Ny 3D-udskrivningsteknik muliggør hurtigere, bedre, og billigere modeller af patientspecifikke medicinske data

Hvad hvis du kunne holde en fysisk model af din egen hjerne i dine hænder, præcis ned til hver sin unikke fold? Det er bare en normal del af livet for Steven Keating, Ph.d., som havde en svulst i baseballstørrelse fjernet fra hans hjerne i en alder af 26, mens han var kandidatstuderende i MIT Media Labs Mediated Matter-gruppe. Nysgerrig efter at se, hvordan hans hjerne faktisk så ud, før tumoren blev fjernet, og med det formål at bedre forstå hans diagnose og behandlingsmuligheder, Keating indsamlede sine medicinske data og begyndte 3D-udskrivning af sine MR- og CT-scanninger, men var frustreret over, at eksisterende metoder var uoverkommeligt tidskrævende, besværligt, og afslørede ikke nøjagtigt vigtige træk ved interesse. Keating kontaktede nogle af hans gruppes samarbejdspartnere, herunder medlemmer af Wyss Institute ved Harvard University, der udforskede en ny metode til 3D-udskrivning af biologiske prøver.

"Det gik aldrig op for os at bruge denne tilgang til menneskelig anatomi, før Steve kom til os og sagde:'Fyre, her er mine data, hvad kan vi gøre? "siger Ahmed Hosny, som på daværende tidspunkt var forsker hos Wyss Institute og nu er maskinlæringsingeniør ved Dana-Farber Cancer Institute. Resultatet af det improviserede samarbejde - som voksede til at involvere James Weaver, Ph.d., Seniorforsker ved Wyss Institute; Neri Oxman, Ph.d., Direktør for MIT Media Labs Mediated Matter -gruppe og lektor i mediekunst og videnskab; og et team af forskere og læger på flere andre akademiske og medicinske centre i USA og Tyskland - er en ny teknik, der tillader billeder fra MR, CT, og andre medicinske scanninger, der let og hurtigt konverteres til fysiske modeller med enestående detaljer. Forskningen er rapporteret i 3D-print og additiv fremstilling .

"Jeg hoppede næsten ud af min stol, da jeg så, hvad denne teknologi er i stand til, "siger Beth Ripley, M.D. Ph.D., en adjunkt i radiologi ved University of Washington og klinisk radiolog ved Seattle VA, og medforfatter af papiret. "Det skaber udsøgt detaljerede 3D-trykte medicinske modeller med en brøkdel af det manuelle arbejde, der aktuelt kræves, gør 3D-udskrivning mere tilgængelig for det medicinske område som et værktøj til forskning og diagnose. "

Billedteknologier som MR- og CT-scanninger producerer billeder i høj opløsning som en række "skiver", der afslører detaljerne i strukturer inde i menneskekroppen, gør dem til en uvurderlig ressource til vurdering og diagnosticering af medicinske tilstande. De fleste 3D-printere bygger fysiske modeller i en lag-for-lag proces, så at fodre dem med lag af medicinske billeder for at skabe en solid struktur er en oplagt synergi mellem de to teknologier.

Imidlertid, der er et problem:MR- og CT -scanninger producerer billeder med så mange detaljer, at objekt (er) af interesse skal isoleres fra omgivende væv og omdannes til overflademasker for at kunne udskrives. Dette opnås via enten en meget tidskrævende proces kaldet "segmentering", hvor en radiolog manuelt sporer det ønskede objekt på hver enkelt billedskive (nogle gange hundredvis af billeder for en enkelt prøve), eller en automatisk "tærskelværdi" -proces, hvor et computerprogram hurtigt konverterer områder, der indeholder gråtonepiksler, til enten ensfarvede sorte eller helt hvide pixels, baseret på en grå nuance, der er valgt til at være tærsklen mellem sort og hvid. Imidlertid, medicinske billeddatasæt indeholder ofte objekter, der er uregelmæssigt formet og mangler klare, veldefinerede grænser; som resultat, auto-tærskelværdi (eller endda manuel segmentering) over- eller under-overdriver ofte størrelsen på en funktion af interesse og vasker kritiske detaljer ud.

Den nye metode beskrevet af papirets forfattere giver læger det bedste fra begge verdener, tilbyder en hurtig og meget præcis metode til at konvertere komplekse billeder til et format, der let kan udskrives i 3D. Nøglen ligger i udskrivning med rystede bitmaps, et digitalt filformat, hvor hver pixel i et gråtonebillede konverteres til en række sort / hvide pixels, og densiteten af ​​de sorte pixels er det, der definerer de forskellige gråtoner frem for, at pixelerne i sig selv varierer i farve.

