Ученые совместно создали первый в мире «фантом мозга», напечатанный на 3D-принтере, используя специальную технику магнитно-резонансной томографии (дМРТ) для моделирования волокон мозга. Это достижение направлено на улучшение исследований нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона и рассеянный склероз, путем повышения точности программного обеспечения для анализа dMRI за счет использования этих подробных моделей мозга.
Новая модель может ускорить исследования нейродегенеративных заболеваний.
В рамках совместного проекта MedUni Vienna и TU Wien был разработан первый в мире «фантом мозга», напечатанный на 3D-принтере, который смоделирован на основе структуры волокон мозга и может быть отображен с помощью специального варианта магнитно-резонансной томографии (дМРТ).
Как показала в исследовании научная группа под руководством Венского медицинского университета и Венского технического университета, эти модели мозга могут быть использованы для продвижения исследований нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и рассеянный склероз. Научная работа опубликована в журнале Передовые технологии материалов.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) — широко используемый метод диагностической визуализации, который в основном используется для исследования головного мозга. МРТ можно использовать для исследования структуры и функций мозга без использования ионизирующего излучения. В специальном варианте МРТ — диффузионно-взвешенной МРТ (дМРТ) также можно определить направление нервных волокон головного мозга. Однако правильно определить направление нервных волокон в местах пересечения пучков нервных волокон очень сложно, так как там перекрываются нервные волокна разного направления.
В целях дальнейшего совершенствования процесса, а также методов анализа и оценки испытаний международная команда в сотрудничестве с Венским медицинским университетом и Венским техническим университетом разработала так называемый «мозговой фантом», который был изготовлен с использованием процесса 3D-печати с высоким разрешением.
Миниатюрный куб с микроканалами
Исследователи из Венского медицинского университета в качестве экспертов по МРТ и Венского технического университета в качестве экспертов по 3D-печати тесно сотрудничали с коллегами из Цюрихского университета и Университетского медицинского центра Гамбург-Эппендорф. Еще в 2017 году двух-фотон В Венском техническом университете был разработан полимеризационный принтер, который обеспечивает печать в более широком масштабе.
В ходе этого также проводилась работа над фантомами мозга в качестве варианта использования совместно с Венским медицинским университетом и Цюрихским университетом. Полученный патент лег в основу фантома мозга, который в настоящее время разрабатывается и находится под контролем группы поддержки исследований и трансферов TU Wien.
Визуально этот фантом не имеет особого отношения к реальному мозгу. Он намного меньше и имеет форму куба. Внутри него находятся чрезвычайно тонкие, заполненные водой микроканалы размером с отдельные черепные нервы. Диаметр этих каналов в пять раз тоньше человеческого волоса. Чтобы имитировать тонкую сеть нервных клеток головного мозга, исследовательская группа под руководством первых авторов Михаэля Волца (Центр медицинской физики и биомедицинской инженерии Венского медицинского университета) и Франциски Халупа-Гантнер (исследовательская группа 3D-печати и биопроизводства Венского технического университета) ) использовал довольно необычный метод 3D-печати: двухфотонную полимеризацию.
Этот метод высокого разрешения в основном используется для печати микроструктур в диапазоне нанометров и микрометров, а не для печати трехмерных структур в диапазоне кубических миллиметров. Чтобы создать фантомы подходящего размера для дМРТ, исследователи из Венского технического университета работают над масштабированием процесса 3D-печати и возможностью печати более крупных объектов с деталями высокого разрешения. Высокомасштабная 3D-печать предоставляет исследователям очень хорошие модели, которые при просмотре под МРТ позволяют определять различные нервные структуры.
Майкл Волец сравнивает этот подход к улучшению диагностических возможностей дМРТ с тем, как работает камера мобильного телефона: «Мы видим наибольший прогресс в фотографии с помощью камер мобильных телефонов не обязательно в новых, более совершенных объективах, а в программном обеспечении, которое улучшает получаемые изображения». . Аналогичная ситуация и с dMRI: используя недавно разработанный фантом мозга, мы можем гораздо точнее настроить программное обеспечение для анализа и, таким образом, улучшить качество измеренных данных и более точно реконструировать нейронную архитектуру мозга».
Программное обеспечение для анализа фантомных поездов мозга
Поэтому достоверное воспроизведение характерных нервных структур головного мозга важно для «обучения» программного обеспечения для анализа дМРТ. Использование 3D-печати позволяет создавать разнообразные и сложные конструкции, которые можно модифицировать и персонализировать. Таким образом, фантомы мозга изображают области мозга, которые генерируют особенно сложные сигналы и поэтому их трудно анализировать, например, пересекающиеся нервные пути.
Поэтому для калибровки программного обеспечения для анализа фантом мозга исследуется с помощью дМРТ, а измеренные данные анализируются, как в реальном мозге. Благодаря 3D-печати конструкция фантомов точно известна и результаты анализа можно проверить. MedUni Vienna и TU Wien смогли показать, что это работает в рамках совместной исследовательской работы. Разработанные фантомы могут быть использованы для улучшения дМРТ, что может принести пользу при планировании операций и исследованиях нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и рассеянный склероз.
Несмотря на подтверждение концепции, команда все еще сталкивается с проблемами. Самой большой проблемой на данный момент является масштабирование метода: «Высокое разрешение двухфотонной полимеризации позволяет печатать детали в микро- и нанометровом диапазоне и поэтому очень подходит для визуализации черепных нервов. В то же время, однако, чтобы напечатать куб размером в несколько кубических сантиметров с помощью этой техники, требуется соответственно много времени», — объясняет Чалупа-Гантнер. «Поэтому мы стремимся не только разрабатывать еще более сложные конструкции, но и дополнительно оптимизировать сам процесс печати».
Ссылка: «На пути к печати мозга: микроструктурный фантом истины для МРТ», Майкл Волец, Франциска Халупа-Гантнер, Бенедикт Хагер, Александр Рике, Сиавуш Мохаммади, Стефан Биндер, Стефан Баудис, Александр Овсяников, Кристиан Виндишбергер и Золтан Надь, 07 январь 2024 г., Передовые технологии материалов.
DOI: 10.1002/admt.202300176