Τρισδιάστατη εκτύπωση για ανάλυση ανίχνευσης CT, διαστημική εκπαίδευση - 💡 Fix My Ideas

Τρισδιάστατη εκτύπωση για ανάλυση ανίχνευσης CT, διαστημική εκπαίδευση

Τρισδιάστατη εκτύπωση για ανάλυση ανίχνευσης CT, διαστημική εκπαίδευση


Συγγραφέας: Ethan Holmes, 2019

Ο Seth Horowitz είναι νευροεπιστήμονας και βοηθός καθηγητής στο Τμήμα Οικολογίας και Εξελικτικής Βιολογίας του Πανεπιστημίου Brown, καθώς και ένας δημιουργός και ένας ενθουσιώδης τρισδιάστατος εκτυπωτής. Μοιράζεται αυτήν την αναφορά με μερικούς τρόπους με τους οποίους χρησιμοποιεί τον 3D εκτυπωτή του, συμπεριλαμβανομένης μιας νέας μεθόδου έρευνας.

Πριν από τρία χρόνια είχα ένα ενδιαφέρον πρόβλημα - χρειαζόμουν μια συσκευή για ένα πείραμα που θα μπορούσε να συγκρατήσει ζωντανό ρόπαλο άνετα, αλλά με τέτοιο τρόπο ώστε να μην μπορεί να δαγκώσει ή να κινήσει το κεφάλι του. Στο παρελθόν είχα δουλέψει με μηχανικούς που θα έκαναν πολύ περίπλοκες Plexiglas, συσκευές που μοιάζουν με κλουβιά που δούλευαν καλά, αλλά έπρεπε να έχουν αρκετές για να ταιριάζουν σε διαφορετικά μεγέθη (και είδη) νυχτερίδες. Θα μπορούσε να χρειαστούν εβδομάδες για να γίνει ο καθένας και το κόστος ήταν πάνω από χίλια δολάρια το καθένα.

Σχετικά με αυτό το διάστημα, τα τρισδιάστατα κιτ εκτυπωτών άρχισαν να μιλάνε στο διαδίκτυο και αποφάσισα ότι θα προσπαθούσα να δούμε αν θα μπορούσα να χρησιμοποιήσω ένα από αυτά τα πράγματα για να εκτυπώσω ζωντανά κάτοχοι ζωνών. Πήρα μια μικρή πιλοτική επιχορήγηση από το χώρο της NASA Rhode Island Space (η έρευνα αφορούσε τα συμφέροντα της NASA - οι νυχτερίδες είναι αγαπημένα θέματα για το πλήθος που κινείται γύρω από το σκοτάδι) και αγόρασαν ένα Makerbot Cupcake.

Μετά από αρκετούς μήνες κατασκευής, συναρμολόγησης, αποσυναρμολόγησης, ορκωμοσίας και επανασχηματισμού, είχα το τρισδιάστατο έντυπό μου, το οποίο χρησιμοποίησε πλαστικό αξίας περίπου 50 λεπτών και πήρε τις δύο ώρες για εκτύπωση. Αλλά πόσοι κάτοχοι καρπών χρειάζεστε πραγματικά; Προσπαθώντας να καταλάβω τι άλλο μπορούσα να κάνω με το Cupcake μου, συνειδητοποίησα ότι η 3D εκτύπωση είναι μια νέα μορφή ενημέρωση των δεδομένων - η απλοποιημένη κωδικοποιημένη αναπαράσταση ενός αντικειμένου και η δημιουργία αυτού του αντικειμένου - ένα μηχανικό επακόλουθο της μετάβασης από τα γονίδια στις πρωτεΐνες. Και με τον πλούτο των δεδομένων 3D γύρω, οι δυνατότητες είναι σχεδόν ατελείωτες.

