روشی برای پرینت تصاویر پیچیده پزشکی بدن انسان به‌ حالت سه‌بعدی

در تکنولوژی‌های تصویربرداری مانند MRI و سی‌تی اسکن، تصاویر نهایی حاصل مجموعه ای از برش‌ها هستند که توسط پرینتر سه‌بعدی قابل چاپ و مشاهده می‌شوند؛ اما فرایند دستیابی به آستانه‌ی اسکن‌های پزشکی به‌منظور تعریف اشیائی که باید چاپ شوند، پیش از اندازه گران و وقت‌گیر است (یعنی جدا کردن تصویر شیء مورد نظر از میان انبوه اشیاء موجود در تصویر) . در روشی جدید، داده‌های پزشکی به بیت‌مپ‌های (بیت‌مپ: نوعی فرمت تصویر) پردازش‌شده‌ی خاصی تبدیل می‌شوند و از این راه در زمان کمی مدل‌های سه‌بعدی معمول از اطلاعات بیمار چاپ می‌شود. دیترینگ یک روش گرافیکی کامپیوتری برای ترکیب چند نقطه و ایجاد عکس است.

این مدل سه‌بعدی پرینت‌شده از جمجمه و مغز استیون کیتینگ به وضوح تومور و دیگر جزئیات دقیق را نشان می‌دهد.

تصور کنید بتوانید مدل فیزیکی مغز خود را با تمام ویژگی های منحصربه‌فردش، در دستان خود بگیرید! این تنها یک بخش طبیعی از زندگی دکتر استیون کیتینگ است. در ۲۶ سالگی توموری به اندازه‌ی توپ بیسبال از مغز او جدا شد. در آن زمان او یک دانشجوی تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه MIT Media بود. اما کیتینگ کنجکاو بود که بداند مغز او قبل از برداشتن تومور به چه صورت بوده است و با هدف درک بهتر تشخیص و گزینه‌های درمان، شروع به جمع‌آوری داده‌های پزشکی کرد و مشغول به پرینت سه‌بعدی و سی‌تی اسکن شد؛ اما از آنجا که این کارها بسیار زمان‌بر و پ زحمت بود و او قادر نبود ویژگی‌های مهمی را که به دنبالشان بود، با دقت تشخیص بدهد، ناامید شد.

استیون کیتینگ با کپی سه‌بعدی تومور مغزش

کیتینگ ملاقاتی با برخی از همکاران گروه خود شامل اعضای مؤسسه‌ی ویز در دانشگاه هاروارد داشت. آن‌ها در حال بررسی روش جدیدی برای پرینت سه‌بعدی نمونه‌های بیولوژیکی بودند. احمد حُسنی، که در آن زمان پژوهشگر مؤسسه‌ی ویز بود، گفت:

هیچ وقت برای ما اتفاق نیفتاده بود که از این روش برای آناتومی بدن انسان استفاده کنیم تا زمانی که استیون آمد پیش ما و گفت: بچه‌ها، این داده‌های من است، چه کار می‌توانیم بکنیم؟

حاصل این همکاری بی‌مقدمه که پژوهشگران دیگری نیز در آن شرکت کردند، تکنیکی است که با آن می‌شود تصاویر حاصل از MRI، سی تی اسکن و دیگر اسکن‌های پزشکی را به‌سادگی و با سرعت تبدیل به مدل‌های فیزیکی با جزئیات بی‌سابقه کرد. این مطالعه در 3D Printing and Additive Manufacturing گزارش شده است.

بت ریپلی استادیار رادیولوژی دانشگاه واشنگتن می‌گوید:

زمانی که من قابلیت این تکنولوژی را دیدم، بسیار شگفت‌زده شدم. تکنولوژی مدل‌های پرینت‌شده‌ی سه‌بعدی بسیار دقیقی ایجاد می‌کند و با کمی کار دستی، پرینت سه‌بعدی را به‌عنوان ابزاری برای پژوهش و تشخیص در حوزه‌ی پزشکی در دسترس پژوهشگران قرار می‌دهد.

