Name: Combiner la réalité augmentée et limpression 3D pour afficher les modèles de patients sur un smartphone (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-01-02T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 26 s
Description: Apprenez à créer une application de réalité augmentée pour visualiser des modèles anatomiques 3D à partir d'imagerie médicale. Cette méthode combine l'impression 3D et Unity Engine pour améliorer la compréhension patient.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ce rapport a été soutenu par les projets PI18/01625 et PI15/02121 (Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades, Instituto de Salud Carlos III et European Regional Development Fund "Una manera de hacer Europa") et IND2018/TIC-9753 (Comunidad de Madrid).

<ol><li>Coles, T. R., John, N. W., Gould, D., Caldwell, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrating+Haptics+with+Augmented+Reality+in+a+Femoral+Palpation+and+Needle+Insertion+Training+Simulation%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Haptics%22%5BJournal%5D)">Integrating Haptics with Augmented Reality in a Femoral Palpation and Needle Insertion Training Simulation.</a> IEEE Transactions on Haptics. 4 (3), 199-209 (2011).</li>
<li>Pelargos, P. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utilizing+virtual+and+augmented+reality+for+educational+and+clinical+enhancements+in+neurosurgery%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Clinical+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Utilizing virtual and augmented reality for educational and clinical enhancements in neurosurgery.</a> Journal of Clinical Neuroscience. 35, 1-4 (2017).</li>
<li>Abhari, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Training+for+Planning+Tumour+Resection%3A+Augmented+Reality+and+Human+Factors%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Training for Planning Tumour Resection: Augmented Reality and Human Factors.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 62 (6), 1466-1477 (2015).</li>
<li>Uppot, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implementing+Virtual+and+Augmented+Reality+Tools+for+Radiology+Education+and+Training%2C+Communication%2C+and+Clinical+Care%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Implementing Virtual and Augmented Reality Tools for Radiology Education and Training, Communication, and Clinical Care.</a> Radiology. 291, 182210(2019).</li>
<li>Pratt, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Through+the+HoloLensTM+looking+glass%3A+augmented+reality+for+extremity+reconstruction+surgery+using+3D+vascular+models+with+perforating+vessels%5BTitle%5D)+AND+%22European+Radiology+Experimental%22%5BJournal%5D)">Through the HoloLensTM looking glass: augmented reality for extremity reconstruction surgery using 3D vascular models with perforating vessels.</a> European Radiology Experimental. 2 (1), 2(2018).</li>
<li>Rose, A. S., Kim, H., Fuchs, H., Frahm, J. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+augmented-reality+applications+in+otolaryngology-head+and+neck+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22The+Laryngoscope%22%5BJournal%5D)">Development of augmented-reality applications in otolaryngology-head and neck surgery.</a> The Laryngoscope. , (2019).</li>
<li>Zhou, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robot-Assisted+Surgery+for+Mandibular+Angle+Split+Osteotomy+Using+Augmented+Reality%3A+Preliminary+Results+on+Clinical+Animal+Experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Aesthetic+Plastic+Surgery%22%5BJournal%5D)">Robot-Assisted Surgery for Mandibular Angle Split Osteotomy Using Augmented Reality: Preliminary Results on Clinical Animal Experiment.</a> Aesthetic Plastic Surgery. 41 (5), 1228-1236 (2017).</li>
<li>Heinrich, F., Joeres, F., Lawonn, K., Hansen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+Projective+Augmented+Reality+Concepts+to+Support+Medical+Needle+Insertion%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Visualization+and+Computer+Graphics%22%5BJournal%5D)">Comparison of Projective Augmented Reality Concepts to Support Medical Needle Insertion.</a> IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 25 (6), 1(2019).</li>
<li>Deng, W., Li, F., Wang, M., Song, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Easy-to-Use+Augmented+Reality+Neuronavigation+Using+a+Wireless+Tablet+PC%5BTitle%5D)+AND+%22Stereotactic+and+Functional+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Easy-to-Use Augmented Reality Neuronavigation Using a Wireless Tablet PC.</a> Stereotactic and Functional Neurosurgery. 92 (1), 17-24 (2014).</li>
<li>Fan, Z., Weng, Y., Chen, G., Liao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+interactive+surgical+visualization+system+using+mobile+spatial+information+acquisition+and+autostereoscopic+display%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Informatics%22%5BJournal%5D)">3D interactive surgical visualization system using mobile spatial information acquisition and autostereoscopic display.</a> Journal of Biomedical Informatics. 71, 154-164 (2017).</li>
<li>Arnal-Burró, J., Pérez-Mañanes, R., Gallo-del-Valle, E., Igualada-Blazquez, C., Cuervas-Mons, M., Vaquero-Martín, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three+dimensional-printed+patient-specific+cutting+guides+for+femoral+varization+osteotomy%3A+Do+it+yourself%5BTitle%5D)+AND+%22The+Knee%22%5BJournal%5D)">Three dimensional-printed patient-specific cutting guides for femoral varization osteotomy: Do it yourself.</a> The Knee. 24 (6), 1359-1368 (2017).</li>
<li>Vaquero, J., Arnal, J., Perez-Mañanes, R., Calvo-Haro, J., Chana, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+patient-specific+surgical+printing+cutting+blocks+guides+and+spacers+for+open-+wedge+high+tibial+osteotomy+%28HTO%29+-+do+it+yourself%5BTitle%5D)+AND+%22Revue+de+Chirurgie+Orthop%C3%A9dique+et+Traumatologique%22%5BJournal%5D)">3D patient-specific surgical printing cutting blocks guides and spacers for open- wedge high tibial osteotomy (HTO) - do it yourself.</a> Revue de Chirurgie Orthopédique et Traumatologique. 102, Supplement 131(2016).</li>
<li>De La Peña, A., De La Peña-Brambila, J., Pérez-De La Torre, J., Ochoa, M., Gallardo, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-cost+customized+cranioplasty+using+a+3D+digital+printing+model%3A+a+case+report%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Low-cost customized cranioplasty using a 3D digital printing model: a case report.</a> 3D Printing in Medicine. 4 (1), 1-9 (2018).</li>
<li>Kamio, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utilizing+a+low-cost+desktop+3D+printer+to+develop+a+%22one-stop+3D+printing+lab%22+for+oral+and+maxillofacial+surgery+and+dentistry+fields%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Utilizing a low-cost desktop 3D printer to develop a "one-stop 3D printing lab" for oral and maxillofacial surgery and dentistry fields.</a> 3D Printing in Medicine. 4 (1), 1-7 (2018).</li>
<li>Punyaratabandhu, T., Liacouras, P., Pairojboriboon, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+3D+models+in+orthopedic+oncology%3A+presenting+personalized+advantages+in+surgical+planning+and+intraoperative+outcomes%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Using 3D models in orthopedic oncology: presenting personalized advantages in surgical planning and intraoperative outcomes.</a> 3D Printing in Medicine. 4 (1), 1-13 (2018).</li>
<li>Wake, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patient-specific+3D+printed+and+augmented+reality+kidney+and+prostate+cancer+models%3A+impact+on+patient+education%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Patient-specific 3D printed and augmented reality kidney and prostate cancer models: impact on patient education.</a> 3D Printing in Medicine. 5 (1), 1-8 (2019).</li>
<li>Barber, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Augmented+Reality%2C+Surgical+Navigation%2C+and+3D+Printing+for+Transcanal+Endoscopic+Approach+to+the+Petrous+Apex%5BTitle%5D)+AND+%22OTO+Open%3A+The+Official+Open+Access+Journal+of+the+American+Academy+of+Otolaryngology-Head+and+Neck+Surgery+Foundation%22%5BJournal%5D)">Augmented Reality, Surgical Navigation, and 3D Printing for Transcanal Endoscopic Approach to the Petrous Apex.</a> OTO Open: The Official Open Access Journal of the American Academy of Otolaryngology-Head and Neck Surgery Foundation. 2 (4), (2018).</li>
<li>Witowski, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Augmented+reality+and+three-dimensional+printing+in+percutaneous+interventions+on+pulmonary+arteries%5BTitle%5D)+AND+%22Quantitative+Imaging+in+Medicine+and+Surgery%22%5BJournal%5D)">Augmented reality and three-dimensional printing in percutaneous interventions on pulmonary arteries.</a> Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (1), (2019).</li>
<li>Moreta-Martínez, R., García-Mato, D., García-Sevilla, M., Pérez-Mañanes, R., Calvo-Haro, J., Pascau, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Augmented+reality+in+computer-assisted+interventions+based+on+patient-specific+3D+printed+reference%5BTitle%5D)+AND+%22Healthcare+Technology+Letters%22%5BJournal%5D)">Augmented reality in computer-assisted interventions based on patient-specific 3D printed reference.</a> Healthcare Technology Letters. , (2018).</li>
</ol>

