3D الطباعة لتحليل الاشعة المقطعية ، الفضاء التعليم - 💡 Fix My Ideas

3D الطباعة لتحليل الاشعة المقطعية ، الفضاء التعليم

3D الطباعة لتحليل الاشعة المقطعية ، الفضاء التعليم


مؤلف: Ethan Holmes, 2019

سيث هورويتز أستاذ في علم الأعصاب وأستاذ باحث مساعد في قسم البيئة والأحياء التطورية في جامعة براون ، فضلاً عن كونه صانعًا ومتحمسًا للطباعة ثلاثية الأبعاد. يشارك هذا التقرير في بعض الطرق التي استخدم بها طابعة 3D الخاصة به ، بما في ذلك طريقة بحث جديدة.

لقد واجهت مشكلة مثيرة للاهتمام منذ ثلاث سنوات - كنت بحاجة إلى جهاز لتجربة يمكنها أن تحمل الخفافيش الحية بشكل مريح ، ولكن بطريقة لا يمكنها أن تعضها أو تحرك رأسها. في الماضي ، كنت أعمل مع مهندسين يقومون بصنع زجاج شبكي شديد التعقيد ، مثل أجهزة القفص التي تعمل بشكل جيد ، ولكن كان عليك أن تمتلك العديد من الخفافيش التي تناسب أحجام مختلفة (والأنواع). قد يستغرق الأمر أسابيع لجعل كل واحدة ، وكانت التكلفة أكثر من ألف دولار لكل منهما.

في هذا الوقت تقريبًا ، بدأت مجموعات الطابعات ثلاثية الأبعاد في الحديث عنها على الويب وقررت أن أحاول معرفة ما إذا كان بإمكاني استخدام أحد هذه الأشياء لتخصيص حاملات الخفافيش الحية المخصصة للطباعة. حصلت على منحة تجريبية صغيرة من ناسا رود آيلاند سبيس (كان البحث ذا صلة بمصالح ناسا - الخفافيش موضوعات محبوبة للحشد المتجول في الظلام) واشترى Makerbot Cupcake.

بعد عدة أشهر من البناء والتجميع والتفكيك والشتائم وإعادة التشكيل ، حصلت على حامل الخفافيش ثلاثي الأبعاد المطبوع ، والذي استخدم حوالي 50 سنتًا من البلاستيك واستغرق ساعتين للطباعة. ولكن كم عدد أصحاب الخفافيش التي تحتاجها بالفعل؟ في محاولة لمعرفة ماذا يمكنني أن أفعل مع كب كيك ، أدركت أن الطباعة ثلاثية الأبعاد هي شكل جديد من أشكال تحقيق البيانات - أخذ التمثيل المشفر المبسط للكائن وإنشاء ذلك الكائن - نتيجة طبيعية للانتقال من الجينات إلى البروتينات. ومع وفرة البيانات ثلاثية الأبعاد حولها ، فإن الاحتمالات لا حصر لها تقريبًا.

خلال العقد الماضي على الأقل ، كانت النماذج ثلاثية الأبعاد وصورها شائعة في العلوم والهندسة - تقوم الأشعة المقطعية بإنشاء صور ثلاثية الأبعاد للهياكل العظمية والأنسجة الكثيفة ، يسمح التصوير بالرنين المغناطيسي بالشيء نفسه في الأنسجة الرخوة. يأخذ نمذجة التضاريس الرقمية صوراً متعددة من وجهات نظر مختلفة في المدار للسماح بإعادة بناء الأسطح الكوكبية والقمرية لجسور الطيران ثلاثية الأبعاد. ولكن كل هذه لها قيود متأصلة - يجب أن تمر العناصر الفردية للصور من خلال تصفية كبيرة للسماح بعرض نظيف للمناطق ذات الاهتمام ، مما يعني بالطبع أنك تقوم بتصفية الأشياء المهمة أثناء البحث عن الآخرين. العناصر المتداخلة تملأ الهياكل الدقيقة ، مما يمنحك نظرة عامة لطيفة على جسمك ولكنه يفتقر إلى التفاصيل الداخلية التي لا يمكن استردادها دائمًا بمجرد تغيير وجهة نظرك. وبالطبع ، فإن أحد القيود الرئيسية هو أن هذه الصور لا تزال. مهما كانت جميلة أو مفصلة ، فإنها لا تزال تقيد المعلومات حول كائن معقد إلى معلومات بصرية بحتة. ولكن عندما تأخذ هذه الصور المرئية ثلاثية الأبعاد وتحولها مرة أخرى إلى أشياء مادية ، فأنت لا تعيد فتح إمكانات فحصها بصريًا فحسب ، بل ستحصل أيضًا على تفاصيل من إحساسنا الرائع بشكل رائع من خلال اللمس.

