Articolo metodologico

Tecnologia di realtà mista e stampa tridimensionale nell'insegnamento: l'anatomia del cuore come esempio

DOI:

10.3791/67850

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18 aprile 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

In questo articolo

Sommario

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Qui, descriviamo un protocollo per costruire un modello di cuore da zero basato sulla tomografia computerizzata e lo presentiamo agli studenti di medicina utilizzando la stampa tridimensionale (3D) e la tecnologia di realtà mista per apprendere l'anatomia.

Abstract

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La tecnologia della realtà mista e la stampa tridimensionale (3D) stanno diventando sempre più comuni nel campo della medicina. Durante la pandemia di COVID-19 e subito dopo l'inizio delle restrizioni, sono state implementate molte innovazioni nell'insegnamento dei futuri medici. C'è stato anche interesse per le tecniche immersive e la tecnologia di stampa 3D nell'insegnamento dell'anatomia. Tuttavia, queste non sono implementazioni comuni. Nel 2023 sono state preparate stampe 3D e ologrammi in tecnologia di realtà mista per le lezioni incentrate sulla struttura del cuore. Servivano a insegnare agli studenti che, con il supporto degli ingegneri, potevano conoscere la struttura dettagliata del cuore e familiarizzare con le nuove tecnologie che supportano il modello tradizionale di apprendimento su cadaveri umani. Gli studenti trovano questa possibilità molto preziosa. L'articolo presenta il processo di preparazione dei materiali per le lezioni e ulteriori possibilità di implementazione. Gli autori vedono un'opportunità per lo sviluppo delle tecnologie presentate nell'insegnamento degli studenti a vari livelli di istruzione e la giustificazione per un'implementazione sempre più diffusa.

Introduzione

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La tecnologia di stampa tridimensionale (3D) e la realtà mista sono conquiste tecnologiche sempre più comunemente utilizzate in medicina. Altre applicazioni si trovano non solo nella pratica clinica quotidiana di molti specialisti di vari settori, ma anche nell'insegnamento di specializzandi e futuri medici, ad esempio studenti di medicina 1,2,3,4,5,6.

La tecnologia di stampa 3D viene spesso utilizzata per stampare modelli anatomici, offerti principalmente da entità commerciali, ma il crescente interesse degli studenti per questo tipo di preparazione all'apprendimento è un impulso per introdurre innovazioni nei dipartimenti di anatomia delle università di medicina7. Le preparazioni possono essere create sulla base di dati provenienti da atlanti anatomici, disegni e incisioni, ma anche sulla base di studi di imaging come la tomografia computerizzata o la risonanza magnetica 1,8,9. E' possibile stampare preparati anatomici su una stampante 3D su varie scale, ed è possibile utilizzare colori, pennarelli e altre varianti per aumentare l'accessibilità del materiale didattico10,11. Nonostante l'accresciuta disponibilità di materiali, gli studenti di medicina in Polonia non hanno ampio accesso a questo tipo di preparazione, indipendentemente dalla volontà dichiarata di sostenere l'attuale modello di insegnamento classico basato sulla preparazione di cadaveri umani con l'aggiunta di nuove tecnologie non ancora pienamente implementate.

La tecnologia della realtà mista è l'integrazione del mondo virtuale con il mondo reale. Grazie a occhiali che permettono la visualizzazione di ologrammi precedentemente preparati, questi possono essere "sovrapposti" agli oggetti circostanti nel mondo reale12. Gli ologrammi possono essere manipolati nello spazio, ad esempio ingranditi, ridotti o ruotati, rendendo l'immagine visualizzata più visualizzata, accessibile e più utile. La realtà mista è sempre più utilizzata dagli operatori delle discipline chirurgiche, ad esempio cardiochirurgia 3,13, ortopedia 14,15,16,17, oncologia 18. Sempre più spesso, soprattutto nel periodo successivo alla pandemia di COVID-19, i didattici nel campo delle scienze mediche di base sono interessati alle nuove tecnologie, compresa la realtà mista, al fine di implementarle nella formazione dei futuri medici 19,20,21. Anche gli insegnanti accademici che insegnano l'anatomia normale stanno trovando spazio per l'introduzione della realtà mista nel loro campo 22,23,24,25,26. La creazione di ologrammi richiede uno studio di imaging, il più delle volte la tomografia computerizzata, che viene renderizzata ed elaborata dagli ingegneri utilizzando un software dedicato in una versione olografica, possibile da utilizzare con gli occhiali.