Για την τελευταία δεκαετία τουλάχιστον, τα τρισδιάστατα μοντέλα και οι εικόνες τους ήταν κοινά στην επιστήμη και τη μηχανική - οι CT σάρωσης δημιουργούν τρισδιάστατες εικόνες σκελετών και πυκνών ιστών, η μαγνητική τομογραφία επιτρέπει το ίδιο και σε μαλακούς ιστούς. Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους παίρνει πολλές εικόνες από διαφορετικές οπτικές γωνίες σε τροχιά για να επιτρέψει την ανακατασκευή των πλανητικών και των σεληνιακών επιφανειών για τα 3D flyovers. Αλλά όλα αυτά έχουν εγγενείς περιορισμούς - τα μεμονωμένα στοιχεία των εικόνων πρέπει να περάσουν από ουσιαστικό φιλτράρισμα για να επιτρέψουν μια καθαρή άποψη των περιοχών ενδιαφέροντος, πράγμα που φυσικά σημαίνει ότι φιλτράρετε ενδιαφέροντα πράγματα ενώ ψάχνετε για άλλους. Τα επικαλυπτόμενα στοιχεία θολώνουν τις λεπτότερες δομές, δίνοντάς σας ωραίες ανασκοπήσεις του εξωτερικού του αντικειμένου σας αλλά στερούνται εσωτερικών λεπτομερειών που δεν είναι πάντοτε ανακτήσιμα μόνο με την αλλαγή της άποψης σας. Και φυσικά, ένας σημαντικός περιορισμός είναι ότι αυτά είναι ακόμα εικόνες. Ανεξάρτητα από το πόσο όμορφο ή λεπτομερές, εξακολουθούν να περιορίζουν τις πληροφορίες για ένα πολύπλοκο αντικείμενο σε αυστηρά οπτικές πληροφορίες. Αλλά όταν παίρνετε αυτές τις τρισδιάστατες οπτικές αναπαραστάσεις και τις μετατρέπετε ξανά σε φυσικά αντικείμενα, όχι μόνο ανοίγετε ξανά τις δυνατότητες για να τις εξετάσετε οπτικά, αλλά και κερδίζετε λεπτομέρειες από την εξαίσια λεπτή αίσθηση της μορφής μας μέσω της αφής.

Σχήμα 1. CT σάρωση ενήλικου bullfrog που δείχνει περιοχή παραμόρφωσης

Βρήκα μια αίτηση εξετάζοντας δεδομένα από μια παλιά μελέτη που έκανα. Μεγάλο μέρος της δουλειάς μου έχει επικεντρωθεί στην ακουστική ανάπτυξη, χρησιμοποιώντας τα bullfrogs ως μοντέλο. Τα bullfrogs είναι ενδιαφέροντα μοντέλα για την ανθρώπινη ακοή δεδομένου ότι η ακοή τους είναι πολύ παρόμοια με την ακοή χαμηλής συχνότητας (<2500 Hz) στους ανθρώπους και δεύτερον, οι εγκέφαλοί τους είναι πιο ανθεκτικοί και ευέλικτοι σε μερικούς τρόπους από τους ανθρώπους.

Για παράδειγμα, οι βατράχοι μπορούν πραγματικά να αναγεννήσουν το κεντρικό νευρικό τους σύστημα μετά από βλάβες, κάτι που θέλουμε να κάνουν οι άνθρωποι για να αποτρέψουν πράγματα όπως η απώλεια ακοής που προκαλείται από το θόρυβο. Αλλά πληρώνουν μια τιμή για αυτή την πλαστικότητα - είναι επίσης πολύ πιο επιρρεπείς σε βλάβες από περιβαλλοντικές τοξίνες και συνθήκες.

