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一種用于磁共振彌散張量成像重建算法驗證的立體交叉仿生模型及其制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201910004769

申請日:

20190103

公開號:

CN109629115A

公開日:

20190416

當前法律狀態:

公開

有效性:

審中

法律詳情: 公開
IPC分類號: D04H1/4382;D04H1/728;D04H1/76 主分類號: D04H1/4382;D04H1/728;D04H1/76
申請人: 浙江大學
發明人: 張春晨;郭澳;丁秋萍;何宏建;張明暐
地址: 310058 浙江省杭州市西湖區余杭塘路866號
優先權:
專利代理機構: 33200 代理人: 邱啟旺
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201910004769

授權公告號:

法律狀態公告日:

20190416

法律狀態類型:

公開

摘要

本發明公開了一種用于磁共振彌散張量成像重建算法驗證的立體交叉仿生模型及其制備方法,用同軸靜電紡絲技術結合六自由度機械臂,獲得多束共面交叉和異面交叉的由電紡中空纖維堆疊而成的纖維束,其中,每股纖維束由N根電紡中空纖維組成,每根電紡中空纖維的外徑為1?20微米,電紡中空纖維的外殼材料為非水溶性高分子材料,內核材料為水溶性高分子材料;然后將獲得的纖維束在純水中浸泡,除去其內核材料,即可獲得最終的立體交叉仿生模型。該模型能夠作為磁共振彌散成像重建算法驗證的已知結構的客觀模型。

權利要求書

1.一種用于磁共振彌散張量成像重建算法驗證的立體交叉仿生模型,其特征在于:所述立體交叉仿生模型由多束共面交叉和異面交叉的纖維束構成,每股纖維束由N根電紡中空纖維組成,每根電紡中空纖維的外徑約為1-20微米,其管壁材料為非水溶性高分子材料。 2.根據權利要求1所述的用于磁共振彌散張量成像重建算法驗證的立體交叉仿生模型,其特征在于:所述非水溶性材料選自聚己內酯(PCL)、熱塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纖維素(EC)。 3.一種用于磁共振彌散張量成像重建算法驗證的立體交叉仿生模型的制備方法,其特征在于:該仿生模型的制備方法具體為:用同軸靜電紡絲技術結合六自由度機械臂,獲得多束共面交叉和異面交叉的由電紡中空纖維堆疊而成的纖維束,其中,每股纖維束由N根電紡中空纖維組成,每根電紡中空纖維的外徑為1-20微米,電紡中空纖維的外殼材料為非水溶性高分子材料,內核材料為水溶性高分子材料;然后將獲得的纖維束在純水中浸泡,除去其內核材料,即可獲得最終的立體交叉仿生模型。 4.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于:所述同軸靜電紡絲技術所用的裝置包括第一注射泵、第二注射泵、高壓電源、同軸靜電紡絲噴頭以及接收板,其中,所述第一注射泵內裝有非水溶性高分子材料,第二注射泵內裝有水溶性高分子材料,第一注射泵通過導管連接到同軸靜電紡絲噴頭的外層的進液口,第二注射泵通過導管連接到同軸靜電紡絲噴頭的內層的進液口,同軸靜電紡絲噴頭外壁與高壓電源的正極相連,接收板夾持于六自由度機械臂上,與高壓電源的接地端相連,所述接收板至少有兩個面用于接收纖維束。 5.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于:所述高壓電源提供0-30kV電壓。 6.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于:所述第一注射泵和第二注射泵分別提供0.1-20ml/h流速。 7.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于:所述接收板為具有光滑平面的導電材料。 8.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于:所述非水溶性材料選自聚己內酯(PCL)、熱塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纖維素(EC)。 9.根據權利要求3或4所述的制備方法,其特征在于:所述水溶性材料選自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)。

說明書


一種用于磁共振彌散張量成像重建算法驗證的立體交叉仿生模型及其制備方法
技術領域


本發明涉及機械與生物制造技術領域,尤其涉及一種用于磁共振彌散張量成像
(DTI)重建算法驗證的立體交叉仿生模型及其制備方法,能實現對DTI重建算法的驗證。


背景技術


近年來,磁共振彌散張量成像(Diffusion Tensor Imaging,DTI),作為一種描述
大腦結構,揭示大腦神經細胞連接方式的新方法,被越來越經常用于研究神經系統相關疾
病,揭示大腦疾病相關的細微反常變化。為臨床治療提供幫助。


但是現存的磁共振彌散張量成像(DTI)的重建算法并無一個統一的標準,常用的
用于驗證重建算法的標準件的制作方式是用傳統的方向性靜電紡絲纖維的制備方法——
使用滾筒進行批量收集,雖然可獲得具有一定群體取向性的纖維,但其單根纖維的方向往
往與預期方向存在至少±5~10°的誤差,并且其堆疊厚度并不均勻,往往存在距離紡絲噴
頭近處堆疊較厚,而距離紡絲噴頭較遠處堆疊較薄的現象,因此單位截面積內纖維的根數
難以精確定量,纖維方向也很難嚴格控制,宏觀上大致同一方向的平行的纖維束內部也存
在較多交叉的現象(非常可能會干擾交叉纖維的重建算法的驗證,驗證纖維束和纖維束之
間的交叉能否判定和重建,纖維束內部纖維的交叉屬于額外的現象且無法避免),并且此情
況比較隨機,很難量化,得到的纖維模型均在平面上,無立體標準件的出現。因此利用滾動
收集的方式所制備的仿生纖維束并不能完全滿足磁共振彌散張量成像重建算法驗證的需
求,因此急需一種能夠精確制備具有預設的纖維束排布的仿生纖維模型。


發明內容


本發明的目的在于克服無法構建纖維取向和密度可控的立體仿生纖維模型的缺
點,提供了一種用于磁共振彌散張量成像重建算法驗證的立體交叉仿生模型及其制備方
法。該方法不僅可以得到立體纖維,而且可以使制造過程更加精確,易操控,提高效率。


為達到上述目的,本發明所采用的技術方案如下:一種用于磁共振彌散張量成像
重建算法驗證的立體交叉仿生模型,所述立體交叉仿生模型由多束共面交叉和異面交叉的
纖維束構成,每股纖維束由N根電紡中空纖維組成,每根電紡中空纖維的外徑為1-20微米,
其管壁材料為非水溶性高分子材料。


進一步的,所述非水溶性材料選自聚己內酯(PCL)、熱塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-
羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纖維素(EC)。


本發明的另一目的是提供一種用于磁共振彌散張量成像重建算法驗證的立體交
叉仿生模型的制備方法,該仿生模型的制備方法具體為:用同軸靜電紡絲技術結合六自由
度機械臂,獲得多束共面交叉和異面交叉的由電紡中空纖維堆疊而成的纖維束,其中,每股
纖維束由N根電紡中空纖維組成,每根電紡中空纖維的外徑為1-20微米,電紡中空纖維的外
殼材料為非水溶性高分子材料,內核材料為水溶性高分子材料;然后將獲得的纖維束在純
水中浸泡,除去其內核材料,即可獲得最終的立體交叉仿生模型。


進一步的,所述同軸靜電紡絲技術所用的裝置包括第一注射泵、第二注射泵、高壓
電源、同軸靜電紡絲噴頭以及接收板,其中,所述第一注射泵內裝有非水溶性高分子材料,
第二注射泵內裝有水溶性高分子材料,第一注射泵通過導管連接到同軸靜電紡絲噴頭的外
層的進液口,第二注射泵通過導管連接到同軸靜電紡絲噴頭的內層的進液口,同軸靜電紡
絲噴頭外壁與高壓電源的正極相連,接收板夾持于六自由度機械臂上,與高壓電源的接地
端相連,所述接收板至少有兩個面用于接收纖維束。


進一步的,所述高壓電源提供0-30kV電壓。


進一步的,所述第一注射泵和第二注射泵分別提供0.1-20ml/h流速。


進一步的,所述接收板為具有光滑平面的導電材料。


進一步的,所述非水溶性材料選自聚己內酯(PCL)、熱塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-
羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纖維素(EC)。


進一步的,所述水溶性材料選自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯
醇(PVA)。


本發明的有益效果是:本發明基于同軸靜電紡絲技術結合六自由度機械臂,能夠
精確直寫出所需要的交叉仿生纖維,提高用于驗證DTI重建算法的標準件的精度,從而進一
步實現DTI技術的標準化。


相對于傳統的電紡直寫的收集方式(通常只有一個平面接收板),該方法利用六自
由度機械臂和可以多面接收的接收板,利用立體圖形建模的方式規劃每個面上纖維的堆疊
路徑,可以一次性得到具有復雜異面結構的核殼纖維模型,繼而用純水洗滌可得到仿生纖
維模型。整個過程中紡絲過程不中斷,利用纖維本身進行纖維束和纖維束之間的連接,無需
引入額外的固定工具造成纖維束變形;由于每束纖維的位置和方向可以嚴格按照預設控
制,因此異面交叉的纖維束兩兩之間的交叉角度也較為精確。


