una nuova tecnica di stampa 3D consente alle scansioni medicali di essere rapidamente convertite in modelli 3D dettagliati

Stampa 3D basata su bitmap per creare modelli anatomici altamente dettagliati

I medici necessitano di risonanza magnetica e tomografia computerizzata per valutare ulteriormente e diagnosticare condizioni mediche. Queste scansioni producono immagini ad alta risoluzione in una serie di sezioni che mostrano i dettagli delle strutture nel corpo di una persona e possono in seguito essere stampate in 3D in un modello fisico dettagliato  .

Sfortunatamente, queste immagini sono così dettagliate che la parte che deve essere stampata in 3D deve essere isolata dal tessuto circostante, quindi convertita in mesh superficiali. Mentre un computer può completare rapidamente questo in un processo di soglia automatico, può esagerare o non esagerare con le dimensioni dell’oggetto e anche svelare dettagli importanti.

Ora, una nuova tecnica di stampa 3D da parte di un team di ricerca collaborativo consente a queste scansioni medicali di essere rapidamente convertite in modelli 3D dettagliati, con estrema facilità e ad un costo inferiore.

Il filtraggio dei tessuti ad alta velocità può aiutare a rimuovere rapidamente i tessuti estranei per rivelare le strutture sottostanti desiderate (R) senza sacrificare la risoluzione oi gradienti di intensità nei dati di imaging nativi (L e centro).
“Sono quasi saltato fuori dalla mia sedia quando ho visto cosa è in grado di fare questa tecnologia. Crea modelli medici 3D stampati in modo squisito e dettagliati con una frazione del lavoro manuale attualmente richiesto, rendendo la stampa 3D più accessibile al campo medico come strumento per la ricerca e la diagnosi “, ha affermato Beth Ripley, MD, PhD, Assistant Professor of Radiology presso l’ Università di Washington , e radiologo clinico presso il VA di Seattle .
Tutto è iniziato nel 2016, quando Steven Keating, PhD , ha avuto un tumore al cervello delle dimensioni di una palla da baseball rimossa mentre era uno studente laureato nel gruppo Mediazione del MIT Media Lab . Voleva una migliore comprensione della sua diagnosi e delle opzioni di trattamento, e per vedere che aspetto aveva il suo cervello con il tumore, e ha iniziato a stampare in 3D le sue scansioni MRI e CT. Frustrato da quanto fossero difficili, lunghi e non accurati i metodi attuali, contattò alcuni dei collaboratori del gruppo, inclusi membri del Wyss Institute della Harvard University .

Ahmed Hosny, un ricercatore all’istituto Wyss all’epoca e ora ingegnere di macchina al Dana-Farber Cancer Institute , ha dichiarato: “Non ci è mai venuto in mente di utilizzare questo approccio per l’anatomia umana finché Steve non è venuto da noi e ha detto: ‘Ragazzi, ecco i miei dati, cosa possiamo fare?’ ”
La collaborazione è cresciuta fino a includere  Neri Oxman, PhD , direttore del gruppo Mediated Matter e professore associato di Media Arts and Sciences; James Weaver, PhD, Senior Research Scientist presso il Wyss Institute; e un team di medici e ricercatori statunitensi e tedeschi. Sostenuti da una sovvenzione del programma Human Frontier Science Program, dall’Istituto nazionale per il cuore, il polmone e il sangue, dall’Istituto nazionale di imaging biomedico e bioingegneria e da un Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis 2010, hanno pubblicato un documento sul loro lavoro in stampa 3D e Produzione additiva .

