生物微支架硬度可视化方法、系统、电子设备及存储介质

1.本发明涉及生物组织构造技术领域，具体涉及一种生物微支架硬度可视化方法、系统、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.细胞外基质(ecm)作为生物组织的重要组成部分，为细胞群的生命行为提供了重要的机械支持环境。通常不同人体组织的机械硬度范围跨度很大。根据测量，前列腺组织的杨氏模量约为90kpa，而乳腺组织的杨氏模量仅为8.1kpa。不同组织的不同的机械硬度可以诱导细胞群的不同生理表达(如分泌和相互作用)，从而在宏观尺度上表现出不同的生物学功能。此外，单个组织内局部微尺度区域之间细微的刚度变化也会导致细胞层面的行为差异。例如，小鼠成纤维细胞(3t3细胞)可以从软区域迁移到刚性区域，神经元在较软的底物上突触分支更多。因此，在设计ecm时，不仅需要能够在大跨度内调节机械硬度，同时也需要精确控制硬度的梯度变化。
3.生物相容性聚合物(如紫外光可固化水凝胶)经常用于在体外设计仿生细胞外基质。因此，出现了3d生物打印技术，例如3d激光光刻、光模图案和数字光处理技术(dlp)。这些生物打印技术主要着重于打印形状的优化，并且目前已经在形貌上精确再现天然组织的3d形态方面取得了突破性进展。
4.然而，由于缺乏有效实时检测机械硬度的能力，在微观尺度下动态调制仿生ecm的机械性能仍然是一个巨大的挑战。原子力显微镜(afm)作为机械测量工具，可以灵活地确定细胞和其他生物材料的机械性能，其测量精度取决于纳米压痕的大小。然而，afm作为一种复杂的设备，很难与现有的3d生物打印系统相结合，以便在ecm制造过程中实时获得杨氏模量的数据作为反馈，以调节其微观尺度下的机械性能。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的在于提供一种生物微支架硬度可视化方法、系统、电子设备及存储介质，用以解决现有技术中生活打印过程中无法实时观测生物组织的硬度情况从而做出适当调整的问题。
6.为实现上述目的，通过五个方面进一步阐述本发明实施例的内容：
7.第一方面，提供了一种生物微支架硬度可视化方法，所述方法包括如下步骤：
8.对获取的参考光和透过目标物的物光叠加形成的全息图进行数字采样，获得数字全息图；
9.对所述数字全息图进行变换和滤波获得频谱图；
10.根据获得的所述频谱图计算获得包裹相位；
11.对包裹相位进行解包裹处理获得目标物的折射率；
12.根据目标物的折射率与杨氏模量之间的映射关系获得目标物的硬度。
13.结合第一方面，对获取的参考光和透过目标物的物光叠加形成的全息图进行数字
采样，获得数字全息图的方法包括如下步骤；
14.分别获取参考光和物光，其中，物光和参考光是具有相同方向的偏振光，物光和参考光叠加后产生光的干涉；
15.将参考光和物光进行叠加获得全息图；
16.通过光电转换器对全息图进行数字采样，获得数字全息图。
17.结合第一方面，对所述数字全息图进行变换和滤波获得频谱图的方法包括如下步骤：
18.对数字全息图进行傅里叶变换获得频谱图；
19.通过高通滤波器滤除频谱图中+1级像以外的部分；
20.对滤波后保留的部分通过逆傅里叶变换获得滤波后的频谱图。
21.结合第一方面，根据获得的所述频谱图计算获得包裹相位的方法包括如下步骤：
22.分别计算频谱图的实数部分和虚数部分的值；
23.将计算获得的实数部分的值与虚数部分的值进行对比后作为反正切函数的输入，通过计算获得频谱图的包裹相位。
24.结合第一方面，对包裹相位进行解包裹处理获得目标物的折射率的方法包括如下步骤：
25.采用最小二乘法对包裹相位进行还原和降噪，从而获得真实的相位；
26.根据真实相位和目标物的厚度计算获得目标物的折射率。
27.第二方面，提供了一种生物微支架硬度可视化系统，所述系统包括：
28.采样模块：对获取的参考光和透过目标物的物光叠加形成的全息图进行数字采样，获得数字全息图；
29.数据处理模块：对所述数字全息图进行变换和滤波获得频谱图；
30.计算模块：根据获得的所述频谱图计算获得包裹相位；
31.解包裹模块：对包裹相位进行解包裹处理获得目标物的折射率；
32.运算模块：根据目标物的折射率与杨氏模量之间的映射关系获得目标物的硬度。
33.结合第二方面，所述采样模块的具体运算过程包括：分别获取参考光和物光，其中，物光和参考光是具有相同方向的偏振光，物光和参考光叠加后产生光的干涉；
34.将参考光和物光进行叠加获得全息图；
35.通过光电转换器对全息图进行数字采样，获得数字全息图。
36.第三方面，提供了一种生物微支架打印系统，包括生物微支架硬度可视化系统，所述设备包括：
37.数据获取模块：用于导入生物微支架的形状和各部位的硬度数据；
38.初始化模块：用于初始化参数数据，定义硬度阈值，准备硬化所需要的材料；
39.固化模块：用于根据生物微支架的形状向固化材料发射固化光，并根据硬度数据对固化材料进行固化；
40.生物微支架硬度可视化系统：用于发射物光和参考光，并根据物光和参考光形成的干涉计算获得固化材料的固化数值；
41.判断模块：用于将固化数值与硬度阈值进行对比，判断硬化程度，并根据硬化程度调节固化光的强度。
42.第四方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的生物微支架硬度可视化方法的步骤。
43.第五方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方方面所述的生物微支架硬度可视化方法的步骤。
44.本发明实施例具有如下优点：根据目标物的局部折射率与其自身的交联网络密度的关系，建立局部刚度与折射率之间的映射关系。通过观察结构折射率的变化，实现实时刚度的间接可视化和采样，从而实现对细胞微支架硬度的实时观测。同时根据硬度情况实现对细胞微支架打印过程中的硬度控制。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
46.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
47.图1为本发明实施例提供的方法的示意图。
48.图2为本发明实施例提供的方法的流程示意图。
49.图3为本发明实施例提供的方法的操作示意图。
50.图4为本发明实施例提供的打印系统的流程示意图。
51.图5为本发明实施例提供的ccd相机拍摄的全息图。
52.图6为本发明实施例中图5经过处理后得到的包裹相位下的全息示意图。
53.图7为本发明实施例中图6通过解包裹后的全息示意图。
54.图8为本发明实施例中图7还原之后的示意图。
具体实施方式
55.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
56.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可
以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
57.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
58.本发明将水凝胶作为打印的材料，通过调节紫外光的出射强度控制水凝胶的硬度，紫外光固化水凝胶作为典型的聚合物，它的结构密度可以用交联网络密度来表征，交联网络密度由光固化的程度度决定。水凝胶的局部折射率可以反映其自身的交联网络密度，从而使局部刚度与折射率之间存在映射关系。因此，通过观察结构折射率的变化，可以实现实时刚度的间接可视化和采样。为了测量结构的折射率，通常使用精密测角仪(pg)、阿贝折光仪(ar)和数字全息显微镜(dhm)等技术。在这些技术中，数字全息显微技术(dhm)提供了测量折射率的最佳解决方案，具有实时，原位和灵活检测的优势。dhm有望在3d打印过程中监测、采样、反馈，以调节ecm的局部机械性能。
59.以下通过五个方面进一步阐述本发明的具体实施内容：
60.一种生物微支架硬度可视化方法，所述方法包括如下步骤：
61.s1：对获取的参考光和透过目标物的物光叠加形成的全息图进行数字采样，获得数字全息图；
62.具体实现步骤包括：
63.分别获取参考光和物光，其中，物光和参考光是具有相同方向的偏振光，物光和参考光叠加后产生光的干涉；
64.将参考光和物光进行叠加获得全息图；
65.通过光电转换器对全息图进行数字采样，获得数字全息图；
66.在全息摄影中，全息图的记录强度g(x，y)是物体和参考波的振幅叠加的正方形区域，如下式：
67.g(x，y)＝|o(x，y)|2+|r(x，y)|2+o(x，y)r*(x，y)+o*(x，y)r(x，y)
ꢀꢀꢀ
(1)
68.其中o(x，y)和r(x，y)分别是物光和参考光的光场强度，“*”表示共轭复数，前两项都是零阶项表示参考光和物光的强度，因此，它们不提供有关物体光学场的空间信息，第三项和第四项提供ccd相机记录的全息图的空间频率，并分别对应虚像和实像，该光强由ccd完成光电转换，得到数字全息图；
69.如下式：
70.gh(x，y)＝w(x，y)g(x，y)
ꢀꢀꢀ
(2)
71.其中w(x，y)是光电转换器件的窗口函数，通过公式(2)将连续的函数g(x，y)转换成理论值gh(x，y)；
72.如图3所示，由于ccd相机的检测平面由离散的像素点组成，因此全息图中连续分布的强度g(x，y)由ccd相机进行数字采样，形成离散网格区域；因此，数字全息图可以用m
×
n的矩阵g
m，n
表示，其中每个元素定义为：
73.g
m，n
[m，n]＝gh(mδx，nδy)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0074]
其中，m＝1，2，
…
，m，n＝1，2，
…
，n；δx和δy是ccd相机的单个像素大小；
[0075]
s2：对所述数字全息图进行变换和滤波获得频谱图；
[0076]
具体实现步骤包括：
[0077]
对数字全息图进行傅里叶变换获得频谱图；
[0078]
通过高通滤波器滤除频谱图中+1级像以外的部分；
[0079]
对滤波后保留的部分通过逆傅里叶变换获得滤波后的频谱图；
[0080]
如图3中的频谱图所示，在通过数字全息图进行傅里叶变换获得频谱图时会获得+1级、0级和-1级图像，因此保留+1级图像而通过高通滤波器滤除滤除0级和-1级图像；
[0081]
基于频域滤波，对数字全息图作傅里叶变换，由(1)(2)式可以得到：
[0082]
f{gh(x，y)}＝f{w(x，y)|o|2}+f{w(x，y)|r|2}+f{w(x，y)r*o}
ꢀꢀ
(4)+f{w(x，y)ro*}
[0083]
≈f{|o|2}+f{|r|2}+f{r*o}+f{ro*}
[0084]
其中f{|o|2}和f{|r|2}主要分布在低频，在频谱图中可以清晰地与高频成分f{r*o}+f{ro*}分离，所以可以选择合适的高通滤波器将f{|o|2}和f{|r|2}滤除：
[0085]
h(ζ，η)[f{|o|2}+f{|r|2}+f{r*o}+f{ro*}]≈f{r*o}+f{ro*}(5)
[0086]
由(4)(5)可得平面z＝0处的频谱a
m，n
(ζ，η；o)为：
[0087]am，n
(ζ，η；0)＝h[f{g
m，n
}]
ꢀꢀ
(6)
[0088]
其中f{}表示傅里叶变换，将获得的时域全息图变换到频域空间并滤去杂波，以便获得还原后清晰的全息图；ξ和η分别是m和n方向的空间频率；
[0089]
s3：根据获得的所述频谱图计算获得包裹相位；
[0090]
具体实现步骤包括：
[0091]
分别计算频谱图的实数部分和虚数部分的值；
[0092]
将计算获得的实数部分的值与虚数部分的值进行对比后作为反正切函数的输入，通过计算获得频谱图的包裹相位；
[0093]
具体运算过程为：
[0094]
根据菲涅尔衍射积分表达式：
[0095][0096]
可改写为：
[0097]
[0098]
其中fft{}表示快速傅里叶变换；即平面z＝d处的频谱a
m，n
(ζ，η；d)可以通过公式(8)来计算获得：
[0099][0100]
其中λ是波长；d是物体波的传播距离。
[0101]
然后，通过将a
m，n
(ζ，η；d)逆傅里叶变换得到频域滤波之后再现的全息图：
[0102]udm,n
＝f-1
{a
m,n
(ζ,η；d)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0103]
其中f-1
{}表示逆傅里叶变换。
[0104]
样品的相位分布可以通过计算重建的复振幅波前的参数从单个数字全息图中获得：
[0105][0106]
其中im()和re()表示实部和虚部的系数。
[0107]
s4：对包裹相位进行解包裹处理获得目标物的折射率；
[0108]
具体实现步骤包括：
[0109]
采用最小二乘法对包裹相位进行还原和降噪，从而获得真实的相位；
[0110]
根据真实相位和目标物的厚度计算获得目标物的折射率；
[0111]
由于公式(11)中使用到反正切函数，其主值域是(-π，π]，因而位像被限定在(-π，π]之内，直接计算得到的相位会被“截断”，所以需要编写解包裹程序还原其相位的真实形貌；
[0112]
通过最小二乘法对包裹相位进行还原及降噪，最后得到真实相位φ
m，n
；因此，样品的折射率为：
[0113][0114]
其中h
m，n
是样品的厚度。
[0115]
s5：根据目标物的折射率与杨氏模量之间的映射关系获得目标物的硬度；
[0116]
根据预先完成的参数标定实验可以由杨氏模量与折射率之间的映射关系公式，实现打印微支架的硬度实时可视化：
[0117]em，n
＝al
m，n
+b
ꢀꢀꢀ
(13)
[0118]
其中e
m，n
为样品的杨氏模量。a,b为曲线拟合后得到的系数；
[0119]
本方法实现对细胞微支架打印过程中的硬度控制，对于实验所用的gelma材料的硬度(杨氏模量)控制范围为10kpa至50kpa，调控精度为2.9kpa。
[0120]
根据本发明实施例的方法，提供一种生物微支架硬度可视化系统，所述系统包括：
[0121]
采样模块：对获取的参考光和透过目标物的物光叠加形成的全息图进行数字采样，获得数字全息图；
[0122]
所述采样模块的具体运算过程包括：分别获取参考光和物光，其中，物光和参考光
是具有相同方向的偏振光，物光和参考光叠加后产生光的干涉；
[0123]
将参考光和物光进行叠加获得全息图；
[0124]
通过光电转换器对全息图进行数字采样，获得数字全息图；
[0125]
数据处理模块：对所述数字全息图进行变换和滤波获得频谱图；
[0126]
所述数据处理模块的具体实现步骤为：对数字全息图进行傅里叶变换获得频谱图；
[0127]
通过高通滤波器滤除频谱图中+1级像以外的部分；
[0128]
对滤波后保留的部分通过逆傅里叶变换获得滤波后的频谱图；
[0129]
计算模块：根据获得的所述频谱图计算获得包裹相位；
[0130]
所述计算模块的具体实现步骤为：分别计算频谱图的实数部分和虚数部分的值；
[0131]
将计算获得的实数部分的值与虚数部分的值进行对比后作为反正切函数的输入，通过计算获得频谱图的包裹相位；
[0132]
解包裹模块：对包裹相位进行解包裹处理获得目标物的折射率；
[0133]
所述解包裹模块的具体实现步骤为：采用最小二乘法对包裹相位进行还原和降噪，从而获得真实的相位；
[0134]
根据真实相位和目标物的厚度计算获得目标物的折射率；
[0135]
运算模块：根据目标物的折射率与杨氏模量之间的映射关系获得目标物的硬度；
[0136]
根据预先完成的参数标定实验可以由杨氏模量与折射率之间的映射关系公式，实现打印微支架的硬度实时可视化：
[0137]em，n
＝al
m，n
+b
[0138]
其中e
m，n
为样品的杨氏模量。a,b为曲线拟合后得到的系数。
[0139]
根据本发明实施例的方法，提供一种生物微支架打印系统，包括生物微支架硬度可视化系统，所述设备包括：