بت ریپلی با یک مدل سه‌بعدی از قلبش

در تکنولوژی‌هایی همچون MRI و سی تی اسکن، تصاویری با وضوح بالا تولید می‌شود؛ این تصاویر حاصل مجموعه‌ای از برش‌هایی است که جزئیات ساختار درون بدن انسان را نشان می‌دهند و منبع ارزشمندی برای ارزیابی و تشخیص بیماری‌های پزشکی به‌شمار می‌روند.

بیشتر پرینترهای سه‌بعدی مدل‌های فیزیکی را طی فرایندی لایه‌به‌لایه می‌سازند، بنابراین تهیه‌ی لایه‌های تصاویر پزشکی برای ایجاد یک ساختار نهایی تعاملی آشکار بین این دو تکنیک است. اگرچه این جا یک مشکل وجود دارد: تکنولوژی‌های MRI و سی تی اسکن تصاویری با چنان جزئیات زیاد فراهم می‌کنند که اشیاء مورد نظر باید از بافت‌های اطراف جدا و تصویری واضح برای تشخیص و چاپ تبدیل شوند. این کار طی فرایند بسیار زمان‌بری که بخش‌بندی تصویر نامیده می‌شود، انجام می‌شود. در این فرایند یا یک رادیولوژیست به‌صورت دستی اشیاء مورد نظر را در قطعه‌های عکس دنبال می‌کند (گاهی صدها عکس برای یک نمونه)؛ یا طی فرآیند آستانه‌گذاری اتوماتیک با کامپیوتر این کار انجام می‌شود. در حالت اتوماتیک، یک برنامه‌ی کامپیوتری به‌سرعت مناطقی را که دارای پیکسل‌هایی در مقیاس خاکستری هستند، بر اساس یک سایه‌ی خاکستری که به‌عنوان آستانه‌ی سیاه و سفید در نظر گرفته شده است، به رنگ سیاه یا سفید تبدیل می‌کند.

اگرچه مجموعه داده‌های تصویری پزشکی اغلب حاوی اشیائی هستند که دارای شکل نامنظم و ناواضح بوده و مرزهای مشخصی ندارند؛ به‌عنوان یک پیامد، آستانه‌گذاری اتوماتیک (یا حتی بخش‌بندی دستی) اندازه‌ی یک شی را یا بیش از حد یا کمتر از حد نشان می‌دهند و موجب از بین رفتن جزئیات مهمی می‌شوند.

مشابه حالتی که درمورد عکس‌های روزنامه‌ی سیاه و سفید از اندازه‌های متفاوت نقطه‌های جوهر مشکی برای نشان دادن سایه‌ها استفاده می‌شود، هر چه در یک منطقه‌ی خاص پیکسل سیاه بیشتری موجود باشد، آن منطقه تیره‌تر به نظر می‌رسد. با ساده کردن تمام پیکسل‌های سایه‌های مختلف خاکستری به ترکیبی از پیکسل‌های سیاه و سفید، عکس بیت‌مپ دیتر شده‌ ایجاد می‌شود. حال با یک پرینتر سه‌بعدی می‌توان به‌طور سریع و دقیق تصاویر پیچیده‌ی پزشکی را با استفاده از دو ماده‌ی مختلف که تمام تفاوت‌های ظریف داده‌های اولیه را حفظ می‌کند، چاپ کرد.

