Forskare vid Harvard University och MIT har kommit på ett enkelt sätt att skriva ut mycket detaljerade modeller av mänskliga hjärnor på mindre än en timme - för en bråkdel av kostnaden och arbetet som behövs för en produkt av lägre kvalitet.
I teorin producerar medicinsk bildteknik som MR och CT-scanningar högupplösta bilder som en serie "slices", på samma sätt som ett slicer-mjukvaruprogram förbereder en modell för print i en 3D-skrivare. När Steven Keating på MIT drabbats av en tumör stor som en baseboll, bestämde han sig för att undersöka sin egen hjärna. Vad han märkte var dock att det inte fanns någon metod för att konvertera dessa MR och CT-scanningar till en färdig 3D-modell. Keating började ett samarbete med ett team av forskare, inklusive James Weaver, forskare vid Wyss Institute; Neri Oxman, chef för MIT Media Labs Mediated Matter-grupp och docent i mediekunskap och vetenskap, för att utveckla en ny teknik som gör att bilder från MR- och CT-skanningar enkelt och snabbt kan omvandlas till fysiska modeller med oöverträffad detalj.
En 3D-printad fotmodell (vänster) och dess tvärsnitt (höger) visar tydligt den invecklade interna strukturen hos de olika bentyperna, liksom den omgivande mjukvävnaden. Kredit: Steven Keating och Ahmed Hosny / Wyss Institut vid Harvard University.
Den nya metoden konverterar snabbt och mycket exakt komplexa bilder till ett format som enkelt kan skrivas ut i en 3D-skrivare. Nyckeln ligger i att skriva ut i dithered bitmaps, ett digitalt filformat där varje pixel av en gråskalig bild omvandlas till en serie svarta och vita pixlar i olika storlekar, där tätheten och storleken av de svarta pixlarna är vad som definierar de olika nyanserna av grått istället för att pixlarna varierar i färg.
Ungefär på samma sätt som bilder i svartvita tidningar använder olika storlekar av svarta bläckpunkter för att skapa skuggning. Genom att förenkla alla pixlar från olika nyanser av grå till en blandning av svarta eller vita pixlar tillåter dithered bitmaps en 3D-skrivare att skriva ut komplexa medicinska bilder med två olika material som bevarar alla variationer av originaldata med mycket stor noggrannhet och snabbhet.
Forskargruppen använde bitmappsbaserad 3D-printing för att skapa modeller av Keating's hjärna och tumör där detaljerna som finns i den råa MR-datan är i samma upplösning som det mänskliga ögat maximalt kan urskilja på 25 centimeters asvsånd. Med samma tillvägagångssätt kunde de också skriva ut en styvhetsmodell av en hjärtklaff med olika material för ventilvävnaden, vilket resulterade i en modell som gav nya insikter på de faktiska effekterna av plack på ventilfunktionen.
En 3D-printad multimaterialmodell av en förkalkad hjärtventil som visar hårda kalciumavsättningar (vita) med finfördelade gradienter i mineraldensitet som är omöjliga att fullständigt fånga med konventionella biomedicinska 3D-utskriftsmetoder.
"Vårt tillvägagångssätt möjliggör inte bara att de minsta detaljerna bevaras och kan printas ut som medicinska modeller, men det sparar också en enorm mängd tid och pengar", säger Weaver. "Manuell segmentering av en CT-scanning av en mänsklig fot, med all sin inre benstruktur, benmärg, senor, muskler, mjukvävnad och hud, kan exempelvis printas ut på mindre än en timme.
Ahmed Hosny som håller modeller av Steven Keating's tumör, Steven Keating som håller en modell av sin egen skalle, och James Weaver håller modeller av Keating's MRI scan.
Forskarna hoppas att deras metod kommer att bidra till att 3D-utskrift blir ett mer användbart verktyg för rutinprov och diagnostik, patientutbildning och förståelse av människokroppen.
"Just nu är det bara för dyrt för sjukhus att använda ett team av specialister för att gå in och handplocka bilddatasatser för att skapa en 3D-utskrift, utom i extremt högrisk eller högprofilerade fall. Vi hoppas kunna förändra det", säger Wyss institutforskare Ahmed Hosny.
"Jag föreställer mig att någon gång inom de närmaste fem åren kommer en patient kunna gå in på en läkarmottagning för en rutinmässig eller icke-rutinmässig CT- eller MR-scan kunna få en 3D-printad modell av sin patientspecifika data inom några dagar", säger Weaver.