På samme måde som billeder i sort-hvidt avispapir bruger forskellige størrelser af sorte blækprikker til at formidle skygge, de flere sorte pixels, der er til stede i et givet område, jo mørkere det ser ud. Ved at forenkle alle pixels fra forskellige gråtoner til en blanding af sorte eller hvide pixels, dithed bitmaps giver en 3D-printer mulighed for at udskrive komplekse medicinske billeder ved hjælp af to forskellige materialer, der bevarer alle de subtile variationer af de originale data med meget større nøjagtighed og hurtighed.

Forskerteamet brugte bitmapbaseret 3-D-udskrivning til at skabe modeller af Keats hjerne og tumor, der trofast bevarede alle detaljeringsgradueringer i de rå MRI-data ned til en opløsning, der er på niveau med, hvad det menneskelige øje kan skelne mellem omkring 9-10 tommer væk. Ved hjælp af den samme tilgang, de var også i stand til at udskrive en variabel stivhedsmodel af en menneskelig hjerteventil ved hjælp af forskellige materialer til ventilvævet kontra de mineralplakker, der havde dannet sig inde i ventilen, resulterede i en model, der udviste mekaniske egenskabsgradienter og gav ny indsigt i pladernes faktiske virkninger på ventilfunktionen.

"Vores tilgang tillader ikke kun, at høje detaljeringsniveauer bevares og udskrives i medicinske modeller, men det sparer også en enorm mængde tid og penge, "siger Weaver, hvem er den tilsvarende forfatter til papiret. "Manuelt segmentering af en CT -scanning af en sund menneskelig fod, med hele dens indre knoglestruktur, knoglemarv, sener, muskler, blødt væv, og hud, for eksempel, kan tage mere end 30 timer, selv af en uddannet professionel - vi var i stand til at gøre det på mindre end en time. "

Forskerne håber, at deres metode vil hjælpe med at gøre 3D-udskrivning til et mere levedygtigt værktøj til rutinemæssige undersøgelser og diagnoser, patientuddannelse, og forståelse af menneskekroppen. "Lige nu, det er bare for dyrt for hospitaler at ansætte et team af specialister til at gå ind og håndsegmentere billeddatasæt til 3D-udskrivning, undtagen i ekstremt højrisiko- eller profilerede sager. Vi håber at ændre det, «siger Hosny.

For at det kan ske, nogle forankrede elementer på det medicinske område skal også ændres. De fleste patienters data komprimeres for at spare plads på hospitals servere, så det er ofte svært at få de rå MRI- eller CT-scanningsfiler, der er nødvendige for 3D-udskrivning i høj opløsning. Derudover teamets forskning blev faciliteret gennem et fælles samarbejde med førende 3D-printerproducent Stratasys, hvilket gav adgang til deres 3D-printers iboende bitmap-udskrivningsmuligheder. Nye softwarepakker skal også stadig udvikles for bedre at udnytte disse muligheder og gøre dem mere tilgængelige for læger.

På trods af disse forhindringer, forskerne er overbeviste om, at deres præstationer udgør en betydelig værdi for det medicinske samfund. ”Jeg forestiller mig, at engang inden for de næste 5 år, dagen kunne komme, hvor enhver patient, der går til en læge for en rutinemæssig eller ikke-rutinemæssig CT- eller MR-scanning, vil kunne få en 3D-printet model af deres patientspecifikke data inden for få dage, "siger Weaver.

Keating, som er blevet en lidenskabelig fortaler for bestræbelser på at give patienter adgang til deres egne medicinske data, stadig 3-D udskriver sine MR-scanninger for at se, hvordan hans kranium helbreder efter operationen og kontrollere hans hjerne for at sikre, at hans tumor ikke kommer tilbage. "Evnen til at forstå, hvad der sker inde i dig, faktisk at holde det i dine hænder og se virkningerne af behandlingen, er utrolig bemyndigende, " han siger.

"Nysgerrighed er en af ​​de største drivere for innovation og forandring til det større gode, især når det indebærer at undersøge spørgsmål på tværs af discipliner og institutioner. Wyss Institute er stolte over at være et rum, hvor denne form for tværfeltinnovation kan blomstre, "siger Wyss Institutes grundlægger, Donald Ingber, M.D., Ph.d., som også er Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School (HMS) og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).