الشكل 1. الاشعة المقطعية للضفادع الكبار تبين منطقة التشوه

لقد وجدت طلبًا واحدًا عن طريق فحص البيانات من دراسة قديمة قمت بها. ركزت معظم عملي على التطوير السمعي ، باستخدام الضفادع كنموذج. تعد الضفدع نموذجًا مثيرًا للاهتمام لسماع الإنسان منذ البداية ، حيث تشبه سمعته السمع منخفض التردد (أقل من 2500 هرتز) عند البشر والثاني ، أدمغتهم أكثر مرونة ومرونة في بعض النواحي من البشر.

على سبيل المثال ، يمكن للضفادع بالفعل تجديد نظامها العصبي المركزي بعد الضرر ، وهو شيء نتمنى أن يفعله البشر لمنع أشياء مثل فقدان السمع الناتج عن الضوضاء. لكنهم يدفعون ثمن هذه اللدونة - كما أنهم أكثر عرضة للتلف من السموم والظروف البيئية.

في عام 2004 أثناء جلسة تسجيل الضفادع ، رصد أحد أعضاء المختبر مصادفة مصارعة الثيران من الذكور البالغين. كان لديه أذن واحدة فقط. بدا الأمر صحياً لأن الضفادع تعتمد اعتمادًا كبيرًا على الاستماع إلى السلوك الاجتماعي ؛ كان هذا الضفدع سيواجه مشكلة في تربية الأراضي والدفاع عنها. وقعنا وأخذنا فحصًا بالأشعة المقطعية لمعرفة ما إذا كنا نستطيع تحديد مدى تشوهه. الأشعة المقطعية هي الأشعة السينية التي تؤخذ في دوامة مستمرة أسفل منطقة الاهتمام ، والتي تتيح لك إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للعظام والأنسجة الكثيفة. أظهر التصوير المقطعي للضفدع (الشكل 1) أنه على الرغم من أن أذنه الداخلية تبدو طبيعية على كلا الجانبين ، إلا أنها كانت تفتقر إلى طبلة الأذن وقطعة صغيرة من الغضروف تسمى الركائز (أو المكورات العنقودية) التي تربط الطبلة الخارجية بالأذن الداخلية.

الشكل 2. نموذج 3D المطبوعة على أساس البيانات CT

لم يكن حتى وجدنا الضفدع الثاني مع نفس التشوه ، بدأنا ندرك أن هناك شيئا ما يحدث هنا. لم تظهر على هذين الضفادع أي علامات إصابة ، لذلك كان من المحتمل حدوث شيء أثناء التطور. دفعتنا الصور المقطعية بالاشعة المقطعية إلى الاعتقاد بأنه نظرًا لأن الأذنين الداخلية تبدو طبيعية ، فقد يكون هذا مشابهاً لحالة بشرية تسمى الأذين الأذيني والتي يمكن أن تسبب تشوهًا في الأذنين الخارجية والوسطى مع ترك الأذنين الداخلية سليمة. لكن الآن ، بعد سنوات ، قررت فحص الصور مرة أخرى ، هذه المرة بمساعدة طبعتي ثلاثية الأبعاد. أخذت ملفات CT الخام واستخدام برنامج ImageJ مفتوح المصدر ، وقمت بتصدير بيانات قسم واحد من الجمجمة كملف مجسم قابل للطباعة ، وقمت بإنشاء نموذج مادي ، تم توسيعه حوالي 25 مرة (الشكل 2).

بمجرد امتلاك النموذج في متناول اليد وتمكّنت من إدارته والتعامل معه ، لاحظت وجود تباينات في الواقع في المناطق التي غادر فيها العصب السمعي (الثامن) الأذن الداخلية للاتصال بالدماغ ، مما يوحي بأن هذا التشوه لم يكن يشبه رتق أذني. بدلاً من ذلك ، كان من المحتمل أن يكون ذلك بسبب التعرض للمبيدات الحشرية التي تحولت إلى مسخنات في وجود ضوء الأشعة فوق البنفسجية ويمكن أن تسبب تشوهات أكثر شمولاً في نقاط معينة من التطور. انتهى النموذج المطبوع ثلاثي الأبعاد لإعطاء نظرة ثاقبة حول سبب الشذوذ مقارنة بالصور الأصلية الملاحظة على الكمبيوتر. يتيح لك إنشاء نموذج فعلي قابل للطباعة استخدام الأدوات التي طورتها لاستخدامها معًا - يديك وعينيك - لتوسيع نطاق النتائج إلى أبعد من الأجهزة والبرامج باهظة الثمن.

من بين اهتماماتي الأخرى تعليم الفضاء والتواصل معه ، وأردت تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد على هذا أيضًا. يعد استكشاف العالمين (بما في ذلك الأرض) أحد أكثر المغامرات الإنسانية إثارة في القرنين العشرين والواحد والعشرين ، ومع ذلك فإن الإثارة تأتي بشكل حصري تقريبًا من الصور. الكرات الكبيرة والملوحة للأرض ، ذبابة ثلاثية الأبعاد للأودية على سطح المريخ والشقوق الجليدية على أقمار كوكب المشتري في أوروبا ، مناظر عالية الدقة للحفر القمرية - مع بعض الاستثناءات القليلة ، كل هذه الأشياء وأكثر متوفرة فقط بصريًا. النماذج المادية ، مثل الطبعات المحدودة المصنوعة حسب الطلب من أشكال الكويكب ، تكلف آلاف الدولارات. إن الكرات والخرائط المزخرفة التي تسمح لشخص ما أن يشعر بالتلال الجبلية والأشكال الأرضية كانت موجودة منذ أكثر من قرن من الزمان ، تم تطويرها في الأصل للمكفوفين ، ولكنها متوفرة فقط لأدوات التدريس الشائعة مثل الكرات الأرضية.إذاً كيف يمكنك نقل تعليم علوم الفضاء والأرض إلى 37 مليون شخص في العالم أعمى تمامًا ، ناهيك عن 124 مليون شخص تقريباً على هذا النحو؟ علاوة على ذلك ، ما هو مقدار ما يمكن للناس المبصرين الخروج من القدرة على معالجة نموذج الكويكب جسديًا؟

في عام 2010 ، بدأت في البحث عن بيانات ثلاثية الأبعاد لأشكال الكويكبات لمعرفة ما إذا كان من الممكن طباعة نماذج ثلاثية الأبعاد للأجسام الفضائية والتضاريس. لقد وجدت أن هناك الكثير من أشكال الكويكبات المستمدة من بيانات RADAR (إلى حد كبير البروفيسور سكوت هدسون من كلية الهندسة الكهربائية بجامعة ولاية واشنطن) ، وكذلك بيانات المريخ الرقمية للأرض من مجموعة HiRISE بجامعة أريزونا ، وبعضها الذي كان يستخدم بالفعل في برامج محاكاة الفضاء مثل سيليستيا. بدأت في أخذ هذه البيانات المستندة إلى ناسا و (بعد عمل مهم) بتحويلها إلى تنسيقات مجسمة وطباعة نماذج مادية للكويكبات ، وأقمار المريخ فوبوس وديموس ، وحتى ميزات كوكبية مثل كوكب المريخ غوسيف (الشكل 3).

