Собственная опухоль мозга исследователя открывает новый способ моделирования данных пациента для 3D-печати

Вдохновленный собственной медицинской ситуацией, исследователь Массачусетского технологического института возглавил команду, которая разработала новый метод быстрого создания точных 3D-моделей органов и систем в человеческое тело для печати. У Стивена Китинга была опухоль размером с бейсбол, удаленная из его мозга пару лет назад, когда он был аспирантом в группе MIT Media Lab Mediated Matter. Вдохновленный любопытством увидеть, как появился его мозг до того, как опухоль была удалена, и чтобы лучше понять его диагноз и лечение, он собрал свои медицинские данные и начал трехмерную печать МРТ и компьютерной томографии.

Сотрудничество

Столкнувшись с проблемами времени и точности, он обратился за помощью к сотрудникам из Института Wyss в Гарвардском университете, которые уже изучали новый метод для 3D-печати биологических образцов. Исследователи там сказали, что они не рассматривали использование своего подхода к анатомии человека, пока Китинг не обратился к ним со своей проблемой.

Результатом сотрудничества стала новая методика, позволяющая легко и быстро преобразовывать изображения с МРТ, КТ и других медицинских сканирований в физические модели с деталями, которые до сих пор беспрецедентны в любой другой технологии, говорят исследователи. Исследование может сделать 3D-печать более доступной для медицинских специалистов как инструмент их торговли, заявили в пресс-релизе Института Wyss.

3D-печатная модель ноги (слева) и ее поперечное сечение (справа) ясно показывают сложную внутреннюю архитектуру различных типов костей, а также окружающих мягких тканей. Модель была разработана с использованием нового метода для точного моделирования частей, органов и систем человеческого тела, разработанных исследователями в Гарварде и Массачусетском технологическом институте. (Источник изображения: Стивен Китинг и Ахмед Хосни / Институт Висса в Гарвардском университете)

Технология «создает изысканно детализированные 3D-печатные медицинские модели с небольшой долей ручного труда, требуемой в настоящее время, делая 3D-печать более доступной для медицинской области в качестве инструмента для исследований и диагностики, »Объяснил Бет Рипли, врач и доцент радиологии в Вашингтонском университете и клинический рентгенолог в Медицинском центре Сиэтла, в пресс-релизе Института Wyss. Рипли является соавтором на бумаге, опубликованной группой о ее работе в журнале 3D Printing and Additive Manufacturing .

Высокое разрешение

МРТ и компьютерная томография могут создавать изображения с высоким разрешением, представляя их как серию «срезов», которые раскрывают детали структур внутри человеческого тела. Таким образом, они стали неотъемлемой частью способности врачей и других врачей оценить и диагностировать медицинские условия.

Однако существует проблема с предоставлением столь подробной информации, так как это означает, что субъект или субъекты, представляющие интерес, должны быть изолированы от окружающих тканей и превращены в поверхностные сетки для трехмерной печати. В настоящее время это делается с помощью процесса, требующего много времени, который называется сегментацией. Например, рентгенологу, возможно, придется вручную отслеживать желаемый объект на каждом отдельном фрагменте изображения, который иногда может включать сотни изображений для одного образца, говорят исследователи в выпуске.

Этот процесс не только требует много времени, но также имеет проблемы с точностью в готовом продукте, сказали они. Напротив, новый метод, разработанный Китингом и его сотрудниками, предлагает быстрый и высокоточный метод преобразования сложных изображений в формат, который можно легко распечатать 3D.

Растровые

Ключ к новому методу заключается в печати с загнутыми растровыми изображениями — цифровом формате файла, в котором каждый пиксель полутонового изображения преобразуется в серию черно-белых пикселей. На этом изображении плотность черных пикселей определяет разные оттенки серого, а не сами пиксели, различающиеся по цвету.

Благодаря упрощению всех пикселей в смесь черного или белого цвета этот формат позволяет 3D-принтеру печатать сложные медицинские изображения с использованием двух разных материалов, которые сохраняют все варианты исходных данных с гораздо большей точностью и скоростью, говорят исследователи.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

3D Bioprinter Can Print Human Skin
Технология 3D-печати открывает путь к изготовлению устройств внутри тела

Используя эту трехмерную печать на основе растровых изображений, исследователи создали модели мозга и опухоли Китинга. При этом они сохранили все градации деталей, присутствующих в сырых МРТ-данных, до разрешения, аналогичного тому, что человеческий глаз может отличить от примерно 9 до 10 дюймов, говорят исследователи.

Они также использовали метод для печати модели сердечного клапана человека с использованием различных материалов для ткани клапана в сравнении с отложениями кальция, которые образовались в клапане. По мнению исследователей, результатом стала модель, которая показала механические градиенты свойств и обеспечила новое понимание фактических эффектов отложений кальция на функцию клапана.

Будущее использование

Команда нацелена на его метод, помогающий сделать 3D-печать полезным инструментом для рутинных экзаменов и диагнозов, обучения пациентов, а также для лучшего понимания человеческого тела как для врачей, так и для пациентов. В настоящее время это слишком дорогостоящее решение для сегментирования наборов данных изображений для 3D-печати, за исключением случаев с высоким риском или высоким профилем. Но исследователи надеются, что это может измениться в будущем, сказали они.

Для Китинга, который все еще 3D печатает свои МРТ-сканы, как для отслеживания исцеления его удаления опухоли черепа, так и для наблюдения за признаками рецидива рака — использование этого метода для будущих пациентов стало личным крестовым походом. Он сказал, что надеется, что этот метод откроет путь для лучшего понимания пациентов, а не только их врачей и воспитателей, чтобы узнать о своем собственном состоянии и о том, как его можно лечить.

«Способность понимать, что происходит внутри вас, фактически удерживать его в ваших руках и видеть эффекты лечения, невероятно наделено полномочиями», — сказал Китинг.

Элизабет Монталбано является независимым писателем, который написал о технологии и культуре в течение 20 лет. Она жила и работала профессиональным журналистом в Фениксе, Сан-Франциско и Нью-Йорке. В свободное время она любит заниматься серфингом, путешествиями, музыкой, йогой и кулинарией. В настоящее время она проживает в деревне на юго-западном побережье Португалии.