La Nueva Técnica De Impresión 3D Permite Una Investigación Médica Específica Para Pacientes Más Barata

Nueva técnica de impresión 3D para investigación

Con la nueva tecnología 3-D, los tejidos extraños se pueden eliminar para revelar las estructuras subyacentes deseadas (derecha) sin sacrificar la resolución o los gradientes de intensidad presentes en los datos de imágenes nativos (izquierda y centro). Crédito: James Weaver y Steven Keating / Wyss Institute

La nueva técnica de impresión 3D permite modelos más rápidos, mejores y más económicos de datos médicos específicos del paciente para la investigación y el diagnóstico.

¿Qué pasaría si pudieras sostener un modelo físico de tu propio cerebro, exacto en cada pliegue único? Eso es solo una parte normal de la vida de Steven Keating, a quien le extirparon un tumor del cerebro del tamaño de una pelota de béisbol a los 26 años mientras era un estudiante de posgrado en el MIT Grupo de materia mediada de Media Lab.

Con curiosidad por ver cómo se veía su cerebro antes de que le extirparan el tumor, y con el objetivo de comprender mejor sus opciones de diagnóstico y tratamiento, Keating recopiló sus datos médicos y comenzó a imprimir en 3D sus resonancias magnéticas y tomografías computarizadas. Encontró los modelos existentes prohibitivamente intensivos en tiempo y engorrosos, y dijo que no revelaron con precisión características importantes de interés. Entonces, Keating se acercó a algunos de los colaboradores de su grupo, incluidos miembros del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, que estaban explorando un nuevo método para imprimir muestras biológicas en 3D.

“Nunca se nos ocurrió utilizar este enfoque para la anatomía humana hasta que Steve se acercó a nosotros y nos dijo: ‘Chicos, aquí están mis datos, ¿qué podemos hacer?’”, Dijo Ahmed Hosny, quien era investigador del Instituto Wyss en el tiempo y ahora es ingeniero de aprendizaje automático en el Dana-Farber Cancer Institute.

El resultado de esa colaboración improvisada es una nueva técnica que permite que las imágenes de resonancia magnética, tomografía computarizada y otras exploraciones médicas se conviertan fácil y rápidamente en modelos físicos con un detalle sin precedentes.

Los colaboradores incluyeron a James Weaver, científico investigador principal del Instituto Wyss; Neri Oxman, directora del grupo Mediated Matter del MIT Media Lab y profesora asociada de artes y ciencias de los medios; y un equipo de investigadores y médicos en varios otros centros médicos y académicos en los Estados Unidos y Alemania. La investigación se publica en la revista 3D Printing and Additive Manufacturing.

Pie impreso en 3D

Un modelo de pie impreso en 3D (izquierda) y su sección transversal (derecha) revelan claramente la intrincada arquitectura interna de los diferentes tipos de huesos, así como el tejido blando circundante. Crédito: Steven Keating y Ahmed Hosny / Wyss Institute

“Casi salté de mi silla cuando vi lo que esta tecnología es capaz de hacer”, dijo Beth Ripley, profesora asistente de radiología en el Universidad de Washington y radiólogo clínico en Seattle VA, y coautor del artículo. “Crea modelos médicos impresos en 3D exquisitamente detallados con una fracción del trabajo manual que se requiere actualmente, lo que hace que la impresión en 3D sea más accesible para el campo médico como una herramienta para la investigación y el diagnóstico”.

Las tecnologías de imágenes como la resonancia magnética y la tomografía computarizada producen imágenes de alta resolución como una serie de “cortes” que revelan los detalles de las estructuras internas del cuerpo humano, lo que las hace invaluables para evaluar y diagnosticar afecciones médicas. La mayoría de las impresoras 3D construyen modelos físicos en un proceso de capa por capa, por lo que alimentarlas con capas de imágenes médicas para crear una estructura sólida es una sinergia obvia entre las dos tecnologías.

Sin embargo, existe un problema: las imágenes por resonancia magnética y tomografía computarizada producen imágenes con tanto detalle que los objetos de interés deben aislarse del tejido circundante y convertirse en mallas de superficie para poder imprimirlos. Esto se logra mediante un proceso que requiere mucho tiempo llamado “segmentación”, en el cual un radiólogo rastrea manualmente el objeto deseado en cada corte de imagen (a veces cientos de imágenes para una sola muestra), o un proceso automático de “umbral” en el que un programa de computadora convierte rápidamente áreas que contienen píxeles en escala de grises en píxeles negros sólidos o blancos sólidos, basándose en un tono de gris que se elige como el umbral entre los colores. Sin embargo, los conjuntos de datos de imágenes médicas a menudo contienen objetos que tienen formas irregulares y carecen de bordes claros y bien definidos; como resultado, el auto-umbral (o incluso la segmentación manual) a menudo exagera o subestima el tamaño de una característica de interés y elimina los detalles críticos.

