切片图像为目标声场，将虚拟点源按所述组织切片图像进行排列和分布，形成组织图案； [0028] 根据所述组织图案的灰度，设置目标空间位置点源的强度，并根据声波动方程反向计算所述超声脉冲序列。 [0029] 本发明提供的生物3D打印系统，包括医学成像模块、声场反演模块、人工智能模块、声操控模块及水箱，相较于现有技术而言，本发明中并不存在传统方法中的喷嘴，而是采用了声操控技术，由于声操控技术具有非接触、无损伤的优点，因此不会对细胞造成损伤，可以有效保证细胞的生物活性，并且还可对细胞进行并行操控，因此除了传统的基于点的打印，还可以实现基于面或者基于立体的打印，因此具有更高的打印速度；同时，由于声场对其中的细胞会产生应力和形变，因此本发明还可以对细胞提供一定的力学环境，促进细胞的生长和融合，使离散细胞组装的三维复杂结构固定成型，从而避免了在交联成型时对细胞的损伤问题。附图说明 [0030] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0031] 图1为本发明实施例中生物3D打印系统的结构示意图； [0032] 图2为本发明实施例中生物3D打印系统的另一结构示意图； [0033] 图3为本发明实施例中生物3D打印方法的步骤流程示意图； [0034] 图4为本发明实施例中生物3D打印方法的子步骤流程示意图。 具体实施方式[0035] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0036] 请参阅图1，图1为本发明实施例中生物3D打印系统的结构示意图，本发明实施例中，生物3D打印系统100包括医学成像模块101、声场反演模块102、人工智能模块103、声操控模块104及水箱105。 [0037] 其中，医学成像模块101用于对人体组织进行成像，获得组织切片图像，即生物组织结构大数据，成像的方式可以采用MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)或者超声成像。 [0038] 声场反演模块102用于将获得的组织切片图像作为目标声场，并计算合成该目标声场对应的超声脉冲序列。其中，超声脉冲序列是目标声场的阵列超声换能器发射的超声脉冲序列。 [0039] 人工智能模块103用于将组织切片图像和超声脉冲序列输入预置的深度神经网络学习模型，获得目标三维结构数字模型和目标超声脉冲序列。 [0040] 其中，上述深度神经网络学习模型可以采用常规的深度神经网络(Deep Neural Networks，DNN)模型，DNN模型内部的神经网络层可以分为三类，输入层，隐藏层和输出层，一般来说第一层是输入层，最后一层是输出层，而中间的层数都是隐藏层。 [0041] 声操控模块104用于发射目标超声脉冲序列，建立与目标三维结构数字模型对应的声场，并利用该声场捕获水箱105中的悬浮细胞，构建与上述人体组织对应的生物组织结构。 [0042] 具体的，利用空间中建立的声场产生的声力效应捕获悬浮细胞，二维逐层或者三维整体构建与精准三维结构数字模型相对应的生物组织结构，然后通过自然生长方式，使得分散悬浮细胞经声操控组装成的三维结构固定成型。 [0043] 其中，水箱105是进行3D打印的区域，水箱105内充满含有悬浮细胞和生长因子的生物墨水，利用声场可以在水箱105里合成并装配悬浮细胞形成特定的生物组织结构。具体的，水箱105为具有生物兼容性的医用不锈钢、石英玻璃等材料制成。 [0044] 具体的，声场反演模块102具体用于： [0045] 以上述组织切片图像为目标声场，将虚拟点源按组织切片图像进行排列和分布，形成组织图案；根据该组织图案的灰度，设置目标空间位置点源的强度，并根据声波动方程反向计算上述超声脉冲序列。 [0046] 其中，声波动方程，是由连续方程、动量方程导出，描述声波在介质中传播的一种重要的偏微分方程。 [0047] 本发明实施例提供的生物3D打印系统100，包括医学成像模块101、声场反演模块102、人工智能模块103、声操控模块104及水箱105，相较于现有技术而言，本发明中并不存在传统方法中的喷嘴，而是采用了声操控技术，由于声操控技术具有非接触、无损伤的优点，因此不会对细胞造成损伤，可以有效保证细胞的生物活性，并且还可对细胞进行并行操控，因此除了传统的基于点的打印，还可以实现基于面或者基于立体的打印，因此具有更高的打印速度；同时，由于声场对其中的细胞会产生应力和形变，因此本发明还可以对细胞提供一定的力学环境，促进细胞的生长和融合，使离散细胞组装的三维复杂结构固定成型，从而避免了在交联成型时对细胞的损伤问题。 [0048] 进一步地，基于上述实施例，本发明实施例中，声操控模块104包括阵列超声换能器、信号发生器和功率放大器。其中，阵列超声换能器可以为基于面阵列的超声换能器，也可以为基于环阵列的超声换能器；信号发生器用于产生激励上述阵列超声换能器的电信号，功率放大器则用于放大该电信号。另外，信号发生器的发射信号可以是连续正弦信号，或可以是脉冲正弦信号。 [0050] 为了更好的理解本发明，本发明实施例提供一种阵列超声换能器，该阵列超声换能器可以由外壳、匹配层、压电陶瓷面阵换能器、背衬、引出电缆组成。压电陶瓷面阵换能器采用厚度方向极化的PZT‑5压电材料制成。压电陶瓷面阵换能器共有4块，每块面阵有4096个阵元。压电陶瓷面阵换能器用作基本的超声波换能器，由它发射或者接收超声波信号。接收的超声波信号可以对打印的器官进行超声成像，实时观测器官的解剖结构和生长情况。成像方式可以是基于传统脉冲回波模式获得二维B mode图像，也可以通过透射方式，获得超声CT二维图像，并可通过二维图像重建三维图像，或直接通过三维体数据获得三维图像。 [0051] 进一步地，声操控模块104还包括波束合成器。其中，上述阵列超声换能器上的每个阵元对应上述波束合成器、信号发生器及功率放大器中的一个发射/接收通道。波束合成器用于控制阵列超声换能器发射脉冲信号的幅度和相位,其控制方式可以通过软件或者硬件来实现。 [0052] 其中，上述阵列超声换能器位于水箱105中，从而可以利用声场来捕获水箱105中的悬浮细胞。 [0053] 本发明实施例提供的生物3D打印系统100，声操控模块104包括阵列超声换能器、信号发生器和功率放大器，其中，阵列超声换能器可以为基于面阵列的超声换能器，也可以为基于环阵列的超声换能器，从而可以利用声操控模块104将细胞组装成二维或者三维的复杂结构。 [0054] 进一步地，基于上述实施例，请参阅图2，图2为本发明实施例中生物3D打印系统的另一结构示意图，本发明实施例中，生物3D打印系统100包括医学成像模块101、声场反演模块102、人工智能模块103、声操控模块104、水箱105及流动控制模块106。 [0055] 其中，流动控制模块106用于使水箱105内的悬浮细胞在无声场空间里均匀分布。 [0056] 可以理解的是，在利用声场捕获水箱105中的悬浮细胞时，若水箱105中的悬浮细胞分布不均匀，则会在原本捕获细胞的区域无法捕获细胞，导致捕获结果不准确，无法满足3D打印要求。因此，本发明实施例中，为了提高3D打印的精确度，采用流动控制模块106来使水箱105内的悬浮细胞在无声场空间里均匀分布。 [0057] 具体的，流动控制模块106包括水泵和控制电路，其中，水泵位于水箱105的底部，控制电路通过控制水泵来控制水箱105内的悬浮细胞在无声场空间里均匀分布。需要说明的是，上述水泵的数量至少为一个，当水泵的数量为多个时，控制电路同时控制各个水泵，使各个水泵之间形成联动。 [0058] 本发明实施例所提供的生物3D打印系统100，还包括流动控制模块106，通过维持水箱105内的悬浮细胞在无声场空间里均匀分布，可以有效提升3D打印的精确度。 [0059] 本实施例所提供的生物3D打印系统100，主要的优势包括有： [0060] (1)、未采用传统方法中的喷嘴，而是采用了声操控技术，由于声操控技术具有非接触、无损伤的优点，因此不会对细胞造成损伤，可以有效保证细胞的生物活性。 [0061] (2)、由于声场图案可以通过超声脉冲序列灵活调控，因此本发明可打印较为复杂的生物组织结构。 [0062] (3)、可对细胞进行并行操控，除了传统的基于点的打印，还可以实现基于面或者基于体的打印，因此具有更高的打印速度。 [0063] (4)、由于声场对其中的细胞会产生应力和形变，因此本发明还可以对细胞提供一定的力学环境，促进细胞的生长和融合，使离散细胞组装的三维复杂结构固定成型，从而避免了在交联成型时对细胞的损伤问题。 [0064] (5)、利用人工智能模块学习生物结构大数据(组织切片图像)和声操控大数据(超声脉冲序列)，可以提高组织切片图像在面内和层间三个维度的空间分辨率，以及提高目标声场的合成精度，最终建立精准三维数字结构模型和对应的超声发射脉冲序列。 [0065] (6)、能够利用声操控模块将细胞组装成二维或者三维的复杂结构。 [0066] 进一步的，本发明实施例还提供一种生物3D打印方法，参见图3，图3为本发明实施例中生物3D打印方法的步骤流程示意图，本发明实施例中，上述方法包括： [0067] 步骤301、对人体组织进行成像，获得组织切片图像； [0068] 步骤302、将获得的组织切片图像作为目标声场，并计算合成所述目标声场对应的超声脉冲序列； [0069] 步骤303、将所述组织切片图像和所述超声脉冲序列输入预置的深度神经网络学习模型，获得目标三维结构数字模型和目标超声脉冲序列； [0070] 步骤304、发射所述目标超声脉冲序列，建立与所述目标三维结构数字模型对应的声场，并利用所述声场捕获所述水箱中的悬浮细胞，构建与所述人体组织对应的生物组织结构。 [0071] 进一步地，请参阅图4，图4为本发明实施例中生物3D打印方法的子步骤流程示意图，本发明实施例中，所述步骤301中所记载的计算合成所述目标声场对应的超声脉冲序列，具体包括： [0072] 步骤401、以所述组织切片图像为目标声场，将虚拟点源按所述组织切片图像进行排列和分布，形成组织图案； [0073] 步骤402、根据所述组织图案的灰度，设置目标空间位置点源的强度，并根据声波动方程反向计算所述超声脉冲序列。 [0074] 其中，上述生物3D打印方法所采用的方法原理与上述实施例中生物3D打印系统100所采用的原理一致，具体可参见上述实施例中对生物3D打印系统100的描述，在此不再赘述。 [0075] 本发明提供的生物3D打印方法，相较于现有技术而言，本发明中并不存在传统方法中的喷嘴，而是采用了声操控技术，由于声操控技术具有非接触、无损伤的优点，因此不会对细胞造成损伤，可以有效保证细胞的生物活性，并且还可对细胞进行并行操控，因此除了传统的基于点的打印，还可以实现基于面或者基于立体的打印，因此具有更高的打印速度；同时，由于声场对其中的细胞会产生应力和形变，因此本发明还可以对细胞提供一定的力学环境，促进细胞的生长和融合，使离散细胞组装的三维复杂结构固定成型，从而避免了在交联成型时对细胞的损伤问题。 [0076] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，系统或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。 [0077] 所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。 [0078] 另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。 [0079] 所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。 [0080] 需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。 [0081] 在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。 [0082] 以上为对本发明所提供的一种生物3D打印系统与方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 |
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