3D nyomtatás a CT szkennelés elemzéséhez, űroktatás - 💡 Fix My Ideas

3D nyomtatás a CT szkennelés elemzéséhez, űroktatás

3D nyomtatás a CT szkennelés elemzéséhez, űroktatás


Szerző: Ethan Holmes, 2019

Seth Horowitz neurológus és kutatóprofesszor asszisztens a Brown Egyetem Ökológiai és Evolúciós Biológiai Tanszékén, valamint készítő és 3D nyomtatási rajongó. Ezt a jelentést néhány módon osztja meg a 3D-s nyomtatójának használatával, beleértve egy új kutatási módszert is.

Három évvel ezelőtt volt egy érdekes probléma - szükség volt egy eszközre egy kísérlethez, amely kényelmesen tarthatott volna egy élő denevéret, de oly módon, hogy nem tudott harapni vagy mozgatni a fejét. A múltban olyan mérnökökkel dolgoztam, akik nagyon bonyolult plexi, ketrecszerű eszközöket csináltak, amelyek jól működtek, de többnek kellett lennie, hogy különböző méretű (és fajú) denevérekhez illeszkedjen. Hetekig eltarthat, hogy mindegyik megtörténjen, és a költség több mint ezer dollár volt.

Körülbelül ebben az időben kezdtek el beszélni a 3D-s nyomtatókészletekről az interneten, és úgy döntöttem, megpróbálom megnézni, hogy használhatok-e egy ilyen dolgot az egyéni nyomtatáshoz. Egy kis kísérleti támogatást kaptam a NASA Rhode Island Space-ről (a kutatás a NASA érdekeit szem előtt tartotta - a denevérek szeretett tantárgyak a mozgó-a-sötétben tömegben) és megvásárolták a Makerbot Cupcake-t.

Több hónapos építés, összeszerelés, szétszerelés, káromkodás és újrakonfigurálás után a 3D-s nyomtatott denevértartóm volt, amely körülbelül 50 cent értékű műanyagot használt, és mindössze két órát nyomtatott. De hány denevér-tulajdonosra van szüksége? Megpróbálva kitalálni, hogy mit tehetek még a Cupcake-el, rájöttem, hogy a 3D nyomtatás új formája adatok aktualizálása - az objektum egyszerűsített kódolt ábrázolásának megalkotása és az objektum létrehozása - a génekből a fehérjékbe való elmozdulás mechanikai következménye. A 3D-s adatok gazdagságával a lehetőségek szinte végtelenek.

Legalább az elmúlt évtizedben a 3D-s modellek és képeik gyakoriak voltak a tudományban és a mérnöki munkában - a CT-vizsgálatok háromdimenziós képeket hoznak létre a csontvázakról és a sűrű szövetekről, az MRI lehetővé teszi ugyanezt a lágy szövetekben. A digitális terepmodellezés többféle képet vesz fel a különböző pályákból a pályán, hogy lehetővé tegye a bolygó és a holdfelületek rekonstrukcióját a 3D-s repülésekhez. Mindezek azonban sajátos korlátokkal rendelkeznek - a képek egyes elemeinek jelentős szűrésen kell átesniük, hogy lehetővé tegyük az érdeklődésre számot tartó régiók tiszta nézetét, ami természetesen azt is jelenti, hogy mások érdekeit keresi. Az átfedő elemek elmosódnak a finomabb struktúrákból, és szép áttekintést adnak az objektum külső részéről, de nem rendelkeznek belső részletekkel, amelyek nemcsak a nézőpont megváltoztatásával állnak helyre. Természetesen a fő korlátozás, hogy ezek állóképek. Függetlenül attól, hogy milyen szép vagy részletes, még mindig szigorúan vizuális információkra korlátozzák az összetett objektumra vonatkozó információkat. De amikor ezeket a 3D-s vizuális ábrázolásokat átveszed, és fizikai tárgyakká alakítjuk át, nem csak a vizuális megjelenítés lehetőségeit nyitod meg újra, hanem az aprólékosan finom formájú érzésünkből is megismerheted a részleteket.

1. ábra: A felnőttkori bikaviadal CT-vizsgálata, amely deformációs régiót mutat

Egy alkalmazást találtam egy régi tanulmány adataival. Munkám nagy része a hallásfejlesztésre összpontosított, mint a bullfrogs mint modell. A bikaviadalok érdekes modellek az emberi meghallgatáshoz, mivel először hallásuk nagyon hasonlít az alacsony frekvenciájú (<2500 Hz) hallásra az emberekben, másodszor pedig az agyuk rugalmasabb és rugalmasabb, mint az emberek.

