Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Imprimare 3D pentru analiza scanării CT, educație spațială

Seth Horowitz este un neurolog și profesor asistent de cercetare în cadrul Departamentului de Ecologie și Biologie Evolutivă de la Universitatea Brown, precum și un producător și un entuziast de imprimare 3D. El împărtășește acest raport în câteva moduri în care a folosit imprimanta 3D, inclusiv o nouă metodă de cercetare.

Acum trei ani am avut o problemă interesantă - am avut nevoie de un dispozitiv pentru un experiment care să poată ține confortabil o bâtă vii, dar în așa fel încât să nu-și poată mușca sau să-și miște capul. În trecut, am lucrat cu ingineri care ar face foarte complexe plexiglas, dispozitive asemănătoare cu carcasele care au funcționat bine, dar a trebuit să aveți mai multe pentru a se potrivi liliecilor de diferite mărimi (și specii). Ar putea dura săptămâni pentru a face fiecare și costul a fost de peste o mie de dolari fiecare.

Despre acest timp, au început să fie discutate kituri de imprimare 3D pe web și am hotărât să încerc să văd dacă aș putea folosi unul dintre aceste lucruri pentru a tipări titularii de vii în varianta personalizată. Am primit un mic grant pilot de la NASA Rhode Island Space (cercetarea a fost relevantă pentru interesele NASA - liliecii sunt subiecte iubite pentru mulțimea care se mișcă în jurul valorii de întuneric) și a cumpărat un cupcake Makerbot.

După câteva luni de construcție, asamblare, dezasamblare, înjurătură și reconfigurare, aveam suportul de imprimare a bastoanelor 3D, care folosea plastic de circa 50 de cenți și mi-a luat toate cele două ore pentru imprimare. Dar câte câți au de fapt nevoie de băieți? Încercând să-mi dau seama ce altceva am putut să fac cu Cupcake-ul meu, mi-am dat seama că imprimarea 3D este o nouă formă de actualizarea datelor - luarea reprezentării codificate simplificate a unui obiect și crearea acestui obiect - un corolar mecanic de trecere de la gene la proteine. Și cu bogăția de date 3D în jurul valorii de, posibilitățile sunt aproape fără sfârșit.

În ultimul deceniu cel puțin, modelele 3D și imaginile lor au fost obișnuite în știință și inginerie - scanările CT creează imagini tridimensionale ale scheletelor și țesuturilor dense, RMN permite același lucru în țesuturile moi. Modelarea digitală a terenului necesită mai multe imagini din perspective diferite pe orbită pentru a permite reconstrucția suprafețelor plane și lunare pentru flyover-urile 3D. Dar toate acestea au limitări inerente - elementele individuale ale imaginilor trebuie să treacă printr-o filtrare substanțială pentru a permite o viziune curată asupra regiunilor de interes, ceea ce înseamnă, desigur, că filtrați lucruri interesante în timp ce căutați alții. Suprapunerea elementelor estompate de structuri mai fine, oferindu-vă o vedere de ansamblu frumoasă a obiectului exterior, dar lipsindu-i detaliile interne care nu sunt întotdeauna recuperabile doar prin schimbarea punctului de vedere. Și, bineînțeles, o limitare majoră este că acestea sunt imagini. Indiferent cât de drăguțe sau detaliate, ei încă constrâng informații despre un obiect complex în informații strict vizuale. Dar când luați aceste reprezentări vizuale 3D și le convertiți în obiecte fizice, nu doar redeschideți posibilitățile de examinare vizuală, ci și obținerea de detalii din simțul nostru excelent de formă prin atingere.

Figura 1. Scanarea CT a adultului bullfrog care prezintă regiunea de deformare

Am găsit o aplicație examinând date dintr-un studiu vechi pe care l-am făcut. O mare parte din munca mea sa concentrat pe dezvoltarea auditivă, folosind modelul de bullfrogs. Bullfrog-urile sunt modele interesante pentru auzul uman, deoarece auzul lor este foarte asemanator cu audientele de joasa frecventa (<2500 Hz) la om si in al doilea rand, creierul lor este mai rezistent si flexibil in unele moduri decat oamenii.

