光学相干层析成像技术用于三维生物打印水凝胶支架结构的定量评价研究

三维生物打印水凝胶支架内部结构的无损检测分析,对组织工程支架设计制造和生物功能实现具有重要意义。提出用扫频光学相干层析成像技术(SS-OCT)对三维生物打印的水凝胶支架进行无损成像和定量分析。设计和打印了4种代表性结构的三维水凝胶支架。用高分辨SS-OCT成像系统重建并揭示了支架内部三维结构,识别出打印支架与设计结构的差异以及孔融合、孔变形、通道堵塞等打印缺陷。基于阈值分割和形态操作的自动分析算法,定量表征了支架的孔隙大小及分布、实体支撑尺寸、孔隙率和三维连通性等结构参数。研究证明,OCT技术可以为三维生物打印水凝胶支架的优化设计、过程控制、功能分析提供有力工具。     

DLP高精度3D打印系统搭建及其在细胞打印中的应用

细胞的三维培养是目前的研究热点,其主要依赖于微尺寸下水凝胶细胞支架的制备。常规的3D打印是常用的细胞支架制备技术,但其无法同时满足打印范围和打印精度的需求,且存在打印速度慢的局限性,这限制了高精度、较大范围细胞3D打印技术的发展。基于数字光处理(DLP)技术,搭建了一个成本低、打印范围较大、精度在微米级的细胞打印平台。该平台包括数字动态掩膜投影光学系统、实时检焦光学系统和高精度运动系统三个部分。通过聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶微结构的紫外固化实验,证明该平台实际打印精度可达25μm。该平台可通过精确控制高精度位移平台的移动,实现较大范围打印。为验证细胞打印的可行性,使用搭建的平台完成了甲基丙烯酸化水凝胶(GelMA)生物细胞支架的打印,并完成了人肝细胞系HL7702细胞的三维培养。该平台未来可用于组织和器官打印与高通量药物筛选领域。     

基于STM32的木塑颗粒3D打印机系统设计

随着3D打印技术的快速发展,木塑材料已成为新型打印材料。因此设计一款基于STM32的木塑颗粒3D打印机系统。该系统以STM32单片机为控制核心,控制螺杆挤出、挤出温度、底板加热温度以及步进电机运动等实现3D打印。实验结果表明,采用螺杆挤出的设计思路,保留FDM打印机的三维运动机构,木塑颗粒3D打印机能够大幅度地提高打印效率;而且使用木塑颗粒材料降低了打印材料成本,也拓展了木塑材料在增材制造技术的应用范围。     

用于扫描电镜观察的水凝胶样品薄层制备技术

运用扫描电镜观察了五种不同成分体系高含水量水凝胶样品的三维结构,结果表明：风干法、烘干法和冷冻干燥法不适合用于水凝胶扫描电镜样品的制备;包埋有活细胞的水凝胶样品,用CO₂临界点干燥法制备,细胞形态良好,但水凝胶三维结构坍塌、失真;运用薄层制样技术,无须添加附属设备,即可得到保存精良的水凝胶三维结构和细胞形貌,实现对水凝胶样品的分析测试。该方法能真实反映水凝胶的形貌,有效解决了对高含水样品三维结构研究的技术难题。     

基于LabVIEW的高速三维扫频光学相干层析成像系统

研制了一套高速三维扫频光学相干层析(SS-OCT)成像系统。该系统基于快速扫频激光技术,轴向扫描速率可达50KHz。为了缩短开发周期,系统软件部分采用LabVIEW和Matlab混合编程,实现了模块化设计,主要包括时序控制、数据采集、数据处理和图象重建,界面友好并方便维护。系统基于K线性时钟触发的数据采集模式,无须额外的光谱标定,可以实现实时等波数间隔的干涉光谱信号采样。实验测得系统的轴向分辨率为8.9μm,灵敏度在整个成像深度范围保持在100dB以上。系统可以实现二维OCT图像的实时显示和1.8s内三维OCT图像的采集。利用研制的SS-OCT系统,成功获得了手指和苹果果皮的在体二维和三维图像。三维OCT图像可以显示出指纹特征,而在二维手指图像上很难看到。     

基于3D打印技术的眼科OCT设备计量校准装置研制

为了评估眼科光学相干断层成像（OCT）设备的分辨率、视场角、图像匹配度、深度测量准确性等多个关键参数,确保设备输出量值的准确性与有效性,设计并研制了一种模拟真实人眼结构且参数可溯源的模拟眼,包含角膜和晶状体等人眼主要屈光结构。设计并依托3D打印技术加工了用于横向与轴向分辨率检测的三维分辨率板;设计加工了用于视场角检测的阶梯状同心圆环结构;同时设计加工了用于图像匹配度检测的交叉光纤组件和用于深度测量准确性参数检测的平行玻璃板组件,可适配于模拟眼眼底凹槽内。使用共焦拉曼显微镜对三维分辨率板尺寸溯源,横向和轴向最小可检测分辨率分别为9.7 μm和5.7 μm;使用尼康投影仪对同心圆环尺寸及光纤直径溯源,最大可检测视场角109.03°以及最小62.5 μm的图像匹配度检测;使用尼康高度计对平行玻璃板中心厚度溯源,其测量不确定度小于5 μm。经过对商用眼科OCT设备测试表明,结合微纳3D打印技术的计量校准用模拟眼具有精度高、集成度高、适用范围广、稳定性强等优点,适用于眼科OCT设备的计量校准。     

冰冻法构建三维海藻酸钠凝胶支架的实验研究

目的：探讨冰冻法构建三维海藻酸钠凝胶作为血管化骨组织工程支架的可行性。方法：采用冰冻法制备三维海藻酸钠凝胶,采用液体替代法测定孔隙率,石蜡切片HE染色和扫描电镜观察孔隙形成情况,图像分析系统检测孔径大小。结果：采用液体替代法测得三维海藻酸钠凝胶孔隙率为91.14%,石蜡切片HE观察显示形态为多孔状,大部分孔隙类似于圆形,镜下可见多个大小不一,分布较为均匀;平均孔径长度为205.26±78.98μm。扫描电镜下,三维海藻酸钠凝胶表面粗糙,高低起伏,孔隙较多,孔与孔之间相互连通,孔径大小不一。结论：冰冻法可以构建具有多孔等特性,能满足组织工程骨及其血管化生长要求的三维海藻酸钠凝胶,使其成为一种较适宜的血管化骨组织工程支架材料。     

基于3D激光打印的建筑景观可视化视觉艺术重建

在进行建筑景观重建时，为防止周围环境、信号干扰等原因产生点云噪声，提出基于3D激光打印的建筑景观可视化视觉艺术重建方法。利用Kinect获取物体表面点云数据，并做多视角对齐和点云去噪处理，使模型数据更加精准。利用迭代最近点算法对数据进行点云配准与融合，通过数据的预处理，使点云数据融合为表面光滑、无孔洞模型，根据建筑景观的三维模型，使用3D激光打印机打印技术的可视化系统实现模型的视觉艺术展现。模拟试验结果表明，所设计的建筑景观重建误差率在10%以下，重建数据平滑值保持在0.9左右，满足了建筑景观视觉艺术重构的要求。     

基于光场幅度动态变化的OCT功能成像原理和应用（特邀）

光学相干层析成像（OCT）能够无损获得微米级空间分辨率的样品截面信息,在眼科、血管内科等临床诊疗研究和应用中起到了重要的作用。利用OCT测量光场的幅度可以获得样本的三维结构信息,如眼底视网膜的分层结构,但对组织特异性、血流、力学特性等功能信息的作用有限。基于相位、偏振态、波长等光场参量的OCT功能成像技术应运而生,如多普勒OCT、OCT弹性成像、偏振敏感OCT、可见光OCT等。其中,基于光场幅度动态变化的OCT功能成像技术具有显著的鲁棒性和系统复杂度优势,已经在临床无标记血管造影中获得成功。此外,应用于三维血流流速测量的动态光散射OCT、具有无标记组织/细胞特异性显示能力的动态OCT、能够监控热物理治疗温度场的OCT温度层析成像等,已经成为了OCT功能成像的技术前沿。综述基于光场幅度动态变化的OCT功能成像技术的原理、实现和应用,分析了所面临的技术挑战,并展望了未来发展方向。     

