3D печат за анализ на КТ, космическо образование - 💡 Fix My Ideas

3D печат за анализ на КТ, космическо образование

3D печат за анализ на КТ, космическо образование


Автор: Ethan Holmes, 2019

Сет Хоровиц е невролог и асистент-изследовател в катедрата по екология и еволюционна биология в Университета Браун, както и като ентусиаст по 3D принтиране. Той споделя този доклад по някои начини, по които е използвал своя 3D принтер, включително нов изследователски метод.

Преди три години имах интересен проблем - имах нужда от устройство за експеримент, който да държи жив прилеп удобно, но по такъв начин, че да не може да хапе или да движи главата си. В миналото съм работил с инженери, които биха направили много сложни плексиглас, устройства, подобни на клетката, които са работили добре, но трябваше да имате няколко, които да подхождат на различни размери (и видове) прилепи. Можеше да са необходими седмици, за да се направи всяка, а цената беше над хиляда долара.

За това време в интернет започнаха да се говорят за 3D принтерни комплекти и реших, че ще се опитам да видя дали мога да използвам едно от тези неща, за да поръчам обичайните притежатели на прилеп. Получих малък пилотен грант от NASA Rhode Island Space (изследването е свързано с интересите на НАСА - прилепите са любими теми за тълпата, движеща се в тъмното) и са закупили Makerbot Cupcake.

След няколко месеца строителство, сглобяване, разглобяване, псуване и преконфигуриране, имах моя 3D принтиран държач на прилеп, който използваше около 50 цента от пластмаса и отнемаше всичките два часа за печат. Но колко притежатели на прилепи наистина се нуждаете? В опит да разбера какво друго мога да направя с Cupcake, разбрах, че 3D печатането е нова форма на актуализиране на данни - вземане на опростено кодирано представяне на обект и създаване на този обект - механична последица от преминаване от гени към протеини. И с богатството на 3D данни, възможностите са почти безкрайни.

Най-малкото през последното десетилетие 3D моделите и техните изображения са често срещани в науката и инженерството - CT сканира създава триизмерни изображения на скелети и плътни тъкани, MRI позволява същото в меките тъкани. Цифровото моделиране на терена отнема множество изображения от различни гледни точки в орбита, за да се позволи реконструкция на планетарни и лунни повърхности за триизмерни излитания. Но всички те имат присъщи ограничения - отделните елементи на изображенията трябва да преминат през значително филтриране, за да позволят чист изглед на интересуващите ни региони, което разбира се означава да филтрирате интересни неща, докато търсите други. Припокриващи се елементи замъгляват по-фини структури, като ви дават хубави прегледи на външността на вашия обект, но липсват вътрешни детайли, които не винаги се възстановяват само чрез промяна на вашата гледна точка. И разбира се, основно ограничение е, че това са неподвижни изображения. Без значение колко красива или подробна, те все още ограничават информацията за сложен обект в строго визуална информация. Но когато вземете тези 3D визуални представяния и ги превърнете обратно в физически обекти, вие не само ще отворите отново възможностите за тяхното визуализиране, но и ще получите детайли от нашето изящно фино чувство за форма чрез докосване.

Фигура 1. КТ на възрастен бик, показващ област на деформация

Намерих едно заявление, като разгледах данните от едно старо проучване, което направих. Голяма част от работата ми се фокусира върху развитието на слуховете, като се използват бикръги като модел. Bullfrogs са интересни модели за човешкия слух, тъй като първо, слухът им е много подобен на нискочестотното (<2500 Hz) слух у хората и второ, техните мозъци са по-устойчиви и гъвкави по някакъв начин, отколкото хората.

Например жабите могат да регенерират централната си нервна система след увреждане, нещо, което бихме искали хората да направят, за да предотвратят загуба на слух, причинена от шум. Но те плащат цена за тази пластичност - те също са много по-склонни да увреждат токсините и условията на околната среда.

През 2004 г. по време на сесия на запис на жаба, един от членовете на лабораторията забеляза и улови нечетен възрастен мъжки бик. Имаше само едно ухо. Изглеждаше иначе здраво, тъй като жабите са много зависими от слуха за социално поведение; тази жаба щеше да има проблеми с развъждането и защитата на своята територия. Хванахме го и взехме томографско изследване, за да видим дали можем да определим степента на нейната малформация. CT сканиранията са рентгенови лъчи, взети в непрекъсната спирала надолу по интересуващата ни област, която ви позволява да създадете 3D модел на костите и плътните тъкани. Компютърната томография на жабата (Фигура 1) показва, че докато вътрешното му ухо изглежда нормално от двете страни, липсва тъпанчето и малкото парче хрущял, наречено стапедите (или стапедия), които свързват външния тимпан с вътрешното ухо.

Фигура 2. 3D печатен модел, базиран на КТ данни

Едва когато открихме втора жаба със същата малформация, започнахме да осъзнаваме, че тук нещо се случва. Тези две жаби не показват признаци на нараняване, така че е по-вероятно нещо да се случи по време на развитието. Изображенията от КТ ни накараха да повярваме, че тъй като вътрешните уши изглеждат нормални, това може да е подобно на човешкото състояние, наречено аурална атрезия, която може да причини малформация на външните и средните уши, но да остави вътрешните уши непокътнати. Но сега, години по-късно, реших отново да разгледам изображенията, този път с помощта на моя 3D принтер. Взех суровите CT файлове и използвах програмата с отворен код ImageJ, експортирах данните от една част на черепа като печатен стереолитографски файл и създадох физически модел, увеличен около 25 пъти (Фигура 2).

