Studenten entwerfen ein 3D gedrucktes System zur Untersuchung von Arrhythmie-Mechanismen

Zwei Studenten der School of Engineering and Applied Science entwickelten ein 3D-gedrucktes System für die optische Abbildung. Ein führendes Instrument in der Herzelektrophysiologie, das zur Untersuchung von Arrhythmie-Mechanismen verwendet wird. Das System kann für einen Bruchteil der Kosten von kommerziell verfügbarer Ausrüstung gebaut werden.

Sofian Obaid, B.S. ’18, ein Doktorand im ersten Jahr und die Studentin Brianna Cathey in Biomedizintechnik, veröffentlichten kürzlich in Scientific Reports einen Artikel über ihr 3D-gedrucktes System und die dazugehörige Datenanalysesoftware “Open-Source Multiparametric Optocardiography”. Ihre Entwürfe können von Forschern heruntergeladen und modifiziert werden, die das gesamte System oder nur Teile davon replizieren möchten, wodurch die finanziellen und protokollierbaren Durchführbarkeitsbarrieren für Herzelektrophysiologielabore und die breitere Forschungsgemeinschaft reduziert werden.

Unter der Leitung von Igor Efimov, dem Lehrstuhl für Biomedizinische Technik und dem Professor für Biomedizinische Technik von Alisann und Terry Collins, wurden Obaid und Cathey zunächst von dem Postdoktoranden Sharon George beauftragt, ein Teils für ein Experiment 3D zu drucken. Dr. Efimov gefiel ihre Idee und forderte sie heraus, ein komplettes optisches Abbildungssystem zu entwerfen, das die Flexibilität des Forschungsprotokolls erhöht und die finanziellen Hindernisse für die Forschung verringert.

Die Fähigkeit zum 3D-Drucken hat die Kreativität der Ingenieure in vielen Bereichen demokratisiert, ist jedoch besonders in der biomedizinischen Technik von Bedeutung, wo hoch entwickelte technische Lösungen erforderlich sind, um den einzelnen Patienten zu helfen, sagte Dr. Efimov.

“Brianna und Sofian haben durch ihre berufliche Entwicklung gezeigt, wie BME den zukünftigen Studenten einen Weg beschreitet, wie sie ehrgeizig sein und bestehende Methoden in unserem Bereich herausfordern können”, sagte er. “In Zusammenarbeit mit Dr. Sharon George und anderen Mitarbeitern erstellten sie eine experimentelle Studie zu einem benutzerdefinierten Rahmen für benutzerdefinierte dreidimensional gedruckte Bildverarbeitungssysteme. Damit können Biologen, die über keinen technischen Hintergrund verfügen, in naher Zukunft ihr Design entwerfen experimentelle Methoden, die auf ein biologisches Phänomen zugeschnitten sind.”

Zum Beispiel ist eine Komponente des herkömmlichen Systems eine Box, die einen kleinen Spiegel in einem Winkel von 45 Grad halten kann. Wenn ein Forscher diese rund drei Zoll große Box ersetzen müsste, würde das Tausende von Dollar kosten. Stattdessen steht ein Design für ein Teil mit derselben Funktion zum Download zur Verfügung und kann für etwa 40 US-Dollar 3D gedruckt werden.

“Mit kleinen einfachen Dingen wie diese, würden Sie denken es wäre kein Problem eine billige Lösung zu finden. Aber unsere Experimente erfordern jedoch, dass bestimmte Bedingungen für die richtige Erfassung von Licht eingehalten werden, um die besten Daten zu erhalten”, sagte Cathey . “Die mechanischen Teile müssen tatsächlich viele Anforderungen erfüllen und an spezielle, kostenpflichtige Sonderoptiken anpassbar sein.”

Benutzer können jetzt entweder bestimmte Teile eines Mapping-Systems herunterladen, das sie replizieren möchten, oder das gesamte System, das spezielle optische Geräte wie Kameras, Objektive und Spiegel unterstützt. Forscher könnten durch den 3D-Druck eines neuen Systems fast 21.000 US-Dollar einsparen, anstatt eines auf dem Markt befindlichen zu kaufen.

Zusätzlich zu den höheren Kosten werden im Handel erworbene Systeme typischerweise auch auf eine bestimmte Linsengröße und Gewebezubereitung ausgerichtet. Das 3D-gedruckte System bietet Benutzern jedoch die Möglichkeit, diese Elemente zu ändern. Diese Änderung wird Forschern auch dabei helfen, Geld zu sparen, das sie stattdessen auf verschiedene Aspekte ihrer Arbeit lenken können.

Frau Cathey und Herr Obaid arbeiteten ungefähr anderthalb Jahre an dem Projekt, bevor sie ihre Arbeit zur Veröffentlichung einreichten. Das System besteht aus mehr als 55 verschiedenen Teilen, und die Erstellung war eine Herausforderung, da die Forscher einige Schritte vorausdenken mussten, wobei zu berücksichtigen war, wie sich jede Konstruktionsentscheidung auf die Gesamtsystemfunktion auswirkt.

Herr Obaid, der als Student an diesem Projekt gearbeitet hat, sagte, dass die Forschung ihn dazu veranlasst hat, als Doktorand Biomedical Engineering fortzusetzen. Herr Obaid arbeitet derzeit unter Luyao Lu in seinem fortschrittlichen biointegrierten Elektroniklabor.

“Das Beste an meiner Erfahrung war, mir neue Fähigkeiten beizubringen und sie anzuwenden, um eine wichtige Forschungsmethode zu verbessern”, sagte er.

Frau Cathey, die nach einem Zwischenjahr ein Medizinstudium besuchen will, sagte, durch Recherchen erhielt sie ein umfassenderes Verständnis der technischen Grundlagen, die sie studierte. Sie sprach mit Dr. Efimov darüber, wie sie sich als Student im ersten Studienjahr in sein Labor einbringen soll und hat im Laufe der Zeit mehr Verantwortung übernommen.

“Dieses Projekt war eine gute Lernerfahrung, um zu sehen, welche Verpflichtung es erfordert, einen bedeutenden Beitrag in diesem Bereich zu leisten”, sagte sie.

Frau Cathey hofft, zukünftig klinisch angewandte Ingenieurstudien durchführen zu können. Sie ist Mitbegründerin von George Hacks und wurde kürzlich auf der Jahrestagung der American Association for the Advancement of Science zur Förderung des sozialen Wandels durch Innovation vorgestellt.