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文档简介
基于OCT的人工皮肤多维度检测方法研究基于OCT的人工皮肤多维度检测方法研究
摘要:人工皮肤作为一种重要的医用材料被广泛应用于各种医疗领域,因其具有类似皮肤的外观和生理功能且不排斥人体而备受关注。然而,其使用寿命和效果的评估一直是一个难题。现有的评估方法往往只能在外观和感官上进行评估,难以提供更全面和客观的评估结果。因此,为了有效地评估人工皮肤的使用寿命和效果,本文基于光学相干层析成像技术(OCT)提出一种多维度检测方法。该方法可以在不影响人工皮肤的正常使用和外观的前提下,对其结构、厚度、强度等多个指标进行评估和监测。本研究采用OCT仪器获取人工皮肤的断面图像,并通过图像处理和分析得到人工皮肤的结构和厚度信息。同时,针对人工皮肤在使用过程中易受力损伤的问题,本研究提出了一种基于OCT的强度检测方法。实验结果表明,所提出的多维度检测方法可以为人工皮肤的使用寿命和效果评估提供全面和客观的数据支持。
关键词:人工皮肤;光学相干层析成像(OCT);多维度检测;结构;厚度;强度
Introduction
人工皮肤作为一种关键的医用材料,被广泛应用于各种医疗领域。近年来,随着对人工皮肤逼真度和生理功能要求的提高,其制造材料和生产工艺也得到了不断改进和完善。通过与人体接触表面的调节,人工皮肤不仅能够接受人体组织新生而且具有良好的渗透性和抗氧化性。因此,人工皮肤是一种广泛且可行的替代品,在模拟皮肤功能上可以比较突出地实现生理与化学反应等复杂过程。
然而,人工皮肤的使用寿命和效果评估一直是一个难题。现有的评估方法主要集中在外观、抗水性、抗裂性、渗透率等方面,但是很难对人工皮肤的内部结构和性能进行全面的评估。因此,为了有效评估人工皮肤的使用寿命和效果,需要开发新的检测方法来对其进行有效评估。
光学相干层析成像(OCT)是一种非侵入性且高分辨率的显微镜技术。该技术广泛应用于医疗和生物学领域,以实现真实的断面图像的可视化。OCT技术可以提供与高质量的皮肤切片相当的信息。微秒间隔的OCTA线扫描图像可以被组合成二维断面图像,并利用其反射率和光的透射率来提供图像的信息,能够提供皮肤的结构,厚度等多个方面的信息。因此,OCT技术非常适合人工皮肤的多维度检测。
Inthispaper,anovelmultidimensionaldetectionmethodbasedonOCTforartificialskinisproposed.Theproposedmethodcanevaluateandmonitorthestructural,thickness,strengthandotherindexesofartificialskinwithoutaffectingnormaluseandappearanceofartificialskin.Inourstudy,OCTimagesofartificialskinwereacquiredusingOCTinstruments,andthestructuralandthicknessinformationofartificialskinwereobtainedbyimageprocessingandanalysis.Additionally,toaddresstheproblemofforcedamagetoartificialskinduringuse,astrengthdetectionmethodbasedonOCTwasproposed.Experimentalresultsshowthattheproposedmultidimensionaldetectionmethodcanprovidecomprehensiveandobjectivedatasupportfortheevaluationofartificialskin'sservicelifeandeffects.
Keywords:Artificialskin;Opticalcoherencetomography(OCT);Multidimensionaldetection;Structure;Thickness;StrengthArtificialskiniswidelyusedinthefieldofroboticsandprostheticsduetoitsabilitytomimicthemechanicalandsensorypropertiesofhumanskin.However,theevaluationofartificialskin'sperformanceandserviceliferemainsachallenge.Inthisstudy,amultidimensionaldetectionmethodbasedonopticalcoherencetomography(OCT)wasproposedtoevaluatethestructure,thickness,andstrengthofartificialskin.
OCTisanon-invasiveimagingtechnologythatuseslow-coherenceinterferometrytogeneratehigh-resolution,cross-sectionalimagesofbiologicaltissues.Inthisstudy,OCTwasappliedtoimagetheinternalstructureofartificialskinandtomeasureitsthickness.
TheproposedmultidimensionaldetectionmethodalsoincludedastrengthdetectionmethodbasedonOCT.TheOCTsystemwasusedtomeasurethemechanicaldeformationoftheartificialskinunderacontrolledload,andtheresultingimageswereanalyzedtoquantifythestrainandstressdistribution.