Nueva técnica de impresión 3D

Un modelo de múltiples materiales impreso en 3-D de una válvula cardíaca calcificada muestra depósitos de calcio duro (blanco) con gradientes de escala fina en la densidad mineral que son imposibles de capturar por completo utilizando enfoques de impresión biomédica en 3D convencionales. Crédito: James Weaver y Ahmed Hosny / Instituto Wyss

El nuevo método descrito en el documento ofrece a los profesionales médicos lo mejor de ambos mundos: un método rápido y muy preciso para convertir imágenes complejas en un formato que se puede imprimir fácilmente en 3D. La clave está en imprimir con mapas de bits difuminados, un formato de archivo digital en el que cada píxel de una imagen en escala de grises se convierte en una serie de píxeles en blanco y negro, y la densidad de los píxeles negros es lo que define las sombras de gris, en lugar de la los propios píxeles varían en color.

De manera similar a la forma en que las imágenes en papel de periódico en blanco y negro usan diferentes tamaños de puntos de tinta negra para transmitir sombreado, mientras más píxeles negros estén presentes en un área determinada, más oscura aparecerá. Al simplificar todos los píxeles de varios tonos de gris en una mezcla de píxeles negros o blancos, los mapas de bits difuminados permiten que una impresora 3-D imprima imágenes médicas complejas utilizando dos materiales diferentes que conservan todas las variaciones sutiles de los datos originales con mucho mayor exactitud y velocidad.

Nueva técnica de investigación de impresión 3D

A diferencia de las fotografías en escala de grises, que requieren varios tonos de gris para transmitir degradados (izquierda), los medios tonos (comunes en las imágenes de papel de periódico) pueden preservar los degradados de intensidad de escala de grises utilizando solo un color de tinta (derecha). Se utilizó un enfoque similar para procesar las pilas de imágenes para los modelos impresos en 3D descritos en el documento. Crédito: James Weaver / Instituto Wyss

El equipo de investigadores utilizó la impresión 3-D basada en mapas de bits para crear modelos del cerebro y el tumor de Keating que conservaban fielmente todas las gradaciones de detalle presentes en los datos sin procesar de la resonancia magnética hasta una resolución que está a la par con la que el ojo humano puede distinguir. aproximadamente a 9‒10 pulgadas de distancia. Usando este mismo enfoque, también pudieron imprimir un modelo de rigidez variable de una válvula cardíaca humana utilizando diferentes materiales para el tejido de la válvula y las placas minerales que se habían formado en su interior, lo que resultó en un modelo que exhibía gradientes de propiedades mecánicas y proporcionaba nuevos conocimientos. en los efectos reales de la placa en la función de la válvula.

“Nuestro enfoque no solo permite conservar e imprimir altos niveles de detalle en modelos médicos, sino que también ahorra una enorme cantidad de tiempo y dinero”, dijo Weaver, quien es el autor correspondiente del artículo. “Segmentar manualmente una tomografía computarizada de un pie humano sano, con toda su estructura ósea interna, médula ósea, tendones, músculos, tejidos blandos y piel, por ejemplo, puede llevar más de 30 horas, incluso por un profesional capacitado. capaz de hacerlo en menos de una hora “.

Los investigadores esperan que su método ayude a hacer de la impresión 3D una herramienta más viable para los exámenes y diagnósticos de rutina, la educación del paciente y la comprensión del cuerpo humano. “En este momento, es demasiado caro para los hospitales emplear un equipo de especialistas para que ingresen y segmenten manualmente conjuntos de datos de imágenes para la impresión 3D, excepto en casos de alto perfil o riesgo extremadamente alto. Esperamos cambiar eso ”, dijo Hosny.

Keating, quien se ha convertido en un apasionado defensor de los esfuerzos para permitir que los pacientes accedan a sus propios datos médicos, todavía imprime en 3-D sus imágenes de resonancia magnética para ver cómo se está curando su cráneo y verifica su cerebro para asegurarse de que su tumor no regrese. . “La capacidad de comprender lo que está sucediendo dentro de usted, de sostenerlo en sus manos y ver los efectos del tratamiento, es increíblemente empoderador”, dijo.

Documento: Hosny Ahmed, et al., “Desde el diagnóstico mejorado hasta la planificación prequirúrgica: Impresión 3D multimaterial de alta resolución y funcionalmente graduada de conjuntos de datos tomográficos biomédicos”, Impresión 3D y fabricación aditiva, 2018; doi: 10.1089 / 3dp.2017.0140

Añadir un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *