Skalowalne fantomy DICOM drukowane w 3D naśladujące kości i tkanki miękkie ssaków morskich

Dlaczego fałszywy lew morski ma znaczenie

Od oceanariów po centra ratunkowe, weterynarze opiekują się lwami morskimi kalifornijskimi, które mogą być chore, ranne lub zatrute przez toksyczne zakwity alg. Pobieranie krwi od tych silnych, wrażliwych zwierząt jest kluczowe dla diagnostyki, a jednocześnie trudne do nauki bez narażania żywych pacjentów. W tym badaniu badacze opisują, jak przekształcili dane z badań medycznych w wierny życiu model drukowany w 3D — czyli „fantom” — przedstawiający okolice biodra lwa morskiego. Fantom przypomina w dotyku i zachowaniu prawdziwe tkanki, dając osobom szkolącym realistyczne narzędzie do ćwiczeń i wskazując drogę do nowych modeli medycznych zarówno dla zwierząt, jak i ludzi.

Przekształcanie skanów w bryły

Zespół rozpoczął od szczegółowych skanów CT i MRI prawdziwego lwa morskiego kalifornijskiego, dostarczonych przez Program Ssaki Morskie Marynarki USA. Skanów tych, zapisanych w standardowym medycznym formacie DICOM, użyto do zobrazowania gęstości poszczególnych drobnych objętości tkanki — od miękkiego tłuszczu po twardą kość. Specjalistycznym oprogramowaniem badacze „segmentowali” obrazy, wydzielając kości i tkanki miękkie na podstawie ich jasności. Następnie oczyszczali i wygładzali modele cyfrowe, usuwali stół do badań i inne zakłócenia oraz dzielili szkielet na praktyczne sekcje, takie jak nogi, płetwy oraz miednica z kręgosłupem. Efektem był anatomicznie wierny cyfrowy dolny tułów, ze szczególnym uwzględnieniem obszaru, z którego rutynowo pobiera się krew, tuż za kośćmi miednicy.

Budowanie warstwowego ciała od wewnątrz na zewnątrz

Zamiast tworzyć jedną pełną bryłę, badacze zaprojektowali fantom jako cztery odrębne warstwy naśladujące prawdziwą anatomię: kość, mięsień, tłuszcz (blubber) i skórę. Kształty kości wyeksportowano bezpośrednio jako pliki do druku 3D i wydrukowano w zmniejszonej skali przy użyciu wysokorozdzielczych drukarek stereolitograficznych. Zaprojektowano elastyczną powłokę zewnętrzną wokół ciała, wydrążono ją, tworząc pustkę, i rozcięto od góry, aby można było włożyć kości i tkanki miękkie. Powłoka pełni dwojaką rolę: działa jako widoczna „skóra” fantomu i służy jako forma do odlewania wewnętrznych żeli. Zachowano naturalne punkty odniesienia kostnego, takie jak kręgi ogonowe i panewki płetw, aby szkielet mógł być precyzyjnie ustawiony wewnątrz powłoki, odtwarzając wyczuwalne punkty orientacyjne, na których klinicyści polegają dotykiem.

Sprawianie, by sztuczne tkanki zachowywały się jak prawdziwe

Aby uchwycić sposób, w jaki tkanki lwa morskiego odkształcają się pod igłą lub dłonią, zespół sięgnął po rodzinę przezroczystych, wielokrotnego użytku żeli medycznych. Żele te występują w kilku stopniach twardości — od bardzo jędrnych po bardzo miękkie. Za pomocą dynamicznego analizatora mechanicznego badacze kompresowali małe próbki żelu w kontrolowany sposób, mierząc ich sztywność i stratę energii przy powtarzanym obciążeniu, podobnie jak przy nacisku na żywą tkankę. Porównując te pomiary z znanymi właściwościami tłuszczu, mięśni i kości lwa morskiego, wybrali konkretne żele dla każdej warstwy: twardszy żel przy kości jako odpowiednik mocnego tkanki łącznej, miększy żel dla mięśnia oraz pośredni żel dla grubej warstwy tłuszczu. Na szkielet wybrano wytrzymałą, nieco elastyczną żywicę plastikową, a przezroczysta, rozciągliwa żywica utworzyła zewnętrzną skórę, pozwalając, by wewnętrzne kości pozostały widoczne podczas ćwiczeń.

Z modelu cyfrowego do działającego fantomu

Mając ustalone materiały i geometrię, badacze zmontowali fantom krok po kroku. Najpierw wydrukowali kości i zanurzyli je w twardszym żelu, aby odwzorować ścięgna i ściśle związane mięśnie przy stawach. Przezroczystą powłokę skórną wydrukowano osobno. Następnie obliczyli objętość przestrzeni tłuszczowej i mięśniowej wewnątrz powłoki w różnych skalach, aby wiedzieć, ile żelu trzeba stopić i wlać. Pracując w piecach próżniowych i kąpielach lodowych, by kontrolować pęcherzyki i chłodzenie, wylali warstwę tłuszczu wzdłuż ścian powłoki, umieścili szkielet w dokładnej pozycji, a na końcu wypełnili pozostałą przestrzeń miękkim żelem mięśniowym. Po dobie utwardzania delikatnie wygładzili odsłoniętą powierzchnię przez cieplne polerowanie, nie deformując powłoki. Gotowy model wiernie odwzorowywał oryginalny render 3D, dobrze wytrzymywał manipulacje i pozwalał użytkownikom zarówno czuć, jak i widzieć struktury wewnętrzne.

Co to oznacza dla szkolenia i nie tylko

Dla osób szkolących się ten fantom lwa morskiego oferuje realistyczny sposób ćwiczeń w znajdowaniu punktów kostnych i wkłuwaniu igieł we właściwe miejsce, bez narażania żywych zwierząt. Ponieważ proces zaczyna się od rutynowych obrazów medycznych, można go zaadaptować do innych części ciała, innych gatunków, a nawet pacjentów ludzkich. Badanie pokazuje również, jak projekt oparty na obrazach i starannie przetestowane materiały miękkie mogą odtwarzać żywe tkanki na tyle dobrze, by służyć do szkoleń, a potencjalnie także do urządzeń miękkorobotycznych czy niestandardowych implantów. Krótko mówiąc, badacze przedstawili praktyczny przepis na przekształcanie cyfrowej anatomii w namacalne, skalowalne modele, które przenoszą odczucie kliniki lub centrum ratunkowego do laboratorium lub klasy.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: fantom drukowany w 3D, lew morski kalifornijski, szkolenie weterynaryjne, obrazowanie medyczne, żele naśladujące tkanki