Pencetakan 3D Untuk Analisis CT Scan, Pendidikan Luar Angkasa - 💡 Fix My Ideas

Pencetakan 3D Untuk Analisis CT Scan, Pendidikan Luar Angkasa

Pencetakan 3D Untuk Analisis CT Scan, Pendidikan Luar Angkasa


Penulis: Ethan Holmes, 2019

Seth Horowitz adalah seorang ilmuwan ilmu saraf dan asisten peneliti di Departemen Ekologi dan Biologi Evolusi di Brown University serta pembuat dan penggila pencetakan 3D. Dia membagikan laporan ini tentang beberapa cara dia menggunakan printer 3D-nya, termasuk metode penelitian baru.

Tiga tahun yang lalu saya memiliki masalah yang menarik - saya membutuhkan perangkat untuk percobaan yang dapat menahan kelelawar hidup dengan nyaman, tetapi sedemikian rupa sehingga tidak bisa menggigit atau menggerakkan kepalanya. Di masa lalu, saya bekerja dengan para insinyur yang akan membuat Plexiglas yang sangat kompleks, perangkat seperti sangkar yang bekerja dengan baik, tetapi Anda harus memiliki beberapa agar sesuai dengan kelelawar ukuran (dan spesies) yang berbeda. Butuh waktu berminggu-minggu untuk membuat masing-masing dan biayanya masing-masing lebih dari seribu dolar.

Tentang waktu ini, kit printer 3D mulai dibicarakan di web dan saya memutuskan untuk mencoba dan melihat apakah saya dapat menggunakan salah satu dari hal ini untuk mencetak kustom pemegang kelelawar hidup. Saya mendapat hibah percontohan kecil dari NASA Rhode Island Space (penelitian ini relevan dengan minat NASA - kelelawar adalah subjek yang dicintai untuk kerumunan yang bergerak-tentang-dalam-kegelapan) dan membeli Cupcake Makerbot.

Setelah beberapa bulan konstruksi, perakitan, pembongkaran, bersumpah dan mengkonfigurasi ulang, saya memiliki pemegang kelelawar 3D saya, yang menggunakan sekitar 50 sen plastik dan menghabiskan waktu dua jam untuk mencetak. Tetapi berapa banyak pemegang kelelawar yang sebenarnya Anda butuhkan? Dalam mencoba mencari tahu apa lagi yang bisa saya lakukan dengan Cupcake saya, saya menyadari bahwa pencetakan 3D adalah bentuk baru aktualisasi data - mengambil representasi kode yang disederhanakan dari suatu objek dan menciptakan objek itu - akibat wajar mekanis dari gen ke protein. Dan dengan kekayaan data 3D di sekitar, kemungkinannya hampir tak terbatas.

Setidaknya untuk dekade terakhir, model 3D dan gambar mereka sudah umum dalam sains dan teknik - CT scan membuat gambar tiga dimensi kerangka dan jaringan padat, MRI memungkinkan hal yang sama pada jaringan lunak. Pemodelan medan digital mengambil banyak gambar dari berbagai perspektif di orbit untuk memungkinkan rekonstruksi permukaan planet dan bulan untuk flyover 3D. Tetapi semua ini memiliki keterbatasan yang melekat - elemen individual dari gambar harus melalui pemfilteran substansial untuk memungkinkan pandangan yang bersih dari wilayah yang diminati, yang tentu saja berarti Anda menyaring hal-hal menarik sambil mencari yang lain. Elemen yang tumpang tindih mengaburkan struktur yang lebih halus, memberi Anda ikhtisar yang bagus tentang bagian luar objek Anda tetapi tidak memiliki detail internal yang tidak selalu dapat dipulihkan hanya dengan mengubah sudut pandang Anda. Dan tentu saja, batasan utama adalah ini masih berupa gambar. Tidak peduli seberapa cantik atau terperinci, mereka masih membatasi informasi tentang objek yang kompleks menjadi informasi visual yang ketat. Tetapi ketika Anda mengambil representasi visual 3D ini dan mengubahnya kembali menjadi objek fisik, Anda tidak hanya membuka kembali kemungkinan untuk memeriksanya secara visual, tetapi juga mendapatkan detail dari indera bentuk indah kami melalui sentuhan.

Gambar 1. CT scan katak dewasa menunjukkan daerah deformitas

Saya menemukan satu aplikasi dengan memeriksa data dari studi lama yang saya lakukan. Banyak pekerjaan saya berfokus pada pengembangan pendengaran, menggunakan katak sebagai model. Katak adalah model yang menarik untuk pendengaran manusia sejak dulu, pendengaran mereka sangat mirip dengan pendengaran frekuensi rendah (<2500 Hz) pada manusia dan kedua, otak mereka lebih ulet dan fleksibel dalam beberapa hal daripada manusia.