Το 2004 κατά τη διάρκεια μιας συνόδου καταγραφής βάτραχος, ένα μέλος του εργαστηρίου εντοπίστηκε και πιάστηκε ένα παράξενο ενήλικο αρσενικό bullfrog. Είχε μόνο ένα αυτί. Φάνηκε διαφορετικά υγιής, αφού οι βατράχοι εξαρτώνται πολύ από την ακοή για κοινωνική συμπεριφορά. αυτός ο βάτραχος θα αντιμετώπιζε προβλήματα αναπαραγωγής και υπεράσπισης της επικράτειάς του. Την πιάσαμε και πήραμε CT σάρωση για να δούμε αν μπορούσαμε να προσδιορίσουμε την έκταση των δυσμορφιών. Οι σαρώσεις CT είναι ακτίνες Χ που λαμβάνονται σε συνεχή σπιράλ κάτω από μια περιοχή ενδιαφέροντος, η οποία σας επιτρέπει να δημιουργήσετε ένα τρισδιάστατο μοντέλο των οστών και των πυκνών ιστών. Η αξονική τομογραφία του βατράχου (Εικόνα 1) έδειξε ότι ενώ το εσωτερικό της αυτί φαινόταν φυσιολογικό και στις δύο πλευρές, στερούνταν το τύμπανο και το μικρό κομμάτι του χόνδρου που ονομάζονταν στάπες (ή stapedium) που συνδέουν το εξωτερικό τυμπάνιο με το εσωτερικό αυτί.

Εικόνα 2. 3d εκτυπωμένο μοντέλο που βασίζεται σε δεδομένα CT

Δεν ήταν μέχρι που βρήκαμε ένα δεύτερο βάτραχο με την ίδια δυσπλασία, που αρχίσαμε να συνειδητοποιούμε ότι κάτι συνέβη εδώ. Αυτοί οι δύο βατράχοι δεν έδειξαν σημάδια τραυματισμού, επομένως ήταν πιο πιθανό ότι κάτι συνέβη κατά την ανάπτυξη. Οι εικόνες CT σάρωσης μας οδήγησαν στο να πιστέψουμε ότι από τη στιγμή που τα εσωτερικά αυτιά φαίνονταν φυσιολογικά, αυτό μπορεί να είναι παρόμοιο με μια ανθρώπινη κατάσταση που ονομάζεται άριστη ακουστική που μπορεί να προκαλέσει δυσμορφία των εξωτερικών και μέσων αυτιών αλλά να αφήσει τα εσωτερικά αυτιά ανέπαφα. Αλλά τώρα, χρόνια αργότερα, αποφάσισα να εξετάσω ξανά τις εικόνες, αυτή τη φορά με τη βοήθεια του 3D εκτυπωτή μου. Πήρα τα ανεπεξέργαστα αρχεία CT και χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα open source ImageJ, εξήγαγα τα δεδομένα ενός τμήματος του κρανίου ως αρχείο εκτυπώσιμης στερεολιθογραφίας και δημιούργησα ένα φυσικό μοντέλο που διευρύνθηκε περίπου 25 φορές (Εικόνα 2).

Μόλις έχω το μοντέλο στο χέρι και κατάφερε να το μετατρέψει και να το χειριστεί, παρατήρησα ότι στην πραγματικότητα υπήρχαν ασυμμετρίες σε περιοχές όπου το ακουστικό (8ο) νεύρο άφησε το εσωτερικό αυτί να συνδεθεί με τον εγκέφαλο, υποδηλώνοντας ότι αυτή η δυσπλασία δεν ήταν παρόμοια με την ακουστική ακουστική. Αντιθέτως, ήταν πιθανό λόγω της έκθεσης σε εντομοκτόνα που άλλαξαν σε τερατογόνα παρουσία υπεριώδους φωτός και θα μπορούσε να προκαλέσει εκτεταμένες ανωμαλίες σε ορισμένα σημεία της ανάπτυξης. Το τρισδιάστατο τυπωμένο μοντέλο κατέληξε να δίνει μεγαλύτερη εικόνα για το τι προκάλεσε την ανωμαλία από ό, τι οι αρχικές εικόνες που παρατηρήθηκαν στον υπολογιστή. Η δημιουργία ενός φυσικού εκτυπώσιμου μοντέλου σάς επιτρέπει να χρησιμοποιήσετε τα εργαλεία που έχετε αναπτύξει για να τα χρησιμοποιήσετε μαζί - τα χέρια και τα μάτια σας - για να επεκτείνετε τα ευρήματα πέρα ​​από το ακριβό υλικό και το λογισμικό.

