E se você pudesse segurar um modelo físico de seu próprio cérebro em suas mãos, preciso em todas as suas dobras exclusivas? Isso é apenas uma parte normal da vida de Steven Keating, Ph.D., que teve um tumor do tamanho de uma bola de beisebol removido de seu cérebro aos 26 anos, enquanto ele era um estudante de graduação no grupo Mediated Matter do MIT Media Lab. Curioso para ver como seu cérebro realmente parecia antes de o tumor ser removido, e com o objetivo de compreender melhor seu diagnóstico e opções de tratamento, Keating coletou seus dados médicos e começou a imprimir em 3D seus exames de ressonância magnética e tomografia computadorizada, mas estava frustrado porque os métodos existentes eram proibitivamente demorados, pesado, e falhou em revelar com precisão características importantes de interesse. Keating estendeu a mão para alguns dos colaboradores de seu grupo, incluindo membros do Wyss Institute da Harvard University, que estavam explorando um novo método para imprimir amostras biológicas em 3D.

"Nunca nos ocorreu usar essa abordagem para a anatomia humana até que Steve veio até nós e disse:'Rapazes, aqui estão meus dados, o que podemos fazer? "diz Ahmed Hosny, que era pesquisador no Wyss Institute na época e agora é engenheiro de aprendizado de máquina no Dana-Farber Cancer Institute. O resultado dessa colaboração improvisada, que cresceu para envolver James Weaver, Ph.D., Cientista Pesquisador Sênior do Wyss Institute; Neri Oxman, Ph.D., Diretor do grupo Mediated Matter do MIT Media Lab e Professor Associado de Artes e Ciências da Mídia; e uma equipe de pesquisadores e médicos em vários outros centros acadêmicos e médicos nos Estados Unidos e na Alemanha - é uma nova técnica que permite imagens de ressonância magnética, CT, e outros exames médicos para serem facilmente e rapidamente convertidos em modelos físicos com detalhes sem precedentes. A pesquisa é relatada em Impressão 3-D e fabricação de aditivos .

"Quase pulei da cadeira quando vi o que essa tecnologia é capaz de fazer, "diz Beth Ripley, M.D. Ph.D., um professor assistente de radiologia na Universidade de Washington e radiologista clínico no Seattle VA, e coautor do artigo. "Ele cria modelos médicos impressos em 3D com detalhes requintados e uma fração do trabalho manual atualmente necessário, tornando a impressão 3-D mais acessível ao campo médico como uma ferramenta de pesquisa e diagnóstico. "

Tecnologias de imagem como ressonância magnética e tomografia computadorizada produzem imagens de alta resolução como uma série de "cortes" que revelam os detalhes das estruturas dentro do corpo humano, tornando-os um recurso inestimável para avaliar e diagnosticar condições médicas. A maioria das impressoras 3-D constroem modelos físicos em um processo de camada por camada, portanto, alimentá-los com camadas de imagens médicas para criar uma estrutura sólida é uma sinergia óbvia entre as duas tecnologias.

Contudo, há um problema:as varreduras de ressonância magnética e tomografia computadorizada produzem imagens com tantos detalhes que o (s) objeto (s) de interesse precisam ser isolados do tecido circundante e convertidos em malhas de superfície para serem impressos. Isso é obtido por meio de um processo muito demorado denominado "segmentação", em que um radiologista traça manualmente o objeto desejado em cada fatia da imagem (às vezes centenas de imagens para uma única amostra), ou um processo de "limiarização" automático no qual um programa de computador converte rapidamente áreas que contêm pixels em tons de cinza em pixels sólidos pretos ou brancos sólidos, com base em um tom de cinza que é escolhido para ser o limite entre o preto e o branco. Contudo, Os conjuntos de dados de imagens médicas geralmente contêm objetos de formato irregular e sem transparência, fronteiras bem definidas; como resultado, O limiar automático (ou mesmo a segmentação manual) geralmente exagera ou exagera pouco o tamanho de um recurso de interesse e elimina os detalhes críticos.

O novo método descrito pelos autores do artigo oferece aos profissionais médicos o melhor dos dois mundos, oferecendo um método rápido e altamente preciso para converter imagens complexas em um formato que pode ser facilmente impresso em 3-D. A chave está na impressão com bitmaps pontilhados, um formato de arquivo digital no qual cada pixel de uma imagem em tons de cinza é convertido em uma série de pixels em preto e branco, e a densidade dos pixels pretos é o que define os diferentes tons de cinza, e não os próprios pixels com cores variadas.