Sebagai contoh, katak benar-benar dapat meregenerasi sistem saraf pusat mereka setelah kerusakan, sesuatu yang kami harap manusia dapat lakukan untuk mencegah hal-hal seperti kebisingan yang disebabkan oleh gangguan pendengaran. Tetapi mereka membayar harga untuk plastisitas ini - mereka juga jauh lebih rentan terhadap kerusakan dari racun dan kondisi lingkungan.

Pada tahun 2004 selama sesi rekaman katak, salah satu anggota lab melihat dan menangkap seekor katak jantan dewasa yang aneh. Hanya punya satu telinga. Tampaknya sehat karena katak sangat bergantung pada pendengaran untuk perilaku sosial; katak ini akan kesulitan membiakkan dan mempertahankan wilayahnya. Kami menangkapnya dan mengambil CT scan untuk melihat apakah kami dapat menentukan sejauh mana malformasi itu. CT scan adalah sinar-X yang diambil dalam spiral kontinu ke area yang menarik, yang memungkinkan Anda untuk membuat model 3D dari tulang dan jaringan padat. CT scan katak (Gambar 1) menunjukkan bahwa sementara telinga bagian dalam tampak normal di kedua sisi, ia tidak memiliki gendang telinga dan potongan tulang rawan kecil yang disebut stape (atau stapedium) yang menghubungkan tympanum eksternal dengan telinga bagian dalam.

Gambar 2. Model cetak 3d berdasarkan data CT

Baru setelah kami menemukan katak kedua dengan malformasi yang sama, kami mulai menyadari bahwa ada sesuatu yang terjadi di sini. Kedua katak ini tidak menunjukkan tanda-tanda cedera, jadi ada kemungkinan sesuatu terjadi selama perkembangan. Gambar CT scan membuat kami percaya bahwa karena telinga bagian dalam terlihat normal, ini mungkin mirip dengan kondisi manusia yang disebut aural atresia yang dapat menyebabkan malformasi telinga bagian luar dan tengah tetapi membiarkan telinga bagian dalam tetap utuh. Tapi sekarang, bertahun-tahun kemudian, saya memutuskan untuk memeriksa gambar lagi, kali ini dengan bantuan printer 3D saya. Saya mengambil file CT mentah dan menggunakan program open source ImageJ, mengekspor data satu bagian tengkorak sebagai file stereolithography yang dapat dicetak, dan membuat model fisik, diperbesar sekitar 25 kali (Gambar 2).

Segera setelah saya memiliki model di tangan dan mampu mengubahnya dan menanganinya, saya perhatikan bahwa sebenarnya ada asimetri di daerah di mana saraf pendengaran (8) meninggalkan telinga bagian dalam untuk terhubung ke otak, menunjukkan bahwa malformasi ini tidak mirip dengan aural atresia. Sebaliknya, kemungkinan karena paparan insektisida yang berubah menjadi teratogen dengan adanya sinar UV dan dapat menyebabkan kelainan yang lebih luas pada titik-titik tertentu dalam pengembangan. Model cetak 3D akhirnya memberikan wawasan yang lebih besar tentang apa yang menyebabkan kelainan daripada gambar asli yang diamati di komputer. Membuat model yang dapat dicetak secara fisik memungkinkan Anda menggunakan alat yang telah Anda kembangkan untuk digunakan bersama - tangan dan mata Anda - untuk memperluas temuan di luar perangkat keras dan lunak yang mahal sekalipun.

Minat saya yang lain adalah pendidikan ruang dan penjangkauan, dan saya ingin menerapkan pencetakan 3D juga. Penjelajahan dunia (termasuk Bumi) adalah salah satu petualangan manusia paling menarik di abad ke-20 dan ke-21, namun kegembiraan hampir secara eksklusif datang dari pencitraan. Gumpalan massa dan salinitas Bumi, fly-through 3D dari ngarai di Mars dan retakan glasial pada bulan-bulan Jupiter di Europa, pemandangan definisi tinggi dari kawah bulan - dengan beberapa pengecualian semua ini dan lebih banyak tersedia hanya secara visual. Model fisik, seperti edisi terbatas bentuk asteroid yang dibuat khusus, harganya ribuan dolar. Bola dan peta bertekstur yang memungkinkan seseorang merasakan pegunungan dan bentuk daratan telah ada selama lebih dari seabad, awalnya dikembangkan untuk orang buta, tetapi hanya tersedia untuk alat pengajaran umum seperti bola bumi.Jadi bagaimana Anda bisa membawa pendidikan ruang dan ilmu bumi ke 37 juta orang di dunia yang benar-benar buta, belum lagi 124 juta yang hampir jadi? Dan lebih dari itu, berapa banyak lagi yang akan dilihat orang karena mampu menangani secara fisik model asteroid?

Pada tahun 2010, saya mulai mencari data 3D dari bentuk asteroid untuk melihat apakah mungkin untuk mencetak model 3D dari badan antariksa dan medan. Saya menemukan bahwa ada banyak bentuk asteroid yang berasal dari data RADAR (sebagian besar oleh Profesor Scott Hudson dari sekolah teknik elektro di Washington State University), serta data medan digital Mars dari kelompok HiRISE University of Arizona, beberapa yang sudah digunakan dalam program simulasi ruang angkasa seperti Celestia. Saya mulai mengambil data berbasis NASA ini dan (setelah pekerjaan yang signifikan) mengubahnya menjadi format stereolithografi dan mencetak model fisik asteroid, bulan Mars Phobos dan Deimos, dan bahkan fitur planet seperti kawah Mars Gusev (Gambar 3).

Gambar 3. Badan ruang kecil dari gambar (di atas) dan versi cetak 3D (di bawah).

Tetapi untuk menunjukkan bagaimana kecepatan perangkat lunak online memberi ide-ide baru dalam pendidikan dan pembuatan, saya dapat meraih NASA dalam membuat model estaoid Vesta. Vesta adalah asteroid paling masif kedua di sabuk utama dan sangat berbeda dari asteroid dan badan antariksa lainnya. Saya terutama ingin model Vesta untuk dibandingkan dengan asteroid "berbentuk kentang" lainnya seperti Eros karena itu berarti seseorang akan mendapatkan pemahaman mendalam langsung (atau setidaknya haptic) tentang perbedaan bentuk yang muncul berdasarkan prinsip gravitasi diferensiasi yang diinduksi, dari tumpukan puing ke hampir planet.

Vesta saat ini sedang diorbit oleh probe Dawn yang mengirim kembali ribuan gambar yang indah, NASA belum merilis model bentuk 3d "resmi". Tapi saya menemukan dua cara untuk mengatasi ini - pertama, dengan mengambil gambar yang menunjukkan rotasi Vesta dan memasukkannya ke program pemodelan 3d online gratis (www.my3dscanner.com), saya bisa mendapatkan cloud titik dasar, bentuk berdasarkan pada korelasi antara titik cahaya dan gelap yang serupa antara gambar yang berurutan. Menggunakan itu untuk beberapa detail, saya mengombinasikannya dengan "peta global" Vesta yang dirilis dan memetakannya ke ovoid yang diratakan, berasal dari bentuk beberapa gambar orbital. Ini izinkan saya membuat model 3D agak res rendah tetapi akurat bahkan sebelum rilis resmi (Gambar 4).

Gambar 4. The asteroid Vesta - gambar dari probe Dawn di sebelah kiri dan versi cetak 3D saya di sebelah kanan.

Kisah ini bukan tentang cara menyendok NASA - ini tentang menunjukkan bahwa kekayaan alat dan data gratis di luar sana dapat memberdayakan yang tertarik. Beralih dari gambar ke model 3D ke objek yang dicetak memungkinkan Anda membuat model skala alam semesta Anda sendiri. Hasilkan sebuah kurikulum yang akan membuat orang buta merasakan punggungan Atlantik tengah dan dapat membedakan antara kawah bulan yang tajam dan tajam dengan Mars yang terikis oleh cuaca. Dan pada tingkat profesional, buat model cetakan medan yang akurat untuk menguji kendaraan keliling atau sampel pengumpulan untuk membantu kami melanjutkan eksplorasi kami, termasuk khalayak yang lebih luas dan memotivasi generasi baru siswa, terlihat dan tidak, untuk menyadari bahwa mereka dapat memegang model alam semesta di tangan mereka sendiri.

- Seth Horowitz



Anda Mungkin Tertarik

7 Alasan Saya Menanti Pembuat Faire Orlando

7 Alasan Saya Menanti Pembuat Faire Orlando


Robot Village di NYC

Robot Village di NYC


Pembuat Spotlight: Marta Ali

Pembuat Spotlight: Marta Ali


Kiat Cepat: Seimbangkan Rig Kamera Overhead Anda dengan Counterweights

Kiat Cepat: Seimbangkan Rig Kamera Overhead Anda dengan Counterweights