附圖說明


圖1為本發明同所用裝置示意圖;


圖2為交叉仿生纖維的示意圖。


具體實施方式


下面結合實施例和附圖對本發明作進一步的詳細說明。


本發明提供的一種用于磁共振彌散張量成像重建算法驗證的立體交叉仿生模型
的制備方法,該仿生模型的制備方法具體為:用同軸靜電紡絲技術結合六自由度機械臂,獲
得多束共面交叉和異面交叉的由電紡中空纖維堆疊而成的纖維束,其中,每股纖維束由N根
電紡中空纖維組成,每根電紡中空纖維的外徑為1-20微米,電紡中空纖維的外殼材料為非
水溶性高分子材料,內核材料為水溶性高分子材料;然后將獲得的纖維束在純水中浸泡,除
去其內核材料,即可獲得最終的立體交叉仿生模型。


如圖1所示,所述同軸靜電紡絲技術所用的裝置包括第一注射泵1、第二注射泵2、
高壓電源3、同軸靜電紡絲噴頭4以及接收板5,其中,所述第一注射泵1內裝有非水溶性高分
子材料,第二注射泵2內裝有水溶性高分子材料,第一注射泵1通過導管連接到同軸靜電紡
絲噴頭4的外層的進液口,第二注射泵2通過導管連接到同軸靜電紡絲噴頭4的內層的進液
口,同軸靜電紡絲噴頭4外壁與高壓電源3的正極相連,接收板5夾持于六自由度機械臂6上,
與高壓電源3的接地端相連。


本發明實施例中所用到的六自由度機械臂為一現有的設備,可以從淘寶中購買得
到,至于六自由度機械臂的具體運動動作,該技術為該領域現有的成熟技術,用戶可以根據
實際需要構建模型結構的需要來自行設計。本發明的接收板可以實現多面的接收,本實施
例中采用正四面體,在其中一個面上堆疊完之后,通過六自由度機械臂旋轉到下一個平面
操作,直至操作所有纖維分布的平面,得到想要的多束共面交叉和異面交叉的纖維束的仿
生纖維模型。


相對于傳統的電紡直寫的收集方式(通常只有一個平面接收板),該方法利用六自
由度機械臂和可以多面接收的接收板,利用立體圖形建模的方式規劃每個面上纖維的堆疊
路徑,可以一次性得到具有復雜異面結構的核殼纖維模型,繼而用純水洗滌可得到仿生纖
維模型。整個過程中紡絲過程不中斷,利用纖維本身進行纖維束和纖維束之間的連接,無需
引入額外的固定工具造成纖維束變形;由于每束纖維的位置和方向可以嚴格按照預設控
制,因此異面交叉的纖維束兩兩之間的交叉角度也較為精確。


所述高壓電源提供0-30kV電壓。所述第一注射泵和第二注射泵分別可提供0.1-
20ml/h流速。所述接收板為具有光滑平面的導電材料,包括但不限于導電玻璃,不銹鋼板,
導電硅片等


所述非水溶性材料包括但不限于聚己內酯(PCL)、熱塑性聚氨酯(TPU)、聚乳酸-羥
基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、乙基纖維素(EC)等高分子材料。所述水溶性材料包括
但不限于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)等。


所述的同軸紡絲噴頭與接收板之間的距離固定在0.5mm。在所述的高壓電場的影
響下,使同軸噴頭中的內外層紡絲溶液,在庫侖力的作用下形成細小的復合泰勒錐,沉積到
接收板上形成具有設定圖案的同軸核殼纖維。


實施例:


將聚乙酸內酯(PCL)裝5ml入第一注射泵中,作為外殼材料;將聚乙烯吡咯烷酮
(PVP)裝5ml入第二注射泵中,作為內核材料。通過所述的注射泵將溶液分別以穩定流速,
0.15-0.5mL/h,輸送到紡絲同軸噴頭。所述的噴頭和接收臺之間的垂直距離固定在2mm。在
直流電源電壓為2KV,外層溶液流速為0.5mL/h,內層溶液流速為0.3mL/h的條件下,直寫出
立體結構的纖維模型,如圖2所示。


關 鍵 詞:
一種 用于 磁共振 彌散 張量 成像 重建 算法 驗證 立體交叉 仿生 模型 及其 制備 方法
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