3D-udskrivning til CT Scan-analyse, Space Education - 💡 Fix My Ideas

3D-udskrivning til CT Scan-analyse, Space Education

3D-udskrivning til CT Scan-analyse, Space Education


Forfatter: Ethan Holmes, 2019

Seth Horowitz er en neuroscientist og assisterende forskningsprofessor i Institut for Økologi og Evolutionærbiologi ved Brown University samt en maker og en 3D-printentusiast. Han deler denne rapport på nogle måder, at han har brugt sin 3D-printer, herunder en ny forskningsmetode.

For tre år siden havde jeg et interessant problem - jeg havde brug for en enhed til et eksperiment, der kunne holde et levende slagfladt komfortabelt, men på en sådan måde, at den ikke kunne bide eller flytte hovedet rundt. Tidligere havde jeg arbejdet med ingeniører, der ville lave meget komplekse plexiglas, burlignende enheder, der fungerede godt, men du måtte have flere til at passe til forskellige størrelser (og arter) flagermus. Det kunne tage uger at lave hver enkelt og prisen var over tusind dollars hver.

Om dette tidspunkt begyndte 3D-printersæt at blive talt om på internettet, og jeg besluttede, at jeg ville forsøge at se, om jeg kunne bruge en af ​​disse ting til brugerdefinerede udskrive levende flagermusholdere. Jeg fik et lille pilotbidrag fra NASA Rhode Island Space (undersøgelsen var relevant for NASAs interesser - flagermus er elskede emner for den flytte-i-mørke crowd) og købte en Makerbot Cupcake.

Efter flere måneders konstruktion, montering, demontering, sværning og omkonfigurering havde jeg min 3D-trykte flagermusholder, der brugte ca. 50 cent plastik og tog alle to timer til at udskrive. Men hvor mange batseholdere har du faktisk brug for? For at finde ud af, hvad jeg ellers kunne gøre med min Cupcake, indså jeg, at 3D-udskrivning er en ny form for data aktualisering - tager den forenklede kodede repræsentation af et objekt og skaber det objekt - en mekanisk konsekvens af at gå fra gener til proteiner. Og med rigdom af 3D-data rundt, er mulighederne næsten uendelige.

I det sidste årti har 3D-modeller og deres billeder været almindelige inden for videnskab og teknik - CT-scanninger skaber tredimensionale billeder af skeletter og tætte væv. MRI gør det samme i blødt væv. Digital terrænmodellering tager flere billeder fra forskellige perspektiver i kredsløb for at muliggøre rekonstruktioner af planeten og månens overflader til 3D flyovers. Men alle disse har iboende begrænsninger - de enkelte elementer i billederne skal gennemgå en betydelig filtrering for at give et rent billede af interessepunkter, hvilket naturligvis betyder at du filtrerer interessante ting, mens du leder efter andre. Overlappende elementer slør af finere strukturer, hvilket giver dig flotte oversigter over ydersiden af ​​din genstand, men mangler indre detaljer, som ikke altid kan genvindes bare ved at ændre dit synspunkt. Og selvfølgelig er en stor begrænsning, at disse stadig er billeder. Ligegyldigt hvor smuk eller detaljeret, de begrænser stadig information om et komplekst objekt til strengt visuel information. Men når du tager disse 3D-visuelle repræsentationer og konverterer dem tilbage til fysiske objekter, åbner du ikke kun mulighederne for at undersøge dem visuelt, men også at få detaljer fra vores udsøgte fine følelsesform gennem berøring.

Figur 1. CT-scanning af voksen bullfrog viser region af deformitet

Jeg fandt en ansøgning ved at undersøge data fra en gammel undersøgelse, jeg gjorde. Meget af mit arbejde har fokuseret på auditiv udvikling ved hjælp af bullfrogs som model. Bullfrogs er interessante modeller for menneskelig hørelse siden først, deres hørelse ligner meget hørelse hos mennesker med lav frekvens (<2500 Hz) og for det andet er deres hjerner mere modstandsdygtige og fleksible på nogle måder end mennesker.

For eksempel kan frøer faktisk regenerere deres centralnervesystem efter skade, noget vi ønsker mennesker kunne gøre for at forhindre ting som støjinduceret høretab. Men de betaler en pris for denne plasticitet - de er også meget mere tilbøjelige til at beskadige af miljøgifter og betingelser.

I 2004 i løbet af en frøopsamlingssession spottet et medlem af laboratoriet og fangede en ulige voksen mandlig bullfrog. Det havde kun ét øre. Det syntes ellers friskt, da frøer er meget afhængige af at høre for social adfærd; denne frø skulle have problemer med at opdrætte og forsvare sit territorium. Vi fangede det og tog en CT-scanning af det for at se, om vi kunne bestemme omfanget af dets misdannelse. CT-scanninger er røntgenbilleder taget i en kontinuerlig spiral ned et område af interesse, som giver dig mulighed for at oprette en 3D-model af knoglen og tætte væv. CT-skanningen af ​​frøen (figur 1) viste, at mens dets indre øre syntes normalt på begge sider, manglede det trommehinden og det lille brusk, der kaldes stifterne (eller stapedium), der forbinder den ydre tympanum med det indre øre.

Figur 2. 3D-trykt model baseret på CT data

Det var først, før vi fandt en anden frø med samme misdannelse, at vi begyndte at indse, at der var noget der foregår her. Disse to frøer viste ingen tegn på skade, så det var mere sandsynligt, at der skete noget under udvikling. CT scan-billederne førte os til at tro, at da de indre ører så normale, kunne det ligner en menneskelig tilstand kaldet aural atresi, der kan forårsage misdannelse af de ydre og mellemliggende ører, men lad de indre ører være intakte. Men nu, år senere, besluttede jeg at undersøge billeder igen, denne gang ved hjælp af min 3D printer. Jeg tog de rå CT-filer og brugte open source-programmet ImageJ, eksporterede dataene fra en sektion af kraniet som en udskrivbar stereolithografisk fil og lavede en fysisk model, forstørret ca. 25 gange (figur 2).

Så snart jeg havde modellen i hånden og var i stand til at vende det og håndtere det, så jeg, at der faktisk var asymmetrier i regioner, hvor den auditive (8) nerve forlod det indre øre for at forbinde til hjernen, hvilket tyder på, at denne misdannelse lignede ikke aural atresi. Det var snarere sandsynligt på grund af eksponering for insekticider, der ændrede sig til teratogener i nærvær af UV-lys og kunne forårsage mere omfattende abnormiteter på visse punkter i udvikling. Den 3D-udskrevne model endte med at give større indsigt i, hvad der forårsagede abnormiteten, end de originale billeder observerede på computeren. Ved at lave en fysisk printbar model kan du bruge de værktøjer, du har udviklet til at bruge sammen - dine hænder og øjne - for at udvide resultater ud over endda dyr hardware og software.

En anden interesse for mig er rumundervisning og outreach, og jeg ville også anvende 3D-udskrivning på dette. Undersøgelse af verdener (herunder jorden) er et af de mest spændende menneskelige eventyr i det 20. og 21. århundrede, og alligevel kommer spændingen næsten udelukkende fra billedsprog. Jordens masse og saltholdige jordarter, 3D-gennemgange af kløfter på Mars og glaciale revner på Jupiters måner Europa, højdefinitioner af månekratere - med få undtagelser er alle disse og flere kun visuelt tilgængelige. Fysiske modeller, såsom brugerdefinerede begrænsede udgaver af asteroide former, koster tusinder af dollars. Strukturerede glober og kort, der gør det muligt for nogen at føle bjergkanter og landmassformer har eksisteret i over et århundrede, oprindeligt udviklet til blinde, men er kun tilgængelige for fælles undervisningsværktøjer som jordkloden.Så hvordan kan du medbringe plads- og jordfaguddannelse til de 37 millioner mennesker i verden, som er helt blinde, for ikke at nævne de 124 millioner, der næsten er så? Og ud over det, hvor meget mere ville synet folk komme ud af at være i stand til fysisk at håndtere en model af en asteroide?