الشكل 3. أجسام الفضاء الصغيرة من الصور (أعلاه) والإصدارات المطبوعة ثلاثية الأبعاد (أدناه).

ولكن لكي أظهر كيف تسير وتيرة البرامج عبر الإنترنت في الأفكار الجديدة في التعليم وصنعها ، تمكنت من استقطاب وكالة ناسا في صنع نموذج للكويكب فيستا. يعد Vesta ثاني أكبر الكويكبات في حزامه الرئيسي ويختلف تمامًا عن معظم الكويكبات والأجسام الفضائية الأخرى. كنت أرغب بشكل خاص في نموذج من Vesta لمقارنته مع الكويكبات الأخرى "على شكل بطاطس" مثل Eros لأنه قد يعني أن شخصًا ما سيحصل على فهم فوري (أو على الأقل مصاب) للفرق في الشكل الذي يظهر استنادًا إلى مبدأ الجاذبية التمايز المستحث ، من كومة الأنقاض إلى كوكب الأرض تقريبًا.

يجري حاليا تدور حول فستا بواسطة مسبار الفجر الذي يرسل الآلاف من الصور الجميلة ، لم تصدر ناسا حتى الآن نموذج الشكل "الرسمي" ثلاثي الأبعاد. لكنني وجدت طريقتين للتغلب على ذلك - أولاً ، من خلال التقاط الصور التي أظهرت دوران Vesta وتغذيتها على برنامج نمذجة ثلاثية الأبعاد مجاني عبر الإنترنت (www.my3dscanner.com) كنت قادراً على الحصول على سحابة أساسية ، شكل قائم على الارتباطات بين نقاط الضوء والظلام المتشابهة بين الصور المتعاقبة. باستخدام ذلك لبعض التفاصيل ، قمت بدمج ذلك مع "الخريطة العالمية" الصادرة عن فستا ورسمتها على شكل بيضاوي مسطح ، مستمد من شكل بعض الصور المدارية. هذا اسمحوا لي أن إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد منخفضة الدقة ولكن دقيقة حتى قبل الإصدار الرسمي (الشكل 4).

الشكل 4. الكويكب فيستا - صورة من مسبار الفجر على اليسار وإصداري ثلاثي الأبعاد المطبوع على اليمين.

لا تتعلق هذه القصة بالقدرة على اجتياز وكالة ناسا - إنها تدل على إثبات أن ثروة الأدوات والبيانات المجانية الموجودة بها يمكنها تمكين المهتمين. يتيح لك الانتقال من الصور إلى النموذج ثلاثي الأبعاد إلى الكائن المطبوع إنشاء نماذج مصغرة خاصة بك للكون. قم بإنشاء منهج يجعل المكفوفين يشعرون بالتلال الوسطى للمحيط الأطلسي ويكونوا قادرين على معرفة الفرق بين الحفرة القمرية الصارخة والقمرية المريخية وتآكل المريخ. وعلى المستوى الاحترافي ، قم بإنشاء نماذج دقيقة مطبوعة من التضاريس لاختبار المركبات المتجولة أو التجميع لمساعدتنا على مواصلة استكشافنا ، بما في ذلك جمهور أوسع وتحفيز أجيال جديدة من الطلاب ، المرؤوسين وغير المدركين ، لإدراك أنهم قادرون على حمل نماذج من الكون في أيديهم.

- سيث هورويتز



قد تكون مهتمة

صوغ الدراجة الخاصة بك مع هذه المشاريع 3

صوغ الدراجة الخاصة بك مع هذه المشاريع 3


الكرة والدبابيس معالج يبني آلة ضخمة

الكرة والدبابيس معالج يبني آلة ضخمة


استخدم الغراء الساخن لإنقاذ فشل الطباعة ثلاثية الأبعاد

استخدم الغراء الساخن لإنقاذ فشل الطباعة ثلاثية الأبعاد


هذه الروبوتات الصغيرة سوف تحمل سيارتك

هذه الروبوتات الصغيرة سوف تحمل سيارتك