Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

सीटी स्कैन विश्लेषण, अंतरिक्ष शिक्षा के लिए 3 डी प्रिंटिंग

सेथ होरोविट्ज़ ब्राउन विश्वविद्यालय में पारिस्थितिकी और विकासवादी जीवविज्ञान विभाग में एक न्यूरोसाइंटिस्ट और सहायक अनुसंधान प्रोफेसर के साथ-साथ एक निर्माता और एक 3 डी प्रिंटिंग उत्साही हैं। वह इस रिपोर्ट को कुछ तरीकों से साझा करता है जिसमें वह अपने 3 डी प्रिंटर का उपयोग कर रहा है, जिसमें एक नया शोध तरीका भी शामिल है।

तीन साल पहले मुझे एक दिलचस्प समस्या थी - मुझे एक प्रयोग के लिए एक उपकरण की आवश्यकता थी, जो आराम से एक लाइव बैट पकड़ सके, लेकिन इस तरह से कि वह अपने सिर को काटे या स्थानांतरित न कर सके। अतीत में, मैंने उन इंजीनियरों के साथ काम किया था जो बहुत जटिल Plexiglas, पिंजरे जैसे उपकरण बनाते हैं जो अच्छी तरह से काम करते हैं, लेकिन आपके पास अलग-अलग आकार (और प्रजाति) के चमगादड़ फिट करने के लिए कई हैं। हर एक को बनाने में हफ्तों लग सकते थे और लागत एक हजार डॉलर से अधिक थी।

इस समय के बारे में, 3 डी प्रिंटर किट की वेब पर बात होने लगी थी और मैंने तय किया कि मैं कोशिश करूंगा और देखूंगा कि क्या मैं इनमें से किसी एक का उपयोग कस्टम प्रिंट लाइव बैट धारकों के लिए कर सकता हूं। मुझे नासा रोड आइलैंड स्पेस से एक छोटा पायलट अनुदान मिला (अनुसंधान नासा के हितों के लिए प्रासंगिक था - चमगादड़ चलती-फिरती-अंधेरे भीड़ के लिए प्रिय विषय हैं) और एक मेकरबोट कपकेक खरीदा।

कई महीनों के निर्माण के बाद, असेंबली, डिसआर्डर, शपथ ग्रहण और पुन: संयोजन के बाद, मेरे पास मेरा 3 डी प्रिंटेड बैट होल्डर था, जिसमें लगभग 50 सेंट का प्लास्टिक इस्तेमाल होता था और प्रिंट करने में सभी दो घंटे लगते थे। लेकिन आपको वास्तव में कितने बैट धारकों की आवश्यकता है? यह जानने की कोशिश में कि मैं अपने कपकेक के साथ और क्या कर सकता हूं, मैंने महसूस किया कि 3 डी प्रिंटिंग एक नया रूप है डेटा प्राप्ति - किसी वस्तु का सरलीकृत कोडित प्रतिनिधित्व करना और उस वस्तु का निर्माण करना - जीन से प्रोटीन में जाने का एक यांत्रिक कोरोलरी। और आसपास 3 डी डेटा के धन के साथ, संभावनाएं लगभग अंतहीन हैं।

पिछले एक दशक से कम से कम, 3 डी मॉडल और उनकी छवियां विज्ञान और इंजीनियरिंग में सामान्य रही हैं - सीटी स्कैन कंकाल और घने ऊतकों के तीन आयामी चित्र बनाते हैं, एमआरआई नरम ऊतकों में समान अनुमति देता है। 3 डी फ्लाईओवर के लिए ग्रह और चंद्र सतहों के पुनर्निर्माण की अनुमति देने के लिए डिजिटल भूभाग मॉडलिंग के लिए विभिन्न दृष्टिकोणों से कई छवियां लेता है। लेकिन इन सभी में अंतर्निहित सीमाएँ हैं - छवियों के व्यक्तिगत तत्वों को ब्याज के क्षेत्रों के एक स्वच्छ दृश्य की अनुमति देने के लिए पर्याप्त फ़िल्टरिंग से गुजरना पड़ता है, जिसका अर्थ है कि आप दूसरों की तलाश करते समय दिलचस्प चीजों को फ़िल्टर करते हैं। अतिव्यापी तत्वों के अति सूक्ष्म तत्वों को धुंधला कर देता है, जिससे आपको अपनी वस्तु के बाहर का अच्छा साक्षात्कार मिलता है लेकिन आंतरिक विस्तार का अभाव होता है जो हमेशा आपकी दृष्टि को बदलने से ठीक नहीं होता है। और निश्चित रूप से, एक प्रमुख सीमा यह है कि ये अभी भी छवियां हैं। कोई फर्क नहीं पड़ता कि कितना सुंदर या विस्तृत है, वे अभी भी एक जटिल वस्तु के बारे में कड़ाई से दृश्य जानकारी में जानकारी को विवश कर रहे हैं। लेकिन जब आप इन 3 डी दृश्य अभ्यावेदन को लेते हैं और उन्हें भौतिक वस्तुओं में वापस परिवर्तित करते हैं, तो आप न केवल उन्हें नेत्रहीन रूप से जांचने के लिए संभावनाओं को फिर से खोलते हैं, बल्कि स्पर्श के माध्यम से हमारे उत्कृष्ट रूप से ठीक समझ से भी विवरण प्राप्त करते हैं।

चित्रा 1. विकृति के क्षेत्र को दिखाने वाले वयस्क बुलफ्रॉग का सीटी स्कैन

मैंने अपने एक पुराने अध्ययन से डेटा की जांच करके एक आवेदन पाया। मेरे बहुत से काम ने श्रवण विकास पर ध्यान केंद्रित किया है, एक मॉडल के रूप में बुलफ्रॉग का उपयोग किया है। बुलफ्रॉग पहले के बाद से मानव सुनवाई के लिए दिलचस्प मॉडल हैं, उनकी सुनवाई मनुष्यों में कम आवृत्ति (<2500 हर्ट्ज) की सुनवाई के समान है और दूसरे, उनका दिमाग मनुष्यों की तुलना में कुछ हद तक अधिक लचीला और लचीला है।

उदाहरण के लिए, मेंढक वास्तव में क्षति के बाद अपने केंद्रीय तंत्रिका तंत्र को पुन: उत्पन्न कर सकते हैं, कुछ हम चाहते हैं कि मनुष्य शोर प्रेरित सुनवाई हानि जैसी चीजों को रोकने के लिए कर सकें। लेकिन वे इस प्लास्टिसिटी के लिए एक कीमत चुकाते हैं - वे पर्यावरण विषाक्त पदार्थों और स्थितियों से नुकसान के लिए बहुत अधिक प्रवण हैं।

2004 में एक मेंढक रिकॉर्डिंग सत्र के दौरान, लैब के एक सदस्य ने देखा और एक अजीब वयस्क नर बुलफ्रॉग पकड़ा। इसका केवल एक कान था। यह अन्यथा स्वस्थ लग रहा था क्योंकि मेंढक सामाजिक व्यवहार के लिए सुनवाई पर बहुत निर्भर हैं; इस मेंढक को अपने क्षेत्र में प्रजनन और बचाव में परेशानी होने वाली थी। हमने इसे पकड़ा और यह देखने के लिए सीटी स्कैन लिया कि क्या हम इसकी विकृति की सीमा निर्धारित कर सकते हैं। सीटी स्कैन एक्स-रे एक निरंतर सर्पिल में रुचि के एक क्षेत्र के नीचे लिया जाता है, जो आपको हड्डी और घने ऊतकों का एक 3 डी मॉडल बनाने की अनुमति देता है। मेंढक (चित्र 1) के सीटी स्कैन से पता चला है कि जबकि इसके आंतरिक कान दोनों तरफ सामान्य लग रहे थे, इसमें ईयरड्रम की कमी थी और कार्टिलेज के छोटे टुकड़े को स्टेप्स (या स्टेपेडियम) कहा जाता था, जो बाहरी कर्ण को आंतरिक कान से जोड़ता था।

चित्रा 2. सीटी डेटा पर आधारित 3 डी मुद्रित मॉडल

यह तब तक नहीं था जब तक कि हम एक ही मेंढक के साथ एक दूसरे मेंढक को नहीं मिला, कि हम महसूस करने लगे कि यहाँ कुछ चल रहा था। इन दोनों मेंढकों को चोट के कोई निशान नहीं मिले, इसलिए यह अधिक संभावना थी कि विकास के दौरान कुछ हुआ हो। सीटी स्कैन की छवियों ने हमें विश्वास दिलाया कि चूंकि आंतरिक कान सामान्य दिखते हैं, यह एक मानव स्थिति के समान हो सकता है जिसे एरल एट्रेसिया कहा जाता है जो बाहरी और मध्य कानों की विकृति पैदा कर सकता है लेकिन आंतरिक कानों को छोड़ देता है। लेकिन अब, वर्षों बाद, मैंने अपने 3 डी प्रिंटर की सहायता से इस बार फिर से छवियों की जांच करने का फैसला किया। मैंने कच्ची सीटी फाइलें लीं और ओपन सोर्स प्रोग्राम ImageJ का उपयोग करते हुए, प्रिंट करने योग्य स्टीरियोलिथोग्राफी फाइल के रूप में खोपड़ी के एक सेक्शन के डेटा का निर्यात किया, और एक भौतिक मॉडल बनाया, लगभग 25 गुना (चित्र 2) बड़ा किया।

जैसे ही मेरे हाथ में मॉडल था और इसे मोड़ने और इसे संभालने में सक्षम था, मैंने देखा कि वास्तव में उन क्षेत्रों में विषमताएं थीं जहां श्रवण (8 वां) तंत्रिका मस्तिष्क से जुड़ने के लिए आंतरिक कान छोड़ दिया था, यह सुझाव देते हुए कि यह विकृति है एन्यूरल एटरेसिया के समान नहीं था। बल्कि, यह कीटनाशकों के संपर्क में आने के कारण होने की संभावना थी जो यूवी प्रकाश की उपस्थिति में टेराटोजेन में बदल गए और विकास में कुछ बिंदुओं पर अधिक व्यापक असामान्यताएं पैदा कर सकते हैं। 3 डी प्रिंटेड मॉडल ने इस बात पर अधिक जानकारी दी कि कंप्यूटर पर देखी गई मूल छवियों की तुलना में असामान्यता क्या है। एक भौतिक मुद्रण योग्य मॉडल बनाने से आप उन उपकरणों का उपयोग कर सकते हैं, जिन्हें आप एक साथ उपयोग करने के लिए विकसित कर चुके हैं - आपके हाथ और आँखें - यहां तक ​​कि महंगे हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर से परे निष्कर्षों का विस्तार करने के लिए।

मेरा एक और हित अंतरिक्ष शिक्षा और आउटरीच है, और मैं इसके लिए 3 डी प्रिंटिंग भी लागू करना चाहता था। दुनिया की खोज (पृथ्वी सहित) 20 वीं और 21 वीं शताब्दी के सबसे रोमांचक मानव कारनामों में से एक है, और फिर भी उत्साह लगभग विशेष रूप से कल्पना से आता है। पृथ्वी के द्रव्यमान और लवणता के ग्लोब, मंगल पर 3 डी फ्लाई-थ्रू और बृहस्पति के चंद्रमा यूरोपा पर ग्लेशियल दरारें, चंद्र craters के उच्च परिभाषा दृश्य - इन कुछ अपवादों के साथ और अधिक केवल नेत्रहीन उपलब्ध हैं। भौतिक मॉडल, जैसे कि क्षुद्रग्रह आकार के कस्टम-निर्मित सीमित संस्करण, हजारों डॉलर की लागत। बनावट वाले ग्लोब और नक्शे जो किसी को पहाड़ी लकीरें और लैंडमास के आकृतियों को महसूस करने की अनुमति देते हैं, लगभग एक सदी से अधिक समय से हैं, जो मूल रूप से अंधों के लिए विकसित किए गए हैं, लेकिन केवल पृथ्वी के ग्लोब जैसे सामान्य शिक्षण उपकरणों के लिए उपलब्ध हैं।तो आप दुनिया में 37 मिलियन लोगों के लिए अंतरिक्ष और पृथ्वी विज्ञान की शिक्षा कैसे ला सकते हैं, जो कि पूरी तरह से अंधे हैं, 124 मिलियन का उल्लेख नहीं है जो लगभग ऐसा है? और इससे परे, भौतिक रूप से एक क्षुद्रग्रह के मॉडल को संभालने में सक्षम होने के लिए लोग कितने अधिक देखे जाएंगे?

2010 में, मैंने क्षुद्रग्रहों के आकार के 3 डी डेटा की तलाश शुरू की, यह देखने के लिए कि क्या अंतरिक्ष निकायों और इलाकों के 3 डी मॉडल को प्रिंट करना संभव होगा। मैंने पाया कि वाशिंगटन राज्य विश्वविद्यालय में इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के स्कूल के प्रोफेसर स्कॉट हडसन द्वारा RADAR डेटा (बड़े हिस्से में बड़े पैमाने पर) से प्राप्त क्षुद्रग्रह आकृतियों का खजाना था, साथ ही एरिज़ोना विश्वविद्यालय के HiRISE समूह के मार्टियन डिजिटल इलाके डेटा, कुछ जिनमें से पहले से ही सेलेस्टिया जैसे अंतरिक्ष सिमुलेशन कार्यक्रमों में इस्तेमाल किया जा रहा था। मैंने इन नासा-आधारित डेटा और (महत्वपूर्ण काम के बाद) को स्टीरियोलिथोग्राफी प्रारूपों में बदलना और क्षुद्रग्रहों के भौतिक मॉडल, मार्टियन चन्द्रमा फोबोस और डीमोस और यहां तक ​​कि ग्रहों की विशेषताओं जैसे कि मार्टियन मेटर गुसेव (चित्रा 3) में बदलना शुरू किया।

चित्रा 3. छवियों (ऊपर) और 3 डी मुद्रित संस्करणों (नीचे) से छोटे अंतरिक्ष निकायों।

लेकिन यह दिखाने के लिए कि ऑनलाइन सॉफ़्टवेयर की गति शिक्षा और बनाने में नए विचारों को कैसे खिलाती है, मैं क्षुद्रग्रह वेस्ता का मॉडल बनाने में नासा को स्कूप करने में सक्षम था। वेस्टा मुख्य बेल्ट में दूसरा सबसे भारी क्षुद्रग्रह है और यह अन्य अन्य क्षुद्रग्रहों और अंतरिक्ष निकायों से बहुत अलग है। मैं विशेष रूप से इरस्टा जैसे अन्य "आलू के आकार" के क्षुद्रग्रहों के साथ तुलना करने के लिए वेस्टा का एक मॉडल चाहता था क्योंकि इसका मतलब होगा कि किसी को गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत के आधार पर उभरने वाले आकार में अंतर का एक तत्काल आंत (या कम से कम हेप्टिक) मिलेगा। मलबे के ढेर से लेकर लगभग ग्रह तक की विभिन्नता।

वर्तमान में वेस्टा को डॉन की जांच से मना किया जा रहा है, जो हजारों सुंदर चित्रों को वापस भेज रहा है, नासा ने अभी तक "आधिकारिक" 3 डी आकार मॉडल जारी नहीं किया था। लेकिन मुझे इसके आस-पास दो रास्ते मिले - पहला, उन छवियों को ले कर जो वेस्टा के रोटेशन को दिखाती हैं और उन्हें एक ऑनलाइन फ्री 3 डी मॉडलिंग प्रोग्राम (www.my3dscanner.com) पर खिलाती हैं, मैं एक बेसिक पॉइंट क्लाउड, एक शेप आधारित क्रमिक छवियों के बीच समान प्रकाश और अंधेरे बिंदुओं के बीच संबंध पर। कुछ विवरणों के लिए इसका उपयोग करते हुए, मैंने यह जोड़ा कि वेस्टा के जारी "वैश्विक मानचित्र" के साथ और इसे एक चपटा अंडाकार पर मैप किया, जो कुछ कक्षीय छवियों के आकार से निकला है। यह मुझे आधिकारिक रिलीज (चित्र 4) से पहले ही कुछ हद तक कम-सटीक लेकिन सटीक 3D मॉडल बनाने देता है।

चित्रा 4. क्षुद्रग्रह वेस्ता - बाईं ओर डॉन जांच से छवि और दाईं ओर मेरा 3 डी मुद्रित संस्करण।

यह कहानी नासा को स्कूप करने में सक्षम नहीं है - यह प्रदर्शित करने के बारे में है कि साधनों का धन और वहां से मुक्त डेटा रुचि को सशक्त बना सकते हैं। छवियों से 3 डी मॉडल से मुद्रित वस्तु तक जाने से आप ब्रह्मांड के अपने पैमाने के मॉडल बना सकते हैं। एक ऐसा पाठ्यक्रम बनाएं जो नेत्रहीनों को मध्य-अटलांटिक रिज का एहसास कराए और एक स्टार्क, तेज चंद्र गड्ढे और एक मौसम में नष्ट किए गए मार्टियन के बीच अंतर बताने में सक्षम हो। और एक पेशेवर स्तर पर, छतों या नमूनों को इकट्ठा करने वाले वाहनों का परीक्षण करने के लिए इलाकों के सटीक मुद्रित मॉडल बनाएं ताकि हमें अपनी खोज जारी रखने में मदद मिल सके, जिसमें व्यापक दर्शकों सहित और नई पीढ़ी के छात्रों को प्रेरित किया जा सके, जिन्हें यह पता चल सके कि वे ब्रह्मांड के मॉडल धारण कर सकते हैं। अपने हाथों में।

- सेठ होरोविट्ज़

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