Article de méthode

Technologie de réalité mixte et impression tridimensionnelle dans l’enseignement : l’anatomie du cœur comme exemple

DOI :

10.3791/67850

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18 avril 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

Dans cet article

Résumé

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

Ici, nous décrivons un protocole pour construire un modèle cardiaque à partir de zéro basé sur la tomodensitométrie et le présentons aux étudiants en médecine en utilisant l’impression tridimensionnelle (3D) et la technologie de réalité mixte pour apprendre l’anatomie.

Résumé

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

La technologie de réalité mixte et l’impression tridimensionnelle (3D) sont de plus en plus courantes dans le domaine de la médecine. Pendant la pandémie de COVID-19 et immédiatement après l’assouplissement des restrictions, de nombreuses innovations ont été mises en œuvre dans l’enseignement des futurs médecins. Il y avait également un intérêt pour les techniques immersives et la technologie d’impression 3D dans l’enseignement de l’anatomie. Cependant, il ne s’agit pas d’implémentations courantes. En 2023, des impressions 3D et des hologrammes en technologie de réalité mixte ont été préparés pour des cours axés sur la structure du cœur. Ils ont été utilisés pour enseigner aux étudiants, qui, avec le soutien d’ingénieurs, ont pu en apprendre davantage sur la structure détaillée du cœur et se familiariser avec les nouvelles technologies qui soutiennent le modèle traditionnel d’apprentissage sur des cadavres humains. Les étudiants trouvent cette possibilité très précieuse. L’article présente le processus de préparation du matériel pour les cours et d’autres possibilités de mise en œuvre. Les auteurs voient une opportunité pour le développement des technologies présentées dans l’enseignement des élèves à différents niveaux de l’éducation et la justification d’une mise en œuvre de plus en plus large.

Introduction

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La technologie d’impression tridimensionnelle (3D) et la réalité mixte sont des réalisations technologiques de plus en plus couramment utilisées en médecine. De plus en plus d’applications se trouvent non seulement dans la pratique clinique quotidienne de nombreux spécialistes de divers domaines, mais aussi dans l’enseignement des résidents et des futurs médecins, c’est-à-dire des étudiants en médecine 1,2,3,4,5,6.

La technologie d’impression 3D est souvent utilisée pour imprimer des modèles anatomiques, proposés principalement par des entités commerciales, mais l’intérêt croissant des étudiants pour ce type de préparation à l’apprentissage est une impulsion pour introduire des innovations dans les départements d’anatomie des universités de médecine7. Des préparations peuvent être créées à partir de données provenant d’atlas anatomiques, de dessins et de gravures, mais aussi sur la base d’études d’imagerie telles que la tomodensitométrie ou l’imagerie par résonance magnétique 1,8,9. Il est possible d’imprimer des préparations anatomiques sur une imprimante 3D à différentes échelles, et il est possible d’utiliser des couleurs, des marqueurs et d’autres variations pour augmenter l’accessibilité du matériel pédagogique10,11. Malgré la disponibilité accrue du matériel, les étudiants en médecine en Pologne n’ont pas un large accès à ce type de préparation, indépendamment de la volonté déclarée de soutenir le modèle d’enseignement classique actuel, basé sur la préparation de cadavres humains, avec l’ajout de nouvelles technologies qui ne sont pas encore pleinement mises en œuvre.

La technologie de réalité mixte est l’intégration du monde virtuel avec le monde réel. Grâce à des lunettes qui permettent de visualiser des hologrammes préalablement préparés, ils peuvent être « superposés » aux objets environnants dans le monde réel12. Les hologrammes peuvent être manipulés dans l’espace, par exemple, agrandis, réduits ou pivotés, ce qui rend l’image visualisée mieux visualisée, accessible et plus utile. La réalité mixte est de plus en plus utilisée par les opérateurs dans les disciplines chirurgicales, par exemple la chirurgie cardiaque 3,13l’orthopédie 14,15,16,17, l’oncologie18. De plus en plus, en particulier dans la période qui a suivi la pandémie de COVID-19, les didacticiens dans le domaine des sciences médicales fondamentales s’intéressent aux nouvelles technologies, y compris la réalité mixte, afin de les mettre en œuvre dans la formation des futurs médecins 19,20,21. Les enseignants universitaires qui enseignent l’anatomie normale trouvent également de la place pour introduire la réalité mixte dans leur domaine 22,23,24,25,26. La création d’hologrammes nécessite une étude d’imagerie, le plus souvent une tomographie assistée par ordinateur, qui est rendue et traitée par des ingénieurs à l’aide d’un logiciel dédié dans une version holographique - utilisable avec des lunettes de protection.

