Artículo de método

Tecnología de realidad mixta e impresión tridimensional en la enseñanza: la anatomía del corazón como ejemplo

DOI:

10.3791/67850

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18 de abril de 2025

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1Department of Human Anatomy, Medical University of Silesia, 2Department of Anatomy, Faculty of Medicine University of Ostrava, 3Department of Measurement and Electronics, AGH University of Krakow, 4MedApp S. A., 5Medical University of Silesia in Katowice

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aquí, describimos un protocolo para construir un modelo de corazón desde cero basado en tomografía computarizada y lo presentamos a estudiantes de medicina utilizando impresión tridimensional (3D) y tecnología de realidad mixta para aprender anatomía.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La tecnología de realidad mixta y la impresión tridimensional (3D) son cada vez más comunes en el campo de la medicina. Durante la pandemia de COVID-19 e inmediatamente después de que se relajaran las restricciones, se implementaron muchas innovaciones en la enseñanza de los futuros médicos. También hubo interés en las técnicas inmersivas y la tecnología de impresión 3D en la enseñanza de la anatomía. Sin embargo, estas no son implementaciones comunes. En 2023 se prepararon impresiones 3D y hologramas en tecnología de realidad mixta para clases centradas en la estructura del corazón. Se utilizaban para enseñar a los estudiantes, quienes, con el apoyo de los ingenieros, podían aprender sobre la estructura detallada del corazón y familiarizarse con las nuevas tecnologías que apoyan el modelo tradicional de aprendizaje en cadáveres humanos. Los estudiantes consideran que esta posibilidad es muy valiosa. El artículo presenta el proceso de preparación de materiales para las clases y las posibilidades de implementación adicionales. Los autores ven una oportunidad para el desarrollo de las tecnologías presentadas en la enseñanza de los estudiantes en varios niveles educativos y la justificación para una implementación cada vez más generalizada.

Introducción

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La tecnología de impresión tridimensional (3D) y la realidad mixta son logros tecnológicos cada vez más utilizados en medicina. Se están encontrando más aplicaciones no solo en la práctica clínica diaria de muchos especialistas de diversos campos, sino también en la enseñanza de residentes y futuros médicos, es decir, estudiantes de medicina 1,2,3,4,5,6.

La tecnología de impresión 3D se utiliza a menudo para imprimir modelos anatómicos, ofrecidos principalmente por entidades comerciales, pero el creciente interés de los estudiantes en este tipo de preparación para el aprendizaje es un impulso para introducir innovaciones en los departamentos de anatomía de las universidades de medicina7. Las preparaciones pueden crearse a partir de datos de atlas anatómicos, dibujos y grabados, pero también a partir de estudios de imagen como la tomografía computarizada o la resonancia magnética 1,8,9. Es posible imprimir preparaciones anatómicas en una impresora 3D en varias escalas, y es posible utilizar colores, marcadores y otras variaciones para aumentar la accesibilidad del material didáctico10,11. A pesar de la mayor disponibilidad de materiales, los estudiantes de medicina en Polonia no tienen un amplio acceso a este tipo de preparación, a pesar de la voluntad declarada de apoyar el modelo de enseñanza clásico actual basado en la preparación de cadáveres humanos con la adición de nuevas tecnologías que aún no se han implementado completamente.

La tecnología de realidad mixta es la integración del mundo virtual con el mundo real. Gracias a las gafas que permiten la visualización de hologramas previamente preparados, se pueden "superponer" a los objetos circundantes en el mundo real12. Los hologramas se pueden manipular en el espacio, por ejemplo, ampliar, reducir o rotar, lo que hace que la imagen vista se visualice mejor, sea más accesible y más útil. La realidad mixta es cada vez más utilizada por los operadores en disciplinas quirúrgicas, por ejemplo, cirugía cardíaca 3,13, ortopedia 14,15,16,17, oncología 18. Cada vez más, especialmente en el período posterior a la pandemia de COVID-19, los didácticos del campo de las ciencias médicas básicas se interesan por las nuevas tecnologías, incluida la realidad mixta, con el fin de implementarlas en la formación de los futuros médicos 19,20,21. Los profesores académicos que enseñan anatomía normal también están encontrando espacio para introducir la realidad mixta en su campo 22,23,24,25,26. La creación de hologramas requiere un estudio de imagen, la mayoría de las veces tomografía computarizada, que es renderizada y procesada por ingenieros que utilizan un software dedicado en una versión holográfica, posible de usar con gafas.

