نتج عن شراكة غير متوقعة وطباعة الصور النقطية حلًا لجراحة صرع الأطفال
على الرغم من أن الأفلام والبرامج التلفزيونية تحب إظهار مجاز العبقري الوحيد، الذي يعمل بمفرده لإنقاذ العالم، فإن التعاون في الواقع أمر ضروري من أجل تحقيق أكثر المشاريع روعة. وما هي أفضل طريقة للعثور على هذا التعاون من خلال المؤتمرات؟ يظهر أحد الأمثلة البارزة في الواقع من قبل اثنين من المتحدثين الرئيسيين في AMUG 2023، نيكولاس جاكوب سون، الأستاذ في حرم أشوت الطبي بجامعة كولورادو، وروب دوسي، المشرف الفني في استوديوهات لايكا المتخصصة في الرسوم المتحركة.. التقى الاثنان بالصدفة في AMUG 2019، وربطهما عملية طباعة ونمذجة ثلاثية الأبعاد غير معروفة تسمى طباعة نقطية. الآن، يعملون معًا في مشروع لاستخدام التكنولوجيا لإنشاء تصميمات مبتكرة لصرع الأطفال وأمراض القلب والحنك المشقوق. جلسنا مع الاثنين لمعرفة المزيد.
3DN: هل يمكنك تقديم أنفسكم من فضلكم؟
نيك: مرحبًا، أنا نيك جاكوب سون وشاركت في الطباعة ثلاثية الأبعاد منذ عام 2004. خلفيتي في الهندسة المعمارية، وعملت لأول مرة على الطباعة ثلاثية الأبعاد في مدرسة الهندسة المعمارية باستخدام نفث الموثق مع نشا الذرة المكرر على طابعة Z-corp . لقد صنعنا نماذج المناظر الطبيعية والمعمارية وكان ذلك في فجر طفرة التصميم الحسابي في الهندسة المعمارية. الطلاب الذين بدأنا للتو في تعلم كيفية البرمجة والبرمجة، لذلك أصبحنا مهتمين جدًا بترجمة هذه الأفكار من خلال التصنيع الرقمي لإنشاء نماذج غير عادية.
تبعني هذا الحب لجيل الشكل طوال مسيرتي المعمارية، حيث عملت مع بعض المهندسين المعماريين العظماء مثل رينو بيانو وزها حديد وهاري تيج. بعد بضع سنوات من ممارسة الهندسة المعمارية، تم قبولي في كلية هارفارد للدراسات العليا للتصميم وكلية هارفارد للأعمال. هنا، كنت جزءًا من برنامج بحث مبكر يبحث في Voxel Printing على ما كان يُعرف آنذاك باسم Connex والآن Stratasys. لقد طورنا برنامجًا للنمذجة والطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنية Voxel. في البداية ركز العمل على الهندسة الإنشائية والتصميم.
حاليًا، أعمل في جامعة كولورادو في حرم أشوت الطبي ولدي مختبر متخصص في الحساب والطباعة ثلاثية الأبعاد للتطبيقات الطبية. أثبت البرنامج الذي طورناه في جامعة هارفارد أنه مفيد للعالم الطبي، وذلك ببساطة عن طريق تعديل بيانات الإدخال. قد يبدو وكأنه امتداد ولكنه مشابه جدًا للعمل مع بيانات التحليل الهيكلي. حاليًا، نحن نركز على 3 مجالات: التوجيه الجراحي ونماذج التعليم، الأطراف الصناعية، والغرسات … كلها تدور حول تطبيقات الأنسجة الرخوة.
