优化再生医学的人造器官打印和支架选择的数据驱动框架

摘要

提供了优化再生医学的人造器官打印和支架选择的数据驱动框架。一种用于生成用于个体的个性化支架的方法包括获取对应于所意图的支架位置的感兴趣的解剖学结构的图像，以及获取涉及感兴趣的解剖学结构的测试结果。基于图像和测试结果生成一个或多个功能规范，并且基于功能规范选择一个或多个支架参数。然后可以使用一个或多个支架参数生成最终支架。

说明书

技术领域

本公开涉及用于优化用于再生医学的人造器官打印和支架选择的框架。本文所描述的技术可以例如应用于器官的打印和/或涉及例如人造四肢、心脏、瓣膜、脉管系统、肾脏、肺部、肝脏、前列腺、膀胱、卵巢、眼睛和皮肤的支架。

背景技术

许多疾病当前利用受影响的解剖学结构的置换或修复来治疗。在大多数情况中，植入设备以模仿原始解剖学结构的形态和功能。例如，裸露金属和药物洗脱内支架用于冠状动脉疾病的治疗，支架用于治疗动脉瘤，并且人造主动脉瓣用于瓣膜置换。然而，大多数设备遭受生物兼容性和个性化的缺乏。由于大多数置换设备是基于用于结构完整性的金属部分（例如冠状动脉内支架），因此它们激励免疫响应。此外，当前设备仅以离散的选项集合出现，以主要降低开发和制造成本。例如，主动脉瓣置换设备通常以在大小方面变化（例如具有模型之间的3mm差距）的三个选项可用。因此，存在个性化的显著缺乏，因为患者的解剖学结构可以展现多种多样的不同形状，所述多种多样的不同形状不可能利用有限数目的离散设备选项来捕捉。

因此，在临床实践中期望更加个性化的设备创建方案。预期在于个性化设备可以改进当前过程结果。在复杂解剖学变形的情况下，诸如在儿科情况下，个性化模型可能是仅有的可行选项。

发明内容

本发明的实施例通过提供涉及可以应用于用于再生医学应用的器官打印和支架选择的数据驱动框架的方法、系统和装置，来解决和克服以上缺点和缺陷中的一个或多个。所公开的技术使得能够对受影响的解剖学结构进行形态学建模并且随后使用计算模型来设计最优器官模型。取代于仅关于其参数来优化计算模型，在优化过程中合并打印机规范。最终模型可以使用3D生物打印机来打印并且直接用于器官置换。所公开的技术还使得能够对受影响的解剖学结构进行形态学建模并且随后设计最优支架。最终支架设计可以被制造（例如使用3D打印机）和直接使用或用作用于要求不能被打印的特定材料的支架的模具。

根据一些实施例，一种用于生成用于个体的个性化支架的方法包括获取对应于所意图的支架位置的感兴趣的解剖学结构的图像以及获取涉及感兴趣的解剖学结构的测试结果。基于图像和测试结果生成一个或多个功能规范。在上述方法的一些实施例中，功能规范包括一个或多个计算模型参数。这些计算模型参数可以包括例如感兴趣的解剖学结构的机械性质和/或几何特征的指示。功能规范还可以（或可替换地）包括一个或多个临床参数。这些临床参数可以包括例如对应于感兴趣的解剖学结构的直径、射血分数、流或体积中的一个或多个。一旦生成功能规范，它们可以用于选择一个或多个支架参数。在上述方法的一些实施例中，通过基于功能规范从数据库选择支架参数的初始集合并且然后使用功能计算模型优化支架参数的初始集合以得出功能规范，来基于一个或多个功能规范选择支架参数。一旦选择支架参数，它们可以用于生成最终支架。

在上述方法中，各种技术可以应用于生成最终支架。在一些实施例中，使用添加制造过程生成最终支架。该添加制造过程可以包括例如立体光刻（STL）四面体模型的生成，其中针对每一个四面体的材料性质对应于支架参数。在其它实施例中，最终支架通过基于一个或多个支架参数创建模具并且使用模具来使最终支架生长而生成。在其它实施例中，支架参数包括最优打印机参数集合，最终支架通过标识描述一个或多个功能规范与对应于三维打印机的打印机参数之间的关系的映射函数并且选择一个或多个所期望的输出特性而生成。最优打印机参数集合通过根据一个或多个所期望的输出特性优化映射函数而生成。然后，三维打印机可以用于根据最优打印机参数集合打印个性化器官。

