Stampa 3D per analisi di analisi CT, educazione spaziale - 💡 Fix My Ideas

Stampa 3D per analisi di analisi CT, educazione spaziale

Stampa 3D per analisi di analisi CT, educazione spaziale


Autore: Ethan Holmes, 2019

Seth Horowitz è un neuroscienziato e assistente professore di ricerca presso il Dipartimento di ecologia e biologia evolutiva presso la Brown University, nonché un creatore e un appassionato di stampa 3D. Condivide questo rapporto su alcuni modi in cui ha usato la sua stampante 3D, incluso un nuovo metodo di ricerca.

Tre anni fa ho avuto un problema interessante: avevo bisogno di un dispositivo per un esperimento che potesse contenere comodamente un pipistrello dal vivo, ma in modo tale da non poter mordere o muovere la testa. In passato, avevo lavorato con ingegneri che avrebbero realizzato plexiglass molto complessi, dispositivi simili a gabbie che funzionavano bene, ma dovevi avere diversi adattatori per adattarsi a pipistrelli di varie dimensioni (e specie). Potrebbero essere necessarie settimane per realizzarle e il costo è stato di oltre mille dollari ciascuna.

A proposito di questo momento, i kit di stampanti 3D stavano iniziando a essere discussi sul web e ho deciso che avrei provato a vedere se potevo usare una di queste cose per stampare i possessori di pipistrelli dal vivo. Ho ricevuto una piccola sovvenzione pilota dal NASA Rhode Island Space (la ricerca era pertinente agli interessi della NASA - i pipistrelli sono soggetti amati per la folla che si muove nel buio) e ho acquistato un Cupcake Makerbot.

Dopo diversi mesi di costruzione, assemblaggio, smontaggio, parolacce e riconfigurazione, avevo il mio supporto per pipistrello stampato in 3D, che utilizzava circa 50 centesimi di plastica e impiegava tutte e due le ore per stampare. Ma quanti possessori di pipistrelli hai effettivamente bisogno? Nel tentativo di capire cos'altro avrei potuto fare con il mio Cupcake, mi sono reso conto che la stampa 3D è una nuova forma di attualizzazione dei dati - prendendo la rappresentazione codificata semplificata di un oggetto e creando quell'oggetto - un corollario meccanico che passa dai geni alle proteine. E con la ricchezza di dati 3D in giro, le possibilità sono quasi infinite.

Per l'ultimo decennio almeno, i modelli 3D e le loro immagini sono stati comuni nella scienza e nell'ingegneria - le scansioni CT creano immagini tridimensionali di scheletri e tessuti densi, la risonanza magnetica consente lo stesso nei tessuti molli. La modellazione digitale del terreno prende più immagini da diverse prospettive in orbita per consentire ricostruzioni di superfici planetarie e lunari per cavalcavia 3D. Ma tutti hanno limitazioni intrinseche - i singoli elementi delle immagini devono passare attraverso un filtraggio sostanziale per consentire una visione chiara delle regioni di interesse, il che significa ovviamente che si filtrano cose interessanti mentre si cercano gli altri. Gli elementi sovrapposti sfocano in strutture più sottili, offrendo panoramiche piacevoli all'esterno del tuo oggetto ma prive di dettagli interni che non sono sempre recuperabili semplicemente cambiando il tuo punto di vista. E, naturalmente, un limite importante è che si tratta di immagini fisse. Non importa quanto siano belli o dettagliati, stanno ancora limitando le informazioni su un oggetto complesso in informazioni strettamente visive. Ma quando prendi queste rappresentazioni visive 3D e le riconvertite in oggetti fisici, non solo riapri le possibilità di esaminarle visivamente, ma ottieni anche dettagli dal nostro senso squisitamente raffinato della forma attraverso il tatto.

Figura 1. TAC della rana toro adulta che mostra la regione di deformità

Ho trovato una domanda esaminando i dati di un vecchio studio che ho fatto. Gran parte del mio lavoro si è concentrato sullo sviluppo uditivo, usando come modello le rane toro. Le rane toro sono modelli interessanti per l'udito umano sin da prima, il loro udito è molto simile all'udito a bassa frequenza (<2500 Hz) negli esseri umani e in secondo luogo, il loro cervello è più resistente e flessibile in qualche modo rispetto agli umani.

