Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

3D-Druck für die CT-Scan-Analyse, Raumfahrt

Seth Horowitz ist Neurowissenschaftler und Assistenzprofessor in der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie an der Brown University sowie Hersteller und begeisterter 3D-Drucker. Er teilt diesen Bericht auf einige Arten, in denen er seinen 3D-Drucker verwendet hat, einschließlich einer neuen Forschungsmethode.

Vor drei Jahren hatte ich ein interessantes Problem - ich brauchte ein Gerät für ein Experiment, das eine Live-Fledermaus bequem halten konnte, aber so, dass sie nicht beißen oder den Kopf bewegen kann. In der Vergangenheit hatte ich mit Ingenieuren zusammengearbeitet, die sehr komplexe, käfigartige Geräte aus Plexiglas bauten, die gut funktionierten, aber man musste mehrere für Fledermäuse unterschiedlicher Größe (und Arten) verwenden. Es könnte Wochen dauern, bis man einen davon gemacht hat, und die Kosten betrugen jeweils mehr als tausend Dollar.

Ungefähr zu dieser Zeit wurden 3D-Druckersätze im Web angesprochen, und ich entschied, ich würde versuchen, herauszufinden, ob ich eines dieser Dinge verwenden könnte, um Live-Fledermaushalter nach Kundenwunsch zu drucken. Ich erhielt ein kleines Pilotstipendium aus dem NASA-Raum Rhode Island Space (die Forschung war für die Interessen der NASA relevant - Fledermäuse sind beliebte Untertanen für die sich im Dunkeln bewegenden Menschen) und kaufte einen Makerbot Cupcake.

Nach einigen Monaten Bau, Montage, Demontage, Fluchen und Umkonfigurieren hatte ich meinen 3D-bedruckten Schlägerhalter, der etwa 50 Cent Kunststoff kostete und zwei Stunden brauchte, um zu drucken. Aber wie viele Schlägerhalter brauchen Sie eigentlich? Bei dem Versuch herauszufinden, was ich sonst mit meinem Cupcake machen könnte, wurde mir klar, dass der 3D-Druck eine neue Form von ist Datenaktualisierung - Nehmen Sie die vereinfachte codierte Darstellung eines Objekts und erstellen Sie dieses Objekt - eine mechanische Folge des Übergangs von Genen zu Proteinen. Und mit der Fülle an 3D-Daten sind die Möglichkeiten nahezu unbegrenzt.

Zumindest in den letzten zehn Jahren waren 3D-Modelle und ihre Bilder in Wissenschaft und Technik üblich - CT-Scans erstellen dreidimensionale Bilder von Skeletten und dichtem Gewebe. Die MRI-Technik ermöglicht dies auch in Weichteilen. Bei der digitalen Geländemodellierung werden mehrere Bilder aus verschiedenen Perspektiven im Orbit aufgenommen, um die Rekonstruktion von Planeten- und Mondoberflächen für 3D-Flyovers zu ermöglichen. Alle diese sind jedoch mit Einschränkungen behaftet. Einzelne Elemente der Bilder müssen gründlich gefiltert werden, um eine saubere Sicht auf interessierende Bereiche zu ermöglichen. Dies bedeutet natürlich, dass Sie interessante Dinge herausfiltern, während Sie nach anderen suchen. Überlappende Elemente verwischen feinere Strukturen, so dass Sie einen schönen Überblick über die Außenseite Ihres Objekts erhalten, jedoch keine internen Details, die nicht immer nur durch eine Änderung des Standpunkts wiederhergestellt werden können. Eine wesentliche Einschränkung ist natürlich, dass es sich hierbei um Standbilder handelt. Egal wie hübsch oder detailliert sie sind, sie beschränken die Informationen über ein komplexes Objekt auf rein visuelle Informationen. Wenn Sie diese visuellen 3D-Darstellungen jedoch in physische Objekte zurückwandeln, öffnen Sie nicht nur die Möglichkeiten, um sie visuell zu untersuchen, sondern erhalten auch Details aus unserem exquisiten feinen Formgefühl durch Berührung.

Abbildung 1. CT-Scan eines erwachsenen Ochsenfrosches, der den Deformitätsbereich zeigt

Ich habe eine Anwendung gefunden, indem ich Daten aus einer alten Studie überprüfte, die ich gemacht habe. Ein Großteil meiner Arbeit konzentrierte sich auf die auditive Entwicklung, wobei Ochsenfrösche als Modell verwendet wurden. Ochsenfrösche sind interessante Modelle für das menschliche Gehör, denn erstens ist ihr Gehör dem Niederfrequenz-Hören (<2500 Hz) bei Menschen sehr ähnlich, und zweitens ist ihr Gehirn in gewisser Weise widerstandsfähiger und flexibler als Menschen.