روب: مرحبًا، أنا Rob Ducey وأنا حاليًا المشرف الفني لما نسميه النموذج الأولي السريع في LAIKA. باختصار، تتعامل مجموعتنا مع النمذجة والرسوم المتحركة للوجه والتصنيع للدمى المعقدة التي تمثل نجوم أفلامنا. يُعد لقب “النموذج الأولي السريع” إرثًا من الابتكارات التي ابتكرناها في أول فيلم لنا كورا لاين في عام 2009 باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد للرسوم المتحركة للوجه. حصل هذا العمل على جائزة أوسكار علمي تقني في عام 2016. انخرطت في الطباعة ثلاثية الأبعاد في هذا المشروع في عام 2006 عندما جاء بريان ما كلين ومارتن منوييه إلى الاستوديو بخطة جريئة لاستخدام طابعات Objet polyjet لإنتاج آلاف الوجوه المطلوبة إنشاء عروض الوجه للشخصيات في هذا الفيلم. لقد تم تكليفي ببناء خط أنابيب لنمذجة هذه الوجوه وتحريكها وطباعتها في النهاية. منذ ذلك الإنتاج الأولي، لقد واصلنا ابتكار عملياتنا للاستفادة منها ودفع حدود الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد الآن. بصفتي تخصصًا متواضعًا في الفنون الجميلة، أتمكن الآن من العبث ببعض من أكثر التقنيات تطوراً في التصنيع بمساعدة الكمبيوتر.
3DN: أنت من تخصصين مختلفين للغاية، كيف التقيت؟
نيك: التقينا في AMUG منذ سنوات عديدة عندما كانت LAIKA تقدم الكلمة الرئيسية. كان العرض التقديمي مذهلاً وسلط الضوء على كيفية استخدامهم لتقنية طباعة الصور النقطية لإنشاء الكثير من أعمالهم. كان من المريح سماع الآخرين يستخدمون نفس التكنولوجيا الباطنية بطريقة ضخمة. كنت أشعر بالرهبة منهم ولم يكن لدي الشجاعة للدردشة معهم في المركز الثامن. ومع ذلك، جاء برايان وروب دوسي لاحقًا إلى حديثي حول نمذجة فوكس وطباعة الصور النقطية للجراحة. بعد ذلك، كانا أول شخصين يأتيان ويتحدثان معي وقد تماسكنا بسبب إعجابنا المشترك بطباعة الصور النقطية وما هو ممكن. ثم اتصلنا بشكل افتراضي وناقشنا مناهجنا الفردية تجاه التكنولوجيا. كان من الواضح على الفور أن لدينا حلولًا بسيطة لبعض الأشياء التي كان الآخر يريد تجربتها. على سبيل المثال، لطالما كان لعالم المؤثرات الخاصة حلول للعمل مع تراكيب شبيهة بالشعر الرقيق، مما جعل العمل مع علم الجراثيم أمرًا سهلاً، وهو شيء كنا نتصارع معه لفترة من الوقت. في اجتماعاتنا الأولى، وما زلنا حتى اليوم، نسمع الكثير من الأفكار التي كان عالم المؤثرات الخاصة يفعلها لسنوات والتي تسمح بالتقدم في التطبيقات الطبية، وهي أشياء لم يمر بها أحد من قبل بسبب وجود القليل من التداخل أو عدم وجود تداخل بين المهن. كل ما تطلبه الأمر هو إجراء اتصال بسيط يسمح بإجراء هذه المحادثات. نحن نطرح الكثير من الأفكار التي كان عالم المؤثرات الخاصة يفعلها لسنوات والتي تسمح بالتقدم في التطبيقات الطبية، وهي أشياء لم يمر بها أحد من قبل لأن هناك القليل من التداخل أو عدم وجود تداخل بين المهن. كل ما تطلبه الأمر هو إجراء اتصال بسيط يسمح بإجراء هذه المحادثات. نحن نطرح الكثير من الأفكار التي كان عالم المؤثرات الخاصة يفعلها لسنوات والتي تسمح بالتقدم في التطبيقات الطبية، وهي أشياء لم يمر بها أحد من قبل لأن هناك القليل من التداخل أو عدم وجود تداخل بين المهن. كل ما تطلبه الأمر هو إجراء اتصال بسيط يسمح بإجراء هذه المحادثات.
