Tänk om du kunde hålla en fysisk modell av din egen hjärna i dina händer, exakt ner till varje unik veck? Det är bara en normal del av livet för Steven Keating, Ph.D., som fick en tumör i baseballstorlek borttagen från sin hjärna vid 26 års ålder medan han var doktorand i MIT Media Labs Mediated Matter-grupp. Nyfiken på att se hur hans hjärna faktiskt såg ut innan tumören togs bort, och med målet att bättre förstå hans diagnos och behandlingsalternativ, Keating samlade in sina medicinska data och började 3D-skriva ut sina MRI- och CT-skanningar, men var frustrerad över att befintliga metoder var oöverkomligt tidskrävande, besvärlig, och misslyckades med att korrekt avslöja viktiga egenskaper av intresse. Keating nådde ut till några av sin grupps medarbetare, inklusive medlemmar av Wyss Institute vid Harvard University, som undersökte en ny metod för 3D-utskrift av biologiska prover.

"Det föll oss aldrig in att använda detta tillvägagångssätt för mänsklig anatomi förrän Steve kom till oss och sa:'Killar, här är mina uppgifter, vad kan vi göra?" säger Ahmed Hosny, som var forskare med vid Wyss Institute vid den tiden och nu är maskininlärningsingenjör vid Dana-Farber Cancer Institute. Resultatet av det improviserade samarbetet – som växte till att involvera James Weaver, Ph.D., Senior forskare vid Wyss Institute; Neri Oxman, Ph.D., Direktör för MIT Media Labs Mediated Matter-grupp och docent i mediekonst och vetenskap; och ett team av forskare och läkare vid flera andra akademiska och medicinska centra i USA och Tyskland – är en ny teknik som tillåter bilder från MRI, CT, och andra medicinska skanningar för att enkelt och snabbt omvandlas till fysiska modeller med oöverträffade detaljer. Forskningen redovisas i 3D-utskrift och additiv tillverkning .

"Jag hoppade nästan upp ur stolen när jag såg vad den här tekniken kan göra, " säger Beth Ripley, M.D. Ph.D., en biträdande professor i radiologi vid University of Washington och klinisk radiolog vid Seattle VA, och medförfattare till tidningen. "Det skapar utsökt detaljerade 3-D-printade medicinska modeller med en bråkdel av det manuella arbete som för närvarande krävs, göra 3-D-utskrift mer tillgänglig för det medicinska området som ett verktyg för forskning och diagnos."

Bildtekniker som MRT och CT-skanningar producerar högupplösta bilder som en serie "skivor" som avslöjar detaljerna i strukturer inuti människokroppen, vilket gör dem till en ovärderlig resurs för att utvärdera och diagnostisera medicinska tillstånd. De flesta 3D-skrivare bygger fysiska modeller i en lager-för-lager-process, så att mata dem med lager av medicinska bilder för att skapa en solid struktur är en uppenbar synergi mellan de två teknologierna.

Dock, det finns ett problem:MRT- och CT-skanningar producerar bilder med så mycket detaljer att föremålet/objekten av intresse måste isoleras från omgivande vävnad och omvandlas till ytmaskor för att kunna skrivas ut. Detta uppnås antingen via en mycket tidskrävande process som kallas "segmentering" där en radiolog manuellt spårar det önskade objektet på varje enskild bildskiva (ibland hundratals bilder för ett enda prov), eller en automatisk "tröskel"-process där ett datorprogram snabbt omvandlar områden som innehåller gråskalepixlar till antingen solida svarta eller solida vita pixlar, baserad på en nyans av grått som är vald som tröskeln mellan svart och vitt. Dock, medicinska bilddatauppsättningar innehåller ofta föremål som är oregelbundet formade och saknar tydliga, väldefinierade gränser; som ett resultat, automatisk tröskelvärde (eller till och med manuell segmentering) över- eller underöverdriver ofta storleken på en funktion av intresse och tvättar bort kritiska detaljer.

Den nya metoden som beskrivs av tidningens författare ger medicinsk personal det bästa av två världar, erbjuder en snabb och mycket exakt metod för att konvertera komplexa bilder till ett format som enkelt kan 3D-utskrivas. Nyckeln ligger i utskrift med vibrerade bitmappar, ett digitalt filformat där varje pixel i en gråskalebild omvandlas till en serie svarta och vita pixlar, och tätheten hos de svarta pixlarna är det som definierar de olika grå nyanserna snarare än själva pixlarna som varierar i färg.

