Mixed-Reality-Technologie und dreidimensionales Drucken in der Lehre: Herzanatomie am Beispiel

Diese Studie konzentriert sich auf die Integration von Mixed Reality in den Anatomieunterricht durch die Entwicklung von 3D-gedruckten Modellen und Herzhologrammen mit hoher Wiedergabetreue, wobei die CarnaLife Holo-Anwendung mit Microsoft HoloLens in den Schulungen von Medizinstudenten verwendet wird, um ihre Lernerfahrung zu verbessern. Forscher weltweit erkennen zunehmend das Potenzial des 3D-Drucks und immersiver Technologien, einschließlich Mixed Reality in der medizinischen Ausbildung und klinischen Praxis. Ihre kontinuierliche Weiterentwicklung und breitere Akzeptanz markieren einen entscheidenden Wandel in der Zukunft der medizinischen Innovation.

Das Ziel dieser Studie ist es, die wachsenden Anwendungen von Mixed Reality nicht nur in der Anatomieausbildung, sondern auch in der klinischen Routine in allen medizinischen Disziplinen, einschließlich der Orthopädie und der muskuloskelettalen Unfallchirurgie, zu untersuchen, um die diagnostische Präzision und die Operationsplanung zu verbessern. Öffnen Sie zunächst 3D Slicer Version 5.6.0, und navigieren Sie zum Datenmodul. Klicken Sie auf Daten hinzufügen und wählen Sie die patientenspezifischen CT-Bilder im DICOM-Format aus.

Beurteilen Sie die Qualität der Bilder, indem Sie axiale, sagittale und koronale Ansichten im Schichtenbetrachter überprüfen. Stellen Sie sicher, dass der Kontrast ausreichend ist, um zwischen dem Myokard und den Herzkammern zu unterscheiden. Navigieren Sie nun zum Segmenteditor-Modul und klicken Sie auf Hinzufügen, um eine neue Segmentierung zu erstellen.

Wählen Sie den Schwellenwert aus den Segmentierungstools aus. Legen Sie die unteren und oberen Schwellenwerte fest, um das Myokard und die Herzkammer genau zu isolieren. Passen Sie den Bereich mit den Schiebereglern oder durch Eingabe von Werten an, um sicherzustellen, dass die korrekten anatomischen Strukturen korrekt erfasst werden.

Überprüfen Sie nach Anwendung der schwellenwertbasierten Segmentierung das segmentierte Modell in axialer, sagittaler und koronaler Ansicht, um sicherzustellen, dass das Myokard und die Herzkammer korrekt erfasst werden. Wenn Bereiche fehlen, fügen Sie fehlende Bereiche mit dem Malwerkzeug im Segmenteditor-Modul hinzu. Fügen Sie Regionen, die nicht ordnungsgemäß durch Schwellenwerte erfasst wurden, sorgfältig eine Segmentierung hinzu.

Passen Sie die Pinselgröße nach Bedarf an, um eine bessere Präzision zu erzielen, insbesondere in kleinen oder komplexen Bereichen. Wenn unerwünschte Gewebe oder Artefakte in der Segmentierung vorhanden sind, verwenden Sie das Löschwerkzeug, um sie zu entfernen. Bei größeren Fehlstellen verwenden Sie das Scherenwerkzeug, um sie effizient wegzuschneiden.

Sobald alle notwendigen Korrekturen vorgenommen wurden, überprüfen Sie die Segmentierung, um sicherzustellen, dass das Myokard vollständig segmentiert ist, ohne fehlende oder zusätzliche Bereiche, und die Herzkammern korrekt ohne unerwünschte Verbindungen definiert sind. Klicken Sie auf Übernehmen, um die Segmentierung abzuschließen. Um die STL-Dateien sowohl für das Myokard als auch für die Herzkammer separat zu exportieren, navigieren Sie zu Segmentierungen, gefolgt von In Dateien exportieren, und wählen Sie dann das STL-Format aus.

Um das Myokard und die Herzkammer zu optimieren, öffnen Sie Meshmixer und navigieren Sie zur Datei, gefolgt von Import. Laden Sie die STL-Dateien sowohl für die Myokard- als auch für die Herzkammer. Stellen Sie sicher, dass beide Modelle korrekt ausgerichtet und im Arbeitsbereich sichtbar sind.

Wählen Sie jedes Modell aus, und gehen Sie zu Bearbeiten, gefolgt von Volumenkörper erstellen. Passen Sie den Schieberegler für die Volltongenauigkeit an, um Details und Netzstabilität auszugleichen. Wenden Sie den Vorgang an, und stellen Sie sicher, dass das Modell intakt bleibt.

Wählen Sie die Genauigkeit des Volumenkörpertyps, um anatomische Details zu erhalten. Verwenden Sie nun das Auswahlwerkzeug, um kleine unerwünschte Artefakte hervorzuheben und sie mit Bearbeiten zu löschen, gefolgt von Verwerfen. Rekonstruieren Sie bei Bedarf die unterbrochenen Bereiche, indem Sie zu "Auswählen" navigieren, gefolgt von "Ändern", "Radieren" und "Füllen" oder indem Sie Pinsel verwenden.

Um das Modell für den 3D-Druck zu optimieren, wählen Sie den Bereich mit Oberflächenunregelmäßigkeiten aus. Klicken Sie auf Verformen und dann auf Glätten. Wenden Sie es iterativ an.

Passen Sie den Schieberegler für die Glättestärke je nach Schwere der Oberflächenunregelmäßigkeiten an. Um als Nächstes die Myokard- und Herzkammern zusammenzuführen, navigieren Sie zu Bearbeiten, Boolesche Differenz, und wählen Sie beide Modelle aus. Stellen Sie sicher, dass der Vorgang die Strukturen erfolgreich verbindet, ohne interne Löcher oder überlappende Flächen zu erzeugen.

Sobald das Zusammenführen und Verfeinern abgeschlossen ist, navigieren Sie zu Datei, gefolgt von Exportieren. Speichern Sie das endgültige einheitliche Modell im STL-Format, um sicherzustellen, dass es für das Schneiden und den 3D-Druck bereit ist. Die Mixed-Reality-Visualisierung bot eine interaktive und dynamische Darstellung von CT-Daten, die eine Echtzeit-Manipulation von Herzstrukturen ermöglichte.

Die Übersegmentierung führte jedoch zu Ungenauigkeiten bei der Oberflächendarstellung, die interne anatomische Details verzerrten. Die Volumen-Rendering-Technik ermöglichte die Visualisierung unterschiedlicher Gewebedichten und verbesserte so die anatomische Detailerkennung. Dieser Ansatz ermöglichte eine bessere Differenzierung komplexer Strukturen, bei denen die Segmentierung allein nicht ausreichte.