Semelhante à maneira como as imagens em papel de jornal em preto e branco usam vários tamanhos de pontos de tinta preta para transmitir sombreamento, quanto mais pixels pretos estiverem presentes em uma determinada área, mais escuro ele parece. Ao simplificar todos os pixels de vários tons de cinza em uma mistura de pixels pretos ou brancos, bitmaps pontilhados permitem que uma impressora 3-D imprima imagens médicas complexas usando dois materiais diferentes que preservam todas as variações sutis dos dados originais com muito mais precisão e velocidade.

A equipe de pesquisadores usou impressão 3-D baseada em bitmap para criar modelos do cérebro e tumor de Keating que preservaram fielmente todas as gradações de detalhes presentes nos dados brutos de ressonância magnética até uma resolução que está no mesmo nível do que o olho humano pode distinguir de cerca de 9-10 polegadas de distância. Usando essa mesma abordagem, eles também foram capazes de imprimir um modelo de rigidez variável de uma válvula cardíaca humana usando diferentes materiais para o tecido da válvula em comparação com as placas minerais que se formaram dentro da válvula, resultando em um modelo que exibiu gradientes de propriedades mecânicas e forneceu novos insights sobre os efeitos reais das placas na função da válvula.

"Nossa abordagem não apenas permite que altos níveis de detalhes sejam preservados e impressos em modelos médicos, mas também economiza muito tempo e dinheiro, "diz Weaver, quem é o autor correspondente do artigo. "Segmentando manualmente uma tomografia computadorizada de um pé humano saudável, com toda a sua estrutura óssea interna, medula óssea, tendões, músculos, tecido macio, e pele, por exemplo, pode levar mais de 30 horas, mesmo por um profissional treinado - fomos capazes de fazer isso em menos de uma hora. "

Os pesquisadores esperam que seu método ajude a tornar a impressão 3D uma ferramenta mais viável para exames e diagnósticos de rotina, Educação paciente, e compreender o corpo humano. "Agora mesmo, é muito caro para os hospitais empregar uma equipe de especialistas para entrar e segmentar manualmente os conjuntos de dados de imagem para impressão 3-D, exceto em casos de risco extremamente alto ou de alto perfil. Esperamos mudar isso, "diz Hosny.

Para que isso aconteça, alguns elementos arraigados do campo médico também precisam mudar. A maioria dos dados dos pacientes são compactados para economizar espaço nos servidores do hospital, portanto, muitas vezes é difícil obter os arquivos brutos de ressonância magnética ou tomografia computadorizada necessários para impressão 3-D de alta resolução. Adicionalmente, a pesquisa da equipe foi facilitada por meio de uma colaboração conjunta com o fabricante líder de impressoras 3-D Stratasys, que permitia o acesso aos recursos intrínsecos de impressão de bitmap da impressora 3-D. Novos pacotes de software também precisam ser desenvolvidos para aproveitar melhor esses recursos e torná-los mais acessíveis aos profissionais médicos.

Apesar desses obstáculos, os pesquisadores estão confiantes de que suas realizações apresentam um valor significativo para a comunidade médica. "Imagino que em algum momento dos próximos 5 anos, pode chegar o dia em que qualquer paciente que vá ao consultório médico para uma tomografia computadorizada ou ressonância magnética de rotina ou não será capaz de obter um modelo impresso em 3D de seus dados específicos do paciente dentro de alguns dias, "diz Weaver.

Keating, que se tornou um defensor apaixonado dos esforços para permitir que os pacientes acessem seus próprios dados médicos, o 3-D ainda imprime suas imagens de ressonância magnética para ver como seu crânio está se curando após a cirurgia e verifique seu cérebro para ter certeza de que o tumor não está voltando. "A capacidade de entender o que está acontecendo dentro de você, para realmente segurá-lo em suas mãos e ver os efeitos do tratamento, é incrivelmente fortalecedor, " ele diz.

"A curiosidade é um dos maiores motores de inovação e mudança para um bem maior, especialmente quando envolve explorar questões entre disciplinas e instituições. O Wyss Institute se orgulha de ser um espaço onde esse tipo de inovação cross-field pode florescer, "diz o diretor fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School (HMS) e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS).