Science子刊：直接在活體器官表面3D打印柔性傳感器

來(lái)源：先進(jìn)功能材料

近年來(lái)，三維（3D）打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展。展望未來(lái)，人們期待可以通過(guò)3D打印技術(shù)，在皮膚上甚至身體內(nèi)部制造柔軟、順應(yīng)性的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和傳感器，從而推進(jìn)個(gè)性化患者健康監(jiān)測(cè)、傷口治療以及改善器官功能。例如，在活體中對(duì)肺部變形進(jìn)行時(shí)空監(jiān)測(cè)，可用于為呼吸力學(xué)研究、慢性肺病診斷和肺癌治療提供有價(jià)值的信息。在活體器官上，直接打印兼容的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的能力，可以有利于患者監(jiān)測(cè)和傷口治療，這需要3D打印機(jī)適應(yīng)生物表面的各種變形（而且是動(dòng)態(tài)的）。

美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的科研人員開(kāi)發(fā)了一種原位3D打印系統(tǒng)，可以用于監(jiān)測(cè)目標(biāo)器官表面的運(yùn)動(dòng)和變形，以實(shí)時(shí)調(diào)整刀具路徑。通過(guò)使用這種打印系統(tǒng)，可以成功地將水凝膠基傳感器打印在動(dòng)態(tài)呼吸下的豬肺上（活體）。該傳感器與組織表面相適應(yīng)，并通過(guò)電阻抗斷層掃描（EIT）提供對(duì)動(dòng)態(tài)變形的連續(xù)空間映射。這種自適應(yīng)3D打印方法，可以通過(guò)增材制造功能增強(qiáng)機(jī)器人輔助醫(yī)療，從而實(shí)現(xiàn)可穿戴電子設(shè)備和生物材料在人體內(nèi)外的自主和直接打印。相關(guān)研究工作以題為“3D printed deformable sensors”發(fā)表在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science Advances (IF=13.116)上。

研究人員在之前的工作中，演示了對(duì)目標(biāo)表面剛體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)跟蹤，包括總共6個(gè)用于平移和旋轉(zhuǎn)的自由度（DoF）。這種閉環(huán)策略可以直接在沒(méi)有表面變形的移動(dòng)物體上打印，例如人的手背。

本文提出了一種更高級(jí)的打印程序：可在動(dòng)態(tài)變形表面上打印，作者通過(guò)將視覺(jué)傳感系統(tǒng)與3D打印機(jī)集成，來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤隨3D幾何形狀，在可變形肺上制造電阻抗斷層掃描（EIT）應(yīng)變傳感器。

作者通過(guò)兩階段程序：（1）首先，從離線預(yù)掃描數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)表面幾何的低維參數(shù)模型，以降低后續(xù)在線過(guò)程的計(jì)算復(fù)雜度；（2）然后，通過(guò)使用立體相機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量的一組稀疏基準(zhǔn)標(biāo)記估計(jì)離線學(xué)習(xí)模型中的參數(shù)，在線恢復(fù)保形刀具路徑幾何。

對(duì)于離線學(xué)習(xí)，研究人員采用了具有亞毫米級(jí)精度和分辨率的結(jié)構(gòu)光3D掃描儀。3D掃描儀獲得了具有基準(zhǔn)標(biāo)記的變形肺的多次高保真3D掃描（圖1A）。在3D掃描的基礎(chǔ)上，作者構(gòu)建了一個(gè)數(shù)據(jù)樣本之間具有逐點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系的點(diǎn)云訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)學(xué)習(xí)表面變形的線性形狀基礎(chǔ)模型。對(duì)于在線跟蹤，立體攝像頭系統(tǒng)由一對(duì)具有高采樣率（最大149 Hz）和可調(diào)焦距（~0.1 m）的同步機(jī)器視覺(jué)攝像頭組成，以3D方式跟蹤基準(zhǔn)標(biāo)記（圖1B）。標(biāo)記位置允許基于學(xué)習(xí)的變形模型完全恢復(fù)形狀變形。這種重建被用作輸入來(lái)實(shí)時(shí)估計(jì)用于在呼吸肺上進(jìn)行自適應(yīng)打印的適形工具路徑（圖1C）。打印的 EIT 應(yīng)變傳感器符合肺的變形，可以提供肺變形的原位時(shí)空映射（圖1D）。

圖1、在呼吸肺上原位3D打印EIT傳感器的過(guò)程。

（A）肺表面3D掃描示意圖。

（B）呼吸肺的實(shí)時(shí)跟蹤。

（C）水凝膠墨水在呼吸肺上的自適應(yīng)打印。

（D）肺變形的原位監(jiān)測(cè)EIT傳感器。

圖2、用于變形評(píng)估的閉環(huán)AI。

（A）從3D掃描計(jì)算共形刀具路徑。

（B）在PCA分析中具有四個(gè)最大特征值的形狀基向量。

（C）3D掃描與基于兩個(gè)、四個(gè)和六個(gè)SBV以及3、6和12個(gè)標(biāo)記重建的估計(jì)形狀之間的位置誤差。

（D）跟蹤相機(jī)的快照?qǐng)D像，顯示了圓形標(biāo)記的實(shí)時(shí)檢測(cè)（藍(lán)色方塊為動(dòng)態(tài)搜索窗口，綠色輪廓為圓形標(biāo)記的周長(zhǎng)，綠色點(diǎn)為檢測(cè)圓的中心），估計(jì)的肺部姿勢(shì)，以及噴嘴尖端沿共形刀具路徑的航路點(diǎn)（藍(lán)點(diǎn)）。

（E）從呼吸肺收集的四個(gè)擬合變形參數(shù)的時(shí)間序列。

圖3、EIT可變形傳感器的設(shè)計(jì)和表征。

（a）基于水凝膠的EIT傳感器分層設(shè)計(jì)的示意圖。

（b）具有八個(gè)電極的EIT系統(tǒng)外圍操作電路的示意圖。

（c）帶有用于變形驗(yàn)證的標(biāo)記的EIT傳感器的照片。

（d）對(duì)于從六個(gè)變形狀態(tài)收集的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，作為2D-VS函數(shù)的估計(jì)誤差。

（e）作為時(shí)間函數(shù)的所有電極對(duì)的平均電壓測(cè)量值，帶有黑色邊框的彩色點(diǎn)顯示對(duì)應(yīng)于（d）中的點(diǎn)云的六種變形狀態(tài)。

（f）EIT傳感器表面的3D掃描，變形為20.4%平均2D-VS，以及相應(yīng)的EIT估計(jì)、3D掃描的地面實(shí)況和ROI內(nèi)2D-VS分布的EIT估計(jì)誤差（左到右）。

圖4、在豬肺上進(jìn)行3D打印，用于原位監(jiān)測(cè)變形和在可變形的幻影面部上進(jìn)行3D打印。

（a）使用結(jié)構(gòu)光3D掃描儀對(duì)豬肺進(jìn)行3D掃描。

（b）定制3D打印龍門系統(tǒng)的照片。

（c）在豬肺上原位3D打印水凝膠墨水的照片。

（d）3D打印圓形水凝膠層的照片。

（e）帶有硅膠環(huán)和嵌入式電極的水凝膠層的紫外線固化。