پژوهشگران از روش پرینت سه‌بعدی مبتنی بر بیت‌مپ برای ایجاد مدل‌هایی از مغز و تومور کیتینگ که در آن جزئیات موجود در داده‌های خام MRI از فاصله‌ی ۲۵سانتی‌متری توسط چشم انسان قابل تشخیص باشد، استفاده کردند. پژوهشگران با استفاده از همین روش موفق به چاپ یک مدل از دریچه‌ی قلب یک انسان با استفاده از مواد متفاوت برای بافت دریچه و پلاک‌های معدنی که درون دریچه شکل گرفته بود، شدند. این مدل به‌طور دقیق ویژگی‌های مکانیکی قلب را نشان می‌دهد و بینش جدیدی در مورد اثرات حقیقی پلاک‌ها روی عملکرد قلب فراهم می‌کند.

ویور نویسنده‌ی مسئول مقاله می‌گوید:

روش ما نه‌تنها امکان می‌دهد مدل‌های پزشکی با سطوح بالایی از دقت پرینت شود؛ بلکه موجب صرفه‌جویی قابل توجهی در زمان و هزینه هم می‌شود. برای مثال قطعه‌بندی دستی سی تی اسکن یک پای سالم انسان با تمام ساختارهای استخوانی، مغز استخوان، تاندون‌ها، ماهیچه‌ها، بافت‌های نرم و پوست، بیش از ۳۰ ساعت زمان می‌برد؛ حتی اگر این کار توسط یک فرد حرفه‌ای انجام شود، ولی ما با روش جدید قادریم این کار را در کمتر از یک ساعت انجام دهیم.

پژوهشگران امیدوارند که روش آن‌ها به‌همراه پرینت سه‌بعدی، ابزاری مناسب برای آزمون‌ها و تشخیص‌ها، آموزش بیمار و درک بدن انسان شود.

حُسنی می‌گوید:

اکنون برای بیمارستان‌ها استخدام تیمی از متخصصان برای پرینت سه‌بعدی و قطعه‌بندی تصاویر پزشکی بسیار هزینه‌بر است و ما امیدواریم این شرایط تغییر کند.

برای ایجاد چنین شرایطی، لازم است که برخی از عناصر ثابت حوزه‌ی پزشکی نیز تغییر کند. بیشتر اطلاعات بیماران برای صرفه‌جویی در فضای سرور بیمارستان به‌حالت فشرده نگهداری می‌شوند بنابراین اغلب، دسترسی به فایل‌های خام MRI و سی تی اسکن مورد نیاز برای چاپ سه‌بعدی دشوار است. علاوه بر این برای موفق شدن این کار، نیاز به دستگاه‌های پیشرفته‌تری در زمینه‌ی پرینت سه‌بعدی است. بسته‌های نرم افزاری ویژه‌ای نیز باید برای این کار طراحی شود. با وجود همه‌ی این موانع، پژوهشگران اطمینان دارند که یافته‌های آن‌ها دارای ارزش زیادی برای جامعه پزشکی است. ویور می‌گوید:

من تصور می‌کنم طی پنج سال آینده روزی می‌رسد که هر بیماری که برای یک MRI یا سی تی اسکن معمولی، به پزشک مراجعه می‌کند، می‌تواند یک مدل سه‌بعدی از داده‌های مربوط به بیماری خود را طی مدت زمان کوتاهی در اختیار بگیرد.

کیتینگ که طرفدار دسترسی بیماران به داده‌های پزشکی خود است و هنوز برای اینکه بیند که پس از جراحی درون مغزش چه اتفاقی افتاده است و مطمئن شود که تومور برنگشته است، از اسکن‌های MRI خود، مدل‌های سه‌بعدی چاپ می‌کند، می‌گوید:

توانایی درک اینکه درون بدن شما چه می‌گذرد و اینکه آن را در دستهای خود بگیرید و تاثیر درمان را ببینید به‌طور باور نکردنی نیرو بخش است.

مدیر مؤسسه ویز می‌گوید:

کنجکاوی یک از بزرگ‌ترین مشوق‌های ابداع است به‌خصوص اگر جستجو در بین موضوعات و مؤسسات مختلف باشد. مؤسسه ویز افتخار دارد که فضایی است که در آن این نوع اختراعات بین رشته‌ای شکوفا می‌شود.