Ένα άλλο ενδιαφέρον μου είναι η διαστημική εκπαίδευση και η διάδοση, και θέλησα να εφαρμόσω και την εκτύπωση 3D σε αυτό. Η εξερεύνηση των κόσμων (συμπεριλαμβανομένης της Γης) είναι μία από τις πιο συναρπαστικές ανθρώπινες περιπέτειες του 20ου και του 21ου αιώνα, και όμως ο ενθουσιασμός προέρχεται σχεδόν αποκλειστικά από εικόνες. Οι πλανήτες μάζας και αλατότητας της Γης, τα 3D fly-throughs των φαραγγιών στον Άρη και οι παγετώδεις ρωγμές στα φεγγάρια του Δία Europa, οι απόψεις υψηλού ορισμού των σεληνιακών κρατήρων - με λίγες εξαιρέσεις όλα αυτά και πολλά άλλα είναι διαθέσιμα μόνο οπτικά. Τα φυσικά μοντέλα, όπως οι εξειδικευμένες περιορισμένες εκδόσεις των σχημάτων αστεροειδών, κοστίζουν χιλιάδες δολάρια. Οι υφές σφαίρες και χάρτες που επιτρέπουν σε κάποιον να αισθάνεται κορυφογραμμές βουνών και σχήματα γης έχουν περάσει πάνω από έναν αιώνα, αρχικά αναπτύχθηκαν για τους τυφλούς, αλλά είναι διαθέσιμα μόνο για κοινά εργαλεία διδασκαλίας, όπως οι γήινοι σφαίρες.Πώς λοιπόν μπορείτε να φέρετε την εκπαίδευση του χώρου και της επιστήμης της γης στα 37 εκατομμύρια ανθρώπων στον κόσμο που είναι εντελώς τυφλοί, για να μην αναφέρουμε τα 124 εκατομμύρια που είναι σχεδόν έτσι; Και πέρα ​​από αυτό, πόσο περισσότεροι θα έβλεπαν όσους δεν μπορούσαν να χειριστούν φυσικά ένα μοντέλο αστεροειδούς;

Το 2010, άρχισα να αναζητώ τρισδιάστατα δεδομένα των σχημάτων των αστεροειδών για να δούμε αν θα ήταν δυνατή η εκτύπωση τρισδιάστατων μοντέλων διαστημικών σωμάτων και χώρων. Διαπιστώσαμε ότι υπήρχαν πλούσιοι τύποι αστεροειδών που προέρχονται από δεδομένα RADAR (σε μεγάλο βαθμό από τον καθηγητή Scott Hudson της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον), καθώς και ψηφιακά δεδομένα εδάφους από τον τομέα HiRISE του Πανεπιστημίου της Αριζόνα. από τα οποία ήδη χρησιμοποιήθηκαν σε προγράμματα προσομοίωσης του χώρου όπως η Celestia. Άρχισα να λαμβάνω αυτά τα δεδομένα από τη NASA και μετά από σημαντική εργασία, να τα μετατρέψω σε μορφές στερεολιθογραφίας και να εκτυπώσω φυσικά μοντέλα αστεροειδών, τα φεγγάρια Mars Phobos και Deimos, ακόμα και πλανητικά χαρακτηριστικά όπως ο αρειανός κρατήρας Gusev (Εικόνα 3).

Εικόνα 3. Μικροί χώροι από εικόνες (παραπάνω) και εκδόσεις 3D εκτυπωμένες (παρακάτω).

Αλλά για να δείξω πώς ο ρυθμός του online λογισμικού τροφοδοτείται σε νέες ιδέες στην εκπαίδευση και την παραγωγή, ήμουν σε θέση να scoop NASA να κάνει ένα μοντέλο του αστεροειδή Vesta. Το Vesta είναι ο δεύτερος πιο μαζικός αστεροειδής στον κύριο ιμάντα και είναι πολύ διαφορετικός από τους περισσότερους αστεροειδείς και διαστημικά σώματα. Ήθελα ιδιαίτερα ένα μοντέλο της Vesta να συγκριθεί με άλλους αστεροειδείς τύπου "πατάτας" όπως ο Έρος γιατί θα σήμαινε ότι κάποιος θα είχε άμεση σπλαχνική (ή τουλάχιστον απτική) αντίληψη της διαφοράς σχήματος που προκύπτει με βάση την αρχή της βαρύτητας -η διαφοροποίηση που προκαλείται, από το σωρό των ερειπίων έως σχεδόν τον πλανήτη.

