روشي براي پرينت تصاوير پيچيده پزشكي بدن انسان به‌ حالت سه‌بعدي

در تكنولوژي‌هاي تصويربرداري مانند MRI و سي‌تي اسكن، تصاوير نهايي حاصل مجموعه اي از برش‌ها هستند كه توسط پرينتر سه‌بعدي قابل چاپ و مشاهده مي‌شوند؛ اما فرايند دستيابي به آستانه‌ي اسكن‌هاي پزشكي به‌منظور تعريف اشيائي كه بايد چاپ شوند، پيش از اندازه گران و وقت‌گير است (يعني جدا كردن تصوير شيء مورد انديشه متخصصين از ميان انبوه اشياء موجود در تصوير) . در روشي جديد، داده‌هاي پزشكي به بيت‌مپ‌هاي (بيت‌مپ: نوعي فرمت تصوير) پردازش‌شده‌ي خاصي تبديل مي‌شوند و از اين راه در زمان كمي مدل‌هاي سه‌بعدي معمول از اطلاعات بيمار چاپ مي‌شود. ديترينگ يك روش گرافيكي كامپيوتري براي تركيب چند نقطه و ايجاد عكس است.

اين مدل سه‌بعدي پرينت‌شده از جمجمه و مغز استيون كيتينگ به وضوح تومور و ديگر جزئيات دقيق را نشان مي‌دهد.

تصور كنيد بتوانيد مدل فيزيكي مغز خود را با تمام ويژگي هاي منحصربه‌فردش، در دستان خود بگيريد! اين تنها يك بخش طبيعي از زندگي دكتر استيون كيتينگ است. در ۲۶ سالگي توموري به اندازه‌ي توپ بيسبال از مغز او جدا شد. در آن زمان او يك دانشجوي تحصيلات تكميلي در آزمايشگاه MIT Media بود. اما كيتينگ كنجكاو بود كه بداند مغز او قبل از برداشتن تومور به چه صورت بوده است و با هدف درك بهتر تشخيص و گزينه‌هاي درمان، شروع به جمع‌آوري داده‌هاي پزشكي كرد و مشغول به پرينت سه‌بعدي و سي‌تي اسكن شد؛ اما از آنجا كه اين كارها بسيار زمان‌بر و پ زحمت بود و او قادر نبود ويژگي‌هاي مهمي را كه به دنبالشان بود، با دقت تشخيص بدهد، نااميد شد.

استيون كيتينگ با كپي سه‌بعدي تومور مغزش

كيتينگ ملاقاتي با برخي از همكاران گروه خود شامل اعضاي مؤسسه‌ي ويز در دانشگاه هاروارد داشت. آن‌ها در حال مطالعه روش جديدي براي پرينت سه‌بعدي نمونه‌هاي بيولوژيكي بودند. احمد حُسني، كه در آن زمان پژوهشگر مؤسسه‌ي ويز بود، گفت:

هيچ وقت براي ما اتفاق نيفتاده بود كه از اين روش براي آناتومي بدن انسان استفاده كنيم تا زماني كه استيون آمد پيش ما و گفت: بچه‌ها، اين داده‌هاي من است، چه كار مي‌توانيم بكنيم؟

حاصل اين همكاري بي‌مقدمه كه پژوهشگران ديگري نيز در آن شركت كردند، تكنيكي است كه با آن مي‌شود تصاوير حاصل از MRI، سي تي اسكن و ديگر اسكن‌هاي پزشكي را به‌سادگي و با سرعت تبديل به مدل‌هاي فيزيكي با جزئيات بي‌سابقه كرد. اين مطالعه در 3D Printing and Additive Manufacturing گزارش شده است.

بت ريپلي استاديار راديولوژي دانشگاه واشنگتن مي‌گويد:

زماني كه من قابليت اين تكنولوژي را ديدم، بسيار شگفت‌زده شدم. تكنولوژي مدل‌هاي پرينت‌شده‌ي سه‌بعدي بسيار دقيقي ايجاد مي‌كند و با كمي كار دستي، پرينت سه‌بعدي را به‌عنوان ابزاري براي پژوهش و تشخيص در حوزه‌ي پزشكي در دسترس پژوهشگران قرار مي‌دهد.

