Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

3D-printimine CT-skaneerimise analüüsiks, kosmosekoolitus

Seth Horowitz on Brown Ülikooli ökoloogia ja evolutsioonilise bioloogia osakonna neuroteadlane ja assistentprofessor, samuti tegija ja 3D trüki entusiast. Ta jagab seda raportit mõnel viisil, mida ta on kasutanud oma 3D-printerit, sealhulgas uut uurimismeetodit.

Kolm aastat tagasi oli mul huvitav probleem - ma vajasin katsetamiseks seadet, mis võiks mugavalt elada nahkhiirt, kuid sellisel viisil, et see ei saanud hammustada ega liigutada oma peaga. Varem olin töötanud inseneridega, kes tegid väga keerulisi pleksiklaase, puuritaolisi seadmeid, mis töötasid hästi, kuid teil tuli olla mitu suurust (ja liigi) nahkhiirtele. Igaühele võib kuluda nädalaid ja maksumus oli üle tuhande dollari.

Umbes sel ajal hakati veebis rääkima 3D-printerikomplekte ja otsustasin ma proovida ja näha, kas ma saan kasutada ühte neist asjadest, et trükkida live nahkhiiride valdajaid. Ma sain väikese pilooditoetuse NASA Rhode Islandi ruumist (uurimus oli seotud NASA huvidega - nahkhiired on armastatud objektid pimedas rahvahulga rahvastikus) ja ostsid Makerbot Cupcake'i.

Pärast mitu kuud kestnud ehitamist, monteerimist, lahtivõtmist, vandumist ja ümberkonfigureerimist oli mul 3D trükitud nahkhiir, mis kasutas umbes 50 senti plastist ja trükis kõik kaks tundi. Aga kui palju nahkhiirte omanikke tegelikult vajate? Püüdes välja selgitada, mida veel minu Cupcake'iga teha sain, mõistsin, et 3D trükkimine on uus vorm andmete realiseerimine - objekti lihtsustatud kodeeritud esitusviisi võtmine ja selle objekti loomine - geenidest valkudesse mineku mehaaniline tagajärg. 3D-andmete rohkuse tõttu on võimalused peaaegu lõputud.

Vähemalt viimasel kümnendil on 3D-mudelid ja nende pildid olnud levinud teaduses ja inseneriteaduses - CT-skaneeringud loovad skelettide ja tihedate kudede kolmemõõtmelised kujutised, MRI võimaldab seda pehmetes kudedes. Digitaalne maastiku modelleerimine võtab orbiidil mitu pilti erinevatest vaatenurkadest, et võimaldada planeetide ja kuue pindade rekonstrueerimist 3D-liikumiseks. Kuid kõigil neist on oma olemuslikud piirangud - piltide üksikute elementide puhul tuleb läbida oluline filtreerimine, et võimaldada huvipakkuvate piirkondade puhast vaadet, mis muidugi tähendab, et te filtreerite huvitavaid asju teiste otsimisel. Ümarduvad elemendid hägustavad peenemaid struktuure, andes teile kenad ülevaated oma objekti välisküljest, kuid neil puudub sisemine detail, mis ei ole alati teie seisukoha muutmise teel taastatav. Ja muidugi on suureks piiranguks see, et need on fotod. Ükskõik kui ilus või üksikasjalik, piiravad nad endiselt keerulise objekti teavet rangelt visuaalseks informatsiooniks. Aga kui te võtate neid 3D-visuaalseid kujutisi ja teisendate need füüsilisteks objektideks, siis mitte ainult ei avata võimalusi nende visuaalseks uurimiseks, vaid ka saada üksikasju meie peenelt peene vormi kaudu puudutades.

Joonis 1. Täiskasvanud bullfrogi CT-skaneerimine, mis näitab deformatsiooni piirkonda

Leidsin ühe taotluse, uurides vana uuringu andmeid. Suur osa minu tööst on keskendunud kuulmisarengule, kasutades mudelina bullfroge. Bullfrogs on huvitav inimkuulamise mudel, sest kõigepealt on nende kuulmine väga sarnane madala sagedusega (<2500 Hz) kuulmisega inimestel ja teiseks on nende ajud paindlikumad ja paindlikumad kui inimestel.