[0140]
数据获取模块：用于导入生物微支架的形状和各部位的硬度数据；
[0141]
将需要打印的目标物的形状和各个部位的硬度数据输入到打印系统中，系统可以连接上位机对数据进行存储和分析；
[0142]
初始化模块：用于初始化参数数据，定义硬度阈值，准备硬化所需要的材料；
[0143]
通过对目标物形状和硬度的分析，规划打印的步骤，同时根据硬度数据定义硬度阈值，将硬化所需的水凝胶填充至微流道中；
[0144]
固化模块：用于根据生物微支架的形状向固化材料发射固化光，并根据硬度数据对固化材料进行固化；
[0145]
固化材料为水凝胶材料，固化光为紫外光或可见光；水凝胶材料具有优异的生物相容性，由紫外光或可见光激发固化反应后形成适于细胞生长与分化且有一定强度的三维结构；将水凝胶和固化光准备好后根据目标物的形状和硬度数据调节紫外光的出射形状和强度，实现对水凝胶材料的固化；
[0146]
生物微支架硬度可视化系统：用于发射物光和参考光，并根据物光和参考光形成的干涉计算获得固化材料的固化数值；
[0147]
所述系统包括：
[0148]
采样模块：对获取的参考光和透过目标物的物光叠加形成的全息图进行数字采
样，获得数字全息图；
[0149]
所述采样模块的具体运算过程包括：分别获取参考光和物光，其中，物光和参考光是具有相同方向的偏振光，物光和参考光叠加后产生光的干涉；
[0150]
将参考光和物光进行叠加获得全息图；
[0151]
通过光电转换器对全息图进行数字采样，获得数字全息图；
[0152]
数据处理模块：对所述数字全息图进行变换和滤波获得频谱图；
[0153]
所述数据处理模块的具体实现步骤为：对数字全息图进行傅里叶变换获得频谱图；
[0154]
通过高通滤波器滤除频谱图中+1级像以外的部分；
[0155]
对滤波后保留的部分通过逆傅里叶变换获得滤波后的频谱图；
[0156]
计算模块：根据获得的所述频谱图计算获得包裹相位；
[0157]
所述计算模块的具体实现步骤为：分别计算频谱图的实数部分和虚数部分的值；
[0158]
将计算获得的实数部分的值与虚数部分的值进行对比后作为反正切函数的输入，通过计算获得频谱图的包裹相位；
[0159]
解包裹模块：对包裹相位进行解包裹处理获得目标物的折射率；
[0160]
所述解包裹模块的具体实现步骤为：采用最小二乘法对包裹相位进行还原和降噪，从而获得真实的相位；
[0161]
根据真实相位和目标物的厚度计算获得目标物的折射率；
[0162]
运算模块：根据目标物的折射率与杨氏模量之间的映射关系获得目标物的硬度；
[0163]
根据预先完成的参数标定实验可以由杨氏模量与折射率之间的映射关系公式，实现打印微支架的硬度实时可视化：
[0164]em，n
＝al
m，n
+b
[0165]
其中e
m，n
为样品的杨氏模量。a,b为曲线拟合后得到的系数；
[0166]
判断模块：用于将固化数值与硬度阈值进行对比，判断硬化程度，并根据硬化程度调节固化光的强度；
[0167]
将获得的硬度数值和阈值进行比较，判断硬度是否达到阈值，当固化强度达到阈值时，减弱紫外光源的照射强度，进行下一层的照射；
[0168]
当固化强度不均时，调整固化强度达到阈值部位的紫外线形状，对未达到阈值的部分继续照射，直到达到阈值；
[0169]
当固化强度达到一定阈值时，可以控制紫外光源减弱发出的紫外光线。
[0170]
根据本发明实施例的方法，提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现s1至s5所述的生物微支架硬度可视化方法的步骤。
[0171]
根据本发明实施例的方法，提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现s1至s5所述的生物微支架硬度可视化方法的步骤。
[0172]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。