På samma sätt som bilder i svartvitt tidningspapper använder olika storlekar av svarta bläckprickar för att förmedla skuggning, ju fler svarta pixlar som finns i ett givet område, desto mörkare ser det ut. Genom att förenkla alla pixlar från olika nyanser av grått till en blandning av svarta eller vita pixlar, vibrerade bitmappar gör att en 3-D-skrivare kan skriva ut komplexa medicinska bilder med två olika material som bevarar alla subtila variationer av originaldata med mycket större noggrannhet och snabbhet.

Teamet av forskare använde bitmappsbaserad 3-D-utskrift för att skapa modeller av Keatings hjärna och tumör som troget bevarade alla detaljgraderingar som finns i rå MRI-data ner till en upplösning som är i nivå med vad det mänskliga ögat kan urskilja från cirka 9-10 tum bort. Med samma tillvägagångssätt, de kunde också skriva ut en modell med variabel styvhet av en mänsklig hjärtklaff med hjälp av olika material för klaffvävnaden jämfört med de mineralplack som hade bildats i klaffen, resulterade i en modell som uppvisade mekaniska egenskapsgradienter och gav nya insikter om plackens faktiska effekter på ventilfunktionen.

"Vårt tillvägagångssätt tillåter inte bara att höga detaljnivåer bevaras och skrivas ut i medicinska modeller, men det sparar också enormt mycket tid och pengar, säger Weaver, som är motsvarande författare till tidningen. "Manuellt segmentera en datortomografi av en frisk mänsklig fot, med hela dess inre benstruktur, benmärg, senor, muskler, mjukvävnad, och hud, till exempel, kan ta mer än 30 timmar, även av en utbildad proffs – vi kunde göra det på mindre än en timme."

Forskarna hoppas att deras metod kommer att bidra till att göra 3D-utskrift till ett mer genomförbart verktyg för rutinundersökningar och diagnoser, patientutbildning, och förstå människokroppen. "Just nu, det är alldeles för dyrt för sjukhus att anställa ett team av specialister som går in och handsegmenterar bilddatauppsättningar för 3D-utskrift, utom i fall med extremt hög risk eller hög profil. Vi hoppas kunna ändra på det, säger Hosny.

För att det ska hända, vissa förankrade delar av det medicinska området måste också förändras. De flesta patientdata komprimeras för att spara utrymme på sjukhusservrar, så det är ofta svårt att få tag i de råa MRI- eller CT-skanningsfiler som behövs för högupplöst 3D-utskrift. Dessutom, teamets forskning underlättades genom ett gemensamt samarbete med den ledande 3D-skrivartillverkaren Stratasys, vilket gav åtkomst till deras 3D-skrivares inneboende bitmappsutskriftsfunktioner. Nya mjukvarupaket måste också utvecklas för att bättre utnyttja dessa möjligheter och göra dem mer tillgängliga för medicinsk personal.

Trots dessa hinder, forskarna är övertygade om att deras prestationer utgör ett betydande värde för det medicinska samfundet. "Jag föreställer mig att någon gång inom de kommande 5 åren, dagen kan komma då varje patient som går till en läkarmottagning för en rutinmässig eller icke-rutin CT- eller MRI-skanning kommer att kunna få en 3-D-printad modell av sina patientspecifika data inom några dagar, säger Weaver.

Keating, som har blivit en passionerad förespråkare för insatser för att ge patienter tillgång till sina egna medicinska data, 3-D skriver fortfarande ut sina MRI-skanningar för att se hur hans skalle läker efter operationen och kontrollera hans hjärna för att se till att hans tumör inte kommer tillbaka. "Förmågan att förstå vad som händer inom dig, att faktiskt hålla den i dina händer och se effekterna av behandlingen, är otroligt stärkande, " han säger.

"Nyfikenhet är en av de största drivkrafterna för innovation och förändring till det större bästa, särskilt när det handlar om att utforska frågor över discipliner och institutioner. Wyss Institute är stolta över att vara ett utrymme där denna typ av fältöverskridande innovation kan blomstra, " säger Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School (HMS) och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, samt professor i bioteknik vid Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).