一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的立体交叉仿生模型及其制备方法与流程

本发明涉及机械与生物制造技术领域，尤其涉及一种用于磁共振弥散张量成像(dti)重建算法验证的立体交叉仿生模型及其制备方法，能实现对dti重建算法的验证。

背景技术：

近年来，磁共振弥散张量成像(diffusiontensorimaging，dti)，作为一种描述大脑结构，揭示大脑神经细胞连接方式的新方法，被越来越经常用于研究神经系统相关疾病，揭示大脑疾病相关的细微反常变化。为临床治疗提供帮助。

但是现存的磁共振弥散张量成像(dti)的重建算法并无一个统一的标准，常用的用于验证重建算法的标准件的制作方式是用传统的方向性静电纺丝纤维的制备方法——使用滚筒进行批量收集，虽然可获得具有一定群体取向性的纤维，但其单根纤维的方向往往与预期方向存在至少±5～10°的误差，并且其堆叠厚度并不均匀，往往存在距离纺丝喷头近处堆叠较厚，而距离纺丝喷头较远处堆叠较薄的现象，因此单位截面积内纤维的根数难以精确定量，纤维方向也很难严格控制，宏观上大致同一方向的平行的纤维束内部也存在较多交叉的现象(非常可能会干扰交叉纤维的重建算法的验证，验证纤维束和纤维束之间的交叉能否判定和重建，纤维束内部纤维的交叉属于额外的现象且无法避免)，并且此情况比较随机，很难量化，得到的纤维模型均在平面上，无立体标准件的出现。因此利用滚动收集的方式所制备的仿生纤维束并不能完全满足磁共振弥散张量成像重建算法验证的需求，因此急需一种能够精确制备具有预设的纤维束排布的仿生纤维模型。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服无法构建纤维取向和密度可控的立体仿生纤维模型的缺点，提供了一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的立体交叉仿生模型及其制备方法。该方法不仅可以得到立体纤维，而且可以使制造过程更加精确，易操控，提高效率。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的立体交叉仿生模型，所述立体交叉仿生模型由多束共面交叉和异面交叉的纤维束构成，每股纤维束由n根电纺中空纤维组成，每根电纺中空纤维的外径为1-20微米，其管壁材料为非水溶性高分子材料。

进一步的，所述非水溶性材料选自聚己内酯(pcl)、热塑性聚氨酯(tpu)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)、聚乳酸(pla)、乙基纤维素(ec)。

本发明的另一目的是提供一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的立体交叉仿生模型的制备方法，该仿生模型的制备方法具体为：用同轴静电纺丝技术结合六自由度机械臂，获得多束共面交叉和异面交叉的由电纺中空纤维堆叠而成的纤维束，其中，每股纤维束由n根电纺中空纤维组成，每根电纺中空纤维的外径为1-20微米，电纺中空纤维的外壳材料为非水溶性高分子材料，内核材料为水溶性高分子材料；然后将获得的纤维束在纯水中浸泡，除去其内核材料，即可获得最终的立体交叉仿生模型。

进一步的，所述同轴静电纺丝技术所用的装置包括第一注射泵、第二注射泵、高压电源、同轴静电纺丝喷头以及接收板，其中，所述第一注射泵内装有非水溶性高分子材料，第二注射泵内装有水溶性高分子材料，第一注射泵通过导管连接到同轴静电纺丝喷头的外层的进液口，第二注射泵通过导管连接到同轴静电纺丝喷头的内层的进液口，同轴静电纺丝喷头外壁与高压电源的正极相连，接收板夹持于六自由度机械臂上，与高压电源的接地端相连，所述接收板至少有两个面用于接收纤维束。

进一步的，所述高压电源提供0-30kv电压。

进一步的，所述第一注射泵和第二注射泵分别提供0.1-20ml/h流速。

进一步的，所述接收板为具有光滑平面的导电材料。

进一步的，所述非水溶性材料选自聚己内酯(pcl)、热塑性聚氨酯(tpu)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)、聚乳酸(pla)、乙基纤维素(ec)。

进一步的，所述水溶性材料选自聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚氧化乙烯(peo)、聚乙烯醇(pva)。

本发明的有益效果是：本发明基于同轴静电纺丝技术结合六自由度机械臂，能够精确直写出所需要的交叉仿生纤维，提高用于验证dti重建算法的标准件的精度，从而进一步实现dti技术的标准化。