Experimentalresultsshowedthattheproposedmultidimensionaldetectionmethodprovidedcomprehensiveandobjectivedatasupportfortheevaluationofartificialskin'sservicelifeandeffects.TheOCTimagesrevealedtheinternalstructureoftheartificialskin,includingthethicknessandmorphologyofeachlayer.Thestrengthdetectionmethodalsoprovidedvaluableinformationonthemechanicalpropertiesoftheartificialskin,includingitselasticityandresistancetodeformation.
Inconclusion,theproposedmultidimensionaldetectionmethodbasedonOCTisapromisingapproachfortheevaluationofartificialskin'sperformanceandservicelife.Themethodcanprovideaccurateandobjectivedataonthestructure,thickness,andstrengthofartificialskin,facilitatingitsfurtherdevelopmentandapplicationinroboticsandprostheticsFurthermore,OCT-basedmultidimensionaldetectioncanalsoenablethereal-timemonitoringofartificialskinforanydamageorwearovertime.Thiscanbecrucialfordevicesthataresubjecttofrequentuseorexposuretoenvironmentalfactors.Withthistechnology,itcanbepossibletodetectanychangesintheartificialskin'sstructuralandmechanicalproperties,whichcanultimatelyhelpintimelymaintenanceandrepair.
Besides,multidimensionalOCT-baseddetectioncanbeextendedtoevaluatethebiologicalcompatibilityofartificialskin.Thiscanbeachievedbyassessingthetissueresponseandintegrationoftheartificialskinwiththesurroundingtissues.OCTcanprovidehigh-resolutionimagesofthetissue-implantinterfaceandmonitoritsevolutionovertime.Thiscanensurethebiocompatibilityandsafetyoftheartificialskinandimproveitsclinicaloutcomes.
Insummary,themultidimensionaldetectionmethodbasedonOCTcanofferunparalleledinsightsintothestructure,mechanicalproperties,andbiocompatibilityofartificialskin.Thiscanhelpinthedevelopmentofadvancedmaterialsandmanufacturingtechniques,leadingtomoreefficientandsafedevicesforvariousapplications.TheintegrationofOCTwithotherimagingandsensingmodalitiescanfurtherbroadenitsscopeandenablecomprehensiveevaluationofartificialskinperformanceInadditiontotheapplicationsmentionedabove,OCTcanalsobeusedforthecharacterizationandevaluationofotherbiomaterialsandmedicaldevices,includingbonescaffolds,dentalimplants,andcardiovascularstents.Forexample,OCThasbeenusedtoassessthestructuralintegrityandguidingpropertiesofspinalcordtissuescaffolds,whichareusedtopromotenerveregenerationandrecoveryafterspinalcordinjury(SCI)(Garnieretal.,2014).Thetechniquehasalsobeenappliedtomonitortheformationofnewbonetissueinosteochondraldefectstreatedwithbonegrafts(Chenetal.,2015)andtoevaluatetheendothelializationandneointimalgrowthofvascularstents(Gargiuloetal.,2012).
Furthermore,OCTcanbeusedforthereal-timemonitoringofsurgicalprocedures,suchaslaser-assistedinsitukeratomileusis(LASIK)andcornealtransplantation.InLASIK,OCTcanprovidehigh-resolutionimagesofthecornealflapandstroma,allowingthesurgeontopreciselycontrolthedepthandthicknessoftissueablation(Billeetal.,2019).Incornealtransplantation,OCTcanhelptovisualizethegraft-hostinterfaceanddetectanycomplications,suchaswounddehiscenceorepithelialingrowth(Dorairajetal.,2018).
Recently,OCThasbeencombinedwithotherimagingandsensingmodalities,suchastwo-photonmicroscopy,fluorescencelifetimeimagingmicroscopy(FLIM),andRamanspectroscopy,toprovidecomplementaryandsynergisticinformationaboutthemolecularandfunctionalpropertiesoftissuesandcells(Kimetal.,2019).Forexample,OCT-FLIMcanrevealthemetabolicactivityandoxygenationstatusofcellsandtissues,whichareimportantindicatorsoftissueviabilityandfunction(Wonetal.,2011).OCT-Ramancanprovidemolecularinformationaboutthechemicalcompositionanddistributionofcellsandtissues,whichcanbeusedfordiseasediagnosisandmonitoring(Wangetal.,2017).
Insummary,OCTisapowerfulandversatileimagingtechniquethatoffersuniqueandvaluableinsightsintothemorphology,mechanicalproperties,andbiocompatibilityofbiomaterialsandmedicaldevices.Itsnon-invasiveandnon-destructivenature,highresolution,andreal-timeimagingcapabilitiesmakeitanidealtoolforpreclinicalandclinical
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