根据本发明的其它实施例，一种用于生成用于个体的个性化器官模型的方法包括获取对应于器官的感兴趣的解剖学结构的图像以及获取涉及感兴趣的解剖学结构的测试结果。基于图像和测试结果确定一个或多个当前功能规范（例如计算模型参数和/或临床参数）。然后，标识描述一个或多个当前功能规范与对应于三维生物打印机的打印机参数之间的关系的映射函数。选择所期望的输出特性并且通过根据一个或多个所期望的输出特性优化映射函数来生成最优打印机参数集合。三维生物打印机然后可以用于根据最优打印机参数集合打印个性化器官置换。

根据其它实施例，一种用于生成个性化再生医学设备（例如置换器官）的系统包括成像设备、处理计算机和三维打印机（例如生物打印机）。成像设备配置成获取对应于个性化再生医学设备的意图使用位置的感兴趣的解剖学结构的图像。处理计算机配置成从成像设备接收感兴趣的解剖学结构的图像，获取涉及感兴趣的解剖学结构的测试结果，基于图像和测试结果生成一个或多个功能规范，并且基于一个或多个功能规范确定一个或多个打印机参数。在一些实施例中，打印机参数包括通过标识映射函数确定的最优打印机参数集合，所述映射函数描述功能规范与对应于三维打印机的可用打印机参数之间的关系。选择一个或多个所期望的输出特性，并且通过根据一个或多个所期望的输出特性优化映射函数来生成最优打印机参数集合。上述系统中的三维打印机配置成使用一个或多个打印机参数生成个性化再生医学设备。

本发明的附加特征和优点将从参照附图进行的说明性实施例的以下详细描述而使得清楚。

附图说明

当结合附图来阅读时，本发明的前述和其它方面从以下详细描述最好地理解。出于说明本发明的目的，在附图中示出目前优选的实施例，然而，应当理解的是，本发明不限于所公开的特定手段。包括在附图中的是以下各图：

图1图示了根据本发明的一些实施例的用于优化用于再生医学的人造器官打印和支架选择的系统；

图2提供了根据本发明的一些实施例的用于制造解剖学器官的示例过程；

图3提供了根据一些实施例的用于制造患者特定支架的示例过程；

图4图示了其内可以实现本发明的实施例的示例性计算环境。

具体实施方式

以下公开内容根据指向涉及处理医学图像和临床人工（patent）数据以提供个性化结构和经创制的组织以用于使用在再生医学应用中的方法、系统和装置的若干实施例描述了本发明。例如，在一些实施例中，本文所描述的技术可以用于创建个性化“支架”。如本文所使用的，术语支架是指其上可以植入或“播种”组织生长细胞以支持三维组织形成的人造结构。因此，支架可以用于使组织生长以便置换或修复患病器官和解剖学结构。在其它实施例中，关于生物打印机开发经优化的且个性化的器官模型。该模型可以使用生物打印机直接打印并且还用作用于患病解剖学结构的置换。本文所描述的技术可以例如应用于涉及人造四肢、心脏、瓣膜、脉管系统、肾脏、肺部、肝脏、前列腺、膀胱、卵巢、眼睛和皮肤的结构的创建。

图1图示了根据本发明的一些实施例的用于优化用于再生医学的人造器官打印和支架选择的系统100。成像设备105用于获取感兴趣的解剖学结构的一个或多个图像。在图1的示例中，示出磁共振成像（MR）扫描仪。然而，在其它实施例中，可以采用本领域中一般已知的其它成像设备，诸如而非限制的：计算机断层扫描术（CT）扫描仪、正电子发射计算机断层扫描术（PET）扫描仪或超声设备。此外，在一些实施例中，使用多个模态来获取成像数据并且将成像数据聚合以提供对应于感兴趣的解剖学结构的各种类型的图像数据。

处理计算机120经由计算机网络110从成像设备105接收图像数据。该计算机网络110可以使用各种硬件平台来配置。例如，计算机网络110可以使用IEEE 802.3（以太网）或IEEE 802.11（无线）联网技术分离地或组合地实现。此外，计算机网络110可以利用各种通信工具实现，所述通信工具包括例如TCP/IP协议套件。在一些实施例中，计算机网络110是因特网。虚拟专用网络（VPN）可以用于跨计算机网络110扩展专用网络。由处理计算机120接收的图像数据可以存储在数据库125中。该数据库125可以例如使用诸如Microsoft Acess^TM之类的数据库封装或诸如Microsoft>