Zum Beispiel können Frösche ihr zentrales Nervensystem nach einem Schaden regenerieren. Wir wünschen uns, dass Menschen dies tun könnten, um zum Beispiel Lärm verursachten Hörverlust zu verhindern. Sie zahlen jedoch einen Preis für diese Plastizität - sie sind außerdem viel anfälliger für Schäden durch Umweltgifte und -bedingungen.

Während einer Frosch-Aufnahmesitzung entdeckte ein Mitglied des Labors 2004 einen erwachsenen männlichen Ochsenfrosch. Es hatte nur ein Ohr. Ansonsten schien es gesund zu sein, da Frösche wegen ihres sozialen Verhaltens sehr stark davon abhängig sind. Dieser Frosch würde Schwierigkeiten haben, sein Territorium zu züchten und zu verteidigen. Wir haben es aufgefangen und einen CT-Scan gemacht, um festzustellen, ob wir das Ausmaß seiner Fehlbildung feststellen können. CT-Scans sind Röntgenaufnahmen, die in einer kontinuierlichen Spirale entlang eines interessierenden Bereichs aufgenommen werden, sodass Sie ein 3D-Modell des Knochens und des dichten Gewebes erstellen können. Der CT-Scan des Frosches (Abbildung 1) zeigte, dass das Innenohr auf beiden Seiten normal schien, das Trommelfell und das kleine Knorpelstück, genannt Stapes (oder Stapedium), das das äußere Tympanon mit dem Innenohr verband, fehlte.

Abbildung 2. 3D-gedrucktes Modell basierend auf CT-Daten

Erst als wir einen zweiten Frosch mit derselben Missbildung fanden, erkannten wir, dass hier etwas vor sich ging. Diese beiden Frösche zeigten keine Anzeichen von Verletzungen, so dass wahrscheinlicher etwas während der Entwicklung passiert ist. Die Bilder des CT-Scans führten uns zu der Annahme, dass das Innenohr normal aussieht und einer menschlichen Aura ähnlich sein könnte, die als Auralatresie bezeichnet wird, die zu Missbildungen des Außen- und Mittelohrs führen kann, das Innenohr jedoch intakt lässt. Aber jetzt, Jahre später, entschied ich mich, die Bilder erneut zu untersuchen, diesmal mit Hilfe meines 3D-Druckers. Ich nahm die rohen CT-Dateien und benutzte das Open-Source-Programm ImageJ, exportierte die Daten eines Schädelabschnitts als druckbare Stereolithographiedatei und erstellte ein physikalisches Modell, das etwa 25-fach vergrößert war (Abbildung 2).

Sobald ich das Modell in der Hand hatte und es drehen und handhaben konnte, bemerkte ich, dass tatsächlich Asymmetrien in Regionen auftraten, in denen der Hörnerv (8.) das Innenohr verlassen hatte, um eine Verbindung zum Gehirn herzustellen, was auf diese Fehlbildung schließen lässt war der Auralatresie nicht ähnlich. Vielmehr war es wahrscheinlich auf die Exposition gegenüber Insektiziden zurückzuführen, die sich in Gegenwart von UV-Licht in Teratogene verwandelten und zu bestimmten Zeitpunkten der Entwicklung zu größeren Anomalien führen konnten. Das 3D-gedruckte Modell gab letztendlich einen besseren Einblick in die Ursache der Anomalien als die auf dem Computer beobachteten Originalbilder. Durch die Erstellung eines physisch druckbaren Modells können Sie die von Ihnen entwickelten Werkzeuge - Hände und Augen - zusammen verwenden, um die Ergebnisse über teure Hard- und Software hinaus zu erweitern.

Ein weiteres Interesse von mir ist die Weltraumausbildung und -bekämpfung, und ich wollte auch den 3D-Druck auf diesen Bereich anwenden. Die Erforschung der Welten (einschließlich der Erde) ist eines der aufregendsten menschlichen Abenteuer des 20. und 21. Jahrhunderts, und doch kommt die Aufregung fast ausschließlich aus Bildern. Masse- und Salzgehaltskugeln der Erde, 3D-Durchbrüche von Canyons auf dem Mars und Gletscherrisse auf den Monden Jupiters Europa, hochauflösende Ansichten von Mondkratern - bis auf wenige Ausnahmen sind alle diese Optionen nur visuell verfügbar. Physikalische Modelle, z. B. Sonderanfertigungen von Asteroiden, kosten Tausende von Dollar. Strukturierte Globen und Karten, die es jemandem ermöglichen, Bergrücken und Landmassenformen zu spüren, gibt es seit über einem Jahrhundert und wurden ursprünglich für Blinde entwickelt. Sie sind jedoch nur für gängige Lehrmittel wie Erdkugeln verfügbar.Wie können Sie also den 37 Millionen Menschen, die völlig blind sind, Weltraum- und Erdwissenschaftserziehung vermitteln, ganz zu schweigen von den fast 124 Millionen. Und darüber hinaus, wie viel mehr würden sehende Menschen davon abkommen, ein Modell eines Asteroiden physisch handhaben zu können?

