Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

用于CT扫描分析的3D打印,空间教育

Seth Horowitz是布朗大学生态学和进化生物学系的神经科学家和助理研究教授,也是制造商和3D打印爱好者。他分享了他使用3D打印机的一些方法,包括一种新的研究方法。

三年前,我遇到了一个有趣的问题 - 我需要一个可以轻松握住现场蝙蝠的实验装置,但这种方式不能咬住或移动它的头部。在过去,我和工程师一起工作,他们制作非常复杂的树脂玻璃,类似笼子的设备效果很好,但你必须有几个适合不同尺寸(和种类)的蝙蝠。制作每一个可能需要数周时间,每个成本超过一千美元。

大约在这个时候,3D打印机套件开始在网络上被讨论,我决定尝试看看我是否可以使用这些东西之一来定制打印活蝙蝠持有者。我从美国宇航局罗德岛太空获得了一笔小额飞行员资助(该研究与美国宇航局的利益相关 - 蝙蝠是黑暗中移动的人群所钟爱的对象)并购买了Makerbot Cupcake。

经过几个月的建造,组装,拆卸,咒骂和重新配置,我得到了我的3D打印蝙蝠支架,它使用了大约50美分的塑料,并花了两个小时打印。但是你真的需要多少蝙蝠支架?在试图弄清楚我还能用我的蛋糕做什么的时候,我意识到3D打印是一种新的形式 数据实现 - 采用对象的简化编码表示并创建该对象 - 从基因到蛋白质的机械推论。随着3D数据的丰富,可能性几乎无穷无尽。

至少在过去的十年中,3D模型及其图像在科学和工程中很常见--CT扫描创建骨骼和致密组织的三维图像,MRI在软组织中允许相同。数字地形建模从轨道中的不同视角拍摄多个图像,以允许3D天桥的行星和月球表面的重建。但所有这些都有固有的局限性 - 图像的各个元素必须经过大量过滤才能清晰地看到感兴趣的区域,这当然意味着你在寻找其他东西时过滤掉有趣的东西。重叠元素模糊了更精细的结构,为您提供了对象外部的精彩概述,但缺少内部细节,仅通过改变您的观点并不总是可以恢复。当然,一个主要的限制是这些仍然是图像。无论多么漂亮或详细,它们仍然将关于复杂对象的信息限制为严格的视觉信息。但是当你拍摄这些3D视觉表现并将它们转换回物理对象时,你不仅可以重新打开视觉上检查它们的可能性,还可以通过触摸从我们精致的形状感中获得细节。

图1.成年牛蛙的CT扫描显示畸形区域

我通过检查我做过的一项旧研究的数据找到了一个应用程序。我的大部分工作都集中在听觉发展上,以牛蛙为模型。牛蛙是人类听觉的有趣模型,因为首先,它们的听觉非常类似于人类的低频(<2500赫兹)听力,其次,它们的大脑在某些方面比人类更有弹性和灵活性。

例如,青蛙实际上可以在损伤后再生其中枢神经系统,这是我们希望人类可以做的事情,以防止噪音引起的听力损失等事情。但他们为这种可塑性付出了代价 - 他们也更容易受到环境毒素和环境的破坏。

2004年,在一次青蛙记录会议期间,实验室的一名成员发现了一只奇怪的成年雄性牛蛙。它只有一只耳朵。它看起来很健康,因为青蛙非常依赖于听取社交行为;这只青蛙很难繁殖并捍卫其领土。我们抓住它并对其进行CT扫描,看看我们是否可以确定其畸形的程度。 CT扫描是在感兴趣的区域内以连续螺旋形式拍摄的X射线,这使您可以创建骨骼和致密组织的3D模型。青蛙的CT扫描(图1)显示,虽然它的内耳在两侧看起来都是正常的,但它缺少鼓膜和称为镫骨(或镫骨)的小块软骨,它将外部鼓室与内耳连接起来。

图2.基于CT数据的3d打印模型

直到我们发现第二只青蛙具有相同的畸形,我们才开始意识到这里发生了一些事情。这两只青蛙没有受伤迹象,因此发育过程中发生的事情更有可能发生。 CT扫描图像使我们相信,由于内耳看起来正常,这可能类似于称为听觉闭锁的人类状况,其可导致外耳和中耳的畸形但使内耳保持完整。但现在,多年以后,我决定再次检查图像,这次借助我的3D打印机。我采用原始CT文件并使用开源程序ImageJ,将头骨的一部分数据导出为可打印的立体光刻文件,并创建了一个物理模型,放大了约25倍(图2)。