Abbiamo deciso di creare materiali utili per gli studenti per imparare l'anatomia del cuore umano come parte delle lezioni di anatomia nel primo anno di studi medici. A tale scopo è stata utilizzata una scansione Angio-TC del cuore, resa disponibile dal Dipartimento di Cardiologia previa completa anonimizzazione dei dati. Noi, divisi in due team, abbiamo creato ologrammi e stampe 3D, che sono state poi messe a disposizione degli studenti nell'ambito di una lezione pilota. Gli studenti hanno valutato molto bene l'accessibilità e l'accuratezza dei materiali, ma uno studio dettagliato su questo argomento sarà presentato in seguito - i risultati sono attualmente in fase di valutazione.

Qui, mostriamo il processo di creazione dei modelli dalla tomografia computerizzata alla presentazione di modelli già pronti implementati nella pratica didattica.

Protocollo

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Il protocollo segue le linee guida del Comitato Etico per la Ricerca Umana dell'Università di Medicina della Slesia. I dati di imaging del paziente sono stati utilizzati dopo la completa anonimizzazione.

1. 3D Stampa - Segmentazione e ricostruzione del modello 3D del cuore

  1. Caricamento e pre-elaborazione delle immagini
    1. Aprire 3D Slicer 5.6.0 e passare al modulo dati27.
    2. Fare clic su Aggiungi dati e selezionare le immagini TC specifiche del paziente in formato DICOM. Assicurati che le immagini siano caricate con l'orientamento corretto.
    3. Valuta la qualità delle immagini ispezionando le viste assiali, sagittali e coronali nel visualizzatore Slice. Verificare un contrasto sufficiente per distinguere tra il miocardio e le camere cardiache.
    4. Se il contrasto è insufficiente, regolare le impostazioni Finestra/Livello per migliorare la differenziazione dei tessuti utilizzando il modulo Volumi. Impostate la finestra su 350 HU e il livello su 40 HU come punto di partenza e modificatelo se necessario.
    5. Confermare la visibilità delle regioni anatomiche di interesse (ROI), tra cui il miocardio e le camere cardiache interne.
  2. Segmentazione basata su soglie
    1. Passa al modulo Editor segmenti e fai clic su Aggiungi per creare una nuova segmentazione.
    2. Seleziona Soglia dagli strumenti di segmentazione. Impostare la soglia inferiore su 100 HU e la soglia superiore su 300 HU per isolare i tessuti molli.
      NOTA: Questi valori possono variare a seconda della qualità dell'immagine e delle caratteristiche specifiche del paziente.
    3. Regolare manualmente l'intervallo di soglia per affinare il ROI trascinando i cursori o inserendo i valori fino a quando il miocardio e le camere cardiache non sono chiaramente isolati. Utilizzare l'ispezione visiva nelle viste assiale, sagittale e coronale per garantire una selezione corretta.
    4. Verificare che tutte le aree anatomiche rilevanti siano state acquisite. Se necessario, passa allo strumento Disegno per aggiungere o rimuovere manualmente le aree della segmentazione che non sono state acquisite correttamente dalla soglia.
    5. Fare clic su Applica per finalizzare la segmentazione per la selezione basata su soglia (Figura 1)
  3. Correzione manuale fetta per fetta
    1. Utilizzando gli strumenti Forbici o Cancella nell'Editor segmenti, ispeziona manualmente ogni sezione del set di dati CT. Correggere eventuali imprecisioni, ad esempio quelle causate da artefatti o da un contrasto insufficiente, rimuovendo o aggiungendo aree segmentate in base alle esigenze.
    2. Per ogni fetta, concentrati sull'identificazione precisa del miocardio e delle camere cardiache interne. In caso di ambiguità, consultare un medico o un riferimento anatomico per garantire l'accuratezza.
    3. Separare il cuore in due segmenti distinti: uno per il miocardio e uno per le camere interne. Utilizzare il pulsante Crea nuovo segmento per differenziare queste strutture.
