Wat als je een fysiek model van je eigen brein in je handen zou kunnen houden, nauwkeurig tot op elke unieke vouw? Dat is gewoon een normaal onderdeel van het leven voor Steven Keating, doctoraat, die op 26-jarige leeftijd een tumor ter grootte van een honkbal uit zijn hersenen had verwijderd terwijl hij een afgestudeerde student was in de Mediated Matter-groep van het MIT Media Lab. Benieuwd hoe zijn hersenen eruit zagen voordat de tumor werd verwijderd, en met het doel zijn diagnose en behandelingsopties beter te begrijpen, Keating verzamelde zijn medische gegevens en begon zijn MRI- en CT-scans in 3D te printen, maar was gefrustreerd dat bestaande methoden onbetaalbaar waren, moeizaam, en slaagde er niet in om belangrijke kenmerken van belang nauwkeurig te onthullen. Keating nam contact op met enkele medewerkers van zijn groep, waaronder leden van het Wyss Institute aan de Harvard University, die een nieuwe methode aan het onderzoeken waren voor het 3D printen van biologische monsters.

"Het kwam nooit bij ons op om deze benadering voor de menselijke anatomie te gebruiken totdat Steve naar ons toe kwam en zei:'Jongens, hier zijn mijn gegevens, wat kunnen we doen?" zegt Ahmed Hosny, die destijds Research Fellow was bij het Wyss Institute en nu machine learning engineer is bij het Dana-Farber Cancer Institute. Het resultaat van die spontane samenwerking - die uitgroeide tot James Weaver, doctoraat, Senior onderzoekswetenschapper bij het Wyss Institute; Neri Oxman, doctoraat, directeur van de Mediated Matter-groep van het MIT Media Lab en universitair hoofddocent Media Arts and Sciences; en een team van onderzoekers en artsen in verschillende andere academische en medische centra in de VS en Duitsland - is een nieuwe techniek waarmee beelden van MRI, CT, en andere medische scans om eenvoudig en snel om te zetten in fysieke modellen met ongekend detail. Het onderzoek wordt gerapporteerd in 3D-printen en additieve productie .

"Ik sprong bijna van mijn stoel toen ik zag wat deze technologie kan doen, " zegt Beth Ripley, MD Ph.D., een assistent-professor Radiologie aan de Universiteit van Washington en klinisch radioloog aan de Seattle VA, en co-auteur van het artikel. "Het creëert prachtig gedetailleerde 3D-geprinte medische modellen met een fractie van de handmatige arbeid die momenteel vereist is, 3D-printen toegankelijker maken voor de medische wereld als hulpmiddel voor onderzoek en diagnose."

Beeldvormingstechnologieën zoals MRI- en CT-scans produceren beelden met een hoge resolutie als een reeks "plakjes" die de details van structuren in het menselijk lichaam onthullen, waardoor ze een onschatbare bron zijn voor het evalueren en diagnosticeren van medische aandoeningen. De meeste 3D-printers bouwen fysieke modellen in een laag-voor-laagproces, dus het aanbrengen van lagen medische beelden om een ​​solide structuur te creëren, is een duidelijke synergie tussen de twee technologieën.

Echter, er is een probleem:MRI- en CT-scans produceren beelden met zo veel detail dat het (de) object(en) van belang moeten worden geïsoleerd van het omringende weefsel en omgezet in oppervlaktegaasjes om te kunnen worden afgedrukt. Dit wordt bereikt via ofwel een zeer tijdrovend proces dat "segmentatie" wordt genoemd, waarbij een radioloog het gewenste object handmatig traceert op elk afzonderlijk beeldplakje (soms honderden afbeeldingen voor een enkel monster), of een automatisch "thresholding"-proces waarbij een computerprogramma gebieden met grijswaardenpixels snel omzet in effen zwarte of effen witte pixels, gebaseerd op een grijstint die is gekozen als de drempel tussen zwart en wit. Echter, datasets voor medische beeldvorming bevatten vaak objecten met een onregelmatige vorm en gebrek aan duidelijke, goed gedefinieerde grenzen; als resultaat, auto-thresholding (of zelfs handmatige segmentatie) overdrijft vaak de grootte van een interessant kenmerk en vervaagt kritische details.

De nieuwe methode beschreven door de auteurs van het artikel geeft medische professionals het beste van twee werelden, biedt een snelle en zeer nauwkeurige methode om complexe afbeeldingen om te zetten in een formaat dat gemakkelijk in 3D kan worden afgedrukt. De sleutel ligt in het afdrukken met dithered bitmaps, een digitaal bestandsformaat waarin elke pixel van een grijswaardenafbeelding wordt omgezet in een reeks zwart-witte pixels, en de dichtheid van de zwarte pixels is wat de verschillende grijstinten definieert in plaats van dat de pixels zelf in kleur variëren.