我一拿到模型并且能够转动并处理它,我注意到听觉(第8)神经离开内耳连接到大脑的区域实际上存在不对称性,这表明这种畸形与听觉闭锁不相似。相反,它可能是由于暴露于紫外线下会变成致畸物的杀虫剂,并可能在发育的某些点引起更广泛的异常。 3D打印模型最终提供了比计算机上观察到的原始图像更能了解导致异常的原因。通过创建物理可打印模型,您可以使用已经发展的工具(手和眼睛)一起使用,从而将结果扩展到甚至昂贵的硬件和软件之外。

我的另一个兴趣是太空教育和外展,我也希望将3D打印应用于此。探索世界(包括地球)是20世纪和21世纪最令人兴奋的人类冒险之一,但兴奋几乎完全来自图像。地球上的质量和盐度地球,火星上峡谷的3D穿越和木星卫星欧罗巴上的冰川裂缝,月球陨石坑的高清晰度视图 - 除了少数例外,所有这些和更多只能在视觉上获得。物理模型,例如定制的小行星形状的限量版,花费数千美元。纹理地球仪和地图让人们感受到山脊和陆地形状已经存在了一个多世纪,最初是为盲人开发的,但仅适用于普通教学工具,如地球仪。那么,你怎么能为全世界3700万完全失明的人提供空间和地球科学教育,更不用说1.24亿人了?除此之外,还有多少人能够在物理上处理小行星模型?

2010年,我开始寻找小行星形状的3D数据,看看是否可以打印空间体和地形的3D模型。我发现从RADAR数据中得到了大量的小行星形状(很大程度上是华盛顿州立大学电气工程学院的Scott Hudson教授),以及亚利桑那大学HiRISE小组的火星数字地形数据,其中已经被用于像Celestia这样的太空模拟计划。我开始采用这些基于NASA的数据和(经过大量工作)将它们转换成立体光刻格式并打印小行星物理模型,火星卫星Phobos和Deimos,甚至是火星陨石坑Gusev等行星特征(图3)。

图3.图像(上图)和3D打印版本(下图)中的小空间体。

但是为了展示在线软件的节奏如何融入教育和制作的新思路,我能够瞄准NASA制作小行星灶神星的模型。灶带是主带中第二大质量的小行星,与大多数其他小行星和太空体非常不同。我特别希望将Vesta的模型与其他“马铃薯形”小行星(例如Eros)进行比较,因为这意味着有人会根据重力原理立即获得对形状差异的直接内在(或至少是触觉)的掌握诱导的分化,从瓦砾堆到几乎所有的行星。

Vesta目前正在被Dawn探测器所环绕,该探测器正在发送数千张漂亮的图像,NASA尚未发布“官方”3D形状模型。但是我找到了两种方法 - 首先,通过拍摄显示Vesta旋转的图像并将它们送到在线免费的3D建模程序(www.my3dscanner.com)上,我得到了一个基本的点云,一个基于形状的关于连续图像之间相似的亮点和暗点之间的相关性。使用它来获取一些细节,我将它与Vesta发布的“全球地图”相结合,并将其映射到扁平的卵形,从一些轨道图像的形状得出。这让我在官方发布之前创建了一个有点低分辨率但又精确的3D模型(图4)。

图4.小行星灶神星 - 来自左侧Dawn探测器的图像和右侧的3D打印版本。

这个故事不是关于能够舀NASA的 - 它是关于证明那里丰富的工具和免费数据可以增强感兴趣的能力。从图像到3D模型再到打印对象,您可以创建自己的宇宙比例模型。生成一个课程,让盲人感受到大西洋中部的山脊,并能够分辨出一个尖锐,锋利的月球陨石坑和受天气侵蚀的火星陨石坑之间的区别。在专业水平上,创建准确的地形印刷模型,以测试流动或样品采集车辆,以帮助我们继续探索,包括更广泛的受众和激励新一代学生,视力而不是,实现他们可以拥有宇宙的模型掌握在自己手中。

- 塞思霍洛维茨

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