Dual-Filament 3D Printing of Patient-Specific CT Phantoms with Embedded Implants and Tunable Metal-Artifact Intensity

कल्पना कीजिए कि आप एक रहस्य सुलझाने की कोशिश कर रहे एक जासूस हैं, लेकिन हर बार जब आप अपने आवर्धक लेंस (magnifying glass) से सबसे महत्वपूर्ण सुराग को देखते हैं, तो वह लेंस खुद ही काली स्याही के एक विशाल, भ्रमित करने वाले धब्बे के साथ छवि को धुंधला कर देता है। मेडिकल इमेजिंग की दुनिया में, यह "आवर्धक लेंस" एक सीटी (CT) स्कैनर है, और यह "स्याही" एक धातु का इम्प्लांट जैसे कि पेंच (screw) या हिप रिप्लेसमेंट है। जब एक्स-रे धातु से टकराते हैं, तो वे भ्रमित हो जाते हैं, जिससे धारियाँ (streaks) और गहरे साये बन जाते हैं जो नाजुक ऊतकों (tissues) को छिपा देते हैं। यह डॉक्टरों के लिए यह देखना अविश्वसनीय रूप से कठिन बना देता है कि क्या सर्जरी ठीक से हुई है या क्या मरीज ठीक हो रहा है। इस समस्या को हल करने के लिए, इंजीनियरों ने "मेटल आर्टिफैक्ट रिडक्शन" (MAR) एल्गोरिदम नामक चतुर कंप्यूटर प्रोग्रामों का आविष्कार किया है। ये प्रोग्राम डिजिटल रूप से स्याही के उन धब्बों को पोंछने की कोशिश करते हैं। लेकिन समस्या यह है कि आप यह कैसे परीक्षण करें कि ये प्रोग्राम वास्तव में काम करते हैं या नहीं? आप बस एक मरीज से यह पूछकर यह नहीं देख सकते कि क्या उन्होंने अपने टाइटेनियम पेंच को प्लास्टिक के पेंच से बदल लिया है ताकि अंतर देखा जा सके, और आप इसे एक साधारण प्लास्टिक ब्लॉक के रूप में भी उपयोग नहीं कर सकते क्योंकि यह वास्तविक मानव शरीर जैसा नहीं दिखता है। वैज्ञानिकों को एक आदर्श "टेस्ट डमी" की आवश्यकता है जो बिल्कुल एक मरीज की तरह दिखे, जिसमें धातु का एक पेंच लगा हो, और जो जादुई रूप से यह बदल सके कि वह कितना "धातु जैसा" (metal-y) प्रभाव पैदा करता है ताकि वे अपने सफाई करने वाले सॉफ़्टवेयर का निष्पक्ष रूप से परीक्षण कर सकें।

यहीं पर पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम एक चतुर नई तकनीक के साथ सामने आई। उन्होंने इन आदर्श टेस्ट डमी को "पिक्सेलप्रिंट" (PixelPrint) नामक विधि का उपयोग करके 3D प्रिंट करने का एक विशेष तरीका विकसित किया। इसे ऐसे समझें जैसे कि एक उच्च-तकनीकी बेकर (baker) केवल एक केक नहीं बनाता; वे ऐसा केक बना सकते हैं जहाँ हर एक कण (crumb) एक अलग स्वाद का हो सकता है, और वे स्ट्रॉबेरी के कण के अंदर चॉकलेट चिप को बिना स्वादों को मिलाए भी छिपा सकते हैं। आमतौर पर, मेडिकल स्कैन के लिए 3D प्रिंटर एकल-स्वाद वाले बेकर की तरह होते हैं: वे हड्डी या मांसपेशी तो प्रिंट कर सकते हैं, लेकिन वे एक ही वस्तु में हड्डी और धातु का पेंच नहीं प्रिंट कर सकते जबकि वास्तविक शरीर की बनावट को बनाए रख सकें। हालाँकि, इस टीम ने अपने प्रिंटर को दो अलग-अलग "फिलामेंट्स" (प्लास्टिक की डोरियाँ जिनका प्रिंटर उपयोग करता है) का एक साथ उपयोग करने के लिए अपग्रेड किया। एक फिलामेंट एक विशेष प्लास्टिक है जो कैल्शियम से मिश्रित है ताकि वह नरम ऊतकों और हड्डी जैसा दिख सके, और दूसरा एक प्लास्टिक है जो धातु की धूल से मिश्रित है ताकि वह पेंच जैसा दिख सके।

शोधकर्ताओं की मुख्य खोज यह है कि वे यह नियंत्रित कर सकते हैं कि पेंच कितना "धातु जैसा" दिखता है, बस यह बदलकर कि वे पेंच वाले क्षेत्र में धातु-प्लास्टिक को कितनी मात्रा में भरते हैं। उन्होंने एक मरीज की गर्दन (विशेष रूप से कशेरुका C4 से C6 तक के सर्वाइकल स्पाइन) की तीन समान प्रतियां प्रिंट कीं जिनमें छह स्पाइनल पेंच लगे हुए थे। पहली प्रति में कोई धातु वाला प्लास्टिक नहीं था (0% इन्फिल), जो एक पूर्ण, स्पष्ट "ग्राउंड ट्रुथ" संदर्भ के रूप में कार्य करता था। दूसरी प्रति में मध्यम मात्रा में धातु वाला प्लास्टिक था (50% इन्फिल), और तीसरी प्रति लगभग सभी धातु वाले प्लास्टिक से भरी हुई थी (85% इन्फिल)। जब उन्होंने इन्हें सीटी मशीन के साथ स्कैन किया, तो परिणाम बिल्कुल वैसे ही थे जैसी उन्हें उम्मीद थी: 0% वाले संस्करण में एक साफ गर्दन दिखी, 50% वाले संस्करण में हल्की धारियाँ दिखीं, और 85% वाले संस्करण में भारी, नाटकीय धारियाँ दिखीं, ठीक वैसे ही जैसे वास्तविक धातु के इम्प्लांट करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, बाकी गर्दन—मांसपेशियों, वायुमार्ग और हड्डी की बनावट—तीनों में बिल्कुल एक जैसी ही दिखी, जिससे यह सिद्ध हुआ कि "स्याही" केवल समायोज्य धातु वाले हिस्सों से आ रही थी।

टीम ने यह भी परीक्षण किया कि विभिन्न प्रकार की एक्स-रे ऊर्जा ने इन धारियों को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर, 50 keV से 190 keV तक, इन फैंटम (phantoms) को स्कैन किया। उन्होंने पाया कि कम ऊर्जा पर (जैसे 50 keV), धारियाँ बहुत बड़ी थीं और पेंच बड़े, धुंधले धब्बों के रूप में उभर आए थे। लेकिन जैसे ही उन्होंने ऊर्जा को बढ़ाकर 130 या 190 keV किया, धारियाँ फीकी पड़ गईं, और पेंच फिर से स्पष्ट और तीखे हो गए। इसने पुष्टि की कि उनकी नई प्रिंटिंग विधि वास्तविक दुनिया की समस्या—धातु के आर्टिफैक्ट्स और विभिन्न स्कैनिंग सेटिंग्स के प्रति उनकी प्रतिक्रिया—को विश्वसनीय रूप से दोहरा सकती है।

हालाँकि, पेपर कुछ सीमाओं को नोट करने में सावधानी बरतता है। जबकि कैल्शियम से मिश्रित प्लास्टिक ने सॉफ्ट टिश्यू और स्पंजी बोन की नकल करने में बहुत अच्छा काम किया, यह वास्तविक हड्डी की सबसे कठोर बाहरी परत (कॉर्टिकल बोन) के अत्यधिक उच्च घनत्व तक नहीं पहुँच सका। वास्तविक मरीज के स्कैन में, वह कठोर हड्डी 1000 हौन्सफील्ड यूनिट्स (HU) से अधिक थी, लेकिन प्रिंट किया गया संस्करण लगभग 620 HU तक ही पहुँच पाया। इसलिए, जबकि प्रिंट अधिकांश चीजों के लिए उत्कृष्ट था, यह सबसे घने भागों की सटीक नकल करने के लिए उतना "कठोर" नहीं था जितना होना चाहिए था। इसके अतिरिक्त, प्लास्टिक में उपयोग की गई धातु (स्टेनलेस स्टील) वास्तविक सर्जरी में उपयोग किए जाने वाले टाइटेनियम या कोबाल्ट-क्रोमियम के बिल्कुल समान नहीं है, हालांकि यह बहुत समान दिखने वाली धारियाँ पैदा करती है।

शोधकर्ताओं ने धारियों की "अव्यवस्था" (messiness) को मापने के लिए एक विशिष्ट गणितीय उपकरण, "गम्बेल पी-इंडेक्स" (Gumbel p-index) का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने धातु की मात्रा को 0% से 50% से 85% तक बढ़ाया, उनकी "अव्यवस्था" का स्कोर एक पूरी तरह से अनुमानित, सीधी रेखा के क्रम में बढ़ता गया। स्कोर साफ संस्करण के लिए 46.7 HU से बढ़कर मध्यम संस्करण के लिए 57.1 HU और भारी संस्करण के लिए 90.5 HU हो गया। यह साबित करता है कि उनकी विधि वैज्ञानिकों को नीचे की शारीरिक संरचना (anatomy) को बदले बिना, आर्टिफैक्ट की तीव्रता को एक वॉल्यूम नॉब की तरह ऊपर या नीचे घुमाने की अनुमति देती है।

संक्षेप में, यह पेपर सुझाव देता है कि यह दोहरी-फिलामेंट 3D प्रिंटिंग विधि सीटी स्कैन में धातु के आर्टिफैक्ट्स को साफ करने के लिए कंप्यूटर प्रोग्रामों की जांच करने के लिए एक शक्तिशाली, पुनरुत्पादनीय (reproducible) तरीका है। यह मरीजों में समस्या को ठीक करने का कोई जादुिक इलाज नहीं है, लेकिन यह एक विश्वसनीय, समायोज्य "प्रशिक्षण मैदान" प्रदान करता है जहाँ इंजीनियर अपने सॉफ़्टवेयर का परीक्षण एक ज्ञात, पूर्ण संदर्भ के विरुद्ध कर सकते हैं। शोधकर्ताओं का मानना है कि इस दृष्टिकोण का उपयोग अंततः घुटनों, कूल्हों और डेंटल इम्प्लांट के लिए स्कैनर्स का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है, जिससे मेडिकल इमेजिंग सभी के लिए अधिक स्पष्ट और सुरक्षित बन सकेगी।