Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

3D tisk pro CT skenování, Space Education

Seth Horowitz je profesorem neurologů a asistentů na katedře ekologie a evoluční biologie na Brownově univerzitě, stejně jako výrobci a nadšencům 3D tisku. Tuto zprávu sdílí s některými způsoby, které používal svou 3D tiskárnu, včetně nové výzkumné metody.

Před třemi lety jsem měl zajímavý problém - potřeboval jsem přístroj pro experiment, který by mohl pohodlně držet živého netopýra, ale tak, aby nemohl kousnout nebo pohybovat hlavou. V minulosti jsem pracoval s inženýry, kteří by dělali velmi složité plexiskla, zařízení podobná kleci, která fungovala dobře, ale museli jste mít několik, aby se vešly na různé velikosti (a druhy) netopýry. To by mohlo trvat několik týdnů, aby každý z nich a náklady byly více než tisíc dolarů každý.

O této době se na webu začaly mluvit o sadách 3D tiskáren a já jsem se rozhodl, že se pokusím zjistit, zda bych mohl jednu z těchto věcí použít pro vlastní tisk živých netopýrů. Dostal jsem malý pilotní grant z NASA Rhode Island Space (výzkum byl relevantní pro zájmy NASA - netopýři jsou milovanými subjekty pro pohybující se v temném davu) a zakoupili si Makerbot Cupcake.

Po několika měsících výstavby, montáže, demontáže, nadávky a rekonstrukce jsem měl svůj 3D potisk držáku na netopýry, který používal asi 50 centů plastu a trvalo dvě hodiny na tisk. Ale kolik vlastníků netopýrů skutečně potřebujete? Ve snaze zjistit, co jiného bych mohl s mým košíčkem udělat, jsem si uvědomil, že 3D tisk je novou formou aktualizace dat - převzetí zjednodušeného kódovaného znázornění objektu a vytvoření tohoto objektu - mechanický důsledek přechodu z genů na proteiny. S bohatstvím 3D dat v okolí jsou možnosti téměř nekonečné.

Přinejmenším v posledním desetiletí byly 3D modely a jejich obrazy běžné ve vědě a ve strojírenství - CT snímky vytvářejí trojrozměrné obrazy koster a hustých tkání, MRI umožňuje to samé v měkkých tkáních. Digitální terénní modelování má na oběžné dráze více obrazů z různých úhlů pohledu, což umožňuje rekonstrukce planetárních a měsíčních povrchů pro 3D průlety. Ale všechny z nich mají vlastní omezení - jednotlivé prvky obrazů musí projít podstatným filtrováním, aby bylo možné čistý pohled na regiony zájmu, což samozřejmě znamená odfiltrovat zajímavé věci při hledání jiných. Překrývající se elementy rozmazávají jemnější struktury, dávají vám pěkné přehledy o vnějších objektech, ale postrádají vnitřní detaily, které nejsou vždy obnovitelné jen změnou pohledu. Hlavním omezením je samozřejmě to, že se jedná o statické obrazy. Bez ohledu na to, jak hezké nebo podrobné, stále omezují informace o složitém objektu na přísně vizuální informace. Když ale vezmete tyto 3D vizuální reprezentace a převedete je zpět na fyzické objekty, nejenže znovu otevřete možnosti vizuálního zkoumání, ale také získávání detailů z našeho nádherně jemného smyslu formy prostřednictvím dotyku.

Obrázek 1. CT scan dospělého býka, který ukazuje oblast deformity

Našel jsem jednu aplikaci zkoumáním údajů ze staré studie, kterou jsem provedl. Hodně z mé práce se zaměřilo na sluchový vývoj, pomocí modelu bullfrogs. Bullfrogs jsou zajímavé modely pro lidský sluch, protože jejich sluch je velmi podobný nízkému kmitočtu (<2500 Hz) slyšení u lidí a za druhé, jejich mozky jsou v některých ohledech pružnější a pružnější než lidé.

Například, žáby mohou vlastně regenerovat jejich centrální nervový systém po poškození, něco my přáli si lidi mohli dělat, aby předešel věci jako hluk vyvolaný sluchová ztráta. Za tuto plasticitu ale platí cenu - jsou také mnohem náchylnější k poškození životního prostředí toxiny a podmínkami.

V roce 2004 během frog nahrávání zasedání, jeden člen laboratoře si všiml a chytil zvláštní dospělou samčí bullfrog. Mělo jen jedno ucho. Zdálo se, že jinak zdravé, protože žáby jsou velmi závislé na sluchu pro sociální chování; tato žába bude mít problémy s chovem a obranou svého území. Chytili jsme ho a provedli CT sken, abychom zjistili, zda bychom mohli určit rozsah jeho deformací. CT snímky jsou rentgenové paprsky pořízené v nepřetržité spirále v oblasti zájmu, což umožňuje vytvořit 3D model kosti a husté tkáně. CT snímka žáby (obr. 1) ukázala, že zatímco její vnitřní ucho bylo na obou stranách normální, postrádalo ušní bubínek a malý kus chrupavky, nazývaný stapedium (stapedium), který spojoval vnější tympanum s vnitřním uchem.

Obrázek 2. 3D vytištěný model založený na údajích CT

Teprve když jsme našli druhou žábu se stejnou malformací, začali jsme si uvědomovat, že se tu něco děje. Tyto dvě žáby nevykazovaly žádné známky zranění, takže bylo více pravděpodobné, že se něco stalo během vývoje. Snímky CT nás vedly k přesvědčení, že vzhledem k tomu, že vnitřní uši vypadaly normálně, mohlo by to být podobné lidskému stavu zvanému aurální atresie, která může způsobit malformaci vnějšího a středního ucha, ale ponechá vnitřní uši neporušené. Ale teď, o několik let později, jsem se rozhodl snímky znovu prozkoumat, tentokrát s pomocí 3D tiskárny. Vzal jsem syrové CT soubory a pomocí open source programu ImageJ exportoval data jedné části lebky jako soubor pro tisk stereolitografie a vytvořil fyzický model, zvětšený asi 25 krát (obrázek 2).

Jakmile jsem měl model v ruce a dokázal jsem ho otočit a zvládnout, všiml jsem si, že v regionech, kde sluchové (8.) nervy zanechaly vnitřní ucho, aby se připojily k mozku, byly ve skutečnosti asymetrie, což naznačuje, že tato malformace nebyla podobná aturii. Spíše to bylo pravděpodobně způsobeno vystavením insekticidům, které se změnily na teratogeny v přítomnosti UV světla a mohly způsobit rozsáhlejší abnormality v určitých bodech vývoje. 3D vytištěný model skončil tím, že poskytl větší náhled na to, co způsobilo abnormalitu, než původní obrazy pozorované na počítači. Vytvoření fyzického tisknutelného modelu vám umožní používat nástroje, které jste vyvinuli pro společné použití - ruce a oči - pro rozšíření poznatků nad rámec drahého hardwaru a softwaru.

Dalším mým zájmem je vesmírná výchova a terénní činnost a chtěl jsem na to aplikovat 3D tisk. Zkoumání světů (včetně Země) je jedním z nejzajímavějších lidských dobrodružství 20. a 21. století a vzrušení téměř výhradně pochází z obrazů. Hromadné a slané glóby Země, 3D průlety kaňonů na Marsu a glaciální praskliny na Jupiterových měsících Europa, pohledy s vysokým rozlišením na měsíční krátery - s několika výjimkami jsou všechny tyto a další k dispozici pouze vizuálně. Fyzické modely, jako například zakázková edice tvarů asteroidů, stojí tisíce dolarů. Texturou glóby a mapy, které umožňují někomu cítit horské hřebeny a tvary zemské masy byly po více než století, původně vyvinuté pro nevidomé, ale jsou k dispozici pouze pro běžné výukové nástroje, jako jsou zemské glóby.Jak tedy můžete přivést vesmírné a zemské vědecké vzdělávání k 37 milionům lidí na světě, kteří jsou naprosto slepí, nemluvě o 124 milionech, kteří jsou téměř takoví? A kromě toho, jak více by se zrakově postižení dostali z toho, že jsou schopni fyzicky zvládnout model asteroidu?

V roce 2010 jsem začal hledat 3D data tvarů asteroidů, abych zjistil, zda by bylo možné tisknout 3D modely kosmických těles a terénů. Zjistil jsem, že existuje velké množství tvarů asteroidů odvozených z dat RADARu (z velké části profesor Scott Hudson ze školy elektrotechniky na Washingtonské státní univerzitě), stejně jako údaje z marťanského digitálního terénu ze skupiny HiRISE University of Arizona který byl už používán ve vesmírných simulačních programech jako Celestia. Začal jsem brát tato data založená na NASA a (po významné práci) je převádět na stereolitografické formáty a tisknout fyzické modely asteroidů, marťanských měsíců Phobos a Deimos, a dokonce i planetárních rysů, jako je například marťanský kráter Gusev (Obrázek 3).

Obrázek 3. Těla malých prostorů z obrázků (výše) a 3D tištěných verzí (níže).

Ale abych ukázal, jak se tempo online softwaru živí novými nápady ve vzdělávání a tvorbě, dokázal jsem nashromáždit NASA při tvorbě modelu asteroidu Vesta. Vesta je druhý nejmasivnější asteroid v hlavním pásu a je velmi odlišný od většiny ostatních asteroidů a vesmírných těl. Zvláště jsem chtěl, aby model Vesta porovnával s jinými „bramborovými“ asteroidy, jako je Eros, protože by to znamenalo, že by někdo získal bezprostřední viscerální (nebo alespoň haptické) pochopení rozdílu ve tvaru, který vychází z principu gravitace - diferenciace vyvolaná od hromady sutin až po téměř planetu.

Vesta je v současné době obíhající sondou Dawn, která posílá zpět tisíce krásných obrázků, NASA dosud nevydala „oficiální“ 3D model. Ale našel jsem dva způsoby, jak to udělat - první, tím, že se obrázky, které ukázaly rotaci Vesta a krmení na on-line bezplatný 3D modelovací program (www.my3dscanner.com) jsem byl schopen získat základní bod mrak, tvar založený o korelacích mezi podobnými světelnými a tmavými body mezi po sobě následujícími obrazy. Použil jsem to pro některé detaily, kombinoval jsem to s uvolněnou „globální mapou“ Vesta a zmapoval ji na zploštělé ovoid, odvozené z tvaru některých orbitálních obrazů. To mi umožnilo vytvořit poněkud nízký, ale přesný 3D model ještě před oficiálním vydáním (obr. 4).

Obrázek 4. Asteroid Vesta - obrázek ze sondy Dawn vlevo a moje 3D tištěná verze vpravo.

Tento příběh není o tom, že byste mohli NASA získat - je to o tom, že bohatství nástrojů a bezplatná data tam mohou poskytnout zájemcům o podporu. Přechod z obrázků do 3D modelu na vytištěný objekt vám umožní vytvořit si vlastní modely měřítka vesmíru. Vytvořte učební plán, který umožní slepému cítit středoatlantický hřeben a bude schopen rozeznat rozdíl mezi ostrým, ostrým měsíčním kráterem a povětrnostním vlivem marťanského počasí. A na profesionální úrovni vytvořte přesné tištěné modely terénů pro testování vozů s rovingem nebo sběrem vzorků, které nám pomohou pokračovat v našem průzkumu, včetně širšího publika a motivace nových generací studentů, viděných a nepozorovaných, aby si uvědomili, že mohou držet modely vesmíru. ve vlastních rukou.

- Seth Horowitz

Podíl

Zanechat Komentář