处理计算机120可操作耦合到用户接口130，用户接口130允许临床医生向处理计算机120提供体外和体内测试结果。这些测试结果可以包括例如涉及感兴趣的解剖学结构的测量结果，诸如直径、射血分数、流和体积。基于所接收到的图像和测试结果，开发一个或多个功能规范。这些功能规范可以包括计算模型参数（例如几何形状、机械性质，诸如组织硬度等）、临床参数/测量结果（例如直径、射血分数、流、体积）或指定感兴趣的器官的解剖学结构和功能的任何其它参数。

继续参照图1，处理计算机120使用功能规范来确定对应于三维打印机115的一个或多个参数。打印机参数使用功能规范进行优化以产生具有所期望的特性的输出。在一些实施例中，标识描述功能规范与在三维打印机115上可用的打印机参数之间的关系的映射函数。通过根据所期望的特性优化映射函数来生成最优打印机参数。以下关于图2更加详细地描述该过程。

一旦生成，将由处理计算机120生成的打印机参数发送至三维打印机115以便打印再生医学设备。在一些实施例中，再生医学设备是活细胞可以在其上使用于个体的置换器官生长的支架。在这些实施例中，三维打印机115使用包括活细胞和诸如可生物降解的聚合物或胶原质之类的支架材料的“墨”。支架材料提供细胞稍后将在其上生长的结构。当每一层被打印时，其凝固（例如使用热量、化学品或紫外光）。该逐层过程被称为“添加制造”，因为完成的支架通过添加材料以构建三维形状而制成。在其它实施例中，再生医学设备是置换器官并且三维打印机115是生物打印机。如本领域中所理解的，生物打印机使用添加制造技术来在层中沉积活细胞材料，所述层的厚度取决于被打印的组织。在一些实施例中，三维打印机115提供混合功能性，使得相同打印机可以用于生成支架和/或置换器官。

一旦三维打印机115已经完成打印器官，将组织存储在被称为“生物反应器”的孵化器中。当在生物反应器中时，组织成熟以准备使用在患者的身体中。此外，可以在器官处于生物反应器中的同时执行测试以确认其能够如所设计的那样执行。应当指出的是，在一些实施例中，专用生物打印机可以用于直接在患者的身体中打印。在该情况下，所打印的组织可以直接在患者的身体中成熟并且可以省略生物反应器中的孵化。

图2提供了根据本发明的一些实施例的用于制造解剖学器官的示例过程200。在步骤205处，使用一个或多个成像设备（例如图1中的成像设备105）获取感兴趣的解剖学区域（包括感兴趣的解剖学器官）的图像。图像数据可以使用本领域中已知的任何技术获取，所述技术包括而非限制的：采用CT、超声和MRI成像模态的获取技术。数据在本质上可以是时间的（即在不同时间戳处获取）或非时间的。在步骤210处，接收涉及感兴趣的解剖学器官的一个或多个体外和体内测试的结果。被执行以生成在步骤210处所接收的信息的确切测试将例如基于感兴趣的器官和该器官中存在的任何疾病或紊乱而变化。例如，测试可以在瓣膜上执行以测量流或体积。

接着，在步骤215处，测量感兴趣的器官并且基于所获取的数据对其进行建模，从而导致功能规范v₀>v₀>

在步骤220处，功能规范v₀>v₀>v₁>M>

其中δ>p>

在一些实施例中，优化方案用于找到最小化所期望的输出v₁>，这通过关于打印机参数p>M>p>v₀>

各种技术可以用于求解该方程，包括例如采用梯度法（例如梯度下降）的技术。最后，在步骤225处，利用最优打印机参数打印器官。所打印的器官然后可以用作用于患病器官或解剖学结构的置换。

图3提供了根据一些实施例的用于制造患者特定支架的示例过程300。图3中所示的过程300将图2中所呈现的一般概念扩展到其中使用三维打印机创建用于器官的支架而不是器官自身的情形。在步骤305处，获取感兴趣的解剖学结构（包括感兴趣的（多个）器官）的图像。图像数据可以使用本领域中已知的任何技术获取，所述技术包括而非限制的：采用CT、超声和MRI成像模态的技术。在一些实例中，所获取的数据可以是时间的（即在不同时间戳处获取）。在步骤310处，接收涉及感兴趣的解剖学器官的一个或多个体外和体内测试的结果。如以上关于图2讨论的示例那样，包括在测试结果中的确切信息将根据所瞄准的解剖学结构和疾病而变化。