De exemplu, broaștele își pot regenera efectiv sistemul nervos central după avarie, ceea ce ne-am dori ca oamenii să facă pentru a preveni pierderea auzului indusă de zgomot. Dar aceștia plătesc un preț pentru această plasticitate - ei sunt, de asemenea, mult mai predispuși la deteriorări cauzate de toxine și condiții de mediu.

În 2004, în timpul unei sesiuni de înregistrare a broaștelor, un membru al laboratorului a văzut și a prins un bullfrog adult de sex masculin. Avea doar o ureche. Părea altfel sănătoasă, deoarece broaștele sunt foarte dependente de auzul pentru comportamentul social; această broască avea să aibă probleme în a-și crește și apăra teritoriul. Am prins-o și am făcut o scanare CT pentru a vedea dacă am putea determina amploarea malformației sale. Scanările CT sunt raze X luate într-o spirală continuă în jos în zona de interes, ceea ce vă permite să creați un model 3D al țesuturilor osos și dense. Scanarea CT a broască (Figura 1) a arătat că, în timp ce urechea sa internă părea normală pe ambele părți, îi lipsea timpanul și bucata mică de cartilagiu numită scări (sau stapedium) care leagă timpanul extern de urechea interioară.

Figura 2. Model imprimat 3d bazat pe date CT

Abia după ce am găsit oa doua broască cu aceeași malformație, am început să ne dăm seama că se petrece ceva aici. Aceste două broaște nu au arătat semne de rănire, așa că era mai probabil ca ceva să se fi întâmplat în timpul dezvoltării. Imaginile scanate CT ne-au determinat să credem că, de vreme ce urechile interioare au privit normal, acest lucru ar putea fi similar cu o afecțiune umană numită atrezie aurală care poate provoca malformații ale urechilor exterioare și mijlocii, dar lasă urechile interioare intacte. Dar acum, ani mai târziu, am decis să examinez din nou imaginile, de data aceasta cu ajutorul imprimantei mele 3D. Am luat fișierele CT brute și folosind programul open source ImageJ, am exportat datele dintr-o secțiune a craniului ca fișier stereolitografic printabil și am creat un model fizic, mărit de aproximativ 25 de ori (figura 2).

De îndată ce am avut modelul în mână și am reușit să-l întorc și să-l tratez, am observat că există, de fapt, asimetriile în regiunile în care nervul auditiv (8) a părăsit urechea interioară pentru a se conecta la creier, sugerând că această malformație nu era similar cu atrezia aurală. Mai degrabă, probabil datorită expunerii la insecticide care s-au transformat în teratogeni în prezența luminii UV și ar putea provoca anomalii mai extinse la anumite puncte în dezvoltare. Modelul tipărit 3D a ajuns să ofere o mai bună perspectivă asupra a ceea ce a cauzat anomalie decât imaginile originale observate pe computer. Crearea unui model fizic printabil vă permite să utilizați instrumentele pe care le-ați dezvoltat pentru a le utiliza împreună - mâinile și ochii - pentru a extinde constatările dincolo de hardware și software scumpete.

Un alt interes al meu este educația spațială și mobilizarea și am vrut să aplic imprimare 3D și la acest lucru. Explorarea lumilor (inclusiv a Pământului) este una dintre cele mai interesante aventuri umane din secolele 20 și 21, și totuși excitarea provine aproape exclusiv din imagini. Globurile de masă și de salinitate ale Pământului, zborurile 3D ale canoanelor de pe Marte și fisurile glaciare de pe lunile lui Jupiter Europa, vederi de înaltă definiție ale craterelor lunare - cu câteva excepții toate acestea și altele sunt disponibile doar vizual. Modelele fizice, cum ar fi edițiile limitate ale forțelor asteroidului, costă mii de dolari. Globurile texturate și hărțile care permit cuiva să se simtă creastă de munte și forme de teren au fost în jur de peste un secol, inițial dezvoltate pentru orbi, dar sunt disponibile numai pentru unelte de predare comune, cum ar fi globurile pământului.Deci, cum poți aduce educația științifică a spațiului și a științelor pământului celor 37 de milioane de oameni din lume care sunt total orbi, ca să nu mai vorbim de cele 124 de milioane care sunt aproape așa? Și dincolo de asta, cu cât mai mulți oameni s-ar afla din vedere că ar putea să se descurce fizic cu un model de asteroid?