Ad esempio, le rane possono effettivamente rigenerare il loro sistema nervoso centrale dopo il danno, qualcosa che desideriamo che gli esseri umani possano fare per prevenire cose come la perdita dell'udito causata dal rumore. Ma pagano un prezzo per questa plasticità - sono anche molto più soggetti a danni da tossine e condizioni ambientali.

Nel 2004 durante una sessione di registrazione di una rana, un membro del laboratorio ha individuato e catturato una rana toro maschio adulto dispari. Aveva solo un orecchio. Sembrava comunque salutare visto che le rane dipendono molto dall'ascolto di comportamenti sociali; questa rana avrebbe avuto problemi nell'allevare e difendere il suo territorio. L'abbiamo preso e abbiamo fatto una scansione TC per vedere se potevamo determinare l'entità della sua malformazione. Le scansioni TC sono raggi X eseguiti in una spirale continua lungo un'area di interesse, che consente di creare un modello 3D dell'osso e dei tessuti densi. La TAC della rana (Figura 1) mostrava che mentre l'orecchio interno sembrava normale su entrambi i lati, mancava il timpano e il piccolo pezzo di cartilagine chiamato stap (o stapedium) che collegava il timpano esterno all'orecchio interno.

Figura 2. Modello stampato in 3D basato su dati CT

Non è stato fino a quando non abbiamo trovato una seconda rana con la stessa malformazione, che abbiamo iniziato a capire che c'era qualcosa da fare qui. Queste due rane non mostravano segni di ferita, quindi era più probabile che qualcosa fosse successo durante lo sviluppo. Le immagini di scansione TC ci hanno portato a credere che, poiché le orecchie interne sembravano normali, questo potrebbe essere simile a una condizione umana chiamata atresia auricolare che può causare una malformazione dell'orecchio esterno e medio, ma lasciare intatte le orecchie interne. Ma ora, anni dopo, ho deciso di esaminare nuovamente le immagini, questa volta con l'aiuto della mia stampante 3D. Ho preso i file CT grezzi e utilizzando il programma open source ImageJ, ho esportato i dati di una sezione del cranio come un file di stereolitografia stampabile e ho creato un modello fisico, ingrandito di circa 25 volte (Figura 2).

Non appena ho avuto in mano il modello ed è stato in grado di girarlo e gestirlo, ho notato che c'erano effettivamente asimmetrie nelle regioni in cui il nervo uditivo (ottavo) lasciava l'orecchio interno per connettersi al cervello, suggerendo che questa malformazione non era simile all'atresia auricolare. Piuttosto, è stato probabilmente a causa dell'esposizione a insetticidi che si sono trasformati in teratogeni in presenza di luce UV e potrebbero causare anomalie più estese in alcuni punti dello sviluppo. Il modello stampato in 3D ha fornito informazioni più dettagliate su ciò che ha causato l'anomalia rispetto alle immagini originali osservate sul computer. La creazione di un modello stampabile fisico consente di utilizzare gli strumenti che si sono evoluti per utilizzare insieme - le mani e gli occhi - per espandere le scoperte anche oltre l'hardware e il software costosi.

Un altro mio interesse è l'educazione spaziale e la sensibilizzazione, e volevo applicare anche la stampa 3D a questo. L'esplorazione dei mondi (compresa la Terra) è una delle più eccitanti avventure umane del XX e del XXI secolo, eppure l'eccitazione deriva quasi esclusivamente dalle immagini. Globi di massa e salinità della Terra, cavalcavia 3D di canyon su Marte e crepe glaciali sulle lune di Giove Europa, vedute in alta definizione dei crateri lunari - con poche eccezioni tutte queste e altre sono disponibili solo visivamente. I modelli fisici, come le edizioni limitate su misura delle forme di asteroidi, costano migliaia di dollari. Globi testurizzati e mappe che permettono a qualcuno di percepire le creste montuose e le forme di terraferma sono in circolazione da oltre un secolo, originariamente sviluppati per non vedenti, ma sono disponibili solo per strumenti didattici comuni come i globi terrestri.Quindi, come puoi portare l'educazione allo spazio e alla scienza della terra ai 37 milioni di persone nel mondo che sono totalmente ciechi, per non parlare dei 124 milioni che sono quasi così? E oltre a questo, quante più persone avvistate potrebbero essere in grado di gestire fisicamente un modello di un asteroide?

Nel 2010, ho iniziato a cercare dati 3D delle forme degli asteroidi per vedere se fosse possibile stampare modelli 3D di corpi spaziali e terreni. Ho scoperto che c'era una grande quantità di forme di asteroidi derivate dai dati RADAR (in gran parte dal professor Scott Hudson della scuola di ingegneria elettrica presso la Washington State University), così come i dati del terreno digitale marziano del gruppo HiRISE della University of Arizona, alcuni di cui era già in uso nei programmi di simulazione spaziale come Celestia. Ho iniziato a prendere questi dati basati sulla NASA e (dopo un lavoro significativo) convertendoli in formati di stereolitografia e stampando modelli fisici di asteroidi, le lune marziane Phobos e Deimos e persino le caratteristiche planetarie come il cratere marziano Gusev (Figura 3).

Figura 3. Piccoli corpi spaziali da immagini (sopra) e versioni stampate in 3D (sotto).

Ma per mostrare come il ritmo del software online si nutre di nuove idee nel campo dell'istruzione e della creazione, sono stato in grado di acquisire la NASA nel realizzare un modello dell'asteroide Vesta. Vesta è il secondo asteroide più massiccio nella cintura principale ed è molto diverso dalla maggior parte degli altri asteroidi e corpi spaziali. Desideravo in particolare un modello di Vesta da confrontare con altri asteroidi "a forma di patata" come Eros perché significherebbe che qualcuno avrebbe un'immediata percezione viscerale (o almeno tattile) della differenza di forma che emerge in base al principio di gravità -induzione differenziata, dalla pila di macerie a quasi il pianeta.

Vesta è attualmente in orbita dalla sonda Dawn che sta rimandando migliaia di bellissime immagini, la NASA non aveva ancora rilasciato il modello di forma 3d "ufficiale". Ma ho trovato due modi per aggirare questo - in primo luogo, prendendo le immagini che mostravano la rotazione di Vesta e alimentandole su un programma di modellazione 3d gratuito online (www.my3dscanner.com) sono stato in grado di ottenere una nuvola di punti base, una forma basata sulle correlazioni tra punti luce e punti scuri simili tra immagini successive. Usandolo per alcuni dettagli, l'ho combinato con la "mappa globale" rilasciata di Vesta e l'ho mappata su un ovoide appiattito, derivato dalla forma di alcune delle immagini orbitali. Questo mi consente di creare un modello 3D piuttosto basso ma accurato prima ancora della versione ufficiale (Figura 4).

Figura 4. L'asteroide Vesta - immagine dalla sonda Dawn a sinistra e la mia versione stampata in 3D sulla destra.

Questa storia non tratta di essere in grado di acquisire la NASA - si tratta di dimostrare che la ricchezza di strumenti e dati gratuiti là fuori può potenziare l'interesse. Passare dalle immagini al modello 3D all'oggetto stampato consente di creare i propri modelli in scala dell'universo. Genera un curriculum che permetterà al cieco di sentire la dorsale medio-atlantica ed essere in grado di distinguere tra un cratere lunare netto e netto e uno marziano eroso dal tempo. E a livello professionale, crea accurati modelli di terreno stampati per testare veicoli itineranti o di raccolta campioni per aiutarci a continuare la nostra esplorazione, includendo un pubblico più ampio e motivando le nuove generazioni di studenti, avvistati e non, a capire che possono contenere modelli dell'universo nelle loro mani.

- Seth Horowitz



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