Studerende designer 3-D-printet optisk kortlægningssystem

To School of Engineering and Applied Science-studerende designede et 3-D-printet system til optisk kortlægning, et førende værktøj inden for hjerteelektrofysiologi, der bruges til at studere arytmimekanismer. Systemet kan implementeres til en brøkdel af prisen på kommercielt tilgængeligt udstyr.

Sofian Obaid, B.S. '18, en førsteårs ph.d. studerende, og Brianna Cathey, en senior hovedfag i biomedicinsk teknik, for nylig udgivet en artikel om deres 3-D-printede system og tilhørende dataanalysesoftware i Videnskabelige rapporter . Deres design kan downloades og ændres af forskere, der ønsker at replikere hele systemet eller kun dele af det, reduktion af økonomiske og protokolmæssige gennemførlighedsbarrierer for hjerteelektrofysiologiske laboratorier og det bredere forskningssamfund.

Arbejder under Igor Efimov, formand for biomedicinsk teknik og Alisann og Terry Collins professor i biomedicinsk teknik, Hr. Obaid og Ms. Cathey fik oprindeligt til opgave af postdoktor Sharon George, med 3-D-print af en enkelt del til et eksperiment. Dr. Efimov kunne lide deres idé og udfordrede dem til at designe et helt optisk kortlægningssystem, der ville øge forskningsprotokollefleksibiliteten og reducere økonomiske barrierer for forskning.

Evnen til at lave 3-D-print har demokratiseret ingeniør kreativitet på mange områder, men det er især virkningsfuldt inden for biomedicinsk teknik, hvor sofistikerede tekniske løsninger er nødvendige for at hjælpe individuelle patienter, Dr. Efimov sagde.

"Brianna og Sofian har gennem deres professionelle vækst som BME-studerende vist en vej til fremtidige studerende, hvordan man kan være ambitiøs og udfordre eksisterende metoder inden for vores felt, " sagde han. "At arbejde med Dr. Sharon George og andre samarbejdspartnere, de skabte en ramme for brugerdefinerede open source 3D-printede billedsystemer, en eksperimentel undersøgelse ad gangen. Det vil i den nærmeste fremtid give alle biologer uden en ingeniørbaggrund mulighed for at designe deres eksperimentelle metoder skræddersyet til et biologisk fænomen, der undersøges."

For eksempel, en komponent i det traditionelle system er en boks designet til at holde et lille spejl i en 45-graders vinkel. Hvis en forsker skulle udskifte den omkring tre tommer kasse, ville det koste tusindvis af dollars. I stedet, et design til en del med samme funktion er tilgængelig til download og kan 3-D-printes for omkring $40.

"Med små enkle ting som den, du ville tro, at det ikke ville være et problem at finde en billig løsning, men vores eksperimenter kræver specifikke forhold for, at lys kan indsamles korrekt og rejse den rigtige vej for at opnå de bedste data, "Ms. Cathey sagde. "De mekaniske dele skal faktisk opfylde en masse krav og kunne tilpasses til specialordrede højomkostningsoptik."

Brugere kan nu enten downloade bestemte dele af et kortlægningssystem, de vil replikere, eller hele systemet, som understøtter specialiseret optisk udstyr, herunder kameraer, linser og spejle. Forskere kunne spare næsten 21 dollars, 000 ved at 3-D printe et nyt system i stedet for at købe et på markedet i øjeblikket.

Ud over højere omkostninger, kommercielt købte systemer er også typisk skræddersyet til en specifik linsestørrelse og vævsforberedelse. Imidlertid, det 3-D-printede system giver brugerne mulighed for at ændre disse elementer. Denne ændring vil også hjælpe forskere med at spare penge, som de i stedet kan kanalisere til forskellige aspekter af deres arbejde.

Ms. Cathey og Mr. Obaid arbejdede på projektet i omkring halvandet år, før de indsendte deres papir til offentliggørelse. Systemet har mere end 55 forskellige dele, og det var en udfordring at skabe det, fordi forskerne skulle tænke flere skridt fremad, overvejer, hvordan enhver designbeslutning vil påvirke den overordnede systemfunktion.

Mr. Obaid, der arbejdede på dette projekt som bachelor, sagde, at forskning fik ham til at fortsætte med at forfølge biomedicinsk ingeniørvidenskab som doktorand. Mr. Obaid arbejder i øjeblikket under Luyao Lu i hans avancerede bio-integrerede elektroniklaboratorium.

"Det bedste ved min erfaring var at lære mig selv nye færdigheder og anvende dem til at forbedre en vigtig forskningsmetode, " han sagde.

Fru Cathey, der planlægger at gå på medicinstudiet efter at have taget et mellemår, sagde forskning gav hende en mere omfattende forståelse af de tekniske principper, hun studerede. Hun talte med Dr. Efimov om at blive involveret i hans laboratorium som førsteårsstuderende og har taget mere ansvar over tid.

"Dette projekt har været en god lærerig oplevelse for at se, hvilken form for engagement der skal til for at yde et meningsfuldt bidrag til feltet, " hun sagde.

Cathey håber at kunne lave klinisk anvendte ingeniørstudier i fremtiden. Hun er medstifter af George Hacks og præsenterede for nylig på American Association for the Advancement of Sciences årlige møde om at fremme social forandring gennem innovation.