Schaalbare DICOM 3D-geprinte fantomen die mariene zoogdierbotten en zacht weefsel nabootsen

Waarom een nepzeeleeuw ertoe doet

Van zee-aquaria tot opvangcentra, dierenartsen verzorgen Californiëzeeleeuwen die ziek, gewond of vergiftigd zijn door schadelijke algenbloei. Bloed afnemen bij deze krachtige, gevoelige dieren is cruciaal voor de diagnose, maar moeilijk om veilig te leren op levende patiënten. Deze studie beschrijft hoe onderzoekers medische scangegevens omzetten in een levensecht, 3D-geprint model—of “fantoom”—van het heupgebied van een zeeleeuw. Het fantoom voelt en gedraagt zich veelal als echt weefsel, biedt cursisten een realistisch oefenmiddel en wijst de weg naar nieuwe medische modellen voor zowel dieren als mensen.

Scans omzetten in vaste vormen

Het team begon met gedetailleerde CT- en MRI-scans van een echte Californiëzeeleeuw, geleverd door het U.S. Navy Marine Mammal Program. Deze scans, opgeslagen in het standaard DICOM-medische formaat, laten zien hoe dicht elk klein volumedeel van het weefsel is, van zacht blubber tot hard bot. Met gespecialiseerde software hebben de onderzoekers de beelden 'gesegmenteerd', waarbij botten en zachte weefsels werden gescheiden op basis van hun helderheid in de scans. Vervolgens maakten ze de digitale modellen schoon en glad, verwijderden ze de onderzoekstafel en andere rommel, en splitsten ze het skelet in praktische secties zoals poten, vinnen en bekken en wervelkolom. Het resultaat was een anatomisch getrouwe digitale onderlichaam, met speciale aandacht voor de regio waar vaak bloed wordt afgenomen, net achter de heupbeenderen.

Een gelaamd lichaam van binnen naar buiten opbouwen

In plaats van één massief blok te maken, ontwierpen de onderzoekers het fantoom als vier onderscheiden lagen die de echte anatomie nabootsen: bot, spier, blubber en huid. De botvormen werden direct geëxporteerd als 3D-printbare bestanden en op verkleinde schaal geprint met hogeresolutie-stereolithografieprinters. Rondom het lichaam werd een flexibele buitenschaal ontworpen, uitgehold om een holte te creëren en aan de bovenkant opengesplitst zodat de botten en zachte weefsels konden worden ingezet. Deze schaal vervult een dubbele taak: ze fungeert als de zichtbare “huid” van het fantoom en dient als mal voor het gieten van de binnenste gels. Natuurlijke botvormige herkenningspunten, zoals staartwervels en vinvlakken, werden behouden zodat het skelet precies in de schaal kon worden uitgelijnd en het gevoel van echte herkenningspunten dat clinici met hun handen gebruiken, werd gereproduceerd.

Nepweefsels laten als echt aanvoelen

Om vast te leggen hoe echte zeeleeuwweefsels vervormen onder een naald of hand, wendde het team zich tot een familie van heldere, herbruikbare medische gelatines. Deze gels zijn er in verschillende hardheden, van zeer stevig tot heel zacht. Met een dynamische mechanische analyzer drukten de onderzoekers kleine getestmonsters van gel op gecontroleerde wijze samen om hun stijfheid en energieverlies bij herhaalde belasting te meten, vergelijkbaar met het indrukken en loslaten van levend weefsel. Door deze metingen te vergelijken met bekende eigenschappen van zeeleeuwblubber, spier en bot, kozen ze specifieke gels voor elke laag: een stevigere gel nabij het bot ter vervanging van taai bindweefsel, een zachtere gel voor spier en een tussenniveau voor de dikke blubberlaag. Voor het skelet werd een stevige maar enigszins flexibele kunststofhars gekozen, terwijl een transparante, rekbare hars de buitenhuid vormde, waardoor de interne botten tijdens het oefenen zichtbaar bleven.

Van digitaal model naar werkend fantoom

Met materialen en geometrie vastgesteld, monteerden de onderzoekers het fantoom stap voor stap. Eerst printten ze de botten en doopten die in een stevige gel om pezen en strak gebonden spier nabij gewrichten te vertegenwoordigen. De heldere huidschaal werd apart geprint. Daarna berekenden ze het volume van blubber- en spierruimte binnen de schaal op verschillende schalen om te weten hoeveel gel ze moesten smelten en gieten. Werkend in vacuümovens en ijsbaden om bellen en afkoeling te beheersen, goten ze een blubberlaag langs de schaalwanden, plaatsten het skelet in de exacte positie en vulden ten slotte de resterende ruimte met een zachte spiergel. Na een dag uitharden polijstten ze voorzichtig het blootliggende oppervlak met warmte om het te verzachten zonder de schaal te vervormen. Het voltooide model kwam nauw overeen met de oorspronkelijke 3D-weergave, bleef goed verbonden tijdens hantering en liet gebruikers zowel de interne structuren voelen als zien.

Wat dit betekent voor training en verder

Voor cursisten biedt dit zeeleeuwfantoom een realistische manier om botaanduidingen te vinden en naalden op de juiste plek in te brengen, zonder levende dieren in gevaar te brengen. Omdat de werkwijze begint met routinematige medische beelden, kan deze worden aangepast aan andere lichaamsregio's, andere soorten en zelfs menselijke patiënten. De studie laat ook zien hoe beeldgebaseerd ontwerp en zorgvuldig geteste zachte materialen levende weefsels goed genoeg kunnen reproduceren voor training, en mogelijk voor zachte robotica of op maat gemaakte implantaten. Kortom, de onderzoekers hebben een praktische methode gedemonstreerd om digitale anatomie om te zetten in tastbare, schaalbare modellen die het gevoel van de kliniek of het reddingscentrum naar het laboratorium of de klas brengen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: 3D-geprint fantoom, Californiëzeeleeuw, veterinaire training, medische beeldvorming, weefsel-nabootsende gels