La donna Voxel a colori: stampa 3D della complessità dell’anatomia umana
La creazione di modelli 3D anatomici con tecnologia all’avanguardia può cambiare per sempre il modo in cui l’anatomia e la medicina sono illustrate. Alla Victoria University di Wellington (Victoria), in Nuova Zelanda, gli studenti stanno rapidamente imparando nuovi modi per dare vita ai dati clinici. Lo spostamento dei dati dal mondo 2D a un modello anatomico stampato in 3D tangibile, altamente dettagliato e preciso potrebbe cambiare significativamente il campo clinico; rinnovando tutto, dall’educazione medica alla pratica clinica.
Focalizzata sulla realizzazione dei suoi progetti creativi, Ana Morris, una studentessa post-laurea presso la School of Design Innovation di Victoria, è riuscita a stampare in 3D un voxel umano a colori, accurato anatomicamente e ad alta fedeltà usando il set di dati Visible Female e un flusso di lavoro di produzione additiva basato su bitmap.
Il risultato del lavoro, parte della tesi del maestro Morris, è visivamente sorprendente e la donna replicata in questo nuovo tipo di modello anatomico è quasi palpabile. È stato creato utilizzando immagini di criosezione sezionate in serie di un cadavere femminile prodotte da ricercatori che lavorano sul Visible Human Project (VHP) della National Library of Medicine .
Usando una stampante 3D Stratasys J750 , Morris è stata in grado di replicare in un modo completamente nuovo il corpo di una donna che, a causa dell’obesità patologica, è morta di malattie cardiache. Victoria’s School of Design Innovation lavora con le stampanti Stratasys dal 2004 e questa macchina J750 utilizzata per creare modelli anatomici realistici con patologie standard o complesse per test dei dispositivi, addestramento chirurgico e simulazione specifica del paziente, fornisce colore, flessibilità e trasparenza in goccioline da 14 micron.
In collaborazione con i docenti Bernard Guy e Ross Stevens della School of Design Innovation, Morris ha ottenuto l’accesso gratuito per utilizzare la sofisticata macchina Stratasys. Proprio come tutti i suoi compagni di classe , è stata incoraggiata a “imparare ai margini” e “sfruttare il suo pensiero creativo”, come Guy ha descritto durante un’intervista con 3DPrint.com .
“Questo particolare pezzo fa parte di un progetto più ampio di Ana [Morris] che lavora con i dati che i medici usano continuamente, come le scansioni MRI e TC. Fornisce un esempio di come i progettisti industriali di Victoria prendono i dati e li convertono in un oggetto fisico, e anche come far progredire il pensiero scientifico, fungendo da catalizzatore che può trasformare la ricerca “, ha affermato Guy.
“Abbiamo il vantaggio di parlare sempre con anestesisti e chirurghi, che hanno recentemente suggerito che questo pezzo umano voxel sarebbe un fantastico esempio come aiuto visivo per i pazienti, per mostrare loro cosa c’è dentro il corpo e cosa può accadere durante una procedura , senza essere spaventoso o troppo scientifico. “
L’intero set di dati del VHP è ora pubblicamente disponibile, offrendo a Morris l’opportunità di ricostruire volumetricamente il set di dati in un nuovo modo. Inizialmente condotto negli anni ’90 dal Centro di scienze della salute dell’Università del Colorado per ottenere immagini sezionate in serie di cadaveri umani per progressi nella ricerca medica, il VHP divenne un punto di riferimento comune per lo studio dell’anatomia umana .
La modellazione medica anatomica che utilizza flussi di lavoro tradizionali basati su mesh può richiedere molto tempo. Gli artefatti di perdita e segmentazione dei dati, dovuti a più fasi di post-elaborazione, possono causare stampe 3D anatomicamente imprecise. Morris ha dichiarato che, quando si utilizzano i flussi di lavoro di segmentazione correnti, ogni mesh (file STL) è limitata a un colore e densità. Tuttavia, il suo studio si avvale di una stampante 3D multi-materiale ad alta risoluzione che consente il controllo su ogni gocciolina di materiale (noto anche come ” voxel” ).
Guy e Stevens credono che “la stampa 3D con voxel sia un po ‘come guardare piccole particelle di polvere al sole; è quel tipo di dettaglio con cui stiamo lavorando, minuscole particelle. La nostra grande domanda è ora: cosa vogliono vedere le persone in un oggetto fisico con questo livello di dettaglio? Non vogliamo continuare a stampare prodotti più superflui ”.
“Ci sono molte ricostruzioni virtuali, ma non credo che l’anatomia umana sia mai stata stampata in questo modo prima”, ha suggerito Morris a 3DPrint.com . “Inoltre, un modello come questo mette in luce il potenziale di ciò che potrebbe venire dopo e spero che scatenerà idee su ciò che potrebbe essere fatto. Ad esempio, il modello potrebbe fungere da strumento di comunicazione visiva utilizzato in un contesto tra un medico e un paziente, rimuovendo tutto il gergo clinico, aiutando i pazienti a comprendere meglio il corpo umano.
Il flusso di lavoro di Morris può aggirare le fasi di conversione dei flussi di lavoro tradizionali di segmentazione, con conseguente conservazione dell’anatomia da cadavere nel suo vero colore. Inoltre, a causa del tempo risparmiato utilizzando un approccio di stampa 3D basato su bitmap, il flusso di lavoro di Morris ha il potenziale per risparmiare denaro rispetto ai tradizionali flussi di lavoro di modellazione medica . Il modello ad alta precisione è stato prodotto con colori graduali, inclusi dettagli con una risoluzione di 14 micron che, secondo Morris, è impossibile ottenere utilizzando i formati di file STL.
Il processo in quattro fasi inizia con l’acquisizione dei dati. In questo caso, il set di dati Visible Female, che viene poi volumetricamente ricostruito per creare un modello virtuale. Da qui, i dati vengono ridimensionati e rislicati alla risoluzione z della stampante nativa della stampante . Viene infine stampato e post-elaborato in 3D .
Il dettaglio che può essere visto nella Visible Female stampata in 3D mostrato in questa ricerca non ha precedenti. Un totale di 5.102 immagini sono state elaborate e inviate per la stampa sulla Stratasys J750 per completare la stampa 3D femminile visibile, risultando in 24 singole stampe 3D sovrapposte l’una sull’altra per formare la femmina visibile completamente stampata in 3D.
Morris ha affermato che tutte le parti di stampa variano nello spessore delle sezioni, poiché volevano dimostrare che la stampa basata su bitmap può produrre sia sezioni sottili che blocchi spessi. A scopo dimostrativo, sono stati utilizzati blocchi spessi per mostrare aree più dettagliate dell’anatomia come le regioni della mano e del torace, e sezioni più sottili sono state utilizzate per mostrare i dettagli attraverso aree come la coscia.
Guy ricorda che, diversamente da qualsiasi cosa vista in precedenza in modelli anatomici stampati in 3D, questo progetto mostra il corpo di una persona in modo estremamente dettagliato. “Con la stampa 3D, vediamo molte forme corporee stereotipate; mentre qui stiamo assistendo a una persona che è cresciuta, ha vissuto la sua vita e è deceduta, quindi è un vero cadavere, quasi come un cadavere sintetico o mummificazione sintetica. Mostra una forma e una forma molto reali, e questa è la parte dello studio su cui volevamo concentrarci. ”
Morris ha descritto che quando le immagini vengono depositate in sequenza l’una sopra l’altra utilizzando la stampante 3D Stratasys J750, può costruire un modello 3D tangibile. Ispirato dalla ricerca del Massachusetts Institute of Technology (MIT) in cui un flusso di lavoro di stampa 3D basato su bitmap consente di progettare diverse combinazioni di materiali con una risoluzione di 14 micron fondendo goccioline di materiali diversi. I vantaggi registrati nella stampa 3D basata su bitmap hanno riconosciuto che nella sua forza risiede la precisione, le possibilità di produzione illimitate e la produzione di combinazioni di materiali complessi su scala microscopica.
“Gli studenti di Victoria mirano a imitare l’anatomia usando materiali sintetici”, ha descritto Guy. Questo fa parte della loro capacità di creare e modellare voxel con dati medici. La sfida che molti professori e studenti della School of Design Innovation stanno affrontando è quella di mostrare un altro livello di dettaglio, sfumature, densità, colore e combinazioni di materiali eterogenei per soddisfare la crescente domanda nel campo medico.
“Siamo in un momento in cui gli operatori sanitari non sono sicuri di ciò che è realizzabile, ma non sanno nemmeno quale domanda porre e il nostro compito è mostrare loro cosa possiamo fare”, ha suggerito Guy.
Per Morris, lo scopo di questo progetto era esplorare la tecnica di stampa 3D basata su bitmap e le capacità della stampante 3D Stratasys J750 .
“Dopo questo, potremmo espanderci in densità e biomeccanica, che sono aree più complicate”, ha detto.
Secondo Morris, “avere il controllo su ogni goccia di materiale da 14 micron significa che i materiali possono essere ingegnerizzati per produrre modelli con colori e densità variabili”, e ancora più interessante è il modo in cui questo “flusso di lavoro di produzione potrebbe essere utilizzato per una varietà di diverse applicazioni mediche dove sono necessari set di dati di bioimaging per creare modelli anatomici tangibili. ”
Trovare un equilibrio tra scienza, creatività e arte è uno dei punti di forza di Morris e ciò che l’ha portata a svolgere questo sforzo, qualcosa che ha descritto come un modo per “umanizzare e democratizzare le informazioni sulla nostra anatomia e il vocabolario clinico attraverso il design”. In effetti, il suo modello di produzione additiva basato su bitmap ha contribuito a mostrare la Visible Female in un modo senza precedenti.
Dopo aver presentato questa ricerca alla conferenza 3D Technologies in Medicine 2019 tenutasi a Melbourne lo scorso anno, Morris e Guy si aspettano che la ricerca futura comporti lo studio di set di dati medici per la stampa di modelli morbidi e complessi. Si aspettano di lavorare sulla complessità del colore e del movimento 3D per visualizzare le dinamiche del corpo usando la sofisticata e nuova stampante per anatomia digitale Stratasys 750 (DAP).
“I modelli anatomici oggi sono una strana istantanea nel tempo, quindi voglio modelli che imitino la complessità di un corpo in movimento, come il movimento dei tessuti nella respirazione. Il desiderio è di avvicinarci il più possibile all’anatomia, imitando la reazione delle diverse parti del corpo quando si muove, al contrario dei modelli anatomici statici che imitano falsamente la realtà “, ha spiegato Guy. “E ora grazie al metodo di Ana, possiamo andare avanti, sapendo che se siamo davvero acuti, possiamo fare la differenza.”