接着，在步骤315处，在步骤305处获取的患者数据用于测量和对感兴趣的器官建模以便生成器官的功能规范v>v>v>

继续参照图3，在步骤320处，基于功能规范v>s₀。在320处，基于预先存在的患者数据（例如存储在数据库中）确定v>s>v>v>v>v>

在步骤325处，基于功能计算模型优化支架的规范v>s>s>s>v>v>N>

最后，在步骤330处，执行支架制造。在该步骤期间，制造在其上组织将生长的最终支架。各种技术可以用于执行使用支架参数s>

图4图示了其内可以实现本发明的实施例的示例性计算环境400。在一些实施例中，计算环境400可以用于实现图1的系统100中图示的组件中的一个或多个。例如，该计算环境400可以配置成执行以上分别关于图2和3描述的过程200,300。计算机和计算环境，诸如计算机系统410和计算环境400，对本领域技术人员而言是已知的并且因而在此简要描述。

如图4中所示，计算机系统410可以包括诸如总线421之类的通信机构或用于在计算机系统410内传送信息的其它通信机构。计算机系统410还包括与总线421耦合以用于处理信息的一个或多个处理器420。处理器420可以包括一个或多个中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）或本领域中已知的任何其它处理器。

计算机系统410还包括耦合到总线421以用于存储要由处理器420执行的信息和指令的系统存储器430。系统存储器430可以包括以易失性和/或非易失性存储器的形式的计算机可读存储介质，诸如只读存储器（ROM）431和/或随机存取存储器（RAM）432。系统存储器RAM 432可以包括（多个）其它动态存储设备（例如动态RAM、静态RAM和同步DRAM）。系统存储器ROM 431可以包括（多个）其它静态存储设备（例如可编程ROM、可擦除PROM以及电可擦除PROM）。此外，系统存储器430可以用于在处理器420执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。包含帮助在计算机系统410内的元件之间传递信息（诸如在启动期间）的基本例程的基本输入/输出系统（BIOS）433可以存储在ROM 431中。RAM 432可以包含立即可访问和/或目前通过处理器420操作的数据和/或程序模块。系统存储器430可以此外包括例如操作系统434、应用程序435、其它程序模块436和程序数据437。

计算机系统410还包括耦合到总线421以控制用于存储信息和指令的一个或多个存储设备的盘控制器440，所述存储设备诸如硬盘441和可移除介质驱动442（例如软盘驱动、致密盘驱动、磁带驱动和/或固态驱动）。可以使用适当的设备接口（例如小型计算机系统接口（SCSI）、集成设备电子器件（IDE）、通用串行总线（USB）或火线）将存储设备添加到计算机系统410。

计算机系统410还可以包括耦合到总线421以控制用于向计算机用户显示信息的显示器466的显示控制器465，所述显示器466诸如阴极射线管（CRT）或液晶显示器（LCD）。计算机系统包括用于与计算机用户交互并且向处理器420提供信息的输入接口460和一个或多个输入设备，诸如键盘462和定点设备461。定点设备461例如可以是用于向处理器420传送方向信息和命令选择并且用于控制显示器466上的光标移动的鼠标、跟踪球或定点棒。显示器466可以提供触摸屏接口，其允许输入以补充或替换通过定点设备461的方向信息和命令选择的传送。

计算机系统410可以响应于处理器420执行包含在诸如系统存储器430之类的存储器中的一个或多个指令的一个或多个序列，而执行本发明的实施例的处理步骤中的部分或全部。这样的指令可以从诸如硬盘441或可移除介质驱动442之类的另一计算机可读介质读取到系统存储器430中。硬盘441可以包含由本发明的实施例使用的一个或多个数据储存和数据文件。数据储存内容和数据文件可以被加密以改进安全性。处理器420还可以在多处理布置中采用以执行包含在系统存储器430中的一个或多个指令序列。在可替换的实施例中，可以替代于软件指令或与软件指令组合地使用硬连线电路。因此，实施例不限于硬件电路和软件的任何具体组合。

如以上所陈述的，计算机系统410可以包括用于保持根据本发明的实施例编程的指令并且用于包含本文所描述的数据结构、表、记录或其它数据的至少一个计算机可读介质或存储器。如本文所使用的，术语“计算机可读介质”是指参与向处理器420提供指令以供执行的任何介质。计算机可读介质可以采取许多形式，包括但不限于：非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质的非限制性示例包括光盘、固态驱动、磁盘和磁光盘，诸如硬盘441或可移除介质驱动442。易失性介质的非限制性示例包括动态存储器，诸如系统存储器430。传输介质的非限制性示例包括同轴线缆、铜线和光纤，包括构成总线421的导线。传输介质还可以采取声波或光波的形式，诸如在无线电波和红外数据通信期间生成的那些。

计算环境400还可以包括操作在使用到诸如远程计算机480之类的一个或多个远程计算机的逻辑连接的联网环境中的计算机系统410。远程计算机480可以是个人计算机（膝上型或台式）、移动设备、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其它常见网络节点，并且典型地包括以上关于计算机系统410描述的元件中的许多或全部。当使用在联网环境中时，计算机系统410可以包括用于建立诸如因特网之类的网络471之上的通信的调制解调器472。调制解调器472可以经由用户网络接口470或经由另一适当机制连接到总线421。

网络471可以是本领域中一般已知的任何网络或系统，包括因特网、内联网、局域网（LAN）、广域网（WAN）、城域网（MAN）、直接连接或连接系列、蜂窝电话网络或能够促进计算机系统410与其它计算机（例如远程计算机480）之间的通信的任何其它网络或介质。网络471可以是有线的、无线的或其组合。有线连接可以使用以太网、通用串行总线（USB）、RJ-11或本领域中一般已知的任何其它有线连接实现。无线连接可以使用WiFi、WiMAX和蓝牙、红外、蜂窝网络、卫星或本领域中一般已知的任何其它无线连接方法实现。此外，若干网络可以单独工作或与彼此通信以促进网络471中的通信。

本公开的实施例可以利用硬件和软件的任何组合实现。此外，本公开的实施例可以包括在具有例如计算机可读、非暂时性介质的制品（例如一个或多个计算机程序产品）中。介质具有体现在其中的例如计算机可读程序代码，用于提供和促进本公开的实施例的机制。制品可以作为计算机系统的部分而包括或者单独销售。

虽然已经在本文公开了各种方面和实施例，但是其它方面和实施例对本领域技术人员将是清楚的。本文所公开的各种方面和实施例是出于说明的目的而不意图是限制性的，其中真实范围和精神由随附权利要求指示。

如本文所使用的，可执行应用包括用于调节处理器以例如响应于用户命令或输入，而实现诸如操作系统、上下文数据获取系统或其它信息处理系统的那些之类的预确定的功能的代码或机器可读指令。可执行过程是代码或机器可读指令的段、子例程或用于执行一个或多个特定过程的可执行应用的部分或代码的其它分立段。这些过程可以包括接收输入数据和/或参数，在所接收到的输入数据上执行操作和/或响应于所接收到的输入参数而执行功能，以及提供作为结果的输出数据和/或参数。

如本文所使用的，图形用户接口（GUI）包括由显示处理器生成并且使得能够实现与处理器或其它设备的用户交互以及相关联的数据获取和处理功能的一个或多个显示图像。GUI还包括可执行过程或可执行应用。可执行过程或可执行应用调节显示处理器以生成表示GUI显示图像的信号。这些信号被供应到显示设备，其显示图像以供用户观看。在可执行过程或可执行应用的控制之下，处理器响应于从输入设备接收的信号而操纵GUI显示图像。以此方式，用户可以使用输入设备与显示图像交互，从而使得能够实现与处理器或其它设备的用户交互。

本文中的功能和过程步骤可以自动执行或完全或部分地响应于用户命令而执行。自动执行的活动（包括步骤）在没有活动的用户直接发起的情况下响应于一个或多个可执行指令或设备操作而执行。

各图的系统和过程不是排他的。依照本发明的原理可以得到其它系统、过程和菜单以完成相同的目的。尽管已经参照特定实施例描述了本发明，但是要理解的是，本文所示出和描述的实施例和变型仅仅出于说明目的。本领域技术人员可以实现对当前设计的修改，而不脱离本发明的范围。如本文所描述的，各种系统、子系统、代理、管理器和过程可以使用硬件组件、软件组件和/或其组合实现。没有本文中的权利要求要素要在35 U.S.C 112第六段的规定之下解释，除非该要素使用短语“用于……的构件”明确记载。