הדפסה 3D עבור ניתוח סריקה CT, חינוך בחלל - 💡 Fix My Ideas

הדפסה 3D עבור ניתוח סריקה CT, חינוך בחלל

הדפסה 3D עבור ניתוח סריקה CT, חינוך בחלל


המחבר: Ethan Holmes, 2019

סת 'הורוביץ הוא נוירולוג ועוזר פרופסור למחקר במחלקה לאקולוגיה וביולוגיה אבולוציונית באוניברסיטת בראון, וכן יצרנית וחובבת הדפסה תלת מימדית. הוא מניות זה הדו"ח על כמה דרכים שבהן הוא משתמש במדפסת 3D שלו, כולל שיטת מחקר חדשה.

לפני שלוש שנים היתה לי בעיה מעניינת - הייתי זקוקה למכשיר לניסוי שיכול היה להחזיק בתוכה בנחת, אבל בצורה כזאת שהיא לא יכלה לנשוך או להזיז את הראש. בעבר עבדתי עם מהנדסים שיהפכו לפלקסיגלס מורכבים מאוד, כלובים דמויי כלוב שעבדו היטב, אבל היו צריכים להיות כמה שיתאימו לעטלפים שונים (ולמינים). זה יכול לקחת שבועות כדי להפוך כל אחד ואת העלות היה מעל אלף דולר כל אחד.

בערך הפעם, ערכות מדפסת 3D היו מתחילים להיות דיברו על האינטרנט והחלטתי שאני אנסה לראות אם אני יכול להשתמש באחד הדברים האלה כדי להדפיס אישית מחזיקי המחבט. קיבלתי מענק פיילוט קטן מחלל רוד איילנד של נאס"א (המחקר היה רלוונטי לאינטרסים של נאס"א - עטלפים הם נושאים אהובים לקהל המתנועע בחשיכה) ורכשו קופון של Makerbot.

לאחר כמה חודשים של בנייה, הרכבה, פירוק, קילוף מחדש, היה לי מחזיק בתלת מימד שלי 3D, אשר השתמשו בערך 50 סנט בשווי של פלסטיק לקח את כל שעתיים להדפיס. אבל כמה מחזיקי המחבט אתה באמת צריך? בניסיון להבין מה עוד אני יכול לעשות עם cupcake שלי, הבנתי כי 3D ההדפסה היא צורה חדשה של מימוש נתונים - לקיחת ייצוג מקודד פשוט של אובייקט ויצירת אובייקט זה - תוצאה מכנית של מעבר מגנים לחלבונים. ועם שפע של נתונים 3D סביב, האפשרויות הן אינסופיות כמעט.

בעשור האחרון לפחות, מודלים תלת-ממדיים ותמונותיהם היו נפוצים במדע ובהנדסה - סריקות CT יוצרות שלוש תמונות ממדיות של שלדים ורקמות צפופות, MRI מאפשר את אותו הדבר ברקמות רכות. מודלים דיגיטליים השטח לוקח תמונות מרובות מנקודות מבט שונות במסלול כדי לאפשר שחזור של כוכבי הלכת ואת הירח על עטיפות 3D. אבל כל אלה יש מגבלות הטמון - אלמנטים בודדים של התמונות צריך לעבור סינון משמעותי כדי לאפשר תצוגה נקייה של אזורים של עניין, אשר כמובן אומר לך לסנן דברים מעניינים תוך חיפוש אחר. אלמנטים חופפים לטשטש של מבנים עדינים, נותן לך סקירות נאה של החיצוני של האובייקט שלך, אבל חסר פרטים פנימיים אשר לא תמיד recableable רק על ידי שינוי נקודת המבט שלך. וכמובן, המגבלה העיקרית היא כי אלה עדיין תמונות. לא משנה כמה יפה או מפורט, הם עדיין מגבילים מידע על אובייקט מורכב לתוך מידע ויזואלי בהחלט. אבל כאשר אתה לוקח את אלה 3D ויזואלי חזותיים ולהמיר אותם בחזרה לתוך אובייקטים פיזיים, אתה לא רק לפתוח מחדש את האפשרויות לבחון אותם חזותית, אלא גם להשיג פרטים מתוך תחושה מעודנת להפליא של צורה באמצעות מגע.

איור 1. CT סריקה של bullfrog למבוגרים מראה אזור של עיוות

מצאתי יישום אחד על ידי בחינת נתונים ממחקר ישן שעשיתי. רוב העבודה שלי התמקדה בפיתוח שמיעתי, באמצעות bullfrogs כמודל. Bullfrogs הם מודלים מעניינים עבור שמיעה אנושית מאז הראשון, השמיעה שלהם דומה מאוד תדר נמוך (<2500 הרץ) שמיעה בבני אדם ושנית, המוח שלהם הם גמישים יותר וגמישים במובנים מסוימים מאשר בני אדם.