Веднага щом имах модела в ръка и успях да го обърна и да го спра, забелязах, че всъщност има асиметрии в райони, където слуховият (8-ми) нерв напуска вътрешното ухо, за да се свърже с мозъка, което предполага, че тази малформация не е подобно на аурална атрезия. По-скоро е вероятно това да се дължи на излагане на инсектициди, които се променят в тератогени в присъствието на ултравиолетова светлина и могат да причинят по-големи аномалии в определени точки в развитието. 3D печатният модел завърши с по-добра представа за причините за аномалията, отколкото оригиналните изображения, наблюдавани на компютъра. Създаването на физически модел за печат ви позволява да използвате инструментите, които сте разработили, за да ги използвате заедно - ръцете и очите ви - за да разширите откритията извън дори скъп хардуер и софтуер.

Друг интерес за мен е космическото образование и аутрич и аз исках да използвам 3D печат и за това. Изследването на светове (включително Земята) е едно от най-вълнуващите човешки приключения на 20-ти и 21-ви век, но въпреки това вълнението почти изцяло идва от образите. Глобуси на масата и солеността на Земята, триизмерни прелитания на каньони на Марс и ледникови пукнатини по луните Европа на Юпитер, изглед с висока дефиниция на лунните кратери - с няколко изключения всички тези и други са достъпни само визуално. Физическите модели, като например изработени по поръчка ограничени издания на астероидни форми, струват хиляди долари. Текстурираните глобуси и картите, които позволяват на някой да усеща планинските хребети и форми на сушата, съществуват вече повече от век, първоначално разработени за слепите, но са достъпни само за общи учебни инструменти като земните глобуси.И така, как можете да донесете на космическото и земно-научното образование на 37-те милиона души в света, които са напълно слепи, да не говорим за 124-те милиона, които са почти така? И освен това, колко повече зрящите хора ще излязат от това да могат физически да се справят с модел на астероид?

През 2010 г. започнах да търся 3D данни за формите на астероидите, за да видя дали ще бъде възможно да се отпечатат 3D модели на космически тела и терени. Открих, че има изобилие от астероидни форми, получени от RADAR данни (в голяма степен от професор Скот Хъдсън от училището по електротехника във Вашингтонския университет), както и от данни за марсиански дигитални терени от HiRISE групата на Университета на Аризона, някои от които вече се използва в програми за космическа симулация като Celestia. Започнах да вземам тези базирани на НАСА данни и след значителна работа да ги конвертирам в стереолитографски формати и да отпечатвам физически модели на астероиди, марсианските луни Фобос и Деймос и дори планетарни характеристики като марсианския кратер Гусев (Фигура 3).

Фигура 3. Малки пространствени тела от изображения (по-горе) и 3D печатни версии (по-долу).

Но за да покажа как темпото на онлайн софтуера се влива в нови идеи в образованието и правенето, успях да вземем НАСА, за да направя модел на астероида Веста. Веста е вторият най-масивен астероид в главния пояс и е много различен от повечето други астероиди и космически тела. Особено исках моделът на Веста да се сравни с други „форма на картофи“, като например Ерос, защото това би означавало, че някой би получил непосредствено висцерално (или поне хаптично) схващане за разликата във формата, която се появява въз основа на принципа на гравитацията. предизвикана диференциация, от купчина от чакъл до почти планета.

Веста в момента се движи в орбита от сондата Dawn, която изпраща хиляди красиви изображения, а НАСА все още не е пуснала "официалния" 3D модел. Но намерих два начина за това - първо, като взех изображенията, които показваха ротацията на Веста и ги хранех на онлайн безплатна програма за моделиране на 3d (www.my3dscanner.com), успях да получа основния облак от точки, базиран на форма. за корелации между подобни светли и тъмни точки между последователни изображения. Използвайки това за някои от детайлите, аз комбинирах това с освободената “глобална карта” на Веста и го начертах върху сплескана яйцевидна, получена от формата на някои от орбиталните образи. Това ми позволи да създам малко по-ниска резолюция, но точен 3D модел още преди официалното пускане (Фигура 4).

Фигура 4. Астероид Веста - изображение от сондата Dawn вляво и моята 3D печатна версия отдясно.

Тази история не е свързана с това, че можем да вземем НАСА - става въпрос за демонстриране, че богатството от инструменти и свободните данни може да даде възможност на заинтересованите. Преминаването от изображения към 3D модел към отпечатан обект ви позволява да създадете свои собствени мащабни модели на Вселената. Създайте учебна програма, която ще позволи на слепите да усетят средния Атлантическия хребет и да разберат разликата между ярък, остър лунен кратер и ерозирал във времето марсиански. И на професионално ниво, създайте точни печатни модели на терени, за да изпробвате ровинг или превозни средства за събиране на проби, за да ни помогнете да продължим да проучваме, включително по-широка аудитория и мотивирайки новите поколения ученици, зрящи, а не, да осъзнаят, че могат да притежават модели на вселената в собствените си ръце.

- Сет Хоровиц



Може Да Се Интересувате

Използването на Вашата CNC мелница отнема много по-малко с новото приложение

Използването на Вашата CNC мелница отнема много по-малко с новото приложение


Бебе Gwar или Brony-Punk? Невероятни гъвкави киберпънк шипове

Бебе Gwar или Brony-Punk? Невероятни гъвкави киберпънк шипове


Присъединете се към FAA-Conquering Drone адвокат Брендан Шулман в разговор с MAKE

Присъединете се към FAA-Conquering Drone адвокат Брендан Шулман в разговор с MAKE


Обажда се на всички създатели на Остин! SXSW 3D печат на лов на чистачи

Обажда се на всички създатели на Остин! SXSW 3D печат на лов на чистачи