(LR) Ahmed Hosny, in possesso di modelli del tumore di Steven Keating; Steven Keating con in mano un modello del suo cranio; e James Weaver che tiene in mano i modelli della risonanza magnetica di Keating. [Immagine: Wyss Institute]
“La curiosità è uno dei più grandi driver dell’innovazione e del cambiamento per il bene superiore, soprattutto quando implica l’esplorazione di domande tra discipline e istituzioni”, ha dichiarato il fondatore del Wyss Institute Donald Ingber, MD, PhD, che è anche il professore di vascolare Judah Folkman. Biologia all’Harvard Medical School (HMS) e al programma di biologia vascolare all’ospedale pediatrico di Boston e professore di bioingegneria presso la scuola di ingegneria e scienze applicate di John A. Paulson (SEAS) di Harvard. “Il Wyss Institute è orgoglioso di essere uno spazio in cui questo tipo di innovazione trasversale può prosperare”.
Il nuovo metodo del team è un modo rapido e accurato per convertire immagini complesse in un formato facilmente stampabile in 3D. Utilizza un formato di file digitale chiamato bitmap con dithering, in cui ogni pixel da un’immagine in scala di grigi viene convertito in pixel in bianco e nero; la densità dei neri definisce le varie sfumature di grigio.

Pensa a come le immagini di carta stampata trasmettono ombreggiature attraverso diverse dimensioni di punti di inchiostro nero: più pixel neri si trovano in un’area, più scuro appare. Le bitmap con retina semplificano tutti i pixel di un’immagine da sfumature di grigio in una miscela in bianco e nero, il che significa che una stampante 3D può utilizzare due materiali per produrre rapidamente immagini mediche complesse che conservano le variazioni dai dati originali.

Weaver ha affermato: “Il nostro approccio non solo consente di conservare e stampare in modelli medici alti livelli di dettaglio, ma consente anche di risparmiare moltissimo tempo e denaro. La segmentazione manuale di una TAC di un piede umano sano, con tutte le sue strutture ossee interne, midollo osseo, tendini, muscoli, tessuti molli e pelle, per esempio, può richiedere più di 30 ore, anche da un professionista addestrato – siamo stati in grado per farlo in meno di un’ora. ”
I ricercatori hanno creato modelli del cervello e del tumore di Keating attraverso la stampa 3D bitmap che ha conservato tutte le gradazioni dai dati grezzi di risonanza magnetica in dettaglio ad alta risoluzione. Il loro metodo è stato anche utilizzato per stampare in 3D una rigidità variabile, modello multimateriale di una valvola cardiaca umana.

L’obiettivo ora è rendere questo metodo più fattibile per l’educazione del paziente e gli esami di routine.

“Al momento, è troppo costoso per gli ospedali impiegare un team di specialisti per entrare e segmentare set di dati di immagini per la stampa 3D, tranne che in casi estremamente ad alto rischio o di alto profilo”, ha spiegato Hosny. “Speriamo di cambiarlo”.
Un modello multimateriale stampato in 3D di una valvola cardiaca calcificata mostra depositi di calcio (bianchi) duri con gradienti di scala fine in densità minerale impossibili da catturare usando la convenzionale stampa 3D biomedica.
Il team ha bisogno di aiuto dalla comunità medica per raggiungere questo obiettivo. È difficile ottenere i file di scansione MRI o TC grezzi necessari per la stampa 3D ad alta risoluzione, poiché la maggior parte di questi dati viene compressa per risparmiare spazio.

Inoltre, il team ha collaborato con Stratasys per utilizzare le funzionalità di stampa bitmap intrinseca della stampante 3D, ma è necessario sviluppare nuovi pacchetti software in modo che altri possano accedere a tali funzionalità.

Tuttavia, credono che il loro lavoro potrebbe “presentare un valore significativo alla comunità medica”.

Weaver ha detto: “Immagino che nei prossimi 5 anni, il giorno potrebbe arrivare quando un paziente che si reca in uno studio medico per una scansione TC o MRI di routine o non di routine sarà in grado di ottenere un modello stampato in 3D del loro dati specifici del paziente entro pochi giorni.

“La capacità di capire cosa sta succedendo dentro di te, di tenerlo nelle tue mani e vedere gli effetti del trattamento, è incredibilmente potente.”

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