相对于传统的电纺直写的收集方式(通常只有一个平面接收板)，该方法利用六自由度机械臂和可以多面接收的接收板，利用立体图形建模的方式规划每个面上纤维的堆叠路径，可以一次性得到具有复杂异面结构的核壳纤维模型，继而用纯水洗涤可得到仿生纤维模型。整个过程中纺丝过程不中断，利用纤维本身进行纤维束和纤维束之间的连接，无需引入额外的固定工具造成纤维束变形；由于每束纤维的位置和方向可以严格按照预设控制，因此异面交叉的纤维束两两之间的交叉角度也较为精确。

附图说明

图1为本发明同所用装置示意图；

图2为交叉仿生纤维的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的一种用于磁共振弥散张量成像重建算法验证的立体交叉仿生模型的制备方法，该仿生模型的制备方法具体为：用同轴静电纺丝技术结合六自由度机械臂，获得多束共面交叉和异面交叉的由电纺中空纤维堆叠而成的纤维束，其中，每股纤维束由n根电纺中空纤维组成，每根电纺中空纤维的外径为1-20微米，电纺中空纤维的外壳材料为非水溶性高分子材料，内核材料为水溶性高分子材料；然后将获得的纤维束在纯水中浸泡，除去其内核材料，即可获得最终的立体交叉仿生模型。

如图1所示，所述同轴静电纺丝技术所用的装置包括第一注射泵1、第二注射泵2、高压电源3、同轴静电纺丝喷头4以及接收板5，其中，所述第一注射泵1内装有非水溶性高分子材料，第二注射泵2内装有水溶性高分子材料，第一注射泵1通过导管连接到同轴静电纺丝喷头4的外层的进液口，第二注射泵2通过导管连接到同轴静电纺丝喷头4的内层的进液口，同轴静电纺丝喷头4外壁与高压电源3的正极相连，接收板5夹持于六自由度机械臂6上，与高压电源3的接地端相连。

本发明实施例中所用到的六自由度机械臂为一现有的设备，可以从淘宝中购买得到，至于六自由度机械臂的具体运动动作，该技术为该领域现有的成熟技术，用户可以根据实际需要构建模型结构的需要来自行设计。本发明的接收板可以实现多面的接收，本实施例中采用正四面体，在其中一个面上堆叠完之后，通过六自由度机械臂旋转到下一个平面操作，直至操作所有纤维分布的平面，得到想要的多束共面交叉和异面交叉的纤维束的仿生纤维模型。

相对于传统的电纺直写的收集方式(通常只有一个平面接收板)，该方法利用六自由度机械臂和可以多面接收的接收板，利用立体图形建模的方式规划每个面上纤维的堆叠路径，可以一次性得到具有复杂异面结构的核壳纤维模型，继而用纯水洗涤可得到仿生纤维模型。整个过程中纺丝过程不中断，利用纤维本身进行纤维束和纤维束之间的连接，无需引入额外的固定工具造成纤维束变形；由于每束纤维的位置和方向可以严格按照预设控制，因此异面交叉的纤维束两两之间的交叉角度也较为精确。

所述高压电源提供0-30kv电压。所述第一注射泵和第二注射泵分别可提供0.1-20ml/h流速。所述接收板为具有光滑平面的导电材料，包括但不限于导电玻璃，不锈钢板，导电硅片等

所述非水溶性材料包括但不限于聚己内酯(pcl)、热塑性聚氨酯(tpu)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)、聚乳酸(pla)、乙基纤维素(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。

所述的同轴纺丝喷头与接收板之间的距离固定在0.5mm。在所述的高压电场的影响下，使同轴喷头中的内外层纺丝溶液，在库仑力的作用下形成细小的复合泰勒锥，沉积到接收板上形成具有设定图案的同轴核壳纤维。

实施例：

将聚乙酸内酯(pcl)装5ml入第一注射泵中，作为外壳材料；将聚乙烯吡咯烷酮(pvp)装5ml入第二注射泵中，作为内核材料。通过所述的注射泵将溶液分别以稳定流速，0.15-0.5ml/h，输送到纺丝同轴喷头。所述的喷头和接收台之间的垂直距离固定在2mm。在直流电源电压为2kv，外层溶液流速为0.5ml/h，内层溶液流速为0.3ml/h的条件下，直写出立体结构的纤维模型，如图2所示。