Impresión 3D para análisis de tomografía computarizada, educación espacial - 💡 Fix My Ideas

Impresión 3D para análisis de tomografía computarizada, educación espacial

Impresión 3D para análisis de tomografía computarizada, educación espacial


Autor: Ethan Holmes, 2019

Seth Horowitz es neurocientífico y profesor asistente de investigación en el Departamento de Ecología y Biología Evolutiva de la Universidad de Brown, además de creador y entusiasta de la impresión 3D. Comparte este informe sobre algunas formas en que ha estado usando su impresora 3D, incluido un nuevo método de investigación.

Hace tres años tuve un problema interesante: necesitaba un dispositivo para un experimento que pudiera sostener cómodamente un bate vivo, pero de tal manera que no pudiera morder o mover la cabeza. En el pasado, trabajé con ingenieros que harían plexiglás muy complejos, dispositivos tipo jaula que funcionaban bien, pero tenía que tener varios para adaptarse a diferentes tamaños de murciélagos (y especies). Podría tomar semanas para hacer cada uno y el costo fue de más de mil dólares cada uno.

En esta época, los kits de impresoras 3D estaban empezando a hablarse en la web y decidí probar y ver si podía usar una de estas cosas para imprimir en forma personalizada los soportes para murciélagos. Obtuve una pequeña subvención de piloto del Rhode Island Space de la NASA (la investigación fue relevante para los intereses de la NASA: los murciélagos son súbditos queridos para la multitud que se mueve en la oscuridad) y compré un Makerbot Cupcake.

Después de varios meses de construcción, montaje, desmontaje, juramento y reconfiguración, tuve mi soporte para murciélagos impreso en 3D, que usaba aproximadamente 50 centavos de plástico y me tomó dos horas imprimirlo. Pero, ¿cuántos bateadores necesitas en realidad? Al tratar de averiguar qué más podía hacer con mi Cupcake, me di cuenta de que la impresión 3D es una nueva forma de actualización de datos - tomar la representación codificada simplificada de un objeto y crear ese objeto - un corolario mecánico de ir de los genes a las proteínas. Y con la gran cantidad de datos en 3D que existen, las posibilidades son casi infinitas.

Al menos en la última década, los modelos 3D y sus imágenes han sido comunes en la ciencia y la ingeniería. Las tomografías computarizadas crean imágenes tridimensionales de esqueletos y tejidos densos, y la MRI permite lo mismo en los tejidos blandos. El modelado digital del terreno toma múltiples imágenes desde diferentes perspectivas en órbita para permitir reconstrucciones de superficies planetarias y lunares para vuelos en 3D. Pero todos estos tienen limitaciones inherentes: los elementos individuales de las imágenes tienen que pasar por un filtrado sustancial para permitir una visión clara de las regiones de interés, lo que, por supuesto, significa que filtra cosas interesantes mientras busca otras. Los elementos superpuestos se desdibujan de estructuras más finas, lo que le brinda bonitas vistas generales del exterior de su objeto, pero carece de detalles internos que no siempre se pueden recuperar simplemente cambiando su punto de vista. Y, por supuesto, una limitación importante es que estas son imágenes fijas. No importa lo bonitos o detallados que sean, todavía limitan la información sobre un objeto complejo a información estrictamente visual. Pero cuando toma estas representaciones visuales en 3D y las convierte de nuevo en objetos físicos, no solo vuelve a abrir las posibilidades para examinarlas visualmente, sino que también obtiene detalles de nuestro exquisito sentido de la forma a través del tacto.

Figura 1. Tomografía computarizada de rana toro adulta que muestra la región de deformidad

Encontré una aplicación al examinar los datos de un estudio anterior que hice. Gran parte de mi trabajo se ha centrado en el desarrollo auditivo, utilizando ranas toras como modelo. Las ranas toro son modelos interesantes para la audición humana ya que primero, su audición es muy similar a la audición de baja frecuencia (<2500 Hz) en humanos y, segundo, sus cerebros son más resistentes y flexibles en algunos aspectos que los humanos.

Por ejemplo, las ranas realmente pueden regenerar su sistema nervioso central después del daño, algo que deseamos que los humanos puedan hacer para prevenir cosas como la pérdida de audición inducida por el ruido. Pero pagan un precio por esta plasticidad: también son mucho más propensos a sufrir daños causados ​​por toxinas y condiciones ambientales.

En 2004, durante una sesión de grabación de ranas, un miembro del laboratorio descubrió y atrapó una rana toro macho adulta. Tenía una sola oreja. Por lo demás, parecía sano, ya que las ranas son muy dependientes de la audición para el comportamiento social; Esta rana iba a tener problemas para criar y defender su territorio. Lo detectamos y le hicimos una tomografía computarizada para ver si podíamos determinar el alcance de su malformación. Las tomografías computarizadas son rayos X que se toman en una espiral continua en un área de interés, lo que le permite crear un modelo 3D del hueso y los tejidos densos. La tomografía computarizada de la rana (Figura 1) mostró que, si bien su oído interno parecía normal en ambos lados, le faltaba el tímpano y el trozo pequeño de cartílago llamado estribo (o stapedium) que conectaba el tímpano externo con el oído interno.

Figura 2. Modelo impreso 3d basado en datos de TC.

No fue hasta que encontramos una segunda rana con la misma malformación, que empezamos a darnos cuenta de que algo estaba pasando aquí. Estas dos ranas no mostraron signos de lesión, por lo que era más probable que algo ocurriera durante el desarrollo. Las imágenes de la tomografía computarizada nos llevaron a creer que dado que los oídos internos parecían normales, esto podría ser similar a una condición humana llamada atresia auditiva que puede causar una malformación de los oídos medio y externo, pero deja el oído interno intacto. Pero ahora, años más tarde, decidí examinar las imágenes nuevamente, esta vez con la ayuda de mi impresora 3D. Tomé los archivos de CT sin procesar y, utilizando el programa de código abierto ImageJ, exporté los datos de una sección del cráneo como un archivo de estereolitografía imprimible y creé un modelo físico, ampliado 25 veces (Figura 2).