روب: هنا في الاستوديو، نبحث دائمًا عن أفكار جديدة وتطورات تقنية يمكننا توظيفها لتوسيع قدراتنا وإعادة تعريف ما هو ممكن في الرسوم المتحركة بوقف الحركة بغض النظر عن مصدرها. في استخدامنا للطباعة متعددة المواد، اكتشفنا مجتمعًا صغيرًا من المبدعين ذوي التفكير المماثل الذين لديهم إمكانية الوصول إلى الميزات التي لا تزال تعتبر “قيد التطوير”. بعد بعض المثابرة والمضايقة، تمكنا من إجراء محادثات وزيارات مع باحثين جامعيين في مؤسسات مثل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وفيرجينيا للتكنولوجيا الذين كانوا فضوليين بشأن ما تفعله مجموعة من الفنانين وصانعي الأفلام في مستودع في الشمال الغربي المغمور بالمطر بهذه الآلات.. حولتنا هذه المحادثات إلى AMUG، والتي حضرناها لأول مرة في عام 2015 ثم مرة أخرى في عام 2019 لإلقاء كلمة رئيسية. عند حضور AMUG، نحن نركز دائمًا على الليزر في العثور على الآخرين الذين يمكننا التعلم منهم أو ببساطة مشاركة حماسنا للطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد. رأيت وصف عرض نيك وتأكدت من وجودنا هناك. اقتربنا من نيك متحمسًا للعثور على شخص ما كان وقتها نادٍ صغير جدًا من “طابعات فوكس”. كان الهدف جزئيًا هو استعراض ما تعلمناه، ولكن أيضًا لمعرفة الأسرار التي اكتشفها. كان الأمر أشبه بالعثور على شخص ما في قبيلة ضائعة.
3DN: هل يمكن أن تخبرنا المزيد عن مشروعك؟ بالإضافة إلى ذلك، هل يمكنك شرح طباعة الصور النقطية؟
نيك: ركزت مشاريعنا على 3 مجالات: 1. تطوير تقنيات طباعة الصور النقطية وتدفقات العمل 2. دمج البيانات متعددة الوسائط للتطبيقات الطبية التي تركز على الأنسجة الرخوة 3. تصميم حدودي للأطراف الصناعية.
طباعة الصور النقطية هي القدرة على الطباعة مباشرة من مجموعة من الصور النقطية. يشبه إلى حد كبير كيفية عمل طابعة نفث الحبر، إلا في هذه الحالة تكون الصفحات طبقات. إنه أمر بسيط للغاية ويستفيد من كيفية عمل طابعة polyjet بشكل أصلي، فنحن نتجاوز بشكل أساسي أداة التقطيع الداخلية للطابعة ونرسل شرائحنا الخاصة. تتحكم هذه الشرائح في موقع كل قطرة واحدة. ومع ذلك، هذا يعني أننا بحاجة إلى تحديد كل قطرة وهذا أصعب. تستخدم معظم برامج النمذجة المستخدمة للطباعة ثلاثية الأبعاد، إن لم يكن كلها، نموذجًا للنمذجة القائمة على الشبكة السطحية والتي تمثل الكائنات بحدودها، وتتجاهل البيانات الحجمية الداخلية. في العديد من التطبيقات، مثل الطبية والهيكلية، تعتبر المعلومات الحجمية ذات قيمة لتكون قادرة على التقاطها. لذلك، من أجل طباعة الصور النقطية، نحن نستخدم نموذجًا مختلفًا للنمذجة يسمى “نمذجة فوكس” التي تصمم البيانات الحجمية. تسمح لنا النتيجة بترجمة البيانات القائمة على الصور مباشرةً، مثل بيانات DICOM، إلى كائن مطبوع ثلاثي الأبعاد مع القليل من فقدان البيانات أو عدم فقدانها. الميزة الرئيسية الأخرى لنمذجة فوكس وطباعة الصور النقطية هي القدرة على تصنيع التدرج اللوني للمواد عن طريق التحكم في نسب خلط القطرات من خلال التدرج.