Το Vesta βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον καθετήρα Dawn, ο οποίος στέλνει πίσω χιλιάδες όμορφες εικόνες, η NASA δεν είχε κυκλοφορήσει ακόμη το "επίσημο" μοντέλο 3d σχήμα. Αλλά βρήκα δύο τρόπους γύρω από αυτό - πρώτον, παίρνοντας τις εικόνες που έδειξαν την περιστροφή του Vesta και τροφοδοτώντας τους σε ένα online δωρεάν πρόγραμμα 3d μοντελοποίησης (www.my3dscanner.com) ήμουν σε θέση να αποκτήσω ένα βασικό σύννεφο σημείο, σε συσχετισμούς μεταξύ παρόμοιων ελαφρών και σκοτεινών σημείων μεταξύ διαδοχικών εικόνων. Χρησιμοποιώντας αυτό για κάποιες από τις λεπτομέρειες, συνδύαζα αυτό με τον απελευθερωμένο «παγκόσμιο χάρτη» του Vesta και το χαρτογράφησα σε ένα πεπλατυσμένο ωοειδές, που προέρχεται από το σχήμα κάποιων από τις τροχιακές εικόνες. Αυτό θα επιτρέψει να δημιουργήσω ένα τρισδιάστατο μοντέλο κάπως χαμηλής ανάλυσης αλλά ακριβή, ακόμη και πριν από την επίσημη απελευθέρωση (Σχήμα 4).

Εικόνα 4. Η αστεροειδής Vesta - εικόνα από τον ανιχνευτή Dawn στα αριστερά και την εκτύπωση 3D που απεικονίζεται στα δεξιά.

Αυτή η ιστορία δεν είναι για να μπορέσουμε να κερδίσουμε τη NASA - πρόκειται για την απόδειξη ότι ο πλούτος των εργαλείων και των ελεύθερων δεδομένων εκεί έξω μπορεί να ενδυναμώσει τους ενδιαφερόμενους. Η μετάβαση από εικόνες σε μοντέλο 3D σε έντυπο αντικείμενο σας επιτρέπει να δημιουργήσετε τα δικά σας μοντέλα κλίμακας του σύμπαντος. Δημιουργήστε ένα πρόγραμμα σπουδών που θα επιτρέψει στους τυφλούς να αισθάνονται την κορυφή του μεσαίου Ατλαντικού και να είναι σε θέση να πουν τη διαφορά ανάμεσα σε έναν έντονο, απότομο σεληνιακό κρατήρα και σε μια ατμοσφαιρική ατμόσφαιρα. Και σε επαγγελματικό επίπεδο, να δημιουργήσουμε ακριβή έντυπα μοντέλα εδάφους για να δοκιμάσουμε τα οχήματα συλλογής ή δειγματοληψίας που θα μας βοηθήσουν να συνεχίσουμε την εξερεύνησή μας, συμπεριλαμβανομένου ενός ευρύτερου ακροατηρίου και να παρακινήσουμε νέες γενιές φοιτητών, όπισθεν και όχι, να συνειδητοποιήσουν ότι μπορούν να κρατήσουν μοντέλα του σύμπαντος στα χέρια τους.

- Ο Seth Horowitz



Μπορεί Να Σας Ενδιαφέρει

Πρόγραμμα SPARK # 1, Δημοσίευση # 4

Πρόγραμμα SPARK # 1, Δημοσίευση # 4


Βιβλίο Συνέντευξη και Giveaway: Drip.Dot.Swirl.

Βιβλίο Συνέντευξη και Giveaway: Drip.Dot.Swirl.


Συνταγή: Πιπέρι μπανάνας σοκολάτας

Συνταγή: Πιπέρι μπανάνας σοκολάτας


MADE ON EARTH: Αυτοκίνητα Concept Real-Life

MADE ON EARTH: Αυτοκίνητα Concept Real-Life