بت ريپلي با يك مدل سه‌بعدي از قلبش

در تكنولوژي‌هايي همچون MRI و سي تي اسكن، تصاويري با وضوح بالا توليد مي‌شود؛ اين تصاوير حاصل مجموعه‌اي از برش‌هايي است كه جزئيات ساختار درون بدن انسان را نشان مي‌دهند و منبع ارزشمندي براي ارزيابي و تشخيص بيماري‌هاي پزشكي به‌شمار مي‌روند.

بيشتر پرينترهاي سه‌بعدي مدل‌هاي فيزيكي را طي فرايندي لايه‌به‌لايه مي‌سازند، بنابراين تهيه‌ي لايه‌هاي تصاوير پزشكي براي ايجاد يك ساختار نهايي تعاملي آشكار بين اين دو تكنيك است. اگرچه اين جا يك اشكال وجود دارد: تكنولوژي‌هاي MRI و سي تي اسكن تصاويري با چنان جزئيات زياد فراهم مي‌كنند كه اشياء مورد انديشه متخصصين بايد از بافت‌هاي اطراف جدا و تصويري واضح براي تشخيص و چاپ تبديل شوند. اين كار طي فرايند بسيار زمان‌بري كه بخش‌بندي تصوير ناميده مي‌شود، در اين فرايند يا يك راديولوژيست به‌صورت دستي اشياء مورد انديشه متخصصين را در قطعه‌هاي عكس دنبال مي‌كند (گاهي صدها عكس براي يك نمونه)؛ يا طي فرآيند آستانه‌گذاري اتوماتيك با كامپيوتر اين كار در حالت اتوماتيك، يك برنامه‌ي كامپيوتري به‌سرعت مناطقي را كه داراي پيكسل‌هايي در مقياس خاكستري هستند، بر اساس يك سايه‌ي خاكستري كه به‌عنوان آستانه‌ي سياه و سفيد در انديشه متخصصين گرفته شده است، به رنگ سياه يا سفيد تبديل مي‌كند.

اگرچه مجموعه داده‌هاي تصويري پزشكي اغلب حاوي اشيائي هستند كه داراي شكل نامنظم و ناواضح بوده و مرزهاي مشخصي ندارند؛ به‌عنوان يك پيامد، آستانه‌گذاري اتوماتيك (يا حتي بخش‌بندي دستي) اندازه‌ي يك شي را يا بيش از حد يا كمتر از حد نشان مي‌دهند و موجب از بين رفتن جزئيات مهمي مي‌شوند.

مشابه حالتي كه درمورد عكس‌هاي روزنامه‌ي سياه و سفيد از اندازه‌هاي متفاوت نقطه‌هاي جوهر مشكي براي نشان دادن سايه‌ها استفاده مي‌شود، هر چه در يك منطقه‌ي خاص پيكسل سياه بيشتري موجود باشد، آن منطقه تيره‌تر به انديشه متخصصين مي‌رسد. با ساده كردن تمام پيكسل‌هاي سايه‌هاي مختلف خاكستري به تركيبي از پيكسل‌هاي سياه و سفيد، عكس بيت‌مپ ديتر شده‌ ايجاد مي‌شود. حال با يك پرينتر سه‌بعدي مي‌توان به‌طور سريع و دقيق تصاوير پيچيده‌ي پزشكي را با استفاده از دو ماده‌ي مختلف كه تمام تفاوت‌هاي ظريف داده‌هاي اوليه را حفظ مي‌كند، چاپ كرد.

