一種微細(xì)血管管道3d打印路徑預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種微細(xì)血管管道3D打印路徑預(yù)測方法，針對噴墨打印過程中液滴的沖擊力，對其沖擊造成的變形進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償路徑計(jì)算，得到理想狀態(tài)的微細(xì)血管。該方法首先簡化打印微細(xì)管為曲梁，然后構(gòu)建液滴沖擊曲梁引起的變形方程組，包括沖擊力計(jì)算，參與計(jì)算參數(shù)標(biāo)定；對該方程組進(jìn)行求解，求解時(shí)首先計(jì)算曲梁力矩分布，根據(jù)分布力矩，計(jì)算曲梁任意位置角度變化情況，根據(jù)曲梁任意角度變化情況，計(jì)算變形前曲梁位置改變情況，反推出原未變形時(shí)曲梁的形狀。由于在打印過程中，打印好部分的管道所受重力和浮力相等，考慮沖擊力為主要影響曲梁結(jié)構(gòu)變形能更好反映和適應(yīng)實(shí)時(shí)情況，該方法得到的軌跡較好地解決了打印過程中大變形導(dǎo)致的打印失敗問題。
【專利說明】一種微細(xì)血管管道3D打印路徑預(yù)測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物制造領(lǐng)域，涉及一種微細(xì)血管管道3D打印路徑預(yù)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 細(xì)胞打印是組織工程中新興的技術(shù)，近10年來，國外對細(xì)胞打印的進(jìn)行了初步的 研究，對多種類型的細(xì)胞打印成形已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)嘗試。目前，細(xì)胞打印主要有兩種方式， 其一是激光直寫方式，其二是類似噴墨打印的細(xì)胞噴射方式。由于噴墨打印具有低噴射液 滴速度、無需加熱等優(yōu)點(diǎn)，如今的噴墨技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞打印工程中。目前對細(xì)胞 打印的研究針對的是打印細(xì)胞的活性，而對細(xì)胞打印方式，缺乏深入的研究，其適用介質(zhì)的 范圍，打印時(shí)間間隔和打印驅(qū)動脈寬等打印控制參數(shù)對細(xì)胞損傷的影響，以及細(xì)胞懸液的 密度對打印效果的影響等缺乏詳實(shí)的分析，缺乏細(xì)胞打印過程中細(xì)胞受損的理論依據(jù)，不 但限制了其應(yīng)用，而且嚴(yán)重阻礙了專用細(xì)胞噴射裝置的研制，無法實(shí)現(xiàn)工程化細(xì)胞打印。 K.K.Haller對細(xì)胞液滴與剛性表面的碰撞作用進(jìn)行了建模分析，當(dāng)液滴撞擊到表面時(shí)，液 滴會被壓縮和不斷的變形；WeiWang工作團(tuán)隊(duì)分析了在氣泡膨脹的過程中，細(xì)胞液滴的機(jī) 械負(fù)載情況，研究了在液滴形成過程中細(xì)胞受損的機(jī)理，并且分析了粘度對氣泡膨脹過程 的影響，然后針對細(xì)胞的著落過程，研究了單個(gè)細(xì)胞液滴與水凝膠之間的碰撞過程；但是上 面的建模分析大部分是針對單一液滴或者單個(gè)細(xì)胞而言的，現(xiàn)實(shí)中細(xì)胞打印過程是細(xì)胞層 層堆積的過程，這過程中伴隨了多顆打印生物墨滴的著落粘附與碰撞，這些因素造成打印 管壁的變形，甚至打印完全失敗，因此考慮打印過程中細(xì)胞液滴造成的沖擊力影響，并根據(jù) 沖擊力引起的變形方程，反推出未變形前的曲線段序列作為打印軌跡，可以得到較為理想 的打印形狀。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，在微細(xì)血管3D打印方面，提出一種打印預(yù) 補(bǔ)償路徑的方法，該方法考慮液滴噴射造成的沖擊、重力、浮力等諸多影響因素，以理想的 圓管為目標(biāo)，并將打印過程中的管壁簡化成曲梁模型進(jìn)行變形求解，最后得到一系列分段 曲線作為補(bǔ)償打印路徑。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0005] 步驟（1).打印初始參數(shù)準(zhǔn)備：
