В рамках совместного проекта TU Wien и MedUni Vienna 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 научная группа под руководством Венского технического университета и Венского медицинского университета, эти модели мозга можно использовать для продвижения исследований нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и рассеянный склероз. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials Technologies.
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 техническим университетом и Венским медицинским университетом разработала так называемый «фантом мозга», 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. В 2017 году в Венском техническом университете был разработан принтер двухфотонной полимеризации, который позволяет выполнять печать в более высоком разрешении. 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.
«Ситуация аналогична 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», — говорит Волец.
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. TU Wien и MedUni Vienna 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.
«Однако в то же время для печати куба размером в несколько кубических сантиметров с использованием 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».