Például a békák a károsodást követően ténylegesen regenerálhatják központi idegrendszerüket, amit szeretnénk, ha az emberek meg tudnák tenni a zaj okozta halláscsökkenést. De fizetnek egy árat a plaszticitásért - ők is sokkal hajlamosabbak a környezeti toxinok és körülmények károsodására.

2004-ben egy békafelvétel során a labor egyik tagja észrevett egy furcsa, felnőtt férfi bikaviadalot. Csak egy fülük volt. Egyébként egészségesnek tűnt, mivel a békák nagyon függenek a társadalmi viselkedés hallásától; ez a béka gondot okozott a terület terjesztésére és védelmére. Megfogtuk, és CT-szkennelésen vettük át, hogy meggyőződhessünk arról, hogy meg tudjuk határozni a rendellenesség mértékét. A CT-beolvasások olyan röntgenfelvételek, amelyek folyamatos spirálban vannak egy érdekes területen, ami lehetővé teszi a csont és a sűrű szövetek 3D-s modelljének létrehozását. A béka CT-vizsgálata (1. ábra) azt mutatta, hogy míg a belső füle mindkét oldalon normálisnak tűnt, hiányzott a füldugó és a kis porc, az úgynevezett formák (vagy stapedium), amelyek a külső tympanumot a belső fülhöz kapcsolták.

2. ábra. CT-adatokon alapuló 3d nyomtatott modell

Amíg nem találtunk meg egy második béka azonos malformációval, elkezdtük felismerni, hogy itt van valami. Ezek a két békák nem mutattak sérülést, így valószínűbb, hogy valami történt a fejlesztés során. A CT-felvételek azt hitték, hogy mivel a belső fülek normálisnak tűntek, ez hasonló lehet egy olyan emberi állapothoz, amelyet a hangzású atresianak neveznek, ami a külső és középfülek hibáit okozhatja, de a belső füleket érintetlenül hagyja. De most, évekkel később úgy döntöttem, hogy a képeket újra megvizsgálom, ezúttal a 3D-s nyomtatóm segítségével. Vettem a nyers CT-fájlokat, és az ImageJ nyílt forráskódú program segítségével exportáltam a koponya egyik részének adatait nyomtatható sztereolitográfiai fájlként, és létrehoztam egy fizikai modellt, amely körülbelül 25-szörösére nőtt (2. ábra).

Amint kézben tartottam a modellt, és meg tudtam fordítani és kezelni, észrevettem, hogy valójában aszimmetriák voltak azokban a régiókban, ahol a halló (8) ideg elhagyta a belső fület, hogy csatlakozzon az agyhoz. nem hasonlított a hangzású atresiához. Inkább valószínűleg az inszekticidek expozíciójának következménye volt, amely UV-fény jelenlétében teratogénekké vált, és a fejlődés bizonyos pontjain kiterjedtebb rendellenességeket okozhat. A 3D-s nyomtatott modell nagyobb betekintést nyújtott a rendellenességek okába, mint az eredeti képek a számítógépen. A fizikai nyomtatható modell létrehozása lehetővé teszi, hogy az általad kifejlesztett eszközöket használd együtt - a kezed és a szemed -, hogy a drágább hardver és szoftveren túlmutató eredményeket terjesszen ki.

Az enyém további érdeklődése az űroktatás és a tájékoztatás, és 3D-s nyomtatást is akartam alkalmazni erre is. A világok (köztük a Föld) feltárása a 20. és 21. század egyik legizgalmasabb emberi kalandja, és az izgalom szinte kizárólag a képekből származik. A Föld tömegei és sótartalmú földgömbjei, a kanyonok 3D-s átfutásai a Marson és a Jupiter holdjain található gleccsiai repedések, a holdkráterek nagyfelbontású nézetei - néhány kivételtől eltekintve mindezek és még csak vizuálisan állnak rendelkezésre. A fizikai modellek, mint például az aszteroid formák egyedi készítésű korlátozott kiadásai, több ezer dollárba kerülnek. Texturált földgömbök és térképek, amelyek lehetővé teszik, hogy valaki úgy érezze, hogy a hegygerincek és a tájképek már több mint egy évszázadig érezték magukat, eredetileg a vakok számára kifejlesztett, de csak olyan általános oktatási eszközökhöz használhatók, mint a földgömbök.Szóval hogyan lehet az űr- és földtudományi oktatást a világ 37 millió emberéhez, akik teljesen vakok, nem is beszélve a közel 124 millió emberről? És azon túlmenően, mennyivel inkább kijönnek a látnokok attól, hogy fizikailag képesek kezelni egy aszteroida modelljét?

2010-ben elkezdtem keresni az aszteroidák alakjairól szóló 3D-s adatokat, hogy megnézhessem, hogy lehetséges-e a térbeli testek és terepek 3D-s modelljeinek nyomtatása. Megállapítottam, hogy rengeteg aszteroida alak volt, amely a RADAR adatokból származik (nagyrészt Scott Hudson professzor a Washington Állami Egyetem villamosmérnöki iskolájából), valamint a marsi digitális terepadatok az Arizona Egyetem HiRISE csoportjából, néhány ebből már használták a térbeli szimulációs programokban, mint a Celestia. Elkezdtem ezeket a NASA-alapú adatokat és (jelentős munka után) sztereolitográfiai formátumba konvertálni és az aszteroidák fizikai modelljeit, a marsi holdakat, a fóbókat és a deimosokat, és még a bolygó jellegzetességeit is, mint például a marsi kráter Gusev (3. ábra).

3. ábra: Kis helyű testek a fenti képekről és a 3D nyomtatott változatokról (lent).

De annak bemutatására, hogy az online szoftverek milyen ütemben táplálkoznak az új ötletekben az oktatásban és a készítésben, sikerült a NASA-t megragadnom a Vesta aszteroida modelljének elkészítéséhez. A Vesta a második legnagyobb tömegű aszteroida a fő övben, és nagyon különbözik a legtöbb aszteroidától és űr testétől. Különösen azt akartam, hogy a Vesta modellje hasonlítsa össze más „burgonya-alakú” aszteroidákkal, mint például Eros, mert ez azt jelentené, hogy valaki megkapja azonnali viscerális (vagy legalábbis haptikus) megértést a gravitációs elv alapján kialakuló alaki különbségről - kiváltott differenciálódás, a törmelékhalomból szinte bolygón.

A Vesta-t jelenleg a Dawn szonda keringeti, amely több ezer gyönyörű képet küld vissza, a NASA még nem jelentette ki a „hivatalos” 3D-s modellt. De kétféleképpen találtam meg ezt - először, a Vesta forgatását bemutató képeket és egy online ingyenes 3D-s modellezési programra (www.my3dscanner.com) tápláltam őket. az egymást követő képek közötti hasonló fény és sötét pontok közötti korrelációkról. Ezzel néhány részlethez a Vesta megjelent „globális térképével” kombináltam, és lekerekítettem egy lapított ovoidra, amely néhány orbitális kép alakjából származott. Ez lehetővé teszi, hogy még a hivatalos kiadás előtt még egy kicsit alacsony, de pontos 3D modellt hozzunk létre (4. ábra).

4. ábra. A Vesta-aszteroida kép - a bal oldali Dawn-szonda képe és a jobb oldali 3D-s nyomtatott változat.

Ez a történet nem arról szól, hogy képes lesz a NASA-t megragadni, hanem arról, hogy megmutatjuk, hogy az ott található eszközök és ingyenes adatok nagyban hozzájárulhatnak az érdeklődőkhöz. A képekről a 3D-s modellre nyomtatott objektumra való lépés lehetővé teszi, hogy létrehozza a világegyetem saját méretarányos modelljeit. Hozzon létre egy tantervet, amely lehetővé teszi, hogy a vakok megértsék az Atlanti-óceán közepén fekvő gerincet, és meg tudják mondani a különbséget egy éles, éles holdkráter és egy időjárás-erodált marsi között. Professzionális szinten pontos, nyomtatott terepmodelleket hozhat létre, hogy teszteljék a vándorló vagy mintavételi járműveket, hogy segítsen nekünk folytatni a feltárást, beleértve a szélesebb közönséget, és ösztönözni a diákok új generációit, látva és nem, hogy felismerjék, hogy képesek az univerzum modelljeit tartani saját kezükben.

- Seth Horowitz



Lehet, Hogy Érdekli

Ez a hét a kézműves vásárokon

Ez a hét a kézműves vásárokon


Kézműves tér: Anna Hrachovec

Kézműves tér: Anna Hrachovec


Ezen a héten a Maker eseményeken

Ezen a héten a Maker eseményeken


Eszköztár: A kis javítócsomag

Eszköztár: A kis javítócsomag






Legutóbbi Hozzászólások