[0006] 設(shè)定打印微細(xì)血管參數(shù)，包括打印管道厚度、半徑、長度值、材料參數(shù)等，根據(jù)打印 管道厚度，控制打印機(jī)輸出頻率和電壓大小，得到相應(yīng)直徑的液滴以及液滴的速度，進(jìn)而計(jì) 算液滴造成的沖擊力，整合沖擊力、浮力、重力，并對其堅(jiān)直方向和水平方向進(jìn)行分解，得到 作用在打印微細(xì)管上水平和堅(jiān)直方向的受力分析；
[0007] 步驟（2).打印過程簡化曲梁方程組構(gòu)建，以及方程組求解：
[0008] 微細(xì)血管在打印過程中進(jìn)行簡化建模，這里將打印過程中的微細(xì)管視作曲梁，將 整個(gè)打印過程沿打印管道圓周方向分為相同長度的分段打印軌跡，以曲梁端部受沖擊力進(jìn) 行變形的過程作為微細(xì)血管在打印過程中所受力后的變形，然后根據(jù)整合的受力分析建立 具體方程組，方程組的建立過程：首先根據(jù)分段打印軌跡單元的受力平衡，得到平衡方程， 然后根據(jù)力系等效關(guān)系，得到變形后分段打印軌跡的分布載荷方程，最后根據(jù)軸向力，得到 軸線的伸長率方程。
[0009] 該方程組的求解過程分三步進(jìn)行，第一步計(jì)算在堅(jiān)直方向力的作用下簡化曲梁力 矩分布求解；第二步計(jì)算在力矩作用下曲梁對應(yīng)位置發(fā)生的角度變形，第三步根據(jù)角度變 化計(jì)算變形后的做標(biāo)改變值，對得到的坐標(biāo)值進(jìn)行擬合，從而推導(dǎo)出變形前形狀曲線。重復(fù) 三步計(jì)算，得到若干分段打印軌跡曲線，作為若干打印預(yù)測路徑。
[0010] 步驟（3) ?預(yù)測軌跡的形成：
[0011] 按照角度關(guān)系由小到大排列上述步驟（2)若干分段打印軌跡曲線，得到預(yù)測微細(xì) 血管打印軌跡。
[0012] 目前微細(xì)血管的打印過程還處于實(shí)驗(yàn)階段，主要靠經(jīng)驗(yàn)來打印模型，本發(fā)明以打 印過程中受到的綜合力學(xué)進(jìn)行動態(tài)分析，從而補(bǔ)償打印沖擊產(chǎn)生的變形，得到比較理想的 打印形狀，對微細(xì)血管的打印具有重要的指導(dǎo)意義。本發(fā)明方法簡單可靠，很容易上手，便 于使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明方法的受力分析圖；
[0014] 圖2是微細(xì)血管打印過程具體算法流程圖；
[0015] 圖3是一個(gè)預(yù)測好的打印軌跡實(shí)例。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的分析。
[0017] 由圖2所示，本發(fā)明方法包括如下步驟：
[0018] 步驟⑴.根據(jù)設(shè)定的打印微細(xì)血管參數(shù)，計(jì)算液滴沖擊力Fimpact :
[0019] 所述的打印微細(xì)血管參數(shù)包括打印管道厚度h，打印管道半徑r，打印管道長度值 b，打印材料彈性模量E。
[0020] 1. 1根據(jù)打印管道厚度h，控制打印機(jī)輸出頻率和電壓大小，得到相應(yīng)直徑為d的 液滴以及液滴的速度b，液滴的直徑以及速度由現(xiàn)有高速攝像機(jī)攝像并計(jì)算得到；
[0021] 1. 2根據(jù)液滴直徑d大小，由式（1)計(jì)算得到液滴質(zhì)量：
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 一種微細(xì)血管管道3D打印路徑預(yù)測方法，其特征在于該方法包括以下步驟： 步驟（1).根據(jù)設(shè)定的打印微細(xì)血管參數(shù)，計(jì)算液滴沖擊力Fimparf : 所述的打印微細(xì)血管參數(shù)包括打印管道厚度h，打印管道半徑r，打印管道長度值b，打 印材料彈性模量E ; I. 1根據(jù)打印管道厚度h，控制打印機(jī)輸出頻率和電壓大小，得到相應(yīng)直徑為d的液滴 以及液滴的速度b ; 1. 2根據(jù)液滴直徑d大小，由式（1)計(jì)算得到液滴質(zhì)量：
其中P dMP為液滴的密度； 1. 3根據(jù)步驟1. 2得到的液滴質(zhì)量mdMp、打印材料彈性模量E，由式⑵計(jì)算得到液滴 產(chǎn)生的沖擊力 Fimpact *
向下，所以堅(jiān)直方向微血管受力Pv = Finipaet，水平方向微血管受力Ph = O ; 步驟（2).根據(jù)步驟（1)液滴的沖擊力Fimpart，計(jì)算圓形微細(xì)血管變形量，由變形量反求 出變形前軌跡曲線序列： 2. 1設(shè)定打印過程中的微細(xì)血管簡化成曲梁結(jié)構(gòu)，將整個(gè)打印過程沿打印管道圓周方 向分為相同長度的分段打印軌跡，設(shè)定打印分段參數(shù)為N ; 2. 2計(jì)算第i段分段打印軌跡序列，設(shè)i的初始值為1，執(zhí)行完下列步驟2. 3?2. 9后 重新賦予i = i+1，直至i值大于等于N后執(zhí)行步驟（3); 2. 3根據(jù)整合的受力分析，建立第i段分段打印軌跡的微細(xì)血管變形方程組（3)，其中 I ^ i ^ N ：
式中：沖擊力作用下圓弧變形量4, = (-A鞏-以4 )_印"+1;
其中： Pv表示打印過程沿堅(jiān)直方向微血管受力； Ph表示打印過程沿水平方向微血管受力； e表示變形前分段打印軌跡任意點(diǎn)處角度表達(dá)； e 〇, Q1表示變形后分段打印軌跡任意點(diǎn)處角度表達(dá)； Xtl表示變形前X方向坐標(biāo)值表達(dá)； y〇表示變形前y方向坐標(biāo)值表達(dá)； X表示變形后X方向坐標(biāo)值表達(dá)； y表示變形后y方向坐標(biāo)值表達(dá)； u表示分段打印軌跡圓弧上任意點(diǎn)沿X方向變形量； w表示分段打印軌跡圓弧上任意點(diǎn)沿Y方向變形量； L表不待打印微小血管的長度； C1, C2, C3表示橫截面幾何性質(zhì)以及軸線初始曲率相關(guān)的幾何參數(shù)； C4為中間變量值； 奶，奶分別表示在離散力矩位置變化處角度的余弦值和正弦值； e表示分段打印軌跡角度值； S表示打印管道厚度與半徑的比值；
在分段打印軌跡上得到n處力矩的有限離散分布，其中n為計(jì)算時(shí)離散的點(diǎn)的數(shù)目： 2. 5根據(jù)分段打印軌跡離散力矩分布方程組（3)中公式
，計(jì)算分段打印軌跡n處力矩分布處角度變化值G1，從而 計(jì)算這n處對應(yīng)變化前的角度計(jì)算公式為0 d = e- 0 i ; 2. 6根據(jù)角度變化值方程組（3)中公式
，計(jì)算得到這n處位置變形前 的X方向變形量u ; 2. 7根據(jù)角度變化值方程組（3)中公式
計(jì)算得到這n處位置變形前 的Y方向變形量w ; 2. 8根據(jù)公式Xci = x-u, Ytl = y-w,得到變形前n個(gè)曲線點(diǎn)坐標(biāo)集合Z ; 2. 9通過B樣條曲線擬合方程2. 8得到的曲線點(diǎn)坐標(biāo)集合Z，得到角度區(qū)間為
的變形前曲線Curvei,將其納入集合P ; 步驟（3).按照角度關(guān)系由小到大排列曲線集合P中各曲線元素，得到預(yù)測微細(xì)血管打 印軌跡。
【文檔編號】G06F17/50GK104361154SQ201410588887
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】龔友平, 呂云鵬, 陳國金, 蘇少輝, 陳昌, 陳慧鵬, 劉海強(qiáng), 彭章明 申請人:杭州電子科技大學(xué)