أشباح ثلاثية الأبعاد قابلة للتوسع من بيانات DICOM تحاكي عظام وأنسجة الثدييات البحرية

لماذا يهم وجود نموذج مُزيف لأسد البحر

من الأحواض البحرية إلى مراكز الإنقاذ، يعتني الأطباء البيطريون بأسود البحر الكاليفرنيّة التي قد تكون مريضة أو جريحة أو ملوَّثة بسموم الطحالب الضارة. سحب الدم من هذه الحيوانات القوية والحساسة أمر ضروري للتشخيص، لكنه صعب التعلم بأمان على مرضى أحياء. تصف هذه الدراسة كيف حوّل الباحثون بيانات فحوصات طبية إلى نموذج ثلاثي الأبعاد مطبوع واقعي — أو «شبح» — لمنطقة ورك أسد البحر. يشعر الشبح ويتصرف كثيرًا مثل النسيج الحقيقي، مما يوفر لدارسي التدريب أداة ممارسة واقعية ويمهّد الطريق لنماذج طبية جديدة للحيوانات والبشر على حد سواء.

تحويل الفحوصات إلى أشكال صلبة

بدأ الفريق بفحوصات CT وMRI مفصّلة لأسد بحر كاليفورنيا حقيقية، موفّرة من برنامج الثدييات البحرية في البحرية الأمريكية. تظهر هذه الفحوصات، المخزّنة بصيغة DICOM الطبية القياسية، مدى كثافة كل حجم صغير من النسيج، من الشحم الرخو إلى العظم الصلب. باستخدام برامج متخصّصة، قام الباحثون بـ«تقسيم» الصور، مفصولين العظام والأنسجة الرخوة استنادًا إلى سطوعها في الفحوص. ثم نظّفوا ونمّقوا النماذج الرقمية، وقصّوا طاولة الفحص وغير ذلك من التشويش، وقسّموا الهيكل العظمي إلى أقسام عملية مثل الأرجل والزعانف والحوض والعمود الفقري. وكانت النتيجة جسم سفلي رقمي أمين تشريحيًا، مع اهتمام خاص بالمنطقة التي يُسحب الدم عادةً منها، خلف عظام الورك مباشرة.

بناء جسم على طبقات من الداخل إلى الخارج

بدلًا من صنع كتلة صلبة واحدة، صمّم الباحثون الشبح على هيئة أربع طبقات مميزة تحاكي التشريح الحقيقي: العظام والعضلات والشحم والجلد. تم تصدير أشكال العظام مباشرة كملفات قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد وطُبعت بمقاييس مخفّضة باستخدام طابعات الاستريوليثوغرافي عالية الدقة. صُمّم غلاف خارجي مرن حول الجسم، أُجوف لخلق تجويف، وُقسم من الأعلى حتى يتسنّى إدخال العظام والأنسجة اللينة. هذا الغلاف يؤدي وظيفتين: يعمل «جلدًا» مرئيًا للشبح ويخدم كقالب لصب الهلام الداخلي. حُفظت المعالم العظمية الطبيعية، مثل فقرات الذيل ومآخذ الزعانف، بحيث يمكن محاذاة الهيكل العظمي بدقة داخل الغلاف، معيدًا الإحساس بالمعالم الحقيقية التي يعتمد عليها الأطباء باللمس.

جعل النسيج المزيف يشعر كالحقيقي

لالتقاط كيفية تشكّل أنسجة أسد البحر الحقيقية تحت إبرة أو يد، لجأ الفريق إلى عائلة من الجيلاتين الطبي الشفاف والقابل لإعادة الاستخدام. تتوفر هذه الهلامات بعدة درجات، من صلبة جدًا إلى رخوة جدًا. باستخدام محلل ميكانيكي ديناميكي، ضغط الباحثون عينات هلام صغيرة بطريقة مضبوطة لقياس صلابتها وفقدان الطاقة عبر تحميل متكرر، مماثل للضغط على نسيج حي وإطلاقه. بمقارنة هذه القياسات مع خواص معروفة لشحم وأسفل عضلات وعظام أسد البحر، اختاروا هلامات محددة لكل طبقة: هلام أكثر صلابة بالقرب من العظم ليحاكي النسيج الضام القوي، وهلام أطرى للعضلة، وهلام متوسط لطبقة الشحم السميكة. اختير راتنج بلاستيكي قوي لكنه مرن إلى حد ما للهيكل العظمي، بينما شكل راتنج شفاف مطاطي الجلد الخارجي، مما سمح بظهور العظام الداخلية أثناء التدريب.

من النموذج الرقمي إلى الشبح العامل

مع تحديد المواد والهندسة، جمع الباحثون الشبح خطوة بخطوة. أولًا، طبعوا العظام وغمسوها في هلام صلب لتمثيل الأوتار والعضلات الملتصقة بإحكام قرب المفاصل. طُبع غلاف الجلد الشفاف بشكل منفصل. ثم حسبوا حجم فراغ الشحم والعضلات داخل الغلاف بمقاييس مختلفة لمعرفة كمية الهلام التي يجب إذابتها وصبّها. بالعمل في أفران تفريغ وأحواض ثلجية للتحكم في الفقاعات والتبريد، صبّوا طبقة شحم على امتداد جدران الغلاف، وضعوا الهيكل العظمي في موضعه الدقيق، وأخيرًا ملأوا المساحة المتبقية بهلام عضلي ناعم. بعد يوم من التصلّب، صنّعوا السطح المكشوف بالحرارة بلطف ليُنعّم دون تشويه الغلاف. طاب النموذج النهائي تطابقًا وثيقًا مع العرض ثلاثي الأبعاد الأصلي، وتحمل جيدًا أثناء الاستخدام، وأتاح للمستخدمين الشعور بالهياكل الداخلية ورؤيتها أيضًا.

ما الذي يعنيه هذا للتدريب وما بعده

للمتدربين، يوفر هذا الشبح لأسد البحر طريقة واقعية لممارسة العثور على المعالم العظمية وإدخال الإبر في الموضع الصحيح، دون تعريض الحيوانات الحية للخطر. وبما أن سير العمل يبدأ بصور طبية روتينية، يمكن تكييفه لمناطق جسم أخرى، وأنواع أخرى، وحتى للمرضى البشر. تُظهر الدراسة أيضًا كيف يمكن للتصميم المبني على الصور والمواد اللينة المختبرة بعناية أن يعيد إنتاج الأنسجة الحية بدرجة كافية للتدريب، وربما لأجهزة روبوتية لينة أو لطُعمات مخصصة. باختصار، قدّم الباحثون وصفة عملية لتحويل التشريح الرقمي إلى نماذج ملموسة وقابلة للتوسع تجلب إحساس العيادة أو مركز إنقاذ المحيطات إلى المختبر أو الفصل الدراسي.

الاستشهاد: Fisher, D., Minaian, N., McClain, A. et al. Scalable DICOM 3D-printed phantoms mimicking marine mammal bone and soft tissue. Sci Rep 16, 5929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36154-5

الكلمات المفتاحية: شبح مطبوع ثلاثي الأبعاد, أسد البحر الكاليفورني, تدريب بيطري, التصوير الطبي, هلامات تحاكي النسيج