În 2010, am început să caut date 3D despre formele asteroizilor pentru a vedea dacă ar fi posibilă imprimarea modelelor 3D de corpuri și terenuri spațiale. Am constatat că există o multitudine de forme de asteroizi provenite din datele RADAR (în mare parte de profesorul Scott Hudson de la școala de inginerie electrică de la Universitatea de Stat din Washington), precum și date despre terenul digital marțian din grupul HiRISE al Universității din Arizona. din care a fost deja folosit în programe de simulare a spațiului ca Celestia. Am început să iau aceste date bazate pe NASA și să le convertesc în formate stereolitografice și să tipografice modele fizice de asteroizi, de luni marțiene Phobos și Deimos, și chiar de trăsături planetare cum ar fi craterul marțian Gusev (figura 3).

Figura 3. Corpurile de spațiu mici din imaginile (de mai sus) și versiunile imprimate 3D (de mai jos).

Dar, pentru a arăta cum ritmul software-ului on-line se alimentează în idei noi în educație și înfăptuire, am reușit să scot NASA în a face un model al asteroidului Vesta. Vesta este al doilea asteroid cel mai masiv din centura principală și este foarte diferit de majoritatea altor asteroizi și corpuri spațiale. Mi-am dorit mai ales un model de Vesta pentru a compara cu alți asteroizi "în formă de cartof", cum ar fi Eros, pentru că ar însemna că cineva ar obține o înțelegere imediată viscerală (sau cel puțin haptică) a diferenței de formă care apare pe baza principiului gravitației - diferențierea indusă, de la grămada de dărâmături până aproape de planetă.

Vesta este în prezent orbitată de sonda Dawn care trimite mii de imagini frumoase, NASA nu a lansat încă modelul "oficial" de formă 3D. Dar am gasit doua moduri in jurul acestui lucru - in primul rand, prin luarea de imagini care au aratat rotatia Vesta si alimentarea lor pe un program gratuit online de modelare 3D (www.my3dscanner.com) Am fost capabil de a obtine un nod de puncte de baza, pe corelații între puncte luminoase similare și puncte întunecate între imaginile succesive. Folosind acest lucru pentru unele detalii, am combinat-o cu "harta globală" a Vesta și am cartografiat-o pe o ovoidă aplatizată, derivată din forma unor imagini orbitale. Acest lucru mi-a permis să creez un model 3D destul de redus, dar precis, chiar înainte de lansarea oficială (Figura 4).

Figura 4. Aspectul Vesta - imagine din sonda Dawn la stânga și versiunea mea imprimată 3D pe dreapta.

Această poveste nu se referă la faptul că este capabilă să scoată NASA - este vorba despre a demonstra că bogăția de instrumente și date gratuite de acolo pot împuternici pe cei interesați. Trecerea de la imagini la modelul 3D în obiectul imprimat vă permite să creați propriile modele scară ale universului. Generați un curriculum care să permită orbului să simtă creasta din mijlocul Atlanticului și să poată spune diferența dintre un crater lunar ascuțit și ascuțit și unul marțian erodat de vreme. Și la nivel profesional, să creeze modele exacte tipărite de terenuri pentru a testa vehiculele de adunare sau de prelevare a probelor pentru a ne ajuta să continuăm explorarea, inclusiv pentru o audiență mai largă și pentru a motiva noile generații de studenți, vizionați și nu, pentru a realiza că pot deține modele ale universului în mâinile lor.

- Seth Horowitz

Acțiune

Lasa Un Comentariu