研究人员使用运动捕捉技术将3D打印传感器直接安装在器官上
时间:2020-06-22 10:00 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 点击:次
| 中国3D打印网6月22日讯，明尼苏达大学的研究人员已经设计出一种新颖的方法，可以部署好莱坞式运动捕捉技术，以协助将传感器3D打印到可扩张和收缩的器官上。直接打印在运动的软组织上具有挑战性，因为传感器需要能够适应器官不断变化的参数。另一方面，研究小组的新技术通过使用双摄像头实时创建3D打印的工具路径来克服了这一障碍。该方法不仅可以被医务人员用来在安全距离内监测传染性患者，而且据研究小组称，它甚至可以被用于诊断和监测COVID-19患者的肺部。 该项目的首席研究员Michael McAlpine教授说：“我们正在以3年前从未想过的方式突破3D打印的界限。将来，3D打印将不仅仅是打印，而是更大的自主机器人系统的一部分。这对于像COVID-19这样的疾病可能非常重要，因为在这种情况下，医疗保健提供者在治疗患者时处于危险之中。 3D生物打印和传感器 增材制造的最新进展已将兼容的3D打印材料的范围从传统的塑料和金属扩展到了导体和生物材料。尽管取得了这一进展，但AM仍然发现很难对以活生物表面为目标的生物打印应用产生影响，因为它们通常是柔软的并且会不断运动和变形。此外，由于3D打印机依赖于离线制造的规定设计，然后转移到生物表面，因此会导致不匹配，并且系统实质上是在制造“盲孔”。 手动调整打印过程也不是可行的选择，因为转移过程可能会破坏易碎的3D结构（例如水凝胶材料），并导致代价高昂的人为错误。研究人员确定了另一种解决方案：原位打印以自主方式将传感器无缝集成在目标表面上。为了实现这一点，需要一种新的闭环人工智能（AI），以便通过动态感测生物基质的几何状态来实时调整制造过程。 明尼苏达州的研究团队已经开发了一种闭环系统，该系统可以跟踪“不变形手”的运动，但是这种方法将需要开发一种可以精确跟踪高维变形数据的复杂算法。相反，研究人员建议可以从3D扫描数据集中“学习”目标表面的变形空间。这将允许通过立体摄像机系统跟踪的一组基准标记在3D中恢复准确的表面几何形状，并用于实时动态地适应3D打印工具路径。 为了使该方法成功，用于计算变形量度的应变传感器需要与肺组织表面以及原位3D打印过程兼容。常规的传感器设计基于微型传感器阵列，电极和互连的密集包装以提高分辨率，但是这种方法与打印期间可能出现的不确定性不兼容。或者，由于其高透明度和可拉伸性，研究团队开发了一种结合了离子水凝胶和电阻抗断层扫描（EIT）传感器的新型传感器。为了演示他们新颖的传感器和运动捕捉技术，研究人员将基于3D水凝胶的EIT应变传感器直接打印到呼吸肺上，以监测其变形。  研究团队使用了双摄像头运动跟踪方法，可以将传感器精确地放置在猪肺上。图片来自《科学进展》。
明尼苏达州队的动作捕捉方法 尽管研究人员本可以使用立体相机系统实时恢复器官表面变化的3D几何形状，但其重建算法不够精确，因为需要亚毫米级的精度来避免组织损伤。另外，研究小组设计了一个两阶段程序，通过该程序，系统学习了表面几何形状的参数模型，并使用一组基准标记对肺部参数进行了估计，从而补充了该模型。
第一步，使用12个基准标记的移动和3968个航路点的移动对表面变形进行建模，并提取它们以创建打印工具路径。在投影平面刀具路径之前，已进行了一些校正，以使其可以反映出表面扩展时传感器尺寸的物理增长以及表面收缩时的收缩。在第二阶段中，将两个机器视觉相机安装到3D打印机的挤出头上，以实时监控传感过程。参数的时间序列反映了肺的汗液，并被用来估计随组织的刚体运动而变化的随形保形刀具路径。 2018年12月，华盛顿州立大学（WSU）的科学家利用3D打印技术为糖尿病患者创建了更有效的葡萄糖筛查设备。 WSU生物传感器附着在皮肤上，能够监测一个人的汗液中的葡萄糖含量，而不是依靠他们的血液。
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