Oparte na bitmapach drukowanie 3D w celu stworzenia wysoce szczegółowych modeli anatomicznych

Niestety, obrazy te są tak szczegółowe, że część, która musi być wydrukowana w 3D, musi być odizolowana od otaczającej tkanki, a następnie przekształcona w siatkę powierzchni. Podczas gdy komputer może szybko to zrobić w automatycznym procesie progowania, może przesadnie lub zbyt mocno wyolbrzymić rozmiar obiektu, a także wypłukać ważne szczegóły.

Teraz nowa technika druku 3D dzięki wspólnym badaniom Zespół pozwala łatwo szybko przekształcić te medyczne skany w bardzo szczegółowe, wydrukowane w 3D modele - i za niższą cenę CD3D .

"Prawie wyskoczyłem z krzesła, gdy zobaczyłem, co ta technologia jest w stanie zrobić. Tworzy niezwykle szczegółowe modele medyczne z nadrukiem 3D, z ułamkiem wymaganej obecnie pracy fizycznej, dzięki czemu drukowanie 3D staje się bardziej dostępne dla medycyny jako narzędzie do badań i diagnostyki "- powiedział dr Beth Ripley, adiunkt w dziale radiologii w Uniwersytet Waszyngtona i kliniczny radiolog w Seattle VA.

Wszystko zaczęło się w 2016 roku, kiedy doktor Steven Keating miał guz mózgu wielkości baseballa usunięty, gdy był studentem Grupa Mediated Matter w MIT Media Lab. Chciał lepiej zrozumieć swoją diagnozę i opcje leczenia, i zobaczyć, jak wyglądał jego mózg wraz z guzem, i rozpoczął drukowanie 3D swoich skanów MRI i TK. Sfrustrowany, jak trudne, długie i nieścisłe były obecne metody, skontaktował się z niektórymi współpracownikami grupy, w tym członkami Instytutu Wyss na Uniwersytecie Harvarda.

Ahmed Hosny, pracownik naukowy z Wyss Instytut w tym czasie, a obecnie inżynier Machine Learning w Dana-Farber Cancer Institute, powiedział: "Nigdy nie przyszło nam do głowy, aby użyć tego podejścia do ludzkiej anatomii, dopóki Steve nie przyszedł do nas i nie powiedział:" Chłopaki, oto moje dane, co może robimy? '"

Współpraca ta objęła dr Neri Oxman, dyrektora grupy Mediated Matter i profesora nadzwyczajnego w dziedzinie sztuki i nauki medialnej; James Weaver, doktor, starszy pracownik naukowy w Instytucie Wyss; oraz zespół lekarzy i naukowców z USA i Niemiec. Wspierany przez grant z Human Frontier Science Program, National Heart, Lung, and Blood Institute, National Institute of Biomedical Imaging i Bioinżynierii oraz Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis 2010, oni opublikował na swojej pracy w 3D Printing i Additive Manufacturing.

"Ciekawość jest jedną z nichNajwięksi kierowcy innowacji i zmian na rzecz większego dobra, szczególnie gdy chodzi o zbadanie pytań dotyczących różnych dyscyplin i instytucji "- powiedział dr Donald Ingber, dyrektor naukowy Instytutu Wyss, który jest także profesorem biologii naczyniowej Judasza Folkmana w Harvard Medical School ( HMS) i Program Biologii Naczyniowej w Szpitalu Dziecięcym w Bostonie i Profesorze Bioinżynierii w Harvard's John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Instytut Wyss jest dumny z tego, że może być przestrzenią, w której tego typu innowacje w terenie mogą się rozwijać."

Nowa metoda zespołu to dokładny, szybki sposób przekształcania złożonych obrazów w łatwy do wydrukowania format 3D. Korzysta z cyfrowego formatu plików zwanego dzyframianymi bitmapami, gdzie każdy piksel z obrazu w skali szarości jest konwertowany na czarno-białe piksele; gęstość czerni określa różne odcienie szarości.

Pomyśl o tym, jak obrazy z papieru gazetowego przenoszą cień przez różne rozmiary kropek czarnego atramentu - im więcej czarnych pikseli w obszarze, tym ciemniej wygląda. Wygaszone bitmapy upraszczają wszystkie piksele obrazu od odcieni szarości do czarno-białej mieszaniny, co oznacza, że ​​drukarka 3D może wykorzystywać dwa materiały do ​​szybkiego tworzenia złożonych obrazów medycznych, które zachowują odmiany od oryginalnych danych.

