一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机制造技术

本发明专利技术公开了一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机，包括PC上位机和3D打印下位机，所述PC上位机包括控制模块、图像处理模块、显示模块，所述3D打印下位机包括打印机本体，及设置于打印机本体内的步进电机、导轨、喷头底座、喷头、成形工作台和摄像头，所述摄像头与图像处理模块连接；图像处理模块对获取的图像进行处理，得到喷头与打印出的目标组织之间的距离，并将所述距离传送给上位机软件处理；PC上位机软件将收到的数据实时显示，并控制3D打印下位机，调整打印距离。该打印机能使喷头与生物组织之间的距离保持在200至300微米之间，以克服打印精度不高等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机
本专利技术一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机，属于生物组织工程术领域。
技术介绍
3D打印即快速成形技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。组织工程融合了工程学、生命科学和材料科学等学科，通过模仿人体组织器官形成的过程，可以在体外构建和培养具有生物活性的结构体。这其中，3D打印技术因其可使用多种材料成型任何复杂的三维结构，成为组织工程领域最有力的研究手段。3D打印技术的原理就是分层制造，层层累积。3D生物打印技术是基于3D打印技术逐步发展的。该技术是用Computer-aidedAdditiveManufacturing技术，准确控制生物材料，生物细胞，生长因子，在整体3D结构中的位置，结合，互相利用，使之具有生物活性，并能实现与目标组织或生物器官接近，相同，甚至更优越的功能。该技术的实现依赖于3D生物打印机。3D生物打印与传统的3D打印技术还是有很大的区别，除了利用了传统3D打印的核心技术外，所有的3D生物打印的制造过程必须符合生物学的标准，既要能保证细胞活性、组织功能，还要符合医学标准。目前，在3D生物打印装置中，存在着细胞打印精度低的技术缺陷。造成该缺陷的技术原因很多，其中一个重要的影响因素是喷头与打印出的生物组织之间的距离，如果距离过大，则打印精度较低，容易出错，进而影响打印速度；如果距离过小，喷头可能与打印出的生物组织粘在一起，根本无法打印。而目前市场上还没有针对此缺陷进行有效改进的技术。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术的不足，目的是提供一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机，该打印机能使喷头与生物组织之间的距离保持在200至300微米之间，以克服打印精度不高等问题。本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机，包括PC上位机和3D打印下位机，所述PC上位机与3D打印下位机通过以太网接口进行数据传输；所述PC上位机包括控制模块、图像处理模块、显示模块，用户通过上位机软件实现3D打印的各种参数设置，并将3D打印下位机所运行的各种参数显示在显示模块上；用户自行设定打印喷头与打印出的生物组织之间的距离，或采用3D打印下位机的默认设置，控制打印喷头与打印出的生物组织之间的距离为200至300微米；所述3D打印下位机包括打印机本体，及设置于打印机本体内的步进电机、导轨、喷头底座、喷头、成形工作台和摄像头，所述打印机本体竖直方向设置导轨，所述导轨上安装步进电机和喷头底座，所述喷头底座底部设置喷头，所述喷头对准成型工作台，所述摄像头安装在所述打印机本体右侧的上部，所述摄像头与图像处理模块连接，用于实时获取喷头处图像，并传送给图像处理模块；图像处理模块对获取的图像进行处理，得到喷头与打印出的目标组织之间的距离，并将所述距离传送给上位机软件处理；PC上位机软件将从图像处理模块收到的数据实时显示在显示模块上，当所述距离偏离了用户设定，控制3D打印下位机，将所述距离自动调整至200至300微米。所述图像处理模块的图像处理过程包括如下步骤：1)调节高清摄像头焦距，使其画面显示为最为清晰；2)对图像进行灰度化处理；3)对灰度化处理后的图像分割，只保留喷头与成形工作台及台上的生物组织的图像，其余图像分割出去；4)对分割后的图像进行归一化处理；5)使用BP神经网络进行边缘提取：采用3层神经网络进行提取，所述三层神经网络分别为输入层，输出层，中间层，所述输入层对应原始图像，输出层对应边缘图像，中间层神经元采取激活函数Sigmoid函数g(z)：其中，z为该层权重θ矩阵与上一层结点激活值矩阵的乘积，z＝θTx，θ为神经元的权重矩阵，θT为θ矩阵的转置，x为上一层的输入值矩阵；中间层神经元数目在保证图像质量要求的前提下，选取使代价函数J(θ)拟合程度最高的函数：其中，m为训练样本个数，K为输出的个数，k表示输入层第k个输出，L为神经网络层数，l为第l层神经网络，λ表示正则化常数，i为第i个训练样本，yk为第k个样本输出，yk(i)为与第i个训练样本相对应的第k个样本输出，h(x(i))为第i个训练样本所对应的假设函数，Sl为第l层的神经元个数，θji(l)为在l层中第i个训练样本的第j个特征所对应的值的权重。6)对整个图像的灰度值计算平均值，然后以该平均值或该平均值的邻域内的值作为阈值，然后进行二值化处理，将灰度图转换为黑白二值图像，得到清晰的边缘轮廓线；7)计算喷头与打印出的生物组织之间的距离：在二值化处理后的图像中找到喷头所在点M，喷丝与打印出的生物组织的接触点N，成形工作台较长的边的两个端点D、E，则；然后在处理后的图像上建立坐标系，可得图像中喷头至打印出的生物组织之间的图像像素距离LMN和图像中成形工作台长边的图像像素距离LDE分别为：其中，xM，yM表示喷头M点的坐标，xN，yN表示喷丝与打印出的生物组织的接触点N的坐标；其中，xD，yD表示成形工作台长边一侧端点的坐标，xE，yE表示成形工作台长边另一侧端点的坐标；进一步，LBC表示打印机实际的成形工作台长边距离，则根据比例关系，可得：由于LMN，LDE，LBC都是已知量，求得3D生物打印机实际的喷头至打印出的生物组织之间的距离LAO；上位机将LAO显示出来并根据这个结果进行调节，控制3D打印下位机，将喷头与打印出的目标组织之间的距离保持在200至300微米间。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术所述的一种基于图像处理的可自动调整喷头与打印出的生物组织间距离的3D生物打印机。可以通过图像处理获取喷头与打印出的生物组织间的距离，使距离保持在合适范围，以此提高了打印精度；在打印过程中使用自动调节的技术手段，提高了3D生物打印机的自动化程度；由于提高了精度与自动化程度，减小了打印出错的概率，也间接的提高了打印速度。附图说明图1为3D打印下位机结构示意图；图2为本专利技术打印机工作流程图。图中，步进电机1，打印机本体2，导轨3，喷头底座4，喷头5，成形工作台6，摄像头7。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明，但是本专利技术的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本专利技术构思的改变或等同替代均包括在本专利技术的保护范围之内。一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机，包括PC上位机和3D打印下位机，所述PC上位机与3D打印下位机通过以太网接口进行数据传输；所述PC上位机包括控制模块、图像处理模块、显示模块，用户通过上位机软件实现3D打印的各种参数设置，并将3D打印下位机所运行的各种参数显示在显示模块上；用户自行设定打印喷头与打印出的生物组织之间的距离，或采用3D打印下位机的默认设置，控制打印喷头与打印出的生物组织之间的距离为200至300微米；所述3D打印下位机包括打印机本体2，及设置于打印机本体2内的步进电机1、导轨3、喷头底座4、喷头5、成形工作台6和摄像头7，所述打印机本体2竖直方向设置导轨3，所述导轨3上安装步进电机1和喷头底座4，所述喷头底座4底部设置喷头5，所述喷头5对准成型工作台6，所述摄像头7安装在所述打印机本体2右侧的上部，所述摄像头7与图像处理模块连接，用于实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机，包括PC上位机和3D打印下位机，其特征在于，所述PC上位机与3D打印下位机通过以太网接口进行数据传输；所述PC上位机包括控制模块、图像处理模块、显示模块，用户通过上位机软件实现3D打印的各种参数设置，并将3D打印下位机所运行的各种参数显示在显示模块上；用户自行设定打印喷头与打印出的生物组织之间的距离，或采用3D打印下位机的默认设置，控制打印喷头与打印出的生物组织之间的距离为200至300微米；所述3D打印下位机包括打印机本体，及设置于打印机本体内的步进电机、导轨、喷头底座、喷头、成形工作台和摄像头，所述打印机本体竖直方向设置导轨，所述导轨上安装步进电机和喷头底座，所述喷头底座底部设置喷头，所述喷头对准成型工作台，所述摄像头安装在所述打印机本体右侧的上部，所述摄像头与图像处理模块连接，用于实时获取喷头处图像，并传送给图像处理模块；图像处理模块对获取的图像进行处理，得到喷头与打印出的目标组织之间的距离，并将所述距离传送给上位机软件处理；PC上位机软件将从图像处理模块收到的数据实时显示在显示模块上，当所述距离偏离了用户设定，控制3D打印下位机，将所述距离自动调整至200至300微米。...

【技术特征摘要】
1.一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机，包括PC上位机和3D打印下位机，其特征在于，所述PC上位机与3D打印下位机通过以太网接口进行数据传输；所述PC上位机包括控制模块、图像处理模块、显示模块，用户通过上位机软件实现3D打印的各种参数设置，并将3D打印下位机所运行的各种参数显示在显示模块上；用户自行设定打印喷头与打印出的生物组织之间的距离，或采用3D打印下位机的默认设置，控制打印喷头与打印出的生物组织之间的距离为200至300微米；所述3D打印下位机包括打印机本体，及设置于打印机本体内的步进电机、导轨、喷头底座、喷头、成形工作台和摄像头，所述打印机本体竖直方向设置导轨，所述导轨上安装步进电机和喷头底座，所述喷头底座底部设置喷头，所述喷头对准成型工作台，所述摄像头安装在所述打印机本体右侧的上部，所述摄像头与图像处理模块连接，用于实时获取喷头处图像，并传送给图像处理模块；图像处理模块对获取的图像进行处理，得到喷头与打印出的目标组织之间的距离，并将所述距离传送给上位机软件处理；PC上位机软件将从图像处理模块收到的数据实时显示在显示模块上，当所述距离偏离了用户设定，控制3D打印下位机，将所述距离自动调整至200至300微米。2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的控制打印距离的3D生物打印机，其特征在于，所述图像处理模块的图像处理过程包括如下步骤：1)调节高清摄像头焦距，使其画面显示为最为清晰；2)对图像进行灰度化处理；3)对灰度化处理后的图像分割，只保留喷头与成形工作台及台上的生物组织的图像，其余图像分割出去；4)对分割后的图像进行归一化处理；5)使用BP神经网络进行边缘提取：6)对整个图像的灰度值计算平均值，然后以该平均值或该平均值的邻域内的值作为阈值，然后进行二值化处理，将灰度图转换为黑白二值图像，得到清晰的边缘轮廓线；7)计算喷头与打印出的生物组织之间的距...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑胜波，王厚淳，程永强，张虎林，张强，段倩倩，冀健龙，王煜，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14