Nous avons décidé de créer du matériel utile pour que les étudiants apprennent l’anatomie du cœur humain dans le cadre des cours d’anatomie de la première année d’études médicales. À cette fin, un angio-scanner du cœur a été utilisé, mis à disposition par le Département de cardiologie après anonymisation complète préalable des données. Répartis en deux équipes, nous avons créé des hologrammes et des impressions 3D, qui ont ensuite été mis à la disposition des élèves dans le cadre d’un cours pilote. Les étudiants ont très bien évalué l’accessibilité et la précision des matériaux, mais une étude détaillée sur ce sujet sera présentée plus tard - les résultats sont actuellement en cours d’évaluation.

Ici, nous montrons le processus de création de modèles à partir de la tomodensitométrie jusqu’à la présentation de modèles prêts à l’emploi mis en œuvre dans la pratique pédagogique.

Protocole

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

Le protocole suit les directives du Comité d’éthique de la recherche sur l’homme de l’Université de médecine de Silésie. Les données d’imagerie du patient ont été utilisées après anonymisation complète.

1. 3D Printing - Segmentation et reconstruction du modèle cardiaque 3D

  1. Téléchargement et prétraitement des images
    1. Ouvrez 3D Slicer 5.6.0 et accédez au module de données27.
    2. Cliquez sur Ajouter des données et sélectionnez les images de tomodensitométrie spécifiques au patient au format DICOM. Assurez-vous que les images sont téléchargées dans le bon sens.
    3. Évaluez la qualité des images en inspectant les vues axiales, sagittales et coronales dans le visualiseur de tranches. Vérifiez qu’il y a suffisamment de contraste pour faire la distinction entre le myocarde et les cavités cardiaques.
    4. Si le contraste est insuffisant, ajustez les paramètres Fenêtre/Niveau pour améliorer la différenciation des tissus à l’aide du module Volumes. Réglez la fenêtre sur 350 HU et le niveau sur 40 HU comme point de départ, et modifiez-le si nécessaire.
    5. Confirmer la visibilité des régions anatomiques d’intérêt (ROI), y compris le myocarde et les cavités cardiaques internes.
  2. Segmentation basée sur des seuils
    1. Accédez au module Éditeur de segments et cliquez sur Ajouter pour créer une nouvelle segmentation.
    2. Sélectionnez Seuil dans les outils de segmentation. Réglez le seuil inférieur à 100 HU et le seuil supérieur à 300 HU pour isoler les tissus mous.
      REMARQUE : Ces valeurs peuvent varier en fonction de la qualité de l’image et des caractéristiques spécifiques au patient.
    3. Ajustez manuellement la plage de seuil pour affiner le retour sur investissement en faisant glisser les curseurs ou en saisissant des valeurs jusqu’à ce que le myocarde et les cavités cardiaques soient clairement isolés. Utilisez l’inspection visuelle dans les vues axiale, sagittale et coronale pour assurer une sélection appropriée.
    4. Confirmez que toutes les zones anatomiques pertinentes sont capturées. Si nécessaire, passez à l’outil Peinture pour ajouter ou supprimer manuellement des zones de la segmentation qui n’ont pas été correctement capturées par le seuillage.
    5. Cliquez sur Appliquer pour finaliser la segmentation de la sélection basée sur le seuil (Figure 1)
  3. Correction manuelle tranche par tranche
    1. À l’aide des outils Ciseaux ou Effacer de l’éditeur de segments, inspectez manuellement chaque tranche de l’ensemble de données CT. Corrigez les inexactitudes, telles que celles causées par des artefacts ou un faible contraste, en supprimant ou en ajoutant des régions segmentées si nécessaire.
    2. Pour chaque tranche, concentrez-vous sur l’identification précise du myocarde et des cavités cardiaques internes. En cas d’ambiguïté, consultez un professionnel de la santé ou une référence anatomique pour assurer l’exactitude.
    3. Séparez le cœur en deux segments distincts : l’un pour le myocarde et l’autre pour les cavités internes. Utilisez le bouton Créer un nouveau segment pour différencier ces structures.
    4. Poursuivez l’inspection et la correction tranche par tranche jusqu’à ce que toutes les coupes des plans axial, sagittal et coronal soient corrigées et segmentées.
  4. Post-traitement et exportation de modèles
    1. Importez les fichiers STL exportés dans MeshMixer (Figure 2, appelé logiciel de conception de prototypes).
      1. Commencez par éliminer les petits artefacts et assurez-vous de l’uniformité du modèle en sélectionnant Modifier > Rendre solide.
      2. Dans la fenêtre contextuelle, choisissez Type solide comme Précision pour conserver les détails précis de la segmentation. Ajustez le curseur Précision solide sur une valeur comprise entre 0,8 et 1,0 pour une fidélité optimale.
    2. Après avoir solidifié le modèle, procédez à la suppression manuelle des artefacts. Utilisez l’outil Effacer et remplir pour reconstruire les surfaces perturbées. Vous pouvez y accéder sous Sélectionner > Modifier > Effacer et remplir.
    3. Cliquez et faites glisser pour sélectionner les zones problématiques, puis utilisez l’option Remplissage pour restaurer la continuité de surface. Assurez-vous que les régions remplies se fondent correctement avec la géométrie environnante.
    4. Pour affiner la surface, utilisez l’outil Sélectionner pour mettre en évidence des zones spécifiques du modèle qui nécessitent un lissage. Une fois sélectionné, accédez à Modifier > Lisser et appliquez l’outil de manière itérative.
    5. Ajustez le curseur Smooth Strength entre 10 et 50 %, en fonction de la gravité des irrégularités de surface. Soyez prudent pour maintenir une précision anatomique tout en lissant. Utilisez Maj + Clic gauche pour désélectionner les zones qui ne nécessitent pas de modification.
    6. Une fois le lissage terminé, utilisez l’outil Inspecteur pour identifier et remplir automatiquement tous les trous restants dans le maillage. Vérifiez visuellement le modèle pour vous assurer qu’il n’y a pas d’artefacts majeurs ou d’irrégularités de surface.
    7. Pour intégrer le myocarde et les cavités cardiaques internes dans un modèle cohérent, appliquez des opérations booléennes . Allez dans Modifier >union booléenne et sélectionnez les deux parties distinctes (myocarde et chambres) pour les fusionner.
    8. Assurez-vous que l’opération relie correctement les structures sans créer de trous ou de chevauchements internes. Inspectez les intersections et ajustez-les si nécessaire en affinant manuellement les zones de fusion à l’aide de l’option Effacer et remplissage ou Lisser (Figure 3).
    9. Une fois le modèle unifié et affiné, exportez le fichier STL final en sélectionnant Exporter > STL pour la préparation de l’impression 3D.
  5. Préparation du modèle pour l’impression 3D
    1. Sélection des matériaux et paramètres de l’imprimante
      1. Utilisez un filament d’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), qui permet un post-traitement facile, comme le lissage à l’acétone.
        REMARQUE : L’ABS est sensible aux fluctuations de température, assurez-vous donc d’un environnement stable pendant l’impression.
      2. Optez pour une imprimante 3D fermée pour un meilleur contrôle de la température.
    2. Paramètres de l’imprimante et du slicer
      1. Modèle d’imprimante : utilisez l’imprimante appropriée. Ici, c’est la Creality Ender 3 avec un boîtier métallique sur mesure qui a été utilisée.
      2. Matériau du filament : Utilisez de l’ABS.
      3. Configurez les paramètres suivants dans Cura ou un logiciel de découpage similaire.
        Diamètre de la buse : 0,5 mm
        Température de la buse : ~240 °C (ajuster en fonction de la marque du filament)
        Température du lit : ~100 °C
        Hauteur de la couche : 0,24 mm
        Vitesse d’impression : ~100 mm/s (réduite à 50-60 mm/s pour une meilleure qualité)
        Densité de remplissage : 25 % (pour équilibrer la résistance et l’utilisation des matériaux)
        Supports : Activez les supports automatiques (par exemple, les supports d’arbres)
        Ventilateur de refroidissement : Éteignez pour éviter le gauchissement
        Aides à l’adhérence : Utilisez un bord ou un radeau pour améliorer l’adhérence du lit
      4. Assurez-vous de l’étalonnage de l’imprimante et ajustez les paramètres en fonction (a) des tolérances spécifiques à l’imprimante, (b) des propriétés du filament ABS et (c) du compromis souhaité entre la vitesse d’impression et la qualité de surface.
    3. Structures de support et post-traitement
      1. Structures de support : Générez des supports dans le logiciel de tranchage à l’aide d’outils intégrés (par exemple, Cura) pour stabiliser les éléments en porte-à-faux pendant l’impression. Vérifiez que les supports n’interfèrent pas avec les détails anatomiques délicats.
      2. Retrait du support : Laissez le modèle imprimé refroidir complètement pour éviter de l’endommager lors du retrait du support. Retirez les supports avec précaution. Utilisez une pince à bec effilé pour un soutien plus étendu. Pour les zones plus petites ou délicates, retirez délicatement les supports à la main.
      3. Finition de surface : inspectez le modèle imprimé pour détecter les zones rugueuses, en particulier là où les supports ont été fixés. Lissez ces zones à l’aide de papier de verre à grain fin (par exemple, grain 200-400), de petites limes pour des détails précis, et visez une surface propre et continue pour améliorer la précision anatomique.
      4. Post-traitement avancé (en option) : Si une finition polie est requise, préparez une chambre de lissage à la vapeur avec de l’acétone et exposez le modèle à des vapeurs d’acétone pendant ~9 min (effectuez cette étape dans un endroit bien ventilé avec des précautions de sécurité appropriées [par exemple, gants, lunettes]), et laissez le modèle sécher complètement avant de le manipuler.
  6. Points de pause.
    1. Mettez le protocole en pause après chaque correction de tranche à l’étape 1.3.1 en enregistrant le projet dans 3D Slicer. Reprenez la segmentation ultérieurement sans perte de données.
    2. À l’étape 1.4.1, après avoir exporté les fichiers STL, si nécessaire, interrompez les étapes de post-traitement car elles ne nécessitent pas de continuité.

2. Réalité mixte

REMARQUE : Transformez les fichiers cardiaques CT DICOM en une représentation holographique à l’aide de CarnaLife Holo (appelé logiciel de réalité mixte).

  1. Préparez le matériel.
    1. Allumez l’ordinateur portable et branchez-le sur une prise de courant. Allumez le casque de réalité mixte.
    2. Connectez le routeur à l’ordinateur portable.
  2. Chargez l’image CT dans le casque de réalité mixte à partir des fichiers CT DICOM acquis.
    1. Ouvrez le logiciel de réalité mixte et connectez-vous (Figure 4).
    2. Sélectionnez le dossier approprié avec les tomodensitogrammes. Sélectionnez la série correcte de données CT (Figure 5).
    3. Vérifiez l’adresse IP affichée lorsque le casque est allumé et saisissez-la à l’endroit désigné dans le logiciel de réalité mixte.
    4. Cliquez sur le bouton Connecter pour voir la visualisation sur le casque de réalité mixte.
  3. Segmentez la structure du cœur à l’aide d’un outil de segmentation manuel à l’aide de l’option Ciseaux (Figure 6). Avec lui, marquez les zones qui seront supprimées de la reconstruction des données CT par clic gauche et glisser-glisser.
    1. Terminez le marquage de la zone de coupe en cliquant sur le bouton gauche de la souris, puis en confirmant la coupe dans la fenêtre contextuelle.
  4. Choisissez un préréglage prédéfini (paramètres de visualisation des couleurs) adapté à la visualisation de la structure cardiaque dans une liste de préréglages disponibles en cliquant sur son nom : CT CARDIAC HOLLOW.
    1. Si nécessaire, ajustez la visualisation en changeant la fenêtre à l’aide du clic droit et maintenez le bouton de la souris enfoncé tout en déplaçant le curseur dans la vue 3D.
  5. Chargez des modèles de surface 3D des ventricules et des oreillettes gauche et droit.
    1. Cliquez sur la section Modèles 3D dans le logiciel de réalité mixte. Cliquez sur le bouton Charger les modèles .
    2. Accédez au dossier contenant les modèles de surface. Sélectionnez les quatre fichiers et confirmez en cliquant sur Ouvrir. Ajustez les couleurs des modèles visualisés (Figure 7).
      1. Cliquez sur l’icône du crayon dans la liste des modèles 3D. Cliquez sur l’onglet Aspect dans la fenêtre contextuelle visible.
      2. Cliquez sur le carré blanc à côté de l’étiquette Couleur . Sélectionnez une couleur appropriée à l’aide de la fenêtre contextuelle du sélecteur de couleurs . Confirmez en cliquant sur le bouton OK . Faites un clic gauche sur Vue 3D.
      3. Répétez toutes les étapes pour les autres modèles de surface.
  6. Créez des annotations de structures anatomiques sur des vues 2D en utilisant trois vues 2D (axiale, sagittale et coronale) pour placer le point d’annotation à l’endroit approprié.
    1. Cliquez sur la section Annoter dans le logiciel.
    2. Sur le côté droit de la fenêtre de l’application (dans la disposition par défaut de l’application) se trouvent trois vues 2D des données reconstruites.
      1. Parcourez les tranches en cliquant sur les icônes Flèche simple ou double à côté du curseur sur le côté droit de chaque vue 2D.
      2. Modifiez la tranche en cliquant et en maintenant le bouton Maj gauche tout en faisant défiler avec la molette de la souris.
      3. Modifiez la tranche en faisant glisser des lignes bleues, rouges ou vertes (représentations planes 2D).
    3. Après avoir configuré la bonne tranche sur la vue 2D sélectionnée, zoomez avec la molette de la souris et placez le point d’annotation en cliquant avec le bouton gauche. L’annotation sera créée à l’endroit où vous avez cliqué.
    4. Retournez à la section Annoter et cliquez sur l’icône Crayon sur l’annotation dans la liste des annotations avec le numéro d’identification correspondant.
    5. Dans la partie inférieure de la fenêtre contextuelle, entrez le texte de l’annotation, par exemple, « Ventricule gauche ».
    6. Ajustez les couleurs, l’épaisseur et la taille des annotations dans cette fenêtre contextuelle. Revenez à la vue 2D avec l’annotation placée.
    7. Saisissez et déplacez l’étiquette d’annotation à l’extérieur du plan 2D vers un endroit approprié.
    8. Répétez toutes les étapes pour toutes les structures anatomiques qui doivent être annotées.
  7. Chargez l’état de visualisation pour obtenir des annotations enregistrées des structures anatomiques dans la visualisation.
    1. Cliquez sur l’icône Charger le fichier à côté de l’icône de disquette dans le coin supérieur droit de la vue 3D. Dans la fenêtre contextuelle, cliquez sur l’icône Dossier , accédez au répertoire contenant le fichier d’état de visualisation enregistré, puis cliquez sur Sélectionner un dossier.
    2. Si cette option est sélectionnée correctement et s’il existe un fichier valide pour ces données particulières, une liste de fichiers d’état de visualisation applicables remplacera l’avertissement Aucun fichier trouvé par les noms des états que l’utilisateur peut charger.
    3. Faites un clic gauche sur un état de visualisation approprié pour le sélectionner et confirmez en cliquant sur le bouton Charger. Après le chargement, l’utilisateur sera invité à indiquer l’état de la visualisation de chargement.
  8. Pour voir la visualisation préparée dans l’espace holographique, mettez le casque et utilisez la commande vocale Localisez ici pour apporter la reconstruction holographique CT scan 3D devant les yeux. Ajustez-le à l’aide de commandes vocales, par exemple Rotate, Zoom, Cut Smart, et combinez-le avec des gestes de la main (Figure 8).
  9. Utilisez la commande vocale Cut Smart pour appliquer et ajuster le plan de coupe perpendiculairement à la ligne de visée.
  10. Déplacez et tournez la tête pour traduire le mouvement et l’orientation du plan de coupe appliqué. Approchez-vous de l’hologramme pour déplacer le plan de coupe plus profondément dans la reconstruction holographique. Tournez la tête de 90° dans le sens des aiguilles d’une montre, pour faire pivoter le plan de coupe de 90° dans le sens des aiguilles d’une montre, etc.
  11. Effectuez ces mouvements pour voir les parties internes de la structure cardiaque, la visualisation holographique et les modèles de surface précédemment chargés et les annotations des structures anatomiques.

Résultats

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

Le protocole de segmentation et de reconstruction 3D a permis d’obtenir deux résultats principaux pour l’entraînement en anatomie : un modèle cardiaque imprimé en 3D et une visualisation IRM 3D du cœur. Ces résultats, qui utilisent des données de tomodensitométrie spécifiques au patient, fournissent des outils complémentaires aux étudiants pour s’engager dans des expériences d’apprentissage pratiques et immersives.

Le modèle cardiaque imprimé en 3D permet aux élèves d’interagir physiquement avec une représentation tangible de l’anatomie cardiaque. Ce modèle présente des caractéristiques externes distinctes, telles que le myocarde, ainsi que des structures internes, y compris les chambres et les valves. Dans les expériences réussies, la précision anatomique était élevée, avec des caractéristiques bien définies et un minimum d’artefacts après le post-traitement. La figure 9 montre un modèle imprimé en 3D entièrement traité avec une différenciation claire entre le myocarde et les chambres internes. Dans les cas où le contraste des images CT n’était pas optimal, les erreurs de segmentation entraînaient des inexactitudes dans le modèle, telles que des tailles de chambre irrégulières ou des structures valvulaires incomplètes. Ces problèmes pouvaient souvent être corrigés par une intervention manuelle, y compris un lissage supplémentaire et la suppression d’artefacts, comme le montre la figure 10.

En revanche, la visualisation 3D en réalité mixte offre une expérience dynamique et interactive où les étudiants peuvent explorer le cœur dans l’espace virtuel. L’environnement IRM permet une interaction en temps réel, y compris la rotation, le zoom et le sectionnement à travers différents plans anatomiques, ce qui permet une compréhension plus détaillée de structures complexes telles que les artères coronaires ou les parois septales. Les mises en œuvre réussies de la visualisation IRM ont présenté des représentations très précises de l’anatomie externe et interne. Cependant, des visualisations sous-optimales (par exemple, où la segmentation était défectueuse) ont conduit à des vues déformées des structures internes, affectant le réalisme et l’efficacité de l’enseignement du modèle RM (Figure 11). Pour les structures anatomiques complexes, l’approche de segmentation peut ne pas être suffisante. Grâce à la possibilité de rendu volumétrique, il est possible de visualiser différentes densités (représentées par les unités de Hounsfield) qui sont importantes pour comprendre l’anatomie (Figure12).

Les techniques offrent des outils robustes et complémentaires qui enrichissent l’expérience d’apprentissage en fournissant des modèles précis et manipulables, bien que leur succès dépende de la qualité de la segmentation et de la reconstruction dans les premières étapes du protocole. Dans l’ensemble, ces résultats démontrent l’efficacité du protocole dans la création de modèles cardiaques précis à partir de données de tomodensitométrie spécifiques au patient. Ces résultats démontrent l’efficacité du protocole à créer des modèles cardiaques précis à partir de données de tomodensitométrie spécifiques au patient.

Une étude préliminaire a été menée pour évaluer les perceptions des étudiants de la technologie de réalité mixte dans l’enseignement de l’anatomie, en particulier dans l’apprentissage de la structure du cœur. L’étude a impliqué 106 étudiants qui, sous la supervision d’ingénieurs, ont pu utiliser des hologrammes à des fins d’apprentissage. À la fin de la session, on leur a demandé : « La technologie de réalité mixte vous a-t-elle aidé à mieux comprendre le sujet de la structure du cœur ? » Tous les répondants (100 %) ont répondu « oui ». Les connaissances des étudiants ont été évaluées immédiatement après la séance par le biais d’un court test écrit leur demandant de décrire trois structures anatomiques liées à la morphologie du cœur. Le score moyen était de 2,037 contre un score total de 3 (tableau 1).

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Figure 1 : Segmentation du cœur par tomodensitométrie. Vues axiale (en haut à gauche), coronale (en bas à gauche), sagittale (en bas à droite) et 3D (en haut à droite) de la segmentation CT sur le logiciel 3D Slicer. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 2 : Post-traitement. Vues de modèles 3D de segmentation sur le logiciel de conception de prototypes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 3 : Après le post-traitement. Vues de modèles 3D de segmentation sur le logiciel de conception de prototypes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 4 : Vue du logiciel de réalité mixte. Écran de démarrage de l’application. Panneau de connexion clair et accessible. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 5 : Sélection de la bonne série dans le logiciel de réalité mixte. Sélection d’images de tomodensitométrie disponibles pour la visualisation holographique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 6 : Option ciseaux pour découper des parties de visualisation dans le logiciel de réalité mixte. Un outil qui permet d’ajuster l’hologramme aux besoins de l’utilisateur en temps réel. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 7 : Ajustement des couleurs de la visualisation holographique dans le logiciel de réalité mixte. L’ajout de couleurs à la visualisation augmente l’accessibilité et la clarté des hologrammes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 8 : Visualisations dans l’espace holographique créées avec le logiciel de réalité mixte. Un hologramme tridimensionnel avec des couleurs mises en évidence et des marqueurs de tomodensitométrie pour aider à l’orientation dans l’espace. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 9 : Après post-traitement et opération booléenne Aperçu « x-ray ». Vue des modèles 3D sur le logiciel de conception de prototypes. Modèle imprimé en 3D entièrement traité avec une différenciation claire entre le myocarde et les chambres internes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 10 : Après avoir découpé le modèle dans une projection à quatre chambres, la pièce finale imprimée en 3D est prévisualisée. Vue des modèles 3D sur le logiciel de conception de prototypes. Lissage supplémentaire et élimination des artefacts. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 11 : Visualisation des données de tomodensitométrie dans le logiciel de réalité mixte. Le rendu de surface représente le résultat d’une sur-segmentation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 12 : Visualisation exemplaire des données de tomodensitométrie dans le logiciel de réalité mixte. Le rendu volumique, qui permet de visualiser différentes densités. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Nombre total d’étudiants (n)106
Nombre d’élèves qui ont utilisé des hologrammes à des fins d’apprentissage (n)106
Nombre d’étudiants ayant répondu « OUI » à la question « La technologie de réalité mixte vous a-t-elle aidé à mieux comprendre le sujet – la structure du cœur ? » n)106
Nombre d’étudiants ayant répondu « NON » à la question « La technologie de réalité mixte vous a-t-elle aidé à mieux comprendre le sujet – la structure du cœur ? » n)0
Note minimale0
Note maximale3
Note moyenne des étudiants qui ont passé un court test écrit pour décrire trois structures anatomiques liées à la morphologie du cœur2.037
Note totale3

Tableau 1 : Données préliminaires de l’étude.

Discussion

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

L’anatomie moderne est basée principalement sur des méthodes classiques et éprouvées connues depuis des centaines d’années. Les cadavres humains sont la base de l’enseignement des futurs médecins, et les anatomistes soulignent leur rôle non seulement dans la compréhension des structures du corps humain, mais aussi dans la formation des attitudes éthiques28,29. Le développement de la technologie est vaste non seulement dans les procédures cliniques quotidiennes, mais aussi dans l’enseignement, d’où la tentative de mettre en œuvre l’impression 3D 7,30,31,32 et la réalité mixte dans l’enseignement de l’anatomie 33,34,35,36. Actuellement, le travail des médecins repose en grande partie sur des solutions modernes, des équipements et une numérisation au sens large, et la part croissante de l’automatisation, de la robotisation et de la mise en œuvre de solutions innovantes progressera, en tenant compte de la tendance qui se poursuit depuis des années.

Compléter les formes classiques d’enseignement par l’impression 3D, les cours utilisant la réalité mixte ou l’échographie peut avoir un impact très positif sur la préparation des futurs médecins à la profession, non seulement en raison de la possibilité d’acquérir plus de connaissances et de comparer les visualisations dans différents types de techniques d’imagerie, mais aussi en raison du contact avec les nouvelles technologies. se familiariser avec leur utilisation, et donner l’impulsion nécessaire pour réfléchir à de nouvelles applications, en particulier dans le domaine d’intérêt37.

La préparation de modèles dans la technologie d’impression 3D, ainsi que d’hologrammes dans la technologie de réalité mixte, nécessite un engagement plus que standard, la planification de leur création et la liberté de mener des cours qui les utilisent. Il faut ajouter qu’il s’agit de solutions coûteuses, notamment la réalité mixte, qui nécessite des appareils capables d’afficher des hologrammes (lunettes), des installations d’ingénierie - y compris une application et son fonctionnement. L’impression 3D, en raison de sa plus grande popularité et de ses coûts inférieurs38, est plus facile à mettre en œuvre mais nécessite de planifier l’achat d’une imprimante et d’un filament si le département d’anatomie souhaite créer ses propres modèles à partir de zéro et d’un logiciel pour créer des images prêtes à être imprimées à partir d’études d’imagerie DICOM.

CarnaLife Holo permet aux utilisateurs de télécharger à la fois des données de tomodensitométrie et des résultats de segmentation, offrant une approche unique rarement appliquée dans le domaine de la RM. Les techniques de pointe actuelles visualisent généralement des modèles 3D à l’aide d’un rendu de surface basé sur des fichiers STL ou OBJ39,40. Par conséquent, les utilisateurs ne peuvent accéder qu’aux résultats de segmentation, avec une capacité limitée à afficher directement les données d’origine. Cela peut poser des défis lors de l’analyse de petites structures ou de pathologies, telles que les calcifications, où la précision de la segmentation est essentielle.

Grâce à la visualisation des données brutes (rendu volumique), les utilisateurs peuvent évaluer les structures non seulement par géométrie, mais aussi en analysant la distribution des unités de Hounsfield (densité) au sein de la structure. La segmentation automatique du cœur, une technique courante qui facilite la tâche fastidieuse de la segmentation manuelle, a ses limites41. Il est contraint par le nombre de structures qu’il peut segmenter, notamment en présence de pathologies, et nécessite un matériel performant pour un traitement efficace.

Pour répondre à ces défis, une combinaison de deux méthodes de visualisation - le rendu volumique et le rendu de surface - a été proposée. Cette approche hybride permet la visualisation simultanée de structures segmentées et la distribution de valeurs au sein des données analysées, offrant aux utilisateurs un outil plus complet d’interprétation des données.

Dans le cas de l’anatomie cardiaque, la création d’un modèle 3D est compliquée car les outils automatiques standard du programme sont insuffisants pour extraire le tissu cardiaque d’une image complète en raison de l’hétérogénéité de la taille, de la forme, de la position des structures anatomiques, de la présence d’artefacts et des frontières floues (faible contraste) entre les tissus adjacents. Par conséquent, en plus de la segmentation par seuil, une segmentation supervisée par un médecin dans le mécanisme « tranche par tranche » doit être effectuée. L’étape suivante est l’adaptation du modèle à l’impression 3D, ce qui comprend l’élimination des distorsions résultant du bruit lors de l’acquisition de l’image. Après l’impression, les modèles sont doucement dissous dans de l’acétone pour obtenir une surface plus lisse. L’utilisation de modèles prêts à l’emploi par les élèves est simple, c’est-à-dire qu’elle revient à voir et à discuter des préparations de cadavres humains. Dans le cas de la réalité mixte, à chaque fois, une formation est nécessaire à l’utilisation de la technologie - fixation correcte des lunettes à la tête, ainsi que contrôle de la voix et des gestes. En raison du nombre limité d’équipements disponibles, il n’est pas possible d’avoir un plus grand nombre d’élèves participant en même temps. Afin d’augmenter l’accessibilité du matériel imagé, des marqueurs de structures anatomiques spécifiques ont été utilisés pour faciliter une discussion plus rapide des préparations - hologrammes.

Maîtriser le processus de segmentation et de reconstruction 3D dans 3D Slicer peut être difficile pour les débutants, car cela implique l’apprentissage de plusieurs fonctionnalités et flux de travail. Le développement des compétences nécessite généralement une pratique et une expérience considérables. D’après nos observations, la mise en confiance du logiciel a nécessité environ 20 à 30 heures de travail dédié, ce qui comprenait la segmentation d’au moins 5 à 7 modèles cardiaques distincts. 3D Slicer est une plate-forme open-source qui bénéficie d’une solide communauté en ligne. Il propose de nombreuses ressources de dépannage, des forums de résolution de problèmes et une multitude de tutoriels et de cas d’utilisation. Ces ressources facilitent le processus d’apprentissage en fournissant des conseils accessibles. De plus, l’utilisation d’outils tels que les grands modèles de langage (LLM), y compris ChatGPT ou Gemini, peut encore améliorer la compréhension du logiciel et de ses fonctionnalités. Lors de la phase d’apprentissage, l’accès à un mentor ou à un superviseur expérimenté en imagerie médicale et en anatomie s’avère très avantageux. Un retour d’information immédiat sur les stratégies de segmentation et la précision accélère le développement des compétences et garantit le maintien de la précision anatomique. Les débutants doivent s’attendre à ce que les premières tentatives puissent prendre du temps et être sujettes à des erreurs. Cependant, une pratique cohérente rend les processus de segmentation et d’affinement nettement plus intuitifs et efficaces. Il est essentiel d’aborder cette courbe d’apprentissage avec patience, car un engagement constant avec l’outil améliore considérablement la vitesse et la précision.

Les étapes critiques du protocole présenté étaient la segmentation et l’extraction correctes du tissu cardiaque de l’étude d’imagerie afin de créer un modèle tridimensionnel utile pour l’impression 3D et les technologies de réalité mixte.

La leçon d’anatomie du cœur utilisant l’impression 3D et la technologie de réalité mixte a été très bien accueillie par les étudiants, et la grande majorité a trouvé le support technologique utile - permettant une meilleure compréhension du sujet abordé. Selon les auteurs, les nouvelles technologies devraient soutenir les solutions didactiques classiques existantes et être de plus en plus largement utilisées.

Déclarations de divulgation

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Maciej Stanuch, Marcel Pikuła, Oskar Trybus et Andrzej Skalski sont des employés de MedApp S.A. MedApp S.A. est la société qui fabrique la solution CarnaLifeHolo.

Remerciements

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L’étude a été réalisée dans le cadre d’une coopération non commerciale.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Trancheuse 3DLa communauté Slicerhttps://www.slicer.orgVersion 5.6.0
CarnaLifeHolo  ;MedApp S.A.https://carnalifeholo.comLogiciel de visualisation 3D
Mélangeur de maillesAutodesk Inc.https://www.research.autodesk.com/projects/meshmixer/Logiciel de conception de prototypes
Ender 3  ;Creality  ;https://www.creality.com/products/ender-3-3d-printerImprimante 3D
CuraUltiMaker  ;https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura/Logiciel d’impression 3D

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Mots-clés

Enseignement de l anatomiemod les imprim s en 3Dhologrammes du c urducation m dicalesegmentation par TDMrendu volumiqueplanification chirurgicale

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