Weaver "Nasze podejście nie tylko pozwala zachować wysoki poziom szczegółowości i być drukowane na modelach medycznych, ale także pozwala zaoszczędzić ogromną ilość czasu i pieniędzy. Ręczne segmentowanie obrazu TK zdrowej ludzkiej stopy, z całą jej wewnętrzną strukturą kostną, szpikiem kostnym, ścięgnami, mięśniami, tkanką miękką i skórą, na przykład, może trwać ponad 30 godzin, nawet przez wyszkolonego profesjonalistę - byliśmy w stanie zrobić to w niecałą godzinę. "

Naukowcy stworzyli modele mózgu i guza Keatinga za pomocą druku 3D opartego na bitmapach, który zachował wszystkie gradacje od surowych danych MRI w szczegółach o wysokiej rozdzielczości. Ich metoda została również wykorzystana do drukowania trójwymiarowego modelu o zmiennej sztywności, wielomateriałowego modelu zastawki serca.

Celem jest uczynienie tej metody bardziej wykonalną dla edukacji pacjenta i rutynowych egzaminów.

"W tej chwili dla szpitali jest zbyt drogie, aby zatrudniać zespół specjalistów, aby wejść i ręcznie segmentować zestawy danych obrazu do drukowania 3D, z wyjątkiem przypadków wyjątkowo wysokiego ryzyka lub głośnych" - wyjaśnił Hosny. "Mamy nadzieję to zmienić."

Zespół potrzebuje pomocy ze strony społeczności medycznej, aby osiągnąć ten cel. Jegotrudno jest uzyskać pliki skanowania surowych obrazów MRI lub CT niezbędne do drukowania w wysokiej rozdzielczości 3D, ponieważ większość tych danych jest kompresowana w celu zaoszczędzenia miejsca.

Ponadto zespół pracował ze Stratasys, aby korzystać z jego 3D Zdolność drukarki do drukowania bitmapowego, ale nowe pakiety oprogramowania muszą zostać opracowane, aby inni mogli mieć dostęp do tych możliwości.

Uważają jednak, że ich praca może "stanowić znaczącą wartość dla społeczności medycznej." < / p>

Weaver powiedział: "Wyobrażam sobie, że kiedyś w ciągu najbliższych 5 lat nadejdzie dzień, w którym każdy pacjent, który wejdzie do gabinetu lekarskiego na rutynowe lub nierutynowe badanie TK lub MRI, będzie mógł uzyskać Wydrukowany w 3D model ich danych specyficznych dla pacjenta w ciągu kilku dni.

"Zdolność zrozumienia tego, co dzieje się w tobie, faktycznego trzymania go w dłoniach i obserwowania efektów leczenia, jest niesamowicie wzmacniająca . "

Współautorami artykułu są Hosny i Keating; Joshua Dilley, MD, z Massachusetts General Hospital (MGH); Ripley; Tatiana Kelil, MD, z Brigham and Women's Hospital (BWH); Steve Pieper, PhD, z Laboratorium Planowania Chirurgicznego w BWH i CEO Isomics, Inc .; Dominik Kolb, MS, były Asystent ds. Badań w MIT Media Lab; Christoph Bader, MS, z MIT Media Lab; Anne-Marie Pobloth, DVM, wraz z Instytutem Biomechaniki i Regeneracji Mięśniowo-Układowej Juliusa Wolffa w Charité - Universitätsmedizin Berlin; Molly Griffin, z Gillette Center for Women's Cancer at MGH; Rezy Nezafat, z Beth Israel Deaconess Medical Center; Dr Georg Duda z biomechaniką i regeneracją układu mięśniowo-szkieletowego w Charité - Universitätsmedizin Berlin oraz dyrektor Instytutu Juliusza Wolffa; Ennio Ciocca, MD, doktor, współzarządzający w Instytucie Neuronauki i profesor w HMS; James Stone, doktor, z MGH i HMS; James Michaelson, doktor, dyrektor Laboratorium Medycyny Ilościowej w MGH; Mason Dean, PhD; z Instytutu Koloidów i Interfejsów Maxa Plancka; Oxman; i Weaver.

Porozmawiaj o tym i innych tematach drukowania 3D na stronie 3DPrintBoard.com lub podziel się poniższymi przemyśleniami.