I 2010 begyndte jeg at søge 3D-data om asteroids former for at se, om det ville være muligt at udskrive 3D-modeller af rumlegemer og terræn. Jeg fandt ud af, at der var et væld af asteroide former afledt af RADAR data (hovedsageligt af professor Scott Hudson fra elingeniør ved Washington State University) samt data fra Martian digital terrain fra University of Arizona's HiRISE-gruppe, nogle hvoraf allerede blev brugt i rumsimuleringsprogrammer som Celestia. Jeg begyndte at tage disse NASA-baserede data og konvertere dem til stereolithografiske formater og printe fysiske modeller af asteroider, Martian Monons Phobos og Deimos og endda planetariske træk som Martian Crater Gusev (Figur 3).

Figur 3. Små rumlegemer fra billeder (over) og 3D trykte versioner (nedenfor).

Men for at vise, hvordan tempoet i online-software feeds til nye ideer i uddannelse og fremstilling, kunne jeg scoop NASA til at lave en model af asteroiden Vesta. Vesta er den anden mest massive asteroide i hovedbæltet og er meget forskellig fra de fleste andre asteroider og rumlegemer. Jeg ønskede især en model af Vesta at sammenligne med andre "kartoffelformede" asteroider som Eros, fordi det ville betyde, at nogen ville få en øjeblikkelig visceral (eller i det mindste haptisk) forståelse af forskellen i form, der fremkommer på grundlag af tyngdekraften -induceret differentiering, fra murbrokker til næsten planet.

Vesta er i øjeblikket bevæget af Dawn-sonden, som sender tusindvis af smukke billeder tilbage, NASA havde endnu ikke udgivet den "officielle" 3d-formemodel. Men jeg fandt to måder omkring dette - først ved at tage billederne, der viste rotationen af ​​Vesta og fodre dem på et online gratis 3d modelleringsprogram (www.my3dscanner.com). Jeg var i stand til at få en grundlæggende punktsky, en formbaseret om korrelationer mellem lignende lys og mørke punkter mellem successive billeder. Ved at bruge det til nogle af detaljerne kombinerede jeg det med Vesta's udgivne "globale kort" og kortlagde det på en fladt ovoid, afledt af formen af ​​nogle af de orbitalbilleder. Dette giver mig mulighed for at lave en noget lav-res men præcis 3D-model, selv før den officielle udgivelse (Figur 4).

Figur 4. Asteroiden Vesta - billedet fra Dawn-sonden til venstre og min 3D-trykte version til højre.

Denne historie handler ikke om at kunne scoop NASA - det handler om at demonstrere, at rigdom af værktøjer og gratis data derude kan styrke de interesserede. Hvis du går fra billeder til 3D-model til trykt objekt, kan du lave dine egne skala modeller af universet. Generer en læseplan, der gør det muligt for blinde at føle den midtatlantiske højderyg og være i stand til at fortælle forskellen mellem et skarpt, skarpt måneskrater og en vejrretoderet martian. Og på professionelt niveau opretter du nøjagtige trykte modeller af terræn for at teste roving- eller prøveindsamlingsbiler for at hjælpe os med at fortsætte vores udforskning, herunder et bredere publikum og motivere nye generationer af studerende, synskede og ikke for at indse, at de kan holde modeller af universet i egne hænder.

- Seth Horowitz



Du Kan Være Interesseret

Hyldest til Math Craft

Hyldest til Math Craft


Math mandag: Paper Polyhedra

Math mandag: Paper Polyhedra


20 Brilliant Tool Storage Solutions

20 Brilliant Tool Storage Solutions


5 Mere Clever Tool Storage Solutions

5 Mere Clever Tool Storage Solutions






Seneste Indlæg