پژوهشگران از روش پرينت سه‌بعدي مبتني بر بيت‌مپ براي ايجاد مدل‌هايي از مغز و تومور كيتينگ كه در آن جزئيات موجود در داده‌هاي خام MRI از فاصله‌ي ۲۵سانتي‌متري توسط چشم انسان قابل تشخيص باشد، استفاده كردند. پژوهشگران با استفاده از همين روش موفق به چاپ يك مدل از دريچه‌ي قلب يك انسان با استفاده از مواد متفاوت براي بافت دريچه و پلاك‌هاي معدني كه درون دريچه شكل گرفته بود، شدند. اين مدل به‌طور دقيق ويژگي‌هاي مكانيكي قلب را نشان مي‌دهد و بينش جديدي در مورد اثرات حقيقي پلاك‌ها روي عملكرد قلب فراهم مي‌كند.

ويور نويسنده‌ي مسئول مقاله مي‌گويد:

روش ما نه‌تنها امكان مي‌دهد مدل‌هاي پزشكي با سطوح بالايي از دقت پرينت شود؛ بلكه موجب صرفه‌جويي قابل توجهي در زمان و هزينه هم مي‌شود. براي مثال قطعه‌بندي دستي سي تي اسكن يك پاي سالم انسان با تمام ساختارهاي استخواني، مغز استخوان، تاندون‌ها، ماهيچه‌ها، بافت‌هاي نرم و پوست، بيش از ۳۰ ساعت زمان مي‌برد؛ حتي اگر اين كار توسط يك فرد حرفه‌اي انجام شود، ولي ما با روش جديد قادريم اين كار را در كمتر از يك ساعت انجام دهيم.

پژوهشگران اميدوارند كه روش آن‌ها به‌همراه پرينت سه‌بعدي، ابزاري مناسب براي آزمون‌ها و تشخيص‌ها، يادگيري بيمار و درك بدن انسان شود.

حُسني مي‌گويد:

اكنون براي بيمارستان‌ها استخدام تيمي از متخصصان براي پرينت سه‌بعدي و قطعه‌بندي تصاوير پزشكي بسيار هزينه‌بر است و ما اميدواريم اين شرايط تغيير كند.

براي ايجاد چنين شرايطي، لازم است كه برخي از عناصر ثابت حوزه‌ي پزشكي نيز تغيير كند. بيشتر اطلاعات بيماران براي صرفه‌جويي در فضاي سرور بيمارستان به‌حالت فشرده نگهداري مي‌شوند بنابراين اغلب، دسترسي به فايل‌هاي خام MRI و سي تي اسكن مورد نياز براي چاپ سه‌بعدي دشوار است. علاوه بر اين براي موفق شدن اين كار، نياز به دستگاه‌هاي پيشرفته‌تري در زمينه‌ي پرينت سه‌بعدي است. بسته‌هاي نرم افزاري ويژه‌اي نيز بايد براي اين كار طراحي شود. با وجود همه‌ي اين موانع، پژوهشگران اطمينان دارند كه يافته‌هاي آن‌ها داراي ارزش زيادي براي جامعه پزشكي است. ويور مي‌گويد:

من تصور مي‌كنم طي پنج سال آينده روزي مي‌رسد كه هر بيماري كه براي يك MRI يا سي تي اسكن معمولي، به پزشك مراجعه مي‌كند، مي‌تواند يك مدل سه‌بعدي از داده‌هاي مربوط به بيماري خود را طي مدت زمان كوتاهي در اختيار بگيرد.

كيتينگ كه طرفدار دسترسي بيماران به داده‌هاي پزشكي خود است و هنوز براي اينكه بيند كه پس از جراحي درون مغزش چه اتفاقي افتاده است و مطمئن شود كه تومور برنگشته است، از اسكن‌هاي MRI خود، مدل‌هاي سه‌بعدي چاپ مي‌كند، مي‌گويد:

توانايي درك اينكه درون بدن شما چه مي‌گذرد و اينكه آن را در دستهاي خود بگيريد و تاثير درمان را ببينيد به‌طور باور نكردني نيرو بخش است.

مدير مؤسسه ويز مي‌گويد:

كنجكاوي يك از بزرگ‌ترين مشوق‌هاي ابداع است به‌خصوص اگر جستجو در بين موضوعات و مؤسسات مختلف باشد. مؤسسه ويز افتخار دارد كه فضايي است كه در آن اين نوع اختراعات بين رشته‌اي شكوفا مي‌شود.