Decidimos crear materiales útiles para que los estudiantes aprendieran la anatomía del corazón humano como parte de las clases de anatomía en el primer año de los estudios de medicina. Para ello, se utilizó una angio-tomografía computarizada del corazón, puesta a disposición por el Servicio de Cardiología tras la previa anonimización completa de los datos. Nosotros, divididos en dos equipos, creamos hologramas e impresiones 3D, que luego se pusieron a disposición de los estudiantes como parte de una lección piloto. Los estudiantes calificaron muy bien la accesibilidad y precisión de los materiales, pero más adelante se presentará un estudio detallado sobre este tema: los resultados se están evaluando actualmente.

Aquí, mostramos el proceso de creación de modelos desde la tomografía computarizada hasta la presentación de modelos listos para usar implementados en la práctica docente.

Protocolo

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El protocolo sigue las directrices del Comité de Ética de Investigación en Seres Humanos de la Universidad Médica de Silesia. Los datos de imagen del paciente se utilizaron después de la anonimización completa.

1. 3D Impresión - Segmentación y reconstrucción del modelo de corazón en 3D

  1. Carga y preprocesamiento de imágenes
    1. Abra 3D Slicer 5.6.0 y navegue hasta el módulo de datos27.
    2. Haga clic en Agregar datos y seleccione las imágenes de TC específicas del paciente en formato DICOM. Asegúrese de que las imágenes se carguen en la orientación correcta.
    3. Evalúe la calidad de las imágenes mediante la inspección de vistas axiales, sagitales y coronales en el Visor de sectores. Verifique el contraste suficiente para distinguir entre el miocardio y las cavidades del corazón.
    4. Si el contraste es insuficiente, ajuste la configuración de Ventana/Nivel para mejorar la diferenciación de tejidos utilizando el Módulo de Volúmenes. Establezca la ventana en 350 HU y el nivel en 40 HU como punto de partida, y modifíquelo si es necesario.
    5. Confirme la visibilidad de las regiones anatómicas de interés (ROI), incluido el miocardio y las cavidades internas del corazón.
  2. Segmentación basada en umbrales
    1. Vaya al módulo Editor de segmentos y haga clic en Agregar para crear una nueva segmentación.
    2. Seleccione Umbral en las herramientas de segmentación. Establezca el umbral inferior en 100 HU y el umbral superior en 300 HU para aislar los tejidos blandos.
      NOTA: Estos valores pueden variar en función de la calidad de la imagen y de las características específicas del paciente.
    3. Ajuste el rango de umbral manualmente para refinar el retorno de la inversión arrastrando los controles deslizantes o ingresando valores hasta que las cámaras del miocardio y del corazón estén claramente aisladas. Utilice la inspección visual en las vistas axial, sagital y coronal para garantizar una selección adecuada.
    4. Confirme que se han capturado todas las áreas anatómicas relevantes. Si es necesario, cambie a la herramienta Pintar para agregar o eliminar manualmente áreas de la segmentación que no se capturaron correctamente mediante el umbral.
    5. Haga clic en Aplicar para finalizar la segmentación de la selección basada en umbrales (Figura 1)
  3. Corrección manual rebanada por rebanada
    1. Con las herramientas Tijeras o Borrar del Editor de segmentos, inspeccione manualmente cada sector del conjunto de datos de CT. Corrija cualquier imprecisión, como las causadas por artefactos o contraste deficiente, eliminando o agregando regiones segmentadas según sea necesario.
    2. Para cada corte, concéntrese en identificar con precisión el miocardio y las cavidades internas del corazón. Si surgen ambigüedades, consulte a un profesional médico o a una referencia anatómica para garantizar la precisión.
    3. Separe el corazón en dos segmentos distintos: uno para el miocardio y otro para las cámaras internas. Utilice el botón Crear nuevo segmento para diferenciar estas estructuras.
    4. Continúe la inspección y corrección corte por corte hasta que todos los cortes en los planos axial, sagital y coronal estén corregidos y segmentados.
  4. Post-procesamiento y exportación de modelos
    1. Importe los archivos STL exportados a MeshMixer (Figura 2, denominado software de diseño de prototipos).
      1. Comience por eliminar los pequeños artefactos y garantizar la uniformidad del modelo seleccionando Editar > Hacer sólido.
      2. En la ventana emergente, elija Tipo sólido como Precisión para conservar los detalles precisos de la segmentación. Ajuste el control deslizante Precisión sólida a un valor entre 0,8 y 1,0 para obtener una fidelidad óptima.
    2. Después de solidificar el modelo, proceda a la eliminación manual del artefacto. Utilice la herramienta Borrar y rellenar para reconstruir las áreas de superficie alteradas. Se puede acceder a esto en Seleccionar > Modificar > Borrar y rellenar.
    3. Haga clic y arrastre para seleccionar las áreas problemáticas y, a continuación, utilice la opción Relleno para restaurar la continuidad de la superficie. Asegúrese de que las regiones rellenas se mezclen suavemente con la geometría circundante.
    4. Para el refinamiento general de la superficie, utilice la herramienta Seleccionar para resaltar áreas específicas del modelo que requieran suavizado. Una vez seleccionado, vaya a Modificar > Suavizar y aplique la herramienta de forma iterativa.
    5. Ajuste el control deslizante Intensidad de suavizado entre el 10 y el 50%, dependiendo de la gravedad de las irregularidades de la superficie. Tenga cuidado de mantener la precisión anatómica mientras suaviza. Utilice Mayús + clic izquierdo para anular la selección de las áreas que no requieren modificación.
    6. Una vez completado el suavizado, utilice la herramienta Inspector para identificar y rellenar automáticamente los agujeros restantes de la malla. Compruebe el modelo visualmente para asegurarse de que no existan artefactos importantes o irregularidades en la superficie.
    7. Para integrar el miocardio y las cámaras internas del corazón en un modelo cohesivo, aplique operaciones booleanas . Vaya a Editar > unión booleana y seleccione las dos partes separadas (miocardio y cámaras) para fusionarlas.
    8. Asegúrese de que la operación se une correctamente a las estructuras sin crear agujeros internos ni superposiciones. Inspeccione las intersecciones y ajústelas según sea necesario refinando manualmente las áreas de fusión con Borrar y rellenar o Suavizar (Figura 3).
    9. Una vez que el modelo se haya unificado y refinado, exporte el archivo STL final seleccionando Exportar > STL para la preparación de la impresión 3D.
  5. Preparación del modelo para la impresión 3D
    1. Selección de materiales y configuración de la impresora
      1. Utilice filamento de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), que permite un fácil posprocesamiento, como el suavizado con acetona.
        NOTA: El ABS es sensible a las fluctuaciones de temperatura, por lo que debe garantizar un entorno estable durante la impresión.
      2. Opte por una impresora 3D cerrada para un mejor control de la temperatura.
    2. Configuración de la impresora y la cortadora
      1. Modelo de impresora: Utilice la impresora adecuada. En este caso, se utilizó Creality Ender 3 con una carcasa metálica hecha a medida.
      2. Material del filamento: Utilizar ABS.
      3. Configure los siguientes ajustes en Cura o en un software de corte similar.
        Diámetro de la boquilla: 0,5 mm
        Temperatura de la boquilla: ~240 °C (ajuste según la marca del filamento)
        Temperatura de la cama: ~100 °C
        Altura de la capa: 0,24 mm
        Velocidad de impresión: ~100 mm/s (reducir a 50-60 mm/s para mayor calidad)
        Densidad de relleno: 25% (para equilibrar la resistencia y el uso de material)
        Soportes: Habilite los soportes automáticos (por ejemplo, soportes de árboles)
        Ventilador de refrigeración: Apague para evitar que se deforme
        Ayudas para la adherencia: Use un borde o una balsa para mejorar la adherencia de la cama
      4. Garantice la calibración de la impresora y ajuste la configuración en función de (a) las tolerancias específicas de la impresora, (b) las propiedades del filamento ABS y (c) el equilibrio deseado entre la velocidad de impresión y la calidad de la superficie.
    3. Estructuras de soporte y post-procesamiento
      1. Estructuras de soporte: Genere soportes en el software de corte utilizando herramientas integradas (por ejemplo, Cura) para estabilizar las características que sobresalen durante la impresión. Verifique que los soportes no interfieran con detalles anatómicos delicados.
      2. Extracción del soporte: Deje que el modelo impreso se enfríe por completo para evitar daños durante la extracción del soporte. Retire los soportes con cuidado. Use alicates de punta fina para un soporte más extenso. Para áreas más pequeñas o delicadas, retire suavemente los soportes con la mano.
      3. Acabado de la superficie: Inspeccione el modelo impreso en busca de áreas rugosas, especialmente donde se colocaron los soportes. Alise estas áreas con papel de lija de grano fino (por ejemplo, grano 200-400), limas pequeñas para detalles precisos y apunte a una superficie limpia y continua para mejorar la precisión anatómica.
      4. Posprocesamiento avanzado (opcional): Si se requiere un acabado pulido, prepare una cámara de suavizado de vapor con acetona y exponga el modelo a vapores de acetona durante ~ 9 minutos (realice este paso en un área bien ventilada con las precauciones de seguridad adecuadas [por ejemplo, guantes, gafas]), y deje que el modelo se seque completamente antes de manipularlo.
  6. Puntos de pausa.
    1. Pause el protocolo después de cada corrección de corte en el paso 1.3.1 guardando el proyecto en 3D Slicer. Reanude la segmentación más tarde sin pérdida de datos.
    2. En el paso 1.4.1, después de exportar los archivos STL, si es necesario, detenga los pasos de posprocesamiento, ya que no requieren continuidad.

2. Realidad mixta

NOTA: Procese los archivos DICOM CT del corazón en una representación holográfica utilizando CarnaLife Holo (conocido como software de realidad mixta).

  1. Prepare el hardware.
    1. Encienda la computadora portátil y conéctela a una toma de corriente. Encienda el casco de realidad mixta.
    2. Conecte el enrutador a la computadora portátil.
  2. Cargue la imagen de TC en el casco de realidad mixta a partir de archivos CT DICOM adquiridos.
    1. Abra el software de realidad mixta e inicie sesión (figura 4).
    2. Seleccione la carpeta apropiada con tomografías computarizadas. Seleccione la serie correcta de datos de TC (Figura 5).
    3. Compruebe la dirección IP que se muestra cuando se encienden los auriculares e introdúzcala en el lugar designado en el software de realidad mixta.
    4. Haga clic en el botón Conectar para ver la visualización en el casco de realidad mixta.
  3. Segmente la estructura del corazón con una herramienta de segmentación manual utilizando la opción Tijeras (Figura 6). Con él, marque las áreas que se eliminarán de la reconstrucción de datos de TC haciendo clic con el botón izquierdo y arrastrando.
    1. Finalice el marcado de la región de corte haciendo clic con el botón izquierdo del ratón y, a continuación, confirme el corte en la ventana emergente.
  4. Elija un ajuste predefinido (parámetros de visualización de color) adecuado para la visualización de la estructura del corazón de una lista de ajustes preestablecidos disponibles haciendo clic en su nombre: CT CARDIAC HOLLOW.
    1. Si es necesario, ajuste la visualización cambiando la ventana haciendo clic con el botón derecho y manténgalo presionado mientras mueve el cursor en la vista 3D.
  5. Cargue modelos de superficie 3D de ventrículos y aurículas izquierda y derecha.
    1. Haga clic en la sección Modelos 3D en el software de realidad mixta. Haga clic en el botón Cargar modelos .
    2. Vaya a la carpeta con modelos de superficie. Seleccione los cuatro archivos y confirme haciendo clic en Abrir. Ajuste los colores de los modelos visualizados (Figura 7).
      1. Haga clic en el icono del lápiz en la lista de modelos 3D. Haga clic en la pestaña Aspecto en la ventana emergente visible.
      2. Haga clic en el cuadrado blanco junto a la etiqueta de color . Seleccione un color adecuado con la ventana emergente Selector de color . Confirme haciendo clic en el botón Aceptar . Haga clic con el botón izquierdo en Vista 3D.
      3. Repita todos los pasos para los modelos de superficie restantes.
  6. Cree anotaciones de estructuras anatómicas en vistas 2D utilizando tres vistas 2D (axial, sagital y coronal) para colocar el punto de anotación en el lugar adecuado.
    1. Haga clic en la sección Anotar en el software.
    2. En el lado derecho de la ventana de la aplicación (en el diseño predeterminado de la aplicación) hay tres vistas 2D de datos reconstruidos.
      1. Desplácese por los sectores haciendo clic en los iconos de flecha simple o doble junto al control deslizante en el lado derecho de cada vista 2D.
      2. Cambie el corte haciendo clic y manteniendo presionado el botón Mayús izquierdo mientras se desplaza con la rueda del mouse.
      3. Cambie el corte arrastrando líneas azules, rojas o verdes (representaciones de plano 2D).
    3. Después de configurar el corte correcto en la vista 2D seleccionada, amplíe con la rueda del ratón y coloque el punto de anotación haciendo clic con el botón izquierdo. La anotación se creará en el lugar en el que se hizo clic.
    4. Vuelva a la sección Anotar y haga clic en el icono del lápiz en la anotación en la lista de anotaciones con el número de identificación correspondiente.
    5. En la parte inferior de la ventana emergente, introduzca el texto de la anotación, por ejemplo, "Ventrículo izquierdo".
    6. Ajuste los colores, el grosor y el tamaño de las anotaciones en esta ventana emergente. Vuelva a la vista 2D con la anotación colocada.
    7. Agarre y mueva la etiqueta de anotación fuera del plano 2D a un lugar adecuado.
    8. Repita todos los pasos para todas las estructuras anatómicas que deban anotarse.
  7. Cargue el estado de visualización para obtener anotaciones guardadas de estructuras anatómicas en visualización.
    1. Haga clic en el icono Cargar archivo junto al icono del disquete en la esquina superior derecha de la vista 3D. En la ventana emergente, haga clic en el icono Carpeta , navegue hasta el directorio con el archivo de estado de visualización guardado y haga clic en Seleccionar carpeta.
    2. Si se selecciona correctamente y si hay un archivo válido para estos datos en particular, una lista de archivos de estado de visualización aplicables reemplazará la declinación de responsabilidad No se encontraron archivos con nombres de estados que el usuario puede cargar.
    3. Haga clic con el botón izquierdo en un estado de visualización adecuado para seleccionarlo y confirme haciendo clic en el botón Cargar. Después de cargar, se le preguntará al usuario el estado de visualización de carga.
  8. Para ver la visualización preparada en el espacio holográfico, póngase los auriculares y use el comando de voz Ubicar aquí para llevar la reconstrucción de tomografía computarizada holográfica en 3D frente a los ojos. Ajústelo con comandos de voz, por ejemplo, Rotar, Ampliar, Cortar de manera inteligente, y combínelo con gestos con las manos (Figura 8).
  9. Utilice el comando de voz "Cortar inteligente " para aplicar y ajustar el plano de corte perpendicular a la línea de visión.
  10. Mueva y gire el cabezal para trasladar el movimiento y la orientación del plano de corte aplicado. Acércate al holograma para mover el plano de corte más profundamente en la reconstrucción holográfica. Gire el cabezal 90° en el sentido de las agujas del reloj para rotar el plano de corte 90° en el sentido de las agujas del reloj, etc.
  11. Realice estos movimientos para ver las partes internas de la estructura del corazón, la visualización holográfica y los modelos de superficie previamente cargados y las anotaciones de las estructuras anatómicas.

Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El protocolo de segmentación y reconstrucción 3D produjo dos resultados principales para el entrenamiento de anatomía: un modelo de corazón impreso en 3D y una visualización de resonancia magnética en 3D del corazón. Estos resultados, que utilizan datos de TC específicos del paciente, proporcionan herramientas complementarias para que los estudiantes participen en experiencias de aprendizaje prácticas e inmersivas.

El modelo de corazón impreso en 3D permite a los estudiantes interactuar físicamente con una representación tangible de la anatomía cardíaca. Este modelo presenta características externas distintas, como el miocardio, así como estructuras internas, incluidas las cámaras y las válvulas. En experimentos exitosos, la precisión anatómica fue alta, con características bien definidas y artefactos mínimos después del posprocesamiento. La Figura 9 muestra un modelo impreso en 3D completamente procesado con una clara diferenciación entre el miocardio y las cámaras internas. En los casos en los que el contraste en las imágenes de TC no era óptimo, los errores de segmentación dieron lugar a imprecisiones en el modelo, como tamaños de cámara irregulares o estructuras valvularas incompletas. Estos problemas a menudo se podían corregir con intervención manual, incluido el suavizado adicional y la eliminación de artefactos, como se destaca en la Figura 10.

Por el contrario, la visualización 3D de Realidad Mixta ofrece una experiencia dinámica e interactiva en la que los estudiantes pueden explorar el corazón en el espacio virtual. El entorno de RM proporciona interacción en tiempo real, incluida la rotación, el zoom y la sección a través de diferentes planos anatómicos, lo que permite una comprensión más detallada de estructuras complejas como las arterias coronarias o las paredes septales. Las implementaciones exitosas de la visualización de resonancia magnética presentaron representaciones altamente precisas de la anatomía externa e interna. Sin embargo, las visualizaciones subóptimas (por ejemplo, cuando la segmentación era defectuosa) condujeron a vistas distorsionadas de las estructuras internas, lo que afectó el realismo del modelo de RM y la eficacia de la enseñanza (Figura 11). Para las estructuras anatómicas que son complejas, el enfoque de segmentación puede no ser suficiente. Gracias a la posibilidad de renderizado volumétrico es posible visualizar diferentes densidades (representadas por Unidades de Hounsfield) que son importantes para entender la anatomía (Figura12).

Las técnicas ofrecen herramientas robustas y complementarias que mejoran la experiencia de aprendizaje al proporcionar modelos precisos y manipulables, aunque su éxito depende de la calidad de la segmentación y reconstrucción en los pasos iniciales del protocolo. En general, estos resultados demuestran la eficacia del protocolo en la creación de modelos cardíacos precisos a partir de datos de TC específicos del paciente. Estos resultados demuestran la eficacia del protocolo en la creación de modelos cardíacos precisos a partir de datos de TC específicos del paciente.

Se realizó un estudio preliminar para evaluar las percepciones de los estudiantes sobre la tecnología de realidad mixta en la enseñanza de la anatomía, específicamente en el aprendizaje de la estructura del corazón. En el estudio participaron 106 estudiantes que, bajo la supervisión de ingenieros, fueron capaces de utilizar hologramas con fines de aprendizaje. Al final de la sesión, se les preguntó: "¿La tecnología de realidad mixta te ayudó a comprender mejor el tema: la estructura del corazón?" Todos los encuestados (100%) respondieron "sí". Los conocimientos de los estudiantes se evaluaron inmediatamente después de la sesión a través de una breve prueba escrita en la que se les pedía que describieran tres estructuras anatómicas relacionadas con la morfología del corazón. La puntuación media fue de 2,037 frente a una puntuación total de 3 (Tabla 1).

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Figura 1: Segmentación del corazón por TC. Vistas axiales (arriba a la izquierda), coronales (abajo a la izquierda), sagitales (abajo a la derecha) y 3D (arriba a la derecha) de la segmentación de TC en el software 3D Slicer. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2: Post-procesamiento. Vistas de modelos 3D de segmentación en el software de diseño de prototipos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 3: Después del posprocesamiento. Vistas de modelos 3D de segmentación en el software de diseño de prototipos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 4: Vista del software de realidad mixta. Pantalla de inicio de la aplicación. Panel de inicio de sesión claro y accesible. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 5: Selección de la serie correcta en el software de realidad mixta. Selección de imágenes de tomografía computarizada disponibles para visualización holográfica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 6: Opción de tijeras para recortar partes de visualización en el software de realidad mixta. Una herramienta que permite ajustar el holograma a las necesidades del usuario en tiempo real. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 7: Ajuste de los colores de la visualización holográfica en el software de realidad mixta. Agregar colores a la visualización aumenta la accesibilidad y la claridad de los hologramas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 8: Visualizaciones en el espacio holográfico creadas con el software de realidad mixta. Un holograma tridimensional con colores resaltados y marcadores de tomografía computarizada para ayudar a la orientación en el espacio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 9: Después del posprocesamiento y la vista previa de "rayos X" de la operación booleana. Vista de modelos 3D en el software de diseño de prototipos. Modelo impreso en 3D totalmente procesado con una clara diferenciación entre el miocardio y las cámaras internas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 10: Después de cortar el modelo en una proyección de cuatro cámaras, la vista previa final de la pieza impresa en 3D. Vista de modelos 3D en el software de diseño de prototipos. Suavizado adicional y eliminación de artefactos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 11: Visualización de datos de TC en el software de realidad mixta. La representación de la superficie representa el resultado de la sobresegmentación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 12: Visualización ejemplar de datos de TC en el software de realidad mixta. Renderizado de volúmenes, que visualiza diferentes densidades. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Número total de estudiantes (n)106
Número de alumnos que utilizaron hologramas con fines de aprendizaje (n)106
Número de estudiantes que respondieron "SÍ" a la pregunta "¿La tecnología de realidad mixta te ayudó a comprender mejor el tema: la estructura del corazón?" (n)106
Número de estudiantes que respondieron "NO" a la pregunta "¿La tecnología de realidad mixta te ayudó a comprender mejor el tema: la estructura del corazón?" (n)0
Puntuación mínima0
Puntuación máxima3
Puntuación media de los estudiantes que realizaron una breve prueba escrita para describir tres estructuras anatómicas relacionadas con la morfología del corazón2.037
Puntuación total3

Tabla 1: Datos preliminares del estudio.

Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La anatomía moderna se basa principalmente en métodos clásicos y probados que se conocen desde hace cientos de años. Los cadáveres humanos son la base para la enseñanza de los futuros médicos, y los anatomistas enfatizan su papel no solo en la comprensión de las estructuras del cuerpo humano, sino también en la formación de actitudes éticas28,29. El desarrollo de la tecnología es expansivo no solo en los procedimientos clínicos cotidianos, sino también en la enseñanza, de ahí el intento de implementar la impresión 3D 7,30,31,32 y la realidad mixta en la enseñanza de la anatomía 33,34,35,36. En la actualidad, el trabajo de los médicos se basa en gran medida en soluciones modernas, equipos y una digitalización ampliamente entendida, y la creciente participación de la automatización, la robotización y la implementación de soluciones innovadoras progresará, teniendo en cuenta la tendencia que ha estado en curso durante años.

Complementar las formas clásicas de educación con la impresión 3D, las clases que utilizan la realidad mixta o la ecografía pueden tener un impacto muy positivo en la preparación de los futuros médicos para la profesión, no solo por la oportunidad de adquirir más conocimientos y comparar visualizaciones en varios tipos de técnicas de imagen, sino también por el contacto con las nuevas tecnologías. familiarizarse con su uso, e impulsar a pensar en nuevas aplicaciones, especialmente en el área de interés37.

La preparación de modelos en tecnología de impresión 3D, así como hologramas en tecnología de realidad mixta, requiere un compromiso mayor que el estándar, la planificación de su creación y la obtención de libertad para impartir clases con ellos. Cabe agregar que se trata de soluciones costosas, especialmente la realidad mixta, que requiere dispositivos que puedan mostrar hologramas (gafas), instalaciones de ingeniería, incluida una aplicación y su funcionamiento. La impresión 3D, debido a su mayor popularidad y menores costos38, es más fácil de implementar, pero requiere planificar la compra de una impresora y filamento si el departamento de anatomía desea crear sus propios modelos desde cero y software para crear imágenes listas para imprimir a partir de estudios de imagen DICOM.

CarnaLife Holo permite a los usuarios cargar datos de TC y resultados de segmentación, proporcionando un enfoque único que rara vez se aplica en el dominio de MR. Las técnicas actuales de última generación suelen visualizar modelos 3D utilizando el renderizado de superficies basado en archivos STL u OBJ39,40. En consecuencia, los usuarios solo pueden acceder a los resultados de la segmentación, con una capacidad limitada para ver directamente los datos originales. Esto puede plantear retos a la hora de analizar pequeñas estructuras o patologías, como las calcificaciones, donde la precisión de la segmentación es crítica.

A través de la visualización de datos sin procesar (renderizado de volúmenes), los usuarios pueden evaluar estructuras no solo por geometría, sino también analizando la distribución de las unidades de Hounsfield (densidad) dentro de la estructura. La segmentación automática del corazón, una técnica común que facilita la tediosa tarea de la segmentación manual, tiene sus limitaciones41. Está limitado por el número de estructuras que puede segmentar, especialmente en presencia de patologías, y requiere hardware de alto rendimiento para un procesamiento eficiente.

Para abordar estos desafíos, se ha propuesto una combinación de dos métodos de visualización: renderizado de volumen y renderizado de superficie. Este enfoque híbrido permite la visualización simultánea de estructuras segmentadas y la distribución de valores dentro de los datos analizados, ofreciendo a los usuarios una herramienta más completa para la interpretación de datos.

En el caso de la anatomía del corazón, la creación de un modelo 3D es complicada porque las herramientas automáticas estándar del programa son insuficientes para extraer tejido cardíaco de una imagen completa debido a la heterogeneidad del tamaño, la forma, la posición de las estructuras anatómicas, la presencia de artefactos y los límites borrosos (bajo contraste) entre los tejidos adyacentes. Por lo tanto, además de la segmentación por umbral, se debe realizar una segmentación supervisada por un médico en el mecanismo "corte por corte". La siguiente etapa es la adaptación del modelo a la impresión 3D, que incluye una mayor eliminación de las distorsiones resultantes del ruido durante la adquisición de la imagen. Después de la impresión, los modelos se disuelven suavemente en acetona para obtener una superficie más lisa. El uso de modelos listos para usar por parte de los estudiantes es simple, análogo a ver y discutir las preparaciones de cadáveres humanos. En el caso de la realidad mixta, cada vez, se requiere capacitación en el uso de la tecnología: fijación correcta de las gafas a la cabeza, así como control de voz y gestos. Debido al limitado material disponible, no es posible que participe un mayor número de estudiantes al mismo tiempo. Con el fin de aumentar la accesibilidad del material fotografiado, se utilizaron marcadores de estructuras anatómicas específicas para facilitar una discusión más rápida de las preparaciones: hologramas.

Dominar el proceso de segmentación y reconstrucción 3D en 3D Slicer puede ser un desafío para los principiantes, ya que implica aprender múltiples funcionalidades y flujos de trabajo. El desarrollo de la competencia generalmente requiere una práctica y experiencia significativas. En nuestras observaciones, lograr la confianza con el software requirió aproximadamente 20-30 horas de trabajo dedicado, que incluyó la segmentación de al menos 5-7 modelos de corazón distintos. 3D Slicer es una plataforma de código abierto que se beneficia de una sólida comunidad en línea. Ofrece amplios recursos de solución de problemas, foros de resolución de problemas y una gran cantidad de tutoriales y casos de uso. Estos recursos facilitan el proceso de aprendizaje al proporcionar una orientación accesible. Además, el uso de herramientas como los grandes modelos de lenguaje (LLM), como ChatGPT o Gemini, puede mejorar aún más la comprensión del software y sus funciones. Durante la fase de aprendizaje, el acceso a un mentor o supervisor con experiencia en imágenes médicas y anatomía resulta muy ventajoso. La retroalimentación inmediata sobre las estrategias de segmentación y la precisión acelera el desarrollo de habilidades y garantiza que se mantenga la precisión anatómica. Los principiantes deben anticipar que los intentos iniciales pueden llevar mucho tiempo y ser propensos a errores. Sin embargo, la práctica constante hace que los procesos de segmentación y refinamiento sean significativamente más intuitivos y eficientes. Es esencial abordar esta curva de aprendizaje con paciencia, ya que el compromiso constante con la herramienta mejora sustancialmente la velocidad y la precisión.

Los pasos críticos del protocolo presentado fueron la segmentación adecuada y la extracción del tejido cardíaco del estudio de imagen para crear un modelo tridimensional que sea útil para la impresión 3D y las tecnologías de realidad mixta.

La lección de anatomía del corazón utilizando la impresión 3D y la tecnología de realidad mixta fue muy bien recibida por los estudiantes, y la gran mayoría encontró útil el apoyo tecnológico, lo que permitió una mejor comprensión del tema discutido. Según los autores, las nuevas tecnologías deberían apoyar las soluciones didácticas clásicas existentes y ser cada vez más utilizadas.

Divulgaciones

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Maciej Stanuch, Marcel Pikuła, Oskar Trybus y Andrzej Skalski son empleados de MedApp S.A. MedApp S.A. es la empresa que fabrica la solución CarnaLifeHolo.

Agradecimientos

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El estudio se llevó a cabo en el marco de una cooperación no comercial.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Cortadora 3DLa comunidad de Slicerhttps://www.slicer.orgVersión 5.6.0
CarnaLifeHolo MedApp S.A.https://carnalifeholo.comSoftware de visualización 3D
Mezclador de mallaAutodesk Inc.https://www.research.autodesk.com/projects/meshmixer/Software de diseño de prototipos
Ender 3 Creality https://www.creality.com/products/ender-3-3d-printerImpresora 3D
CuraUltiMaker https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura/Software de impresión 3D

Referencias

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