高效双光子引发剂及水相中制备水凝胶微结构的研究进展

对双光子引发剂的设计合成和飞秒激光双光子聚合技术的基本原理进行了简单介绍。着重介绍了用于水凝胶双光子聚合的引发剂的研究进展,主要包括通过扩大共轭链长度、引入强供/吸电子基团、加入共引发体系等来增大双光子吸收截面,引入自由基淬灭基团以降低荧光量子产率,增加引发剂的水溶性来降低微结构细胞毒性等方面。这些研究为生物相容性三维水凝胶微纳结构的制备及应用提供了科学基础,是更好地模拟体内细胞生长微环境的必要条件。接着,介绍双光子聚合制备的水凝胶微纳结构及其在组织工程领域中的应用。最后,对生物相容性水凝胶微结构在应用中存在的问题与未来发展趋势进行总结和展望。     

基于光学相干层析技术的昆虫胚胎影像处理方法

胚胎在发育过程中会逐渐形成具有不同组织和器官的复杂生物体。对胚胎发育的无创实时监测有助于深入了解其形态演变过程和发育规律。光学相干层析(OCT)技术具有无损、高分辨、三维成像等特点,非常适合用于对生物体胚胎的发育情况进行监测。然而,当采用OCT技术检测昆虫胚胎时,虫卵外壳的存在会影响OCT三维重建图的可视化效果,使得卵内部胚胎的三维图无法清晰地呈现。基于此,本文结合OCT成像特点提出了一种消除卵壳影响的图像处理方法。该方法可以自动识别出卵壳区域并予以"擦除",从而只呈现昆虫卵内部胚胎的清晰三维图像。该图像处理方法对于采用OCT技术研究昆虫胚胎发育具有重要的参考价值。     

基于边缘计算的网络时延精准控制方法研究

为了降低网络信道传输信息的时延,提高网络通信水平,文章引进边缘计算,设计一种全新的网络时延精准控制方法。确定网络产生时延的主要原因,结合网络时延表达式,分析网络时延变化趋势及其影响因素;为了降低时延,引进边缘计算,补偿分支网络传输信道,实现对信号传输的宏观调控,完成网络时延精准控制方法设计。通过对比实验证明,相比基于Lyapunov函数的网络时延控制方法,设计的网络时延精准控制方法对网络分支信道时延的控制效果更优,可保证分支信道时延控制在最高单点延迟范围内。     

基于湿度刺激响应水凝胶的飞秒激光四维打印研究

开发了一种具备湿度刺激响应的复合水凝胶前驱体,并利用飞秒激光双光子聚合技术,对该智能响应水凝胶材料进行三维微纳成形制造。系统研究了激光功率和直写速度对该水凝胶材料成形中的线宽、墙高、溶胀度以及机械模量的影响规律,进一步通过对双层结构的有限元仿真和直写结构的设计,实现了三维微纳结构在外界环境刺激下的可控形变。理论计算和实验结果表明,激光功率和直写速度能实现对智能水凝胶材料三维成形和结构性能的精确调制,实现了双层水凝胶微结构的自主可编程形状转换,推动了微纳软体机器人和精细组织工程的发展。     

激光辅助三维金属微打印（特邀）

当前微纳尺度的三维金属结构,由于其独特的物化性能和空间构型优势,在科学与工程领域的应用需求日益增多。由此应运而生的各种三维金属微尺度打印技术近年来相继被开发,并引起了广泛关注。在众多技术中,基于激光的三维微打印技术有着非接触加工、制造灵活性好等优势。文中综述了当前一些代表性的激光辅助三维金属微打印技术,总结了各种三维金属微打印的基本原理、技术优势及典型应用。针对高表面光滑度、高熔点、高电导率的三维金属微打印存在的挑战,介绍了超快激光制备玻璃微通道模具法辅助实现三维金属微制造的新技术。最后就三维金属微打印的未来方向和应用前景进行了探讨。     

基于三维图像重现技术的陶瓷产品3D打印设计仿真研究

当前陶瓷产品3D打印设计仿真技术存在清晰度低、效果不佳的弊端,无法有效描述设计者的作品。为此,研究了一种新的基于三维图像重现技术的陶瓷产品3D打印设计仿真技术。将FDK算法作为三维图像重现技术,介绍了FDK算法的实现原理,通过C语言伪代码对FDK进行描述,给出相应代码。依据网络化服务平台的特点建立陶瓷产品3D打印服务平台体系结构,其主要包括物理层、服务构架层、基础设施层、核心服务层、应用层、用户层。依据陶瓷产品3D打印的特点与需求,结合陶瓷产品3D打印设备资源提供形式、资源类型与用户需求确定陶瓷产品3D打印服务平台的运行模式。介绍了陶瓷3D打印设计仿真流程。实验结果表明,所提技术清晰度高,可有效描述设计的陶瓷产品。     

人工心脏生物瓣膜的三维缺陷检测

提出了一种基于光学相干层析成像（OCT）技术实现人工心脏生物瓣膜三维缺陷检测的方法，发展了一种生物瓣膜表面边界拟合算法。根据拟合结果进行坐标变换，使瓣膜表面边界趋于水平但保留表面纤维束高度和异常起伏的高频变化。利用所提方法对人工心脏生物瓣膜三尖瓣支架和其中的瓣膜小叶进行成像实验，实现了高分辨率、大视场、实时三维结构成像，成像结果可以显示生物瓣膜纤维层、光滑层、层间缺陷以及切割缺陷。该技术有望被广泛应用于人工心脏生物瓣膜制造检测领域。     

基于三维虚拟景观的建模和虚拟设计

针对传统的景观虚拟设计艺术效果不理想的问题,进行基于三维虚拟景观的建模,并根据搭建的模型进行虚拟景观设计。利用三维虚拟动态空间进行实际景观外形描述,种子点匹配法分析景观纹理表征属性,搭建一个三维虚拟的景观模型。该模型作为设计基础,从景观室外地形特征和室内建筑构造两方面搭建虚拟景观整体造型,控制虚拟景观动态浏览,以此实现对于三维景观的虚拟设计。实验结果表明,与传统的虚拟设计相比,所设计的三维虚拟景观更加逼真,其艺术效果比传统设计提高的6.56%。由此可见,基于三维虚拟景观的建模和虚拟设计更加满足现代虚拟设计发展需求。     

基于Arduino开发模块的3D打印机驱动装置研制

针对3D打印的基本需求,设计了基于开源开发系统设计了打印机硬件驱动装置,提出了3D打印机驱动装置设计方案。该方案基于开源的Arduino开发模块,利用单片机ATMEGA328P-PU读取三维扫描数据进而驱动步进电机进行精确步伐控制,再由核心控制器将需要打印的位置上留下热容的打印材料并迅速冷凝定型。经实验系统误差已达到毫米级,可以满足打印需求。     

基于LED照明的谱域线扫描OCT的软件系统开发

<正>研究了基于LED照明的谱域线扫描OCT软件系统开发及数据处理的基本方法,包括OCT系统信号的提取方法、深度坐标的获取、色散补偿算法等,并基于LabVIEW图形化编程软件开发了与硬件结合的软件系统,给出了软件系统的GUI界面,与硬件系统结合,实现了电控平移台的控制、干涉图像采集、图像处理等基本操作功能,为开展OCT的实验研究及后续数据处理提供了支撑。光学相干层析成像技术（OpticalCoherence Tomography,简称OCT）是一种基于低相干光干涉原理,集光学,电子学,     

ГOCT18977数据总线控制卡的设计

俄制航空电子设备在地面维修检查与测试时,需要提供符合俄制OCT18977数据通信协议的控制平台。文章在介绍了俄制OCT18977数据总线控制电平、传输特点、编码协议的基础上,给出了基于ISA总线的俄制OCT18977数据总线控制卡的设计思想、硬件电路结构和原理、软件流程。