Im Jahr 2010 begann ich mit der Suche nach 3D-Daten der Asteroidenformen, um zu sehen, ob es möglich ist, 3D-Modelle von Weltraumkörpern und Gelände zu drucken. Ich fand heraus, dass es eine Fülle von Asteroidenformen gab, die aus RADAR-Daten (größtenteils von Professor Scott Hudson von der Fakultät für Elektrotechnik an der Washington State University) abgeleitet wurden, sowie aus digitalen Mars-Geländedaten der HiRISE-Gruppe der University of Arizona davon wurde bereits in Weltraumsimulationsprogrammen wie Celestia eingesetzt. Ich begann, diese NASA-basierten Daten zu nehmen und (nach umfangreichen Arbeiten) in Stereolithographie-Formate zu konvertieren und physikalische Modelle von Asteroiden, die Marsmonde Phobos und Deimos sowie sogar planetarische Merkmale wie den Marskrater Gusev zu drucken (Abbildung 3).

Abbildung 3. Kleine Leerräume aus Bildern (oben) und 3D-gedruckten Versionen (unten).

Aber um zu zeigen, wie das Tempo der Online-Software in neue Ideen für Ausbildung und Herstellung einfließt, konnte ich die NASA bei der Erstellung eines Modells des Asteroiden Vesta schöpfen. Vesta ist der zweitstärkste Asteroid im Hauptgürtel und unterscheidet sich sehr von den meisten anderen Asteroiden und Weltraumkörpern. Ich wollte vor allem ein Modell von Vesta, das mit anderen „kartoffelförmigen“ Asteroiden wie Eros zu vergleichen ist, da dies bedeuten würde, dass jemand sofort einen viszeralen (oder zumindest haptischen) Einblick in den Formunterschied erhält, der auf dem Prinzip der Schwerkraft beruht -induzierte Differenzierung, vom Schutthaufen bis fast zum Planeten.

Vesta wird derzeit von der Dawn-Sonde umkreist, die Tausende von schönen Bildern zurücksendet. Die NASA hatte das "offizielle" 3D-Formmodell noch nicht veröffentlicht. Aber ich habe zwei Wege gefunden: Zuerst habe ich die Bilder gemacht, die die Rotation von Vesta zeigten, und sie in ein kostenloses 3D-Modellierungsprogramm (www.my3dscanner.com) einfließen lassen. Dadurch konnte ich eine grundlegende Punktwolke erhalten, eine Form, die auf Form basiert auf Korrelationen zwischen ähnlichen hellen und dunklen Punkten zwischen aufeinanderfolgenden Bildern. Ich nutzte das für einige Details und kombinierte das mit der freigegebenen „Weltkarte“ von Vesta und kartierte sie auf ein abgeflachtes Ovoid, das sich aus der Form einiger der Orbitalbilder ableitete. So konnte ich schon vor der offiziellen Veröffentlichung ein etwas niedrigauflösendes, aber genaues 3D-Modell erstellen (Abbildung 4).

Abbildung 4. Der Asteroid Vesta - Bild von der Dawn-Sonde links und meiner 3D-gedruckten Version rechts.

Bei dieser Geschichte geht es nicht darum, die NASA in den Griff zu bekommen - es geht darum zu zeigen, dass die Fülle an Tools und freien Daten die Interessenten dazu befähigen kann. Wenn Sie von Bildern über ein 3D-Modell zu einem gedruckten Objekt wechseln, können Sie eigene Skalenmodelle des Universums erstellen. Erstellen Sie einen Lehrplan, der den Blinden den mittleren Atlantikrücken spüren lässt und den Unterschied zwischen einem scharfen, scharfen Mondkrater und einem verwitterten Mars-Krater erkennen kann. Erstellen Sie auf professioneller Ebene präzise gedruckte Geländemodelle, um Roving zu testen oder Fahrzeuge zum Sammeln von Mustern zu sammeln, damit wir unsere Erkundung fortsetzen können, einschließlich eines breiteren Publikums, und motivieren Sie neue Generationen von sehenden Studenten und nicht, um zu erkennen, dass sie Modelle des Universums aufnehmen können in ihren eigenen Händen.

- Seth Horowitz

Aktie

Leave A Comment