Les auteurs n'ont rien à révéler.

AR détient un grand potentiel dans l'éducation, la formation et l'orientation chirurgicale dans le domaine médical. Sa combinaison avec l'impression 3D ouvre peut ouvrir de nouvelles possibilités dans les applications cliniques. Ce protocole décrit une méthodologie qui permet aux utilisateurs inexpérimentés de créer une application smartphone combinant AR et 3DP pour la visualisation de modèles 3D anatomiques de patients avec des marqueurs de référence imprimés en 3D.
En général, l'une des applications cliniques les plus intéressantes de l'AR et de la 3DP est d'améliorer la communication patient-médecin en donnant au patient une perspective différente du cas, en améliorant les explications de conditions médicales ou de traitements spécifiques. Une autre application possible comprend des conseils chirurgicaux pour la localisation ciblée, dans lequel les outils 3D-imprimés spécifiques au patient (avec un marqueur AR de référence attaché) peuvent être placés sur des structures rigides (c.-à-d., os) et utilisés comme référence pour la navigation. Cette application est particulièrement utile pour les interventions chirurgicales orthopédiques et maxillo-faciales, dans lesquelles la surface du tissu osseux est facilement accessible pendant la chirurgie.
Le protocole commence par la section 1, décrivant la configuration du poste de travail et les outils logiciels nécessaires. La section 2 décrit comment utiliser le logiciel 3D Slicer pour segmenter facilement les anatomies cibles du patient à partir de toute modalité d'imagerie médicale pour obtenir des modèles 3D. Cette étape est cruciale, car les modèles 3D virtuels créés sont ceux affichés dans l'application AR finale.
Dans la section 3, le slicer 3D est utilisé pour enregistrer les modèles 3D créés dans la section précédente avec un marqueur AR. Au cours de cette procédure d'enregistrement, les modèles 3D des patients sont positionnés efficacement et simplement par rapport au marqueur AR. La position définie dans cette section déterminera la position relative de l'hologramme dans l'application finale. On pense que cette solution réduit la complexité et multiplie les applications possibles. La section 3 décrit deux options différentes pour définir les relations spatiales entre les modèles et les marqueurs AR : le mode « visualisation » et « enregistrement ». La première option, le mode « visualisation », permet aux modèles 3D d'être positionnés n'importe où par rapport au marqueur et affichés comme l'ensemble du biomodèle. Ce mode offre une perspective réaliste et 3D de l'anatomie du patient et permet de déplacer et de tourner les biomodèles en déplaçant le marqueur AR suivi. La deuxième option, le mode « enregistrement », permet l'attachement et la combinaison d'un adaptateur de marqueur à n'importe quelle partie du biomodèle, offrant un processus d'enregistrement automatique. Avec cette option, une petite section du modèle 3D, y compris l'adaptateur de marqueur, peut être imprimée en 3D, et l'application peut afficher le reste du modèle sous forme d'hologramme.
La section 4 fournit des lignes directrices pour le processus d'impression 3D. Tout d'abord, l'utilisateur peut choisir entre deux marqueurs différents: le "marqueur de double couleur" et "marqueur d'autocollant". L'ensemble "marqueur de double couleur" peut être imprimé en 3D, mais nécessite une double imprimante 3D extrudeur. Dans le cas où cette imprimante n'est pas disponible, le « marqueur d'autocollants » est proposé. Il s'agit d'un marqueur plus simple qui peut être obtenu par l'impression 3D de la structure cubique, puis coller les images du cube avec du papier autocollant ou de la colle autocollant. En outre, les deux marqueurs ont été conçus avec des sections extensibles pour s'adapter parfaitement dans un adaptateur spécifique. Ainsi, le marqueur peut être réutilisé dans plusieurs cas.
La section 5 décrit le processus de création d'un projet Unity pour AR à l'aide du kit de développement logiciel Vuforia. Cette étape peut être la partie la plus difficile pour les utilisateurs qui n'ont aucune expérience en programmation, mais avec ces lignes directrices, il devrait être plus facile d'obtenir la demande finale qui est présentée à la section 6. L'application affiche les modèles virtuels du patient sur l'écran du smartphone lorsque l'appareil photo reconnaît le marqueur imprimé en 3D. Pour que l'application détecte le marqueur 3D, une distance minimale d'environ 40 cm ou moins entre le téléphone et le marqueur est nécessaire ainsi que de bonnes conditions d'éclairage.
L'application finale de ce protocole permet à l'utilisateur de choisir les biomodèles spécifiques à visualiser et dans quelles positions. En outre, l'application peut effectuer l'enregistrement automatique patient-hologramme à l'aide d'un marqueur imprimé en 3D et d'un adaptateur attaché au biomodèle. Cela résout le défi d'enregistrer les modèles virtuels avec l'environnement d'une manière directe et pratique. En outre, cette méthodologie ne nécessite pas une connaissance approfondie de l'imagerie médicale ou du développement de logiciels, ne dépend pas de matériel complexe et de logiciels coûteux, et peut être mise en œuvre sur une courte période de temps. On s'attend à ce que cette méthode contribue à accélérer l'adoption des technologies AR et 3DP par les professionnels de la santé.

AR et 3DP sont des technologies qui fournissent un nombre croissant d'applications dans le domaine médical. Dans le cas de ar, son interaction avec les modèles 3D virtuels et l'environnement réel profite aux médecins en ce qui concerne l'éducation et la formation1,2,3, communication et interactions avec d'autres médecins4, et des conseils lors des interventions cliniques5,6,7,8,9,10. De même, 3DP est devenu une solution puissante pour les médecins lors du développement d'outils personnalisables spécifiques au patient11,12,13 ou la création de modèles 3D de l'anatomie d'un patient, qui peut aider à améliorer la planification préopératoire et les interventions cliniques14,15.
Les technologies AR et 3DP aident à améliorer l'orientation, l'orientation et les compétences spatiales dans les procédures médicales; ainsi, leur combinaison est la prochaine étape logique. Des travaux antérieurs ont démontré que leur utilisation conjointe peut augmenter la valeur dans l'éducation des patients16, faciliter les explications des conditions médicales et le traitement proposé, l'optimisation du flux de travail chirurgical17,18 et l'amélioration de l'enregistrement patient-à-modèle19. Bien que ces technologies aient connu une croissance exponentielle au cours des dernières années, leur adoption par les médecins est encore limitée, car elles nécessitent une connaissance approfondie de l'ingénierie et du développement de logiciels. Par conséquent, le but de ce travail est de décrire une méthodologie étape par étape qui permet l'utilisation de AR et 3DP par des utilisateurs inexpérimentés sans avoir besoin de vastes connaissances techniques.
Ce protocole décrit comment développer une application pour smartphone AR qui permet de superposer n'importe quel modèle 3D basé sur le patient sur un environnement réel à l'aide d'un marqueur imprimé en 3D suivi par la caméra du smartphone. En outre, une approche alternative est décrite pour fournir l'enregistrement automatique entre un biomodèle imprimé en 3D (c.-à-d., un modèle 3D créé à partir de l'anatomie d'un patient) et les hologrammes projetés. Le protocole décrit est entièrement basé sur des logiciels gratuits et multiplateformes.
Dans les travaux précédents, ar patient-à-image enregistrement a été calculé manuellement5 avec des algorithmes de reconnaissance de surface10 ou a été indisponible2. Ces méthodes ont été considérées comme quelque peu limitées lorsqu'un enregistrement précis est requis19. Pour surmonter ces limites, ce travail fournit des outils pour effectuer l'enregistrement précis et simple patient-à-image dans les procédures AR en combinant la technologie AR et 3DP.
Le protocole est générique et peut être appliqué à toute modalité d'imagerie médicale ou le patient. Par exemple, un vrai cas clinique d'un patient souffrant de sarcome de jambe distale est fourni pour illustrer la méthodologie. La première étape décrit comment segmenter facilement l'anatomie affectée à partir d'images médicales de tomographie calculée (CT) pour générer des modèles virtuels 3D. Par la suite, le positionnement des modèles 3D est effectué, puis les outils et modèles requis sont imprimés en 3D. Enfin, l'application AR souhaitée est déployée. Cette application permet la visualisation des modèles 3D patients superposés sur un appareil photo smartphone en temps réel.

<table><tbody><tr><td>Matériau d’impression 3D : Acrylonitrile Butadiène Styrène (ABS)</td><td></td><td></td><td>Matériau polymère thermoplastique généralement utilisé dans les imprimantes 3D domestiques.</td></tr><tr><td>Matériau d’impression 3D : Acide polylactique (PLA)</td><td></td><td></td><td>Matériau bioplastique généralement utilisé dans les imprimantes 3D domestiques.</td></tr><tr><td>3D Slicer</td><td></td><td></td><td>Plate-forme logicielle open-source pour l’informatique d’images médicales, le traitement d’images et la visualisation tridimensionnelle</td></tr><tr><td>Android</td><td>Alphabet, Inc.</td><td></td><td>Android est un système d’exploitation mobile développé par Google. Il est basé sur une version modifiée du noyau Linux et d’autres logiciels open source, et est conçu principalement pour les appareils mobiles à écran tactile tels que les smartphones et les tablettes.</td></tr><tr><td>Autodesk Meshmixer</td><td>Autodesk, Inc.</td><td></td><td>Meshmixer est un logiciel de pointe pour travailler avec des maillages triangulaires. Logiciel libre.</td></tr><tr><td>Système d’exploitation de l’iPhone</td><td>Apple, Inc.</td><td></td><td>iPhone OS est un système d’exploitation mobile créé et développé par Apple Inc. exclusivement pour son matériel.</td></tr><tr><td>Ultimaker 3 Extended</td><td>Ultimaker BV</td><td></td><td>Imprimante 3D de modélisation par dépôt de fil fusionné.</td></tr><tr><td>Unity</td><td>Unity Technologies</td><td></td><td>Unity Unity est une plateforme de développement en temps réel pour créer des applications 3D, 2D, VR & Visualisations AR pour les jeux, l’automobile, les transports, le cinéma, l’animation, l’architecture, l’ingénierie et plus. Logiciel libre.</td></tr><tr><td>Xcode</td><td>Apple, Inc.</td><td></td><td>Xcode est un ensemble complet d’outils de développement permettant de créer des applications pour Mac, iPhone, iPad, Apple Watch et Apple TV. Logiciel libre.</td></tr></tbody></table>

combiner la réalité augmentée et l'impression 3d pour afficher les modèles de patients sur un smartphone

Combining Augmented Reality and 3D Printing to Display Patient Models on a Smartphone

La réalité augmentée (AR) a un grand potentiel dans l'éducation, la formation, et l'orientation chirurgicale dans le domaine médical. Sa combinaison avec l'impression tridimensionnelle (3D) (3DP) ouvre de nouvelles possibilités dans les applications cliniques. Bien que ces technologies aient connu une croissance exponentielle au cours des dernières années, leur adoption par les médecins est encore limitée, car elles nécessitent une connaissance approfondie de l'ingénierie et du développement de logiciels. Par conséquent, le but de ce protocole est de décrire une méthodologie étape par étape permettant aux utilisateurs inexpérimentés de créer une application smartphone, qui combine AR et 3DP pour la visualisation des modèles 3D anatomiques des patients avec un marqueur de référence imprimé en 3D. Le protocole décrit comment créer des modèles virtuels 3D de l'anatomie d'un patient dérivés d'images médicales 3D. Il explique ensuite comment effectuer le positionnement des modèles 3D en ce qui concerne les références de marqueurs. Sont également fournies des instructions sur la façon d'imprimer en 3D les outils et les modèles requis. Enfin, des étapes pour déployer l'application sont fournies. Le protocole est basé sur un logiciel gratuit et multiplateforme et peut être appliqué à toute modalité d'imagerie médicale ou le patient. Une approche alternative est décrite pour fournir l'enregistrement automatique entre un modèle 3D-imprimé créé à partir de l'anatomie d'un patient et les hologrammes projetés. Par exemple, un cas clinique d'un patient souffrant de sarcome de jambe distale est fourni pour illustrer la méthodologie. On s'attend à ce que ce protocole accélère l'adoption des technologies AR et 3DP par les professionnels de la santé.

Le protocole a été appliqué aux données d'un patient souffrant du sarcome distal de jambe afin de visualiser la région anatomique affectée d'une perspective 3D. Utilisant la méthode décrite dans la section 2, la partie de l'os affecté (ici, le tibia et le péroné) et la tumeur ont été segmentées du balayage de CT du patient. Puis, à l'aide des outils de segmentation de 3D Slicer, deux biomodèles ont été créés : l'os (section du tibia et du péroné) (Figure 1A) et la tumeur (Figure 1B).
Ensuite, les deux modèles 3D ont été positionnés virtuellement par rapport au marqueur pour une visualisation optimale. Les deux modes décrits à la section 3 ont été suivis pour cet exemple. Pour le mode de visualisation, les modèles étaient centrés sur la face supérieure du marqueur (Figure 2). Pour le mode d'enregistrement, l'adaptateur marqueur a été placé dans l'os (en particulier, le tibia [figure 3]). Ensuite, une petite section du tibia a été sélectionnée pour être imprimée en 3D avec un adaptateur de marqueur 3D (Figure 4). Une imprimante 3D allongée Ultimaker 3 avec du matériel PLA a été utilisée pour créer les marqueurs imprimés en 3D (Figure 5A, B), base de porte-marqueurs ( Figure5C) pour le mode « visualisation » et section du tibia pour le mode « enregistrement » (figure 5D). La figure 5E montre comment le marqueur a été fixé à la base imprimée en 3D en mode « visualisation ». La figure 5F montre la pièce jointe avec le biomodel imprimé en 3D en mode « enregistrement ». Enfin, Unity a été utilisé pour créer l'application et la déployer sur le smartphone.
La figure 6 montre comment l'application a fonctionné pour le mode « visualisation ». L'hologramme a été localisé avec précision dans la partie supérieure du cube tel que défini précédemment. La figure 7 montre l'application pour le mode « enregistrement », dans lequel l'application a placé le modèle complet d'os sur le dessus de la section imprimée en 3D. La visualisation finale des hologrammes était claire et réaliste, maintenait les tailles réelles des biomodèles, et positionné avec précision. Lors de l'utilisation de l'application smartphone, le marqueur AR doit être visible par la caméra pour l'application pour afficher correctement les hologrammes. En outre, les conditions de lumière dans la scène doivent être de bonne qualité et constantes pour la détection appropriée des marqueurs. Les mauvaises conditions de lumière ou les reflets sur la surface du marqueur entravent le suivi du marqueur AR et provoquent un mauvais fonctionnement de l'application.
Le temps nécessaire à la création de l'application dépend de plusieurs facteurs. La durée de la section 1 est limitée par la vitesse de téléchargement. En ce qui concerne la segmentation de l'anatomie (section 2), les facteurs affectant le temps de segmentation comprennent la complexité de la région et la modalité de l'imagerie médicale (c.-à-d. que la tomodensitométrie est facilement segmentée, tandis que l'IRM est plus difficile). Pour l'exemple représentatif du tibia, environ 10 min a été nécessaire pour générer les deux modèles 3D à partir de la tomodensitome. Le positionnement des biomodèles (section 3) est simple et simple. Ici, il a fallu environ 5 min pour définir la position du biomodèle par rapport au marqueur AR. Pour l'étape d'impression 3D, la durée dépend fortement du mode sélectionné. Le « marqueur à double couleur » a été fabriqué à haute qualité en 5 h et 20 min. Le « marqueur d'autocollants » a été fabriqué en 1 h et 30 min, plus le temps nécessaire pour coller les autocollants. La dernière étape pour le développement d'applications peut prendre beaucoup de temps pour ceux qui n'ont pas d'expérience préalable dans Unity, mais elle peut être facilement complétée après les étapes du protocole. Une fois que les marqueurs AR ont été imprimés en 3D, le développement d'une application AR entièrement nouvelle peut être effectué en moins de 1 h. Cette durée peut être encore réduite avec une expérience supplémentaire.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60618/60618fig01.jpg"> Figure 1 : Représentation des modèles 3D créés à partir d'une image de CT d'un patient souffrant du sarcome distal de jambe. (A) Tissu osseux représenté en blanc (tibia et péroné). (B) Tumeur représentée en rouge. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60618/60618fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60618/60618fig02.jpg"> Figure 2 : Résultats montrant comment le mode « visualisation » dans le Slicer 3D positionne les modèles 3D virtuels de l'os et de la tumeur par rapport à la référence de marqueur 3D-imprimée. Les modèles 3D patients (A) sont positionnés au-dessus de la face supérieure du cube de marqueur (B). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60618/60618fig02large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60618/60618fig03.jpg"> Figure 3 : Résultats montrant comment le mode « enregistrement » en tranche 3D positionne les modèles 3D virtuels de l'os et de la tumeur (A) en ce qui concerne la référence de marqueur imprimée en 3D (B). L'adaptateur marqueur est fixé au modèle de tissu osseux. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60618/60618fig03large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60618/60618fig04.jpg"> Figure 4 : Petite section du tissu osseux et adaptateur de marqueur 3D. Les deux composants sont combinés puis imprimés en 3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60618/60618fig04large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60618/60618fig05.jpg"> Figure 5 : Outils imprimés en 3D requis pour l'application finale. (A) "Deux marqueurs cube de couleur" imprimé en 3D avec deux couleurs de matériaux. (B) "Sticker cube marker" imprimé en 3D, avec des autocollants collés. (C) Adaptateur de cube de base marqueur. (D) Section du modèle 3D de tissu osseux du patient et adaptateur de cube de marqueur. (E) "Marqueur cube d'autocollant" placé dans l'adaptateur de cube de base marqueur. (F) "Deux marqueurs de cube de couleur" placés dans l'adaptateur de marqueur attaché à l'anatomie du patient. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60618/60618fig05large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60618/60618fig06.jpg"> Figure 6 : Affichage de l'application lors de l'utilisation du mode « visualisation ». Les modèles 3D affectés d'anatomie du patient sont placés au-dessus de la face supérieure du cube 3D-imprimé. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60618/60618fig06large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60618/60618fig07.jpg"> Figure 7 : Visualisation AR lors de l'utilisation du mode « enregistrement ». Le marqueur imprimé en 3D permet l'enregistrement du biomodèle imprimé en 3D avec les modèles 3D virtuels. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60618/60618fig07large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

Présenté ici est une méthode pour concevoir une application smartphone réalité augmentée pour la visualisation des modèles anatomiques en trois dimensions des patients à l'aide d'un marqueur de référence imprimé en 3D.

Combiner la réalité augmentée et l'impression 3D pour afficher les modèles de patients sur un smartphone

Augmented reality (AR) has great potential in education, training, and surgical guidance in the medical field. Its combination with three-dimensional (3D) ...

Ce protocole donne aux utilisateurs inexpérimentés les outils nécessaires pour apporter des solutions de réalité augmentée dans le domaine médical grâce à la construction de leur propre application smartphone. Cette méthode combine la réalité augmentée et l’impression 3D permettant une visualisation rapide et facile des modèles 3D créés à partir de données de base sur le dessus d’un marqueur de référence imprimé 3D. Cette technique peut être appliquée à n’importe quel scénario médical dans lequel une référence imprimée en 3D peut être fixée de façon rigide au patient.La visualisation de modèles visuels 3D créés à partir de la localisation des données de base qui est ciblée et peut également améliorer le patient Ce protocole a été spécifiquement conçu pour les utilisateurs sans connaissance préalable de l’imagerie médicale ou le développement de logiciels pour aider à l’utilisation de la réalité augmentée dans le domaine médical. Pour créer des modèles 3D de l’anatomie d’un patient, suivez d’abord le fichier d’image médicale dans la fenêtre logicielle 3D Slicer et cliquez sur OK. Pour segmenter l’anatomie du patient, rendez-vous au module d’éditeur de segment en trancheur 3D. Un élément de segmentation sera créé automatiquement lors de l’entrée du module.Sélectionnez le volume désiré dans la section volume maître et cliquez à droite en dessous de l’image pour sélectionner ajouter pour créer un segment. Dans le panneau d’effets, sélectionnez l’outil le plus pratique pour la cible et segmentez l’image médicale du patient. Pour exporter la segmentation dans un format de fichier modèle 3D, ouvrez le module segmentations.Dans les modèles d’exportation/importation et les cartes d’étiquettes, sélectionnez l’exportation et les modèles et cliquez sur l’exportation pour créer le modèle 3D à partir de la zone segmentée. Cliquez sur enregistrer et sélectionner les éléments à enregistrer. Ensuite, modifiez le format de fichier du modèle 3D en OBJ.La segmentation peut être répétée pour créer des modèles 3D supplémentaires de différentes régions anatomiques. Pour le positionnement d’un modèle patient 3D à n’importe quelle position par rapport au marqueur de réalité augmentée, ouvrez le module de position du modèle AR Health et sélectionnez le mode de visualisation. Cliquez sur le modèle de marqueur de charge pour charger le marqueur de cette option, le bouton ellipsis pour sélectionner le chemin du modèle 3D enregistré, et le modèle de charge pour charger le modèle en trancheur 3D.Cliquez sur la finition et le centre pour centrer tous les modèles dans le marqueur. Utilisez les barres de diapositives pour ajuster la position, l’orientation et l’échelle des modèles 3D par rapport au marqueur souhaité. Sélectionnez ensuite le chemin pour stocker les fichiers et cliquez sur enregistrer les modèles pour enregistrer les modèles à cette position.Pour combiner le marqueur de réalité augmentée avec un biomodel 3D à n’importe quelle position désirée, ouvrez le module de position du modèle AR Health et dans la section initialisation sélectionnez le mode d’enregistrement. Cliquez sur le modèle marqueur de charge pour charger le marqueur de cette option et déplacer les modèles 3D jusqu’à ce qu’ils se croisent avec la structure de soutien du marqueur cube, en modifiant la hauteur de la base de marqueur si nécessaire. Pour enregistrer le modèle à cette position, sélectionnez le chemin pour stocker les fichiers et cliquez sur enregistrer les modèles.Si le modèle d’anatomie est trop grand, chargez le biomodel et la structure de soutien du modèle de marqueur cube dans le logiciel de mélangeur de maille. Sélectionnez les deux modèles dans la fenêtre du navigateur objet pour combiner les modèles et utilisez l’outil de coupe ordinaire du menu de modification pour supprimer toutes les sections indésirables du modèle qui ne seront pas imprimées en 3D. Pour enregistrer le modèle à imprimer en 3D, sélectionnez le fichier et exportez et sélectionnez le format désiré.Pour imprimer en 3D les modèles physiques nécessaires à l’application finale de réalité augmentée, dans le logiciel d’impression 3D, sélectionnez un matériau de couleur blanche pour TwoColorCuebMarker_white. fichier obj et un matériau de couleur noire pour le TwoColorCubeMarker_white. fichier obj.Utilisez ensuite une imprimante 3D à double extrème pour imprimer en 3D le marqueur cubique en noir et blanc en mode haute qualité avec une petite hauteur de couche. Pour concevoir une application smartphone dans Unity Engine qui inclut les modèles 3D, ouvrez Vuforia Developer et créez un compte. Sélectionnez obtenir la clé de développement pour obtenir une clé de licence de développement gratuit et dans le menu gestionnaire de licence sélectionnez et copiez la clé.Pour configurer le smartphone, dans l’application Unity version 2019, sous les paramètres de construction dans le menu de fichiers sélectionnez la plate-forme appropriée pour l’appareil. Pour activer Vuforia dans le projet, sélectionnez modifier, définir le projet, les paramètres des joueurs et les paramètres XR et coché la case vuforia augmente la prise en charge de la réalité. Pour créer une caméra de réalité augmentée, sélectionnez la barre de menu, l’objet de jeu, le moteur Vuforia et la caméra AR et importez les composants Vuforia lorsqu’ils sont invités.Pour ajouter la clé de licence Vuforia dans les paramètres de configuration Vuforia, sélectionnez le dossier ressources, cliquez sur la configuration Vuforia et collez la clé de licence dans la section clé de licence de l’application. Importez le fichier cible Vuforia contenant les fichiers dont Vuforia a besoin pour détecter les marqueurs dans Unity et sélectionnez la barre de menu, l’objet de jeu, le moteur Vuforia et l’image multi pour créer une cible multi Vuforia. Cliquez sur la cible multi pour sélectionner le type de marqueur qui sera utilisé pour la détection et dans l’option de base de données sous un comportement multi-cibles, sélectionnez ARHealth_3dPrintedCube_30x30x30.Dans l’option multi-cibles sous un comportement multi-cibles, sélectionnez TwoColorCubeMarker ou StickerCubeMarker selon le marqueur. Faites glisser les modèles 3D dans le dossier des modèles et faites glisser le dossier sous l’élément cible multi. Les modèles doivent devenir visibles dans la scène de vue Unity 3D.Pour changer les couleurs des modèles 3D, créez de nouveaux matériaux et assignez les nouveaux matériaux aux modèles. Si une webcam est disponible, cliquez sur lire pour tester l’application sur l’ordinateur. Si le marqueur est visible à la webcam, il doit être détecté et les modèles 3D doivent apparaître dans la scène.Si un smartphone Android sera utilisé pour le développement de l’application, sélectionnez les paramètres de build dans Unity et sélectionnez le téléphone branché de la liste. Ensuite, enregistrez le fichier avec une extension apk et laissez le processus se terminer. Si l’application sera déployée sur un appareil iOS, sélectionnez le fichier dans les paramètres de build et enregistrez le fichier.Pour visualiser l’application, ouvrez l’application sur le smartphone et utilisez l’appareil photo du smartphone pour regarder le marqueur de l’intérieur de l’application à une distance minimale de 40 centimètres. Une fois que l’application détecte le marqueur, les modèles 3D précédemment créés doivent apparaître sur l’écran du smartphone à l’emplacement exact défini pendant la procédure. Utilisant la méthode comme démontré, cette partie du tibia et du péroné affectés d’un patient souffrant du sarcome et de la tumeur distal de jambe ont été segmentées du patient' balayage de CT de s.Utilisant les outils de segmentation, un biomodel a été créé pour l’os et un biomodel a été créé pour la tumeur. Pour le mode visualisation, les modèles étaient centrés dans la phase supérieure du marqueur. Pour le mode d’enregistrement, l’adaptateur marqueur a été placé dans le tibia et une petite section du tibia a été sélectionnée pour être imprimée en 3D avec un adaptateur marqueur 3D.L’acide polylactique peut être utilisé pour créer les marqueurs imprimés 3D, les bases des porte-marqueurs et les sections osseuses comme démontré. Ici, un marqueur est attaché à une base imprimée en mode visualisation 3D et ici la pièce jointe est affichée avec le mode d’enregistrement biomodel imprimé 3D. Cette représentation montre comment l’application fonctionne en mode visualisation avec l’hologramme situé avec précision dans la partie supérieure du cube telle qu’elle a été définie précédemment.En mode enregistrement, le modèle osseux complet peut être placé au-dessus de la section imprimée en 3D avec une visualisation claire et réaliste du marqueur sur le site osseux. Pour utiliser la réalité augmentée pour visualiser des informations importantes sur les patients, vous aurez besoin de plusieurs outils logiciels qui sont librement disponibles ainsi que l’accès à une imprimante 3D et smartphone. Cette procédure peut être appliquée à n’importe quel modèle obtenu à partir de l’imagerie médicale.Son utilisation peut être étendue à d’autres interventions telles que le positionnement par radiothérapie de l’insertion d’aiguilles. Nous étendons maintenant les applications de ce développement dans de nouveaux domaines cliniques, y compris la chirurgie myofasciale ou orthopédique. Nos recherches initiales sont prometteuses et les commentaires des chirurgiens sont très positifs.

combining-augmented-reality-3d-printing-to-display-patient-models-on

Research

Recherche

JoVE Journal

Medicine

Médecine

Cette vidéo illustre l’utilisation de la réalité augmentée (RA) pour la résection de tumeur, où un échantillon de tumeur scanné en 3D est visualisé sous forme d’hologramme sur un écran monté sur la tête. Les chirurgiens peuvent manipuler et verrouiller l’hologramme en place pour assurer une élimination précise de la tumeur.

Visualisation en réalité augmentée d’un échantillon de tumeur réséqué

Utilisation d'extrusion de plastique moderne et les technologies d'impression, il est désormais possible de produire rapidement et à moindre coût des modèles physiques de données CT à rayons X prises dans un laboratoire. L'impression en trois dimensions des données tomographiques est un puissant de visualisation, de recherche et outil éducatif qui peut maintenant être consulté par la communauté de l'imagerie préclinique.

Impression 3D préclinique X-ray tomodensitométrie Définit données

Le protocole décrit la fabrication d'impressions tridimensionnelles entièrement colorées de modèles de crâne anatomiques spécifiques au patient qui seront utilisés pour la simulation chirurgicale. Les étapes cruciales de la combinaison de différentes modalités d'imagerie, la segmentation de l'image, l'extraction du modèle tridimensionnel et la production des impressions sont expliquées.

Impression 3D multicolore des tumeurs intracrâniennes complexes en neurochirurgie

Cette méthode démontre un flux de travail d’impression 3D basé sur le voxel, qui imprime directement à partir d’images médicales avec une fidélité spatiale exacte et une résolution spatiale / contrastée. Cela permet le contrôle précis et gradué des distributions de matériaux à travers des matériaux morphologiquement complexes et gradués corrélés à la radiodensité sans perte ni altération des données.

Voxel Printing Anatomy: Conception et fabrication de modèles de planification réalistes et préchirurgicaux grâce à l’impression bitmap

Une arthroplastie complexe de la hanche de révision a été réalisée à l’aide d’un implant sur mesure et d’une technologie de réalité mixte. Selon les connaissances des auteurs, il s’agit du premier rapport d’une telle procédure décrite dans la littérature.<br...

L’utilisation de la réalité mixte dans l’arthroplastie de la hanche de révision sur mesure : un premier rapport de cas

L’écran de réalité augmentée, Magic Leap, a été utilisé en combinaison avec un système de navigation conventionnel pour placer des vis pédiculaires dans un modèle porcin en respectant un nouveau flux de travail. Avec un temps d’insertion médian de &lt;2,5 min, une précision technique submillimétrique et une précision clinique de 100 % ont été atteintes selon Gertzbein.

Placement de vis pédiculaires à l’aide d’un visiocasque en réalité augmentée dans un modèle porcin

Les progrès du traitement endovasculaire ont remplacé les procédures chirurgicales ouvertes complexes par des options peu invasives, comme le remplacement valvulaire et la réparation d’anévrisme. Cet article propose d’utiliser la modélisation tridimensionnelle (3D) et la réalité virtuelle pour faciliter le positionnement de l’arceau, les mesures d’angle et la génération de feuilles de route pour la planification des procédures de laboratoire de cathétérisme neuro-interventionnel, minimisant...

Approches pionnières spécifiques au patient pour la chirurgie de précision utilisant l’imagerie et la réalité virtuelle

Une nouvelle méthode de numérisation 3D et de cartographie virtuelle des résections du cancer est proposée dans le but d’améliorer la communication au sein de l’équipe multidisciplinaire de soins contre le cancer.

Communication améliorée des marges tumorales grâce à la numérisation et à la cartographie 3D

Cet article présente la conception et la mise en œuvre d’un module de chirurgie automatique basé sur la reconstruction 3D basée sur la réalité augmentée (RA). Le système permet la chirurgie à distance en permettant aux chirurgiens d’inspecter les caractéristiques reconstruites et de reproduire les mouvements chirurgicaux de la main comme s’ils effectuaient la chirurgie à proximité.

Chirurgie automatique dans le remplacement transcathéter de la valve aortique à l’aide de la réalité augmentée

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.

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

Apprenez à créer une application de réalité augmentée pour visualiser des modèles anatomiques 3D à partir d'imagerie médicale. Cette méthode combine l'impression 3D et Unity Engine pour améliorer la compréhension patient.

Combiner la réalité augmentée et l'impression 3D pour afficher les modèles de patients sur un smartphone

Explorer plus de vidéos