Tan pronto como tuve el modelo en la mano y pude girarlo y manejarlo, noté que en realidad había asimetrías en regiones donde el nervio auditivo (8º) abandonaba el oído interno para conectarse al cerebro, lo que sugiere que esta malformación No era similar a la atresia auditiva. Más bien, probablemente se debió a la exposición a insecticidas que cambiaron a teratógenos en presencia de luz UV y podrían causar anormalidades más extensas en ciertos puntos del desarrollo. El modelo impreso en 3D terminó dando una mejor perspectiva de lo que causó la anormalidad que las imágenes originales observadas en la computadora. La creación de un modelo físico imprimible le permite usar las herramientas que ha evolucionado para usar en conjunto, sus manos y ojos, para expandir los descubrimientos más allá de hardware y software costosos.

Otro de mis intereses es la educación espacial y la divulgación, y también quería aplicar la impresión 3D a esto. La exploración de mundos (incluida la Tierra) es una de las aventuras humanas más emocionantes de los siglos XX y XXI, y sin embargo, la emoción proviene casi exclusivamente de las imágenes. Globos de masa y salinidad de la Tierra, vuelos en 3D de los cañones en Marte y grietas glaciares en las lunas de Europa de Júpiter, vistas de alta definición de los cráteres lunares, con pocas excepciones, todo esto y más están disponibles solo visualmente. Los modelos físicos, como las ediciones limitadas a medida de formas de asteroides, cuestan miles de dólares. Los globos y mapas texturizados que permiten que alguien sienta las cordilleras de las montañas y las formas de la masa de tierra han existido durante más de un siglo, originalmente desarrollado para ciegos, pero solo están disponibles para herramientas de enseñanza comunes, como los globos terrestres.Entonces, ¿cómo se puede brindar educación en ciencias del espacio y de la tierra a los 37 millones de personas en el mundo que son totalmente ciegas, sin mencionar los 124 millones que casi lo son? Y más allá de eso, ¿cuánto más obtendrían las personas videntes de poder manejar físicamente un modelo de asteroide?

En 2010, comencé a buscar datos en 3D de las formas de los asteroides para ver si sería posible imprimir modelos en 3D de cuerpos y terrenos espaciales. Descubrí que había una gran cantidad de formas de asteroides derivadas de los datos de RADAR (en gran parte por el profesor Scott Hudson, de la escuela de ingeniería eléctrica de la Universidad Estatal de Washington), así como datos digitales del terreno de Marte del grupo HiRISE de la Universidad de Arizona, algunos De los cuales ya se estaba utilizando en programas de simulación espacial como Celestia. Comencé a tomar estos datos basados ​​en la NASA y (después de un trabajo significativo) a convertirlos en formatos de estereolitografía e imprimir modelos físicos de asteroides, las lunas marcianas, Fobos y Deimos, e incluso características planetarias como el cráter marciano Gusev (Figura 3).

Figura 3. Cuerpos espaciales pequeños a partir de imágenes (arriba) y versiones impresas en 3D (abajo).

Pero para mostrar cómo el ritmo del software en línea se alimenta de nuevas ideas en educación y creación, tuve la oportunidad de captar a la NASA para hacer un modelo del asteroide Vesta. Vesta es el segundo asteroide más masivo en el cinturón principal y es muy diferente de la mayoría de los otros asteroides y cuerpos espaciales. Quería particularmente que un modelo de Vesta se comparara con otros asteroides "en forma de papa" como Eros porque significaría que alguien obtendría un conocimiento visceral (o al menos háptico) inmediato de la diferencia de forma que surge según el principio de gravedad. -Diferenciación, desde pila de escombros hasta casi planeta.

Vesta está siendo orbitada actualmente por la sonda Dawn, que está devolviendo miles de bellas imágenes; la NASA aún no ha lanzado el modelo "oficial" de formas en 3D. Pero encontré dos maneras de solucionar esto: primero, tomando las imágenes que mostraban la rotación de Vesta y alimentándolas a un programa de modelado 3D gratuito en línea (www.my3dscanner.com) pude obtener una nube de puntos básica, basada en la forma en las correlaciones entre puntos claros y oscuros similares entre imágenes sucesivas. Usando eso para algunos de los detalles, lo combiné con el "mapa global" de Vesta y lo mapeé en un ovoide aplanado, derivado de la forma de algunas de las imágenes orbitales. Esto me permitió crear un modelo 3D de baja resolución pero preciso incluso antes del lanzamiento oficial (Figura 4).

Figura 4. El asteroide Vesta: imagen de la sonda Dawn a la izquierda y mi versión impresa en 3D a la derecha.

Esta historia no se trata de poder captar a la NASA, se trata de demostrar que la gran cantidad de herramientas y datos gratuitos que hay por ahí pueden capacitar a los interesados. Pasar de imágenes a modelos 3D a objetos impresos le permite crear sus propios modelos a escala del universo. Genere un plan de estudios que permita a los ciegos sentir la cordillera del Atlántico medio y poder distinguir la diferencia entre un cráter lunar marcado y agudo y uno marciano erosionado por el clima. Y, a nivel profesional, cree modelos impresos precisos de terrenos para probar vehículos itinerantes o de recolección de muestras para ayudarnos a continuar nuestra exploración, incluyendo un público más amplio y motivando a nuevas generaciones de estudiantes, videntes y no, a darse cuenta de que pueden tener modelos del universo. en sus propias manos.

- Seth Horowitz



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