Näiteks võivad konnad pärast kahjustust tegelikult oma kesknärvisüsteemi taastada, mida me soovime inimestele teha, et vältida selliseid asju nagu müra tekitatud kuulmislangus. Kuid nad maksavad selle plastilisuse eest tasu - nad on ka palju altid keskkonnamürkidest ja -tingimustest.

2004. aastal märkis üks labori liikmest konnade salvestamise ajal paaritu täiskasvanud meessoost kurn. See oli ainult üks kõrva. See tundus muidu tervena, sest konnad sõltuvad sotsiaalse käitumise kuulmisest; sellel konnal oli raskusi oma territooriumi kasvatamise ja kaitsmisega. Me tabasime selle ja tegime selle CT-skaneeringu, et näha, kas me võime kindlaks teha selle väärarengu ulatuse. CT-skaneeringud on röntgenikiired, mis on tehtud pidevas spiraalis allpool huvipakkuva ala, mis võimaldab luua luu- ja tihedate kudede 3D-mudeli. Konnakontroll CT-st (joonis 1) näitas, et kuigi selle sisemine kõrv tundus normaalne mõlemal küljel, puudus see kõrvaklambrist ja väikestest kõhreosadest, mida nimetati stapedeks (või stapediumiks), mis ühendasid välise tümpaani sisekõrvaga.

Joonis 2. CT andmetel põhinev 3D trükitud mudel

Alles siis, kui me leidsime sama väärarenguga teise konna, hakkasime mõistma, et siin on midagi. Need kaks konnad ei näidanud vigastuse märke, seega oli tõenäolisem, et arenduse käigus juhtus midagi. CT-skaneerimise kujutised uskusid, et kuna sisekõrvad tundusid normaalsetena, võib see olla sarnane inimese seisundiga, mida nimetatakse auraalseks atresiaks, mis võib põhjustada välis- ja kesknäärme väärarenguid, kuid jätavad sisekõrvad terveks. Aga nüüd, aastaid hiljem, otsustasin pilte uuesti läbi vaadata, seekord oma 3D-printeri abil. Võtsin toor-CT-failid ja kasutasin avatud lähtekoodiga programmi ImageJ, eksportisin kolju ühe osa andmeid trükitava stereolitograafiafailina ja loodin füüsilise mudeli, mis suurenes umbes 25 korda (joonis 2).

Niipea, kui mul oli mudel käes ja suutsin seda muuta ja seda käidelda, märkasin, et piirkondades, kus kuulmis- (8.) närv jättis sisemise kõrva aju külge, oli tegelikult asümmeetria, mis viitab sellele, et see väärareng ei olnud sarnane foneetilise atresiaga. Pigem oli see tõenäoliselt tingitud kokkupuutest insektitsiididega, mis muutusid UV-valguse juures teratogeenideks ja mis võivad tekitada teatud arengupunktides ulatuslikumaid kõrvalekaldeid. 3D trükitud mudel andis parema ülevaate sellest, mis põhjustas ebanormaalsust, kui arvutis esinenud originaalkujutised. Füüsilise prinditava mudeli loomine võimaldab teil kasutada töövahendeid, mida olete arendanud, et kasutada koos - käed ja silmad -, et avardada leiud kaugemale isegi kulukast riist- ja tarkvarast.

Minu teine ​​huvi on kosmosekoolitus ja teavitustegevus ning ma tahtsin sellele ka 3D-printimist rakendada. Maailmade (sh Maa) uurimine on üks 20. ja 21. sajandi kõige põnevamaid seiklustest, kuid põnevus on peaaegu eranditult kujutistest. Maa massid ja soolsus, globaalsed kanjonid Marsil ja liustikud pragud Jupiteri kuudel Europa, kõrglahutusega vaated liivakraadritele - väheste eranditega on kõik need ja veel ainult visuaalsed. Füüsilised mudelid, nagu näiteks kohandatud asteroidide piiratud väljaanded, maksavad tuhandeid dollareid. Tekstiilsed gloobused ja kaardid, mis võimaldavad kellelgi tunda mägipiire ja maapinnalisi kuju, on olnud juba üle sajandi algselt pimedate jaoks välja töötatud, kuid on saadaval ainult tavaliste õppevahendite jaoks, nagu näiteks maapinnad.Niisiis, kuidas saab tuua kosmose- ja maa-alaseid teadusharidust 37 miljonile inimesele maailmas, kes on täiesti pimedad, rääkimata 124 miljonist, kes on peaaegu nii? Ja sellest, kui palju rohkem nägevad inimesed asteroidi mudeli füüsilisest käsitsemisest välja pääseksid?

2010. aastal hakkasin otsima asteroidide kuju 3D-andmeid, et näha, kas ruumi- ja maastiku 3D-mudeleid oleks võimalik printida. Ma leidsin, et RADARi andmetest saadi palju rikkalikke asteroidikuju (Washingtoni Riikliku Ülikooli elektrotehnikakooli professor Scott Hudson), samuti Marsi Ülikooli Arizona HiRISE grupi andmeid Marsi digitaalse maastiku kohta. millest juba kasutati kosmosesimulatsiooniprogrammides nagu Celestia. Alustasin neid NASA-põhiseid andmeid ja (pärast olulist tööd) konverteerides need stereolitograafia vorminguteks ja trükkides asteroidide, Marsi kuude Phobose ja Deimose füüsilisi mudeleid ning isegi planeedi omadusi, nagu Marsi kraater Gusev (joonis 3).

Joonis 3. Väikesed ruumikehad piltidest (ülalpool) ja 3D trükitud versioonidest (allpool).

Kuid selleks, et näidata, kuidas veebitarkvara kiirus uutesse ideedesse hariduses ja tegemises hakkab, sain NASA-le asteroidi Vesta mudeli tegemiseks. Vesta on suuruselt teine ​​massiivne asteroid peavööst ja on väga erinev teistest asteroididest ja kosmosekehadest. Ma tahtsin eriti, et Vesta mudel oleks võrreldav teiste "kartulikujuliste" asteroididega, nagu Eros, sest see tähendaks, et keegi saaks vahetu vistseraalse (või vähemalt haptilise) arusaama raskusastme põhimõttest tulenevast kuju erinevusest -indutseeritud diferentseerumine, alates killustikust peaaegu planeedile.

Vesta sõidab praegu Dawn sond, mis saadab tagasi tuhandeid ilusaid pilte, NASA ei olnud veel välja andnud „ametlikku” 3d kuju mudelit. Kuid ma leidsin selle ümber kahel viisil - esiteks, võtes Vesta pööramist näitavad pildid ja söötes need tasuta tasuta 3D-modelleerimisprogrammile (www.my3dscanner.com), sain põhipunkti pilve, mille aluseks oli kuju korrelatsioonide vahel sarnaste valguse ja tumedate punktide vahel järjestikuste piltide vahel. Kasutades seda mõnede detailide puhul, ühendasin selle Vesta vabanenud „globaalse kaardiga” ja kaardistasin lamedale munarakkule, mis on tuletatud mõnede orbitaalsete kujutiste kujust. See lubab mul enne ametlikku vabastamist luua mõnevõrra madala, kuid täpse 3D mudeli (joonis 4).

Joonis 4. Asteroid Vesta - kujutis Dawni sondist vasakul ja minu 3D trükitud versioon paremal.

See lugu ei tähenda, et suudaksime NASA-d kühvelda - see näitab, et sealsed vahendid ja tasuta andmed võivad anda huvitatud isikutele võimaluse. Pildist 3D-mudelile trükitud objektile minek võimaldab teil luua oma universumi mudeli. Loo õppekava, mis laseb pimedal tunda Atlandi ookeani keskosa ja suudab öelda erinevust karm, terav Kuu kraater ja ilmastikukindel Marsi üks. Professionaalsel tasandil looge täpsed trükimudelid maastikul, et testida racing või proovi kogumise sõidukeid, et aidata meil jätkata uurimist, sealhulgas laiemat vaatajaskonda ja motiveerida uusi põlvkondi, nägemata ja mitte, et mõista, et nad saavad universumi mudeleid hoida oma kätes.

- Seth Horowitz

Osa

Jätnud Kommentaari