Первый в мире мозг с высоким разрешением, созданный на 3D-принтере: E-HEALTH-COM

В рамках совместного проекта Венского медицинского университета и Венского технического университета был разработан первый в мире 3D-печатный «фантом мозга», который смоделирован на основе структуры волокон мозга и может быть отображен с помощью специального варианта магнитно-резонансной томографии (дМРТ). Как показала в своем исследовании научная группа под руководством Венского медицинского университета и Венского технического университета, эти модели мозга можно использовать для продвижения исследований нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и рассеянный склероз. Исследование опубликовано в журнале «Передовые технологии материалов».

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — широко используемая процедура диагностической визуализации, которая в основном используется для исследования головного мозга. МРТ можно использовать для исследования структуры и функций мозга без использования ионизирующего излучения. В специальном варианте МРТ — диффузионно-взвешенной МРТ (дМРТ) также можно определить направление нервных волокон головного мозга. Однако правильное определение направления нервных волокон в местах пересечения пучков нервных волокон весьма затруднено, поскольку имеют место перекрытия нервных волокон разного направления. В целях дальнейшего совершенствования процесса, а также методов анализа и оценки испытаний международная команда в сотрудничестве с Венским медицинским университетом и Венским техническим университетом разработала так называемый «фантом мозга», который был изготовлен с использованием процесса 3D-печати с высоким разрешением.

Крошечный куб с микроканалами
Исследователи из Венского медицинского университета в качестве экспертов по МРТ и Венского технического университета в качестве экспертов по 3D-печати тесно сотрудничали с коллегами из Цюрихского университета и университетской клиники Гамбург-Эппендорф. Уже в 2017 году в Венском техническом университете был разработан принтер двухфотонной полимеризации, который позволяет печатать в больших масштабах. В ходе этого проекта мы также работали над применением фантомов мозга совместно с Венским медицинским университетом и Цюрихским университетом. Полученный патент лег в основу фантома мозга, который в настоящее время разрабатывается и поддерживается в исследованиях и передаче Венского технического университета.

Визуально этот фантом имеет мало общего с настоящим мозгом. Он намного меньше и имеет форму куба. Внутри находятся тончайшие микроканалы, заполненные водой, размером с отдельные черепные нервы. Диаметр этих каналов в пять раз тоньше человеческого волоса. Чтобы имитировать тонкую сеть нервных клеток головного мозга, исследовательская группа под руководством первых авторов Михаэля Волца (Центр медицинской физики и биомедицинской инженерии Венского медицинского университета) и Франциски Халупа-Гантнер (Исследовательская группа по 3D-печати и биотехнологии, Технический университет) Вена) применили один довольно необычный метод 3D-печати: двухфотонную полимеризацию. Этот метод высокого разрешения в основном используется для печати микроструктур в нано- и микрометровом диапазоне, а не для печати трехмерных структур в диапазоне кубических миллиметров. Чтобы создать фантомы подходящего размера для дМРТ, исследователи из Венского технического университета работали над масштабированием процесса 3D-печати и обеспечением возможности печати более крупных объектов с деталями высокого разрешения. Благодаря масштабированной 3D-печати исследователи получают очень хорошие модели, которые при просмотре с помощью дМРТ позволяют определять различные нервные структуры. Майкл Волец сравнивает этот подход к улучшению диагностических возможностей дМРТ с тем, как работает камера мобильного телефона: «Мы видим наибольший прогресс в фотографии с помощью камер мобильных телефонов не обязательно в новых, более совершенных объективах, а в программном обеспечении, которое улучшает получаемые изображения». . То же самое и с дМРТ: используя недавно разработанный фантом мозга, мы можем гораздо точнее настроить программное обеспечение для анализа, тем самым улучшая качество измеренных данных и более точно реконструируя нейронную архитектуру мозга».

Программное обеспечение для анализа фантомных поездов мозга
Поэтому аутентичная репликация характерных нервных структур в мозге важна для «обучения» программного обеспечения для анализа дМРТ. Использование 3D-печати позволяет создавать разнообразные и сложные конструкции, которые можно изменять и персонализировать. Фантомы мозга изображают области мозга, которые генерируют особенно сложные сигналы и поэтому их трудно анализировать, например, пересечение нервных путей. Чтобы откалибровать программное обеспечение для анализа, фантом мозга исследуется с помощью dMRI, и измеренные данные анализируются, как в реальном мозге. Благодаря 3D-печати конструкция фантомов точно известна, и результаты анализа можно проверить. Венский медицинский университет и Венский технический университет смогли продемонстрировать, что это работает в рамках их совместной исследовательской работы. С помощью разработанных фантомов можно усовершенствовать дМРТ, что может принести пользу при планировании операций и исследованиях нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и рассеянный склероз.

Несмотря на подтверждение концепции, команда продолжает сталкиваться с проблемами. Самой большой проблемой в настоящее время является масштабирование метода: «Высокое разрешение двухфотонной полимеризации позволяет печатать детали в микро- и нанометровом диапазоне и, следовательно, очень подходит для визуализации черепных нервов. В то же время при использовании этой технологии печать куба размером в несколько кубических сантиметров занимает соответственно много времени», — поясняет Чалупа-Гантнер. «Поэтому мы стремимся не только разрабатывать еще более сложные конструкции, но и дополнительно оптимизировать сам процесс печати».

Публикация: Передовые технологии материалов
На пути к печати мозга: микроструктурный фантом истины для МРТ;
Михаэль Волец, Франциска Халупа-Гантнер, Бенедикт Хагер, Александр Рике, Сиавуш Мохаммади, Стефан Биндер, Стефан Баудис, Александр Овсяников, Кристиан Виндишбергер, Золтан Надь;
doi.org/10.1002/admt.202300176

Источник: MedUni Vienna.