Vergelijkbaar met de manier waarop afbeeldingen in zwart-wit krantenpapier verschillende formaten zwarte inktstippen gebruiken om schaduwen over te brengen, hoe meer zwarte pixels in een bepaald gebied aanwezig zijn, hoe donkerder het lijkt. Door alle pixels van verschillende grijstinten te vereenvoudigen tot een mengsel van zwarte of witte pixels, Met dithered bitmaps kan een 3D-printer complexe medische beelden printen met behulp van twee verschillende materialen die alle subtiele variaties van de originele gegevens behouden met een veel grotere nauwkeurigheid en snelheid.

Het team van onderzoekers gebruikte op bitmaps gebaseerde 3D-printing om modellen van Keating's hersenen en tumor te maken die alle detailgradaties in de onbewerkte MRI-gegevens getrouw bewaarden tot een resolutie die vergelijkbaar is met wat het menselijk oog kan onderscheiden van ongeveer 9-10 inch afstand. Met dezelfde benadering, ze waren ook in staat om een ​​variabel stijfheidsmodel van een menselijke hartklep af te drukken met verschillende materialen voor het klepweefsel versus de minerale plaques die zich in de klep hadden gevormd, resulterend in een model dat mechanische eigenschapsgradiënten vertoonde en nieuwe inzichten opleverde in de werkelijke effecten van de plaques op de klepfunctie.

"Onze aanpak maakt het niet alleen mogelijk om hoge detailniveaus te behouden en af ​​te drukken in medische modellen, maar het bespaart ook enorm veel tijd en geld, " zegt Wever, wie is de corresponderende auteur van het artikel. "Handmatig een CT-scan van een gezonde menselijke voet segmenteren, met al zijn interne botstructuur, beenmerg, pezen, spieren, zacht weefsel, en huid, bijvoorbeeld, kan meer dan 30 uur duren, zelfs door een getrainde professional - we waren in staat om het in minder dan een uur te doen."

De onderzoekers hopen dat hun methode zal helpen om 3D-printen een meer levensvatbaar hulpmiddel te maken voor routineonderzoeken en diagnoses, patiëntenvoorlichting, en het begrijpen van het menselijk lichaam. "Direct, het is gewoon te duur voor ziekenhuizen om een ​​team van specialisten in dienst te nemen om beelddatasets met de hand te segmenteren voor 3D-printen, behalve in extreem risicovolle of spraakmakende gevallen. Daar hopen we verandering in te brengen, ' zegt Hosny.

Om dat te laten gebeuren, sommige diepgewortelde elementen van het medische veld moeten ook veranderen. De gegevens van de meeste patiënten worden gecomprimeerd om ruimte te besparen op ziekenhuisservers, dus het is vaak moeilijk om de onbewerkte MRI- of CT-scanbestanden te krijgen die nodig zijn voor 3D-printen met hoge resolutie. Aanvullend, het onderzoek van het team werd mogelijk gemaakt door een gezamenlijke samenwerking met de toonaangevende 3D-printerfabrikant Stratasys, die toegang gaven tot de intrinsieke bitmap-afdrukmogelijkheden van hun 3D-printer. Er moeten ook nog nieuwe softwarepakketten worden ontwikkeld om deze mogelijkheden beter te benutten en toegankelijker te maken voor medische professionals.

Ondanks deze hindernissen, de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat hun prestaties van grote waarde zijn voor de medische gemeenschap. "Ik stel me voor dat ergens binnen de komende 5 jaar, de dag zou kunnen komen dat elke patiënt die naar een dokterspraktijk gaat voor een routinematige of niet-routinematige CT- of MRI-scan binnen een paar dagen een 3D-geprint model van hun patiëntspecifieke gegevens kan krijgen, ' zegt Wever.

Keating, die een hartstochtelijk pleitbezorger is geworden van inspanningen om patiënten toegang te geven tot hun eigen medische gegevens, nog steeds 3D-prints zijn MRI-scans om te zien hoe zijn schedel geneest na de operatie en om zijn hersenen te controleren om er zeker van te zijn dat zijn tumor niet terugkomt. "Het vermogen om te begrijpen wat er in je gebeurt, om het echt in uw handen te houden en de effecten van de behandeling te zien, is ongelooflijk krachtig, " hij zegt.

"Nieuwsgierigheid is een van de grootste aanjagers van innovatie en verandering voor het grotere goed, vooral als het gaat om het onderzoeken van vragen over disciplines en instellingen heen. Het Wyss Institute is er trots op een ruimte te zijn waar dit soort veldoverschrijdende innovatie kan gedijen, ", zegt Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School (HMS) en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) van Harvard.