- في الوقت الحالي، تكمن المشكلة الرئيسية في طباعة الصور النقطية في أنه من أجل القيام بذلك، يجب عليك بشكل أساسي إنشاء البرنامج لإنشاء الملفات بنفسك. لا توجد مهام سير عمل ذاتية تتيح لشخص ما ببساطة إنشاء طباعة نقطية. لذلك، عملنا على دمج مهام سير العمل المختلفة الخاصة بنا وإنشاء مهام سير عمل جديدة تساعدنا على فهم قدرتنا على إنشاء مطبوعات نقطية بشكل أفضل وضبطها. هناك العديد من العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار والتي لا تزال بحاجة إلى العمل عليها. لا يزال من الصعب التنبؤ بمزج المواد بين الخصائص الميكانيكية والألوان وغالبًا ما نحصل على نتائج غير متوقعة. هذا بسبب العدد الهائل من العمليات الحسابية التي يحتاجها الكمبيوتر لإجراء المعاينة رقميًا والتنبؤ بكيفية ظهور الطباعة.
- اندماج البيانات متعدد الوسائط هو جزء بسيط بطبيعته من النمذجة القائمة على فوكس. تستخدم نمذجة Voxel التركيب بدلاً من التحليل المنطقي، مما يجعل الجمع بين العديد من مصادر البيانات المعقدة بسيطًا وغير مكلف من الناحية الحسابية. علاوة على ذلك، تسمح نمذجة فوكس بالقدرة على تغيير اللون بشكل حجمي دون تعديل النموذج. تسمح لنا هذه العوامل بدمج العديد من مصادر البيانات، سواء كانت نقطية أو متجهيه، في نموذج واحد مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، الرنين المغناطيسي الوظيفي، التصوير المقطعي بالإصدار البوز تروني، التصوير المقطعي بالأشعة، والأجهزة المزروعة. ركز عملنا على تطوير تدفقات العمل التي تسمح لنا بالتحكم في كل مصدر بيانات على حدة أثناء تمشيط جميع المصادر في نموذج شامل واحد.
- التصميم البارامتر هو أسلوب نمذجة شائع جدًا في كل من الهندسة المعمارية وهو “الخبز والزبدة” للرسوم المتحركة بإيقاف الحركة. لقد عملنا على إنشاء برنامج نمذجة “مزور” يسمح بالتلاعب السهل بالأشكال المعقدة بمرور الوقت. تم توجيه تركيزنا في هذا العمل نحو تصميم الأطراف الصناعية الخاصة بالمريض والتي تحتاج إلى تعديل بمرور الوقت. بالنسبة لهذا العمل، قمنا بدمج البيانات الطبية مع برنامج الرسوم المتحركة القياسي لإيقاف الحركة لإنشاء سلسلة من نماذج إيقاف الحركة للأطراف الاصطناعية البشرية.
روب: بعد اجتماعنا الأولي، أصبح من الواضح أن هناك الكثير لنتعلمه من بعضنا البعض حول كيفية التصميم الحجمي للطباعة. لقد أدركنا بعض الصفات المتأصلة في عملية التصوير الطبي التي تعتمد على البيانات الحجمية. في الاستوديو، كنا نطور طرقًا لأخذ البيانات الحجمية من سير عمل المؤثرات المرئية وتحويلها إلى طباعة متعددة المواد. كان مفتاح هذه العملية هو “طباعة الصور النقطية” أو كما أصبحت تُعرف الآن باسم “طباعة فوكس”. حتى هذه النقطة، كنا نهتم فقط بالمظهر الخارجي للكائن المطبوع والطبقات الخارجية التي تؤثر على ذلك. كانت شراكتنا مع Fraunhofer ومنتجها Cuttlefish حاسمة في إتقان ذلك. أعطانا ذلك الإلمام والوصول إلى الطباعة من الشرائح، وهو في الأساس ما هي طباعة الصور النقطية أو طباعة فوكس. لقد صممنا عملية لتأليف شرائح من بياناتنا الحجمية يمكننا طباعتها. كان عمل نيك مثيرًا للاهتمام بشكل خاص في الأساليب المختلفة للتصوير الطبي الذي كان يعمل به بتنسيق DICOM. كانت تلك مماثلة للشرائح وكانت رائعة في الشكل المطبوع. كنا نعلم أنه يمكن أن تكون هناك بعض الطرق الواضحة لدمج تلك البيانات في خط أنابيب المؤثرات البصرية وإنشاء بعض المطبوعات الرائعة. من هناك بدأنا في مناقشة طرق تغذية ذلك مرة أخرى في مجالات البحث التي كان نيك والفريق في جامعة كولورادو يستكشفونها. وقد أدى ذلك إلى مناقشات أخرى حول الاستفادة من التقنيات والأساليب التي تم استكشافها جيدًا للرسوم المتحركة والتأثيرات المرئية التي قد نطبقها على البحث الطبي المستمر. إن التقاطع الفريد لـ LAIKA هو حقيقة أننا نطلب نفس الدقة والمقاييس ومستويات التفاصيل في الأجزاء التي نقوم بتصميمها وتوليدها والتي قد تتوقعها في التطبيقات الطبية. بالإضافة إلى ذلك، نقدم بعض الأفكار حول كيفية جعل شيء ما مقنعًا بصريًا.
3DN: ما هي التطبيقات التي تتخيلها لهذا؟
نيك: نحن نتخيل العديد من التطبيقات لهذا وقد خدش السطح للتو! في الوقت الحالي، نركز على مجالين: جراحة صرع الأطفال وشق سقف الحلق. ربما تكون جراحة صرع الأطفال هي أقوى تطبيق لطباعة الصور النقطية للتخطيط قبل الجراحة والتوجيه أثناء العملية. هذا لأن الصرع يعتمد في الغالب على الفسيولوجية ومن أجل التخطيط للعلاج يقوم الجراحون بمراجعة العديد من مصادر البيانات الحجمية ثنائية الأبعاد، بشكل فردي ومتسلسل، لتشكيل فهم عقلي للمريض. نحن نركز على الجمع بين مجموعات البيانات العديدة والمتنامية المتاحة في نموذج ثلاثي الأبعاد شامل لاستخدامه في التخطيط والإرشاد. نحن نخطط لبدء تجربة مستقبلية قبل نهاية العام لتقييم فعالية وجود مثل هذا النموذج لتخطيط العلاج ونتائج ما بعد الجراحة.
يركز عملنا مع الشفة المشقوقة والحنك المشقوق على تقنية ما قبل الجراحة تسمى Naso Alveolar Molding. هذا علاج شائع للأطفال المولودين بشفة مشقوقة والحنك الأربي يبدأ فور الولادة تقريبًا. يشمل العلاج وضع جهاز أكريليك على الحنك الذي يوجه النمو بهدف إغلاق الشق. النتيجة تلغي الجراحة وتجعل جميع العمليات الجراحية اللاحقة أكثر نجاحًا. ومع ذلك، يجب إجراء تعديلات أسبوعية، مما يتطلب من العائلات زيارة العيادة أسبوعيًا لمدة 3-9 أشهر. هذا صعب، حتى لو كنت تعيش بالقرب منك. ومع ذلك، هناك عدد قليل من مقدمي الخدمة والوصول إلى هذا العلاج يحظر الغالبية العظمى من المرضى. لذلك، يركز عملنا على توفير حل مطبوع ثلاثي الأبعاد يسمح للمريض بتلقي مجموعة من النماذج في البريد، مما يلغي الحاجة إلى زيارات المكتب الأسبوعية.
روب: يقود نيك وفريقه البحث حول كيفية تطبيق ما نتعلمه في مجال الطب. بالنسبة إلى الاستوديو، ساعد هذا في توضيح كيف يمكننا تصميمًا تقنيًا باستخدام وحدات البيكسل وحول كيفية تشكيل وتصميم البيولوجيا بشكل كبير من منظور الخبراء الطبيين. إن تطبيق مفاهيم البيولوجيا هذه على التصميم هو شيء من العمليات الإضافية تستعد بشكل فريد لاستغلاله.
3DN: أي كلمات أخيرة لقرائنا؟
كلاهما: إذا كنت ترغب في معرفة المزيد عن المشروع أو عنا بشكل عام، فتأكد من حضور AMUG 2023. سنلقي الخطاب الرئيسي، “التعاون بين رسام رسوم متحركة ومهندس معماري وجراح: مفاتيح التأثير الابتكار في الطب ” يوم الثلاثاء 21 مارس. إذا لم تكن قد قمت بذلك بالفعل، يمكنك التسجيل في المؤتمر هنا.
المصدر: 3dnatives
إقراء ايضا:
