Масштабируемые DICOM-фантомы, напечатанные на 3D-принтере, имитирующие кость и мягкие ткани морских млекопитающих

Почему важен фальшивый морской лев

От океанариумов до спасательных центров ветеринары ухаживают за калифорнийскими морскими львами, которые могут быть больны, ранены или отравлены вредными цветениями водорослей. Взятие крови у этих мощных, чувствительных животных имеет ключевое значение для постановки диагноза, но обучаться этому безопасно на живых пациентах трудно. В этом исследовании описано, как учёные преобразовали данные медицинских сканирований в реалистичную модель, напечатанную на 3D-принтере — «фантом» области бедра морского льва. Фантом на ощупь и по поведению близок к настоящим тканям, предоставляя обучающимся реалистичный инструмент для практики и прокладывая путь к новым медицинским моделям для животных и людей.

Преобразование сканов в объёмные формы

Команда начала с подробных КТ и МРТ сканов реального калифорнийского морского льва, предоставленных Программой морских млекопитающих ВМС США. Эти сканы, сохранённые в стандартном медицинском формате DICOM, показывают плотность каждой небольшой единицы объёма ткани — от мягкого жира до твёрдой кости. С помощью специализированного программного обеспечения исследователи «сегментировали» изображения, выделив кости и мягкие ткани по их яркости на сканах. Затем они очистили и сгладили цифровые модели, обрезали стол для обследований и прочий мусор и разделили скелет на практичные секции, такие как ноги, ласты, таз и позвоночник. В результате получилась анатомически правдивая цифровая нижняя часть тела с особым вниманием к области, где обычно берут кровь — чуть позади тазовых костей.

Построение многослойного тела изнутри наружу

Вместо того чтобы сделать единый монолит, исследователи спроектировали фантом из четырёх разных слоёв, имитирующих настоящую анатомию: кость, мышцу, слой жира и кожу. Формы костей экспортировали напрямую в файлы для 3D-печати и напечатали в уменьшенном масштабе на высокоразрешающих стереолитографических принтерах. Вокруг тела спроектировали гибкую наружную оболочку, сделали её полой, чтобы создать полость, и разъёмной сверху, чтобы можно было вставлять кости и мягкие ткани. Эта оболочка выполняет двоякую функцию: она служит видимой «кожей» фантома и одновременно формой для заливки внутренних гелей. Были сохранены природные костные ориентиры, такие как хвостовые позвонки и впадины для ласт, чтобы скелет можно было точно выровнять внутри оболочки, воспроизводя ощущение реальных ориентиров, на которые клиницисты полагаются на ощупь.

Как сделать фальшивые ткани правдоподобными на ощупь

Чтобы уловить, как настоящие ткани морского льва деформируются при уколе иглой или при давлении рукой, команда использовала семейство прозрачных многоразовых медицинских желатинов. Эти гели доступны в нескольких степенях жёсткости — от очень твёрдых до очень мягких. С помощью динамического механического анализатора исследователи сжимали небольшие образцы геля в контролируемом режиме, измеряя их жёсткость и потери энергии при многократной нагрузке, аналогично нажатию и отпусканию живой ткани. Сравнивая эти измерения с известными характеристиками жира, мышц и костей морских львов, они подобрали конкретные гели для каждого слоя: более жёсткий гель у кости для имитации плотных соединительных тканей, более мягкий гель для мышц и промежуточный гель для толстого жирового слоя. Для скелета выбрали прочную, но относительно гибкую пластиковую смолу, а для наружной кожи — прозрачную эластичную смолу, что позволило внутренним костям оставаться видимыми во время практики.

От цифровой модели к рабочему фантому

Когда материалы и геометрия были определены, исследователи собрали фантом пошагово. Сначала напечатали кости и покрыли их слоем твёрдого геля, чтобы представить сухожилия и плотно связанные мышцы возле суставов. Прозрачная кожная оболочка была напечатана отдельно. Затем они рассчитали объём пространства для жира и мышц внутри оболочки при разных масштабах, чтобы знать, сколько геля расплавить и налить. Работая в вакуумных печах и ледяных ваннах для контроля пузырьков и охлаждения, они залили по стенкам оболочки жировой слой, установили скелет в точное положение и, наконец, заполнили оставшееся пространство мягким мышечным гелем. Через сутки отверждения они аккуратно прогрели и отполировали открытые поверхности, чтобы сгладить их без деформации оболочки. Готовая модель очень близко соответствовала исходному 3D-рендеру, прочно держалась при обращении и позволяла пользователям как ощупывать, так и видеть внутренние структуры.

Что это значит для обучения и не только

Для обучающихся этот фантом морского льва предлагает реалистичный способ практиковаться в поиске костных ориентиров и введении игл в правильную точку, не подвергая риску живых животных. Поскольку рабочий процесс начинается с рутинных медицинских изображений, его можно адаптировать к другим областям тела, другим видам животных и даже к человеческим пациентам. Исследование также демонстрирует, как проектирование на основе изображений и тщательно протестированные мягкие материалы способны воспроизвести живые ткани достаточно правдоподобно для обучения, а возможно, и для мягких робототехнических устройств или индивидуальных имплантатов. Короче говоря, исследователи показали практический рецепт превращения цифровой анатомии в осязаемые, масштабируемые модели, которые переносят ощущение клиники или спасательного центра из океана в лабораторию или классную комнату.

Цитирование: 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

Ключевые слова: 3D-печатный фантом, калифорнийский морской лев, ветеринарная подготовка, медицинская визуализация, гели, имитирующие ткани