לדוגמה, צפרדעים יכול למעשה מחדש את מערכת העצבים המרכזית שלהם לאחר נזק, משהו שאנחנו רוצים בני אדם יכול לעשות כדי למנוע דברים כמו רעש המושרה אובדן שמיעה. אבל הם משלמים מחיר עבור הפלסטיות הזו - הם גם הרבה יותר נוטה לנזק מרעלים סביבתיים ותנאים.

בשנת 2004 במהלך הקלטה צפרדע, חבר אחד במעבדה הבחין ותפס צפרדע זכר מבוגר מוזר. היתה לו רק אוזן אחת. זה נראה אחרת בריא מאז צפרדעים תלויים מאוד לשמוע על התנהגות חברתית; הצפרדע הזאת תתקשה לגדל ולהגן על הטריטוריה שלה. תפסנו את זה ולקחנו CT של זה כדי לבדוק אם אנחנו יכולים לקבוע את מידת המום שלה. סריקות CT הם צילומי רנטגן שצולמו בספירלה מתמשכת במורד של תחום עניין, המאפשר לך ליצור מודל תלת-ממדי של העצמות ורקמות צפופות. בדיקת CT של הצפרדע (איור 1) הראתה כי בעוד האוזן הפנימית שלה נראה רגיל משני הצדדים, זה היה חסר עור התוף ואת חתיכת סחוס קטנה הנקראת stapes (או stapedium) שחיבר את tympanum חיצוני לאוזן הפנימית.

איור 2. מודל מודפס 3D מבוסס על נתוני CT

זה לא היה עד מצאנו צפרדע השני עם אותו מום, כי התחלנו להבין שיש כאן משהו קורה. שני הצפרדעים האלה לא הראו שום סימני פגיעה, ולכן סביר יותר שמשהו קרה במהלך ההתפתחות. צילומי ה- CT גרמו לנו להאמין שמאז האוזניים הפנימיות נראות נורמליות, זה עשוי להיות דומה למצב אנושי הנקרא "auria auralia" אשר עלול לגרום למום של האוזניים החיצוניות והאמצעיות, אך להשאיר את האוזניים הפנימיות שלמות. אבל עכשיו, שנים מאוחר יותר, החלטתי לבחון את התמונות שוב, הפעם בעזרת מדפסת 3D שלי. לקחתי את קבצי ה- CT גלם באמצעות תוכנית קוד פתוח ImageJ, לייצא את הנתונים של חלק אחד של הגולגולת כקובץ stereolithography להדפסה, ויצר מודל פיזי, מוגדל על 25 פעמים (איור 2).

ברגע שהיה לי את הדגם ביד והייתי מסוגל להפוך אותו ולטפל בו, שמתי לב שיש למעשה א-סימטריות באזורים שבהם העצב השמיעתי (8) עזב את האוזן הפנימית כדי להתחבר למוח, מה שמרמז כי המום הזה לא היה דומה לשעתוק. במקום זאת, זה היה ככל הנראה עקב חשיפה לחומרי הדברה שהשתנו לטרטוגנים בנוכחות אור אולטרה סגול ויכול לגרום ליקויים נרחבים יותר בנקודות מסוימות בפיתוח. המודל המודפס בתלת-ממד הסתיים בתובנה גדולה יותר, מה גרם לחריגה מאשר התמונות המקוריות שנצפו במחשב. יצירת מודל להדפסה פיזית מאפשרת לך להשתמש בכלים שהתפתחת כדי להשתמש יחד - הידיים והעיניים - כדי להרחיב את הממצאים מעבר לחומרה ותוכנה יקרות.

עניין נוסף שלי הוא חינוך שטח ו outreach, ואני רוצה ליישם הדפסה 3D זה גם כן. חקר העולמות (כולל כדור הארץ) הוא אחד ההרפתקאות האנושיות המרתקות ביותר במאות ה -20 וה -21, ועם זאת ההתרגשות כמעט באה מתוך דימויים. מסות ומליחות כדור הארץ של כדור הארץ, 3D לטוס- throughs של קניונים על מאדים סדקים קרחוני על הירח של צדק אירופה, תצוגות High Definition של מכתשי הירח - למעט כמה יוצאים מן הכלל כל אלה זמינים יותר רק חזותית. מודלים פיזיים, כגון מהדורות מוגבלות בהתאמה אישית של צורות האסטרואידים, עלו אלפי דולרים. מפות מרקם ומפות שמאפשרות למישהו להרגיש רכס הרים וצורות של יבשה כבר למעלה ממאה שנה, פותחו במקור עבור עיוורים, אבל זמינים רק עבור כלי הוראה נפוצים כגון כדור הארץ כדור הארץ.אז איך אפשר להביא חינוך מדעי של חלל ואדמה ל -37 מיליון בני אדם בעולם עיוורים לחלוטין, שלא לדבר על 124 מיליון שהם כמעט כל כך? ומעבר לכך, כמה יותר יראו אנשים יוצאים מן היכולת להתמודד פיזית עם מודל של אסטרואיד?

בשנת 2010, התחלתי לחפש נתונים 3D של צורות של אסטרואידים כדי לראות אם זה יהיה אפשרי להדפיס מודלים 3D של גופים שטח terrains. מצאתי כי יש שפע של צורות אסטרואידים הנגזרים מנתוני RADAR (בחלקו הגדול של פרופ 'סקוט הדסון מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת וושינגטון סטייט), וכן נתוני שטח דיגיטליים של מאדים מקבוצת HiRISE של אוניברסיטת אריזונה, חלקם אשר כבר היה בשימוש בתוכניות סימולציה חלל כמו סלסטיה. התחלתי לקחת נתונים אלה מבוססי נאס"א (לאחר עבודה משמעותית) להמיר אותם לתבניות stereolithography והדפסת מודלים פיזיים של אסטרואידים, ירחי מאדים Phobos ו Deimos, ואפילו תכונות פלנטריות כגון מכתש מאדים Gusev (איור 3).

איור 3. גופים חלל קטן מהתמונות (לעיל) וגרסאות מודפסות 3D (להלן).

אבל כדי להראות כיצד קצב ההזנה של תוכנות מקוונות לרעיונות חדשים בחינוך וביצוע, הצלחתי לגרור את נאס"א ליצירת מודל של האסטרואיד וסטה. וסטה הוא האסטרואיד המאסיבי השני בחגורה הראשית, והוא שונה מאוד מרוב האסטרואידים האחרים וגופי החלל. במיוחד רציתי מודל של וסטה להשוות עם אחרים אסטרואידים "בצורת תפוחי אדמה" כגון ארוס כי זה אומר שמישהו יקבל מיידית מיידית (או לפחות הפטי) לתפוס את ההבדל בצורת עולה כי על בסיס עקרון הכבידה -הבחנה המושרשת, מערימת הריסות לכמעט כוכב לכת.

Vesta כרגע להיות אורביט על ידי בדיקה שחר אשר שולח בחזרה אלפי תמונות יפות, נאס"א עדיין לא פרסמה את "רשמי" מודל 3D הצורה. אבל מצאתי שתי דרכים סביב זה - הראשון, על ידי לקיחת התמונות שהראו את הסיבוב של Vesta והאכלה אותם על גבי תוכנית דוגמנות 3D חינם באינטרנט (www.my3dscanner.com) הייתי מסוגל לקבל ענן נקודה בסיסית, על קורלציות בין אור דומה נקודות כהה בין תמונות רצופות. שימוש זה עבור כמה פרטים, אני בשילוב זה עם "מפת העולם" שפורסמו של Vesta ו ממופה אותו על הביצה שטוח, נגזר הצורה של כמה תמונות מסלוליות. זה הרשו לי ליצור קצת במינון נמוך אבל במדויק 3D מודל אפילו לפני השחרור הרשמי (איור 4).

איור 4. האסטרואיד Vesta - תמונה מן השחר בדיקה בצד שמאל וגרסה 3D שלי מודפס בצד ימין.

הסיפור הזה הוא לא על היכולת לגלוש נאס"א - זה על הוכחת כי עושר של כלים ונתונים חינם שם בחוץ יכול להעצים את המעוניינים. מעבר מתמונות למודל תלת ממדי לאובייקט מודפס מאפשר לך ליצור מודלים בקנה מידה משלך של היקום. צור תוכנית לימודים שתאפשר לעיוורים להרגיש את הרכס האמצעי-אטלנטי, ותוכל להבחין בהבדל בין מכתש הירח החדה והחדשה לבין אחד ממאדיני המאדים. ובמקצועיות, ליצור מודלים מודפסים מדויקים של שטחים כדי לבדוק רכב משוטט או מדגם איסוף כדי לעזור לנו להמשיך את החיפוש שלנו, כולל קהל רחב יותר המניע דורות חדשים של תלמידים, רואי ולא, כדי להבין שהם יכולים להחזיק מודלים של היקום בידיהם.

- סת הורוביץ



אתה עשוי להתעניין

47 פטל פאי פרויקטים אתה יכול לבנות בבית

47 פטל פאי פרויקטים אתה יכול לבנות בבית


6 עשה זאת בעצמך דרכים ליצור משלך Pog התפשטות

6 עשה זאת בעצמך דרכים ליצור משלך Pog התפשטות


חידושים אכילים: Mixartista הוא ברמן רובוטי מיועד יוקרה

חידושים אכילים: Mixartista הוא ברמן רובוטי מיועד יוקרה


MAKE פרוייקטים - כרך 04

MAKE פרוייקטים - כרך 04






פוסטים אחרונים