    4. Continuare l'ispezione e la correzione fetta per fetta fino a quando tutte le fette sui piani assiale, sagittale e coronale non vengono corrette e segmentate.
  4. Post-elaborazione ed esportazione del modello
    1. Importa i file STL esportati in MeshMixer (Figura 2, indicato come software di progettazione di prototipi).
      1. Iniziate eliminando piccoli artefatti e garantendo l'uniformità del modello selezionando Modifica > Rendi solido.
      2. Nella finestra pop-up, scegli Tipo solido come Precisione per mantenere i dettagli precisi della segmentazione. Regolate il cursore Precisione solido su un valore compreso tra 0,8 e 1,0 per una fedeltà ottimale.
    2. Dopo aver solidificato il modello, procedere alla rimozione manuale degli artefatti. Utilizzare lo strumento Cancella e riempi per ricostruire eventuali aree di superficie interrotte. È possibile accedervi in Seleziona > Modifica > Cancella e riempi.
    3. Fare clic e trascinare per selezionare le aree problematiche, quindi utilizzare l'opzione Riempimento per ripristinare la continuità della superficie. Assicuratevi che le regioni riempite si fondano uniformemente con la geometria circostante.
    4. Per rifinire la superficie in generale, utilizzare lo strumento Seleziona per evidenziare aree specifiche del modello che richiedono un'arrotondatura. Una volta selezionato, passa a Modifica > Leviga e applica lo strumento in modo iterativo.
    5. Regolare il cursore Intensità levigatura tra il 10 e il 50%, a seconda della gravità delle irregolarità della superficie. Prestare attenzione a mantenere l'accuratezza anatomica durante la levigatura. Utilizzare Maiusc + clic sinistro per deselezionare le aree che non richiedono modifiche.
    6. Una volta completata la levigatura, utilizzare lo strumento Ispettore per identificare e riempire automaticamente eventuali fori rimanenti nella mesh. Controllare visivamente il modello per assicurarsi che non esistano artefatti o irregolarità superficiali importanti.
    7. Per integrare il miocardio e le camere cardiache interne in un unico modello coesivo, applicare le operazioni booleane . Vai su Modifica >Unione booleana e seleziona le due parti separate (miocardio e camere) per unirle.
    8. Assicurarsi che l'operazione unisca correttamente le strutture senza creare fori interni o sovrapposizioni. Ispezionare le intersezioni e regolarle secondo necessità rifinendo manualmente le aree di unione utilizzando Cancella e riempi o Leviga (Figura 3).
    9. Una volta che il modello è stato unificato e perfezionato, esporta il file STL finale selezionando Esporta > STL per la preparazione della stampa 3D.
  5. Preparazione del modello per la stampa 3D
    1. Selezione del materiale e impostazioni della stampante
      1. Utilizzare il filamento di acrilonitrile-butadiene stirene (ABS), che consente una facile post-elaborazione, come la levigatura dell'acetone.
        NOTA: L'ABS è sensibile alle fluttuazioni di temperatura, quindi garantisce un ambiente stabile durante la stampa.
      2. Opta per una stampante 3D chiusa per un migliore controllo della temperatura.
    2. Impostazioni della stampante e del filtro dei dati
      1. Modello della stampante: Utilizzare la stampante appropriata. In questo caso è stato utilizzato Creality Ender 3 con un involucro metallico su misura.
      2. Materiale del filamento: Utilizzare l'ABS.
      3. Configurare le seguenti impostazioni in Cura o in un software di slicing simile.
        Diametro dell'ugello: 0,5 mm
        Temperatura dell'ugello: ~240 °C (regolare in base alla marca del filamento)
        Temperatura del letto: ~100 °C
        Altezza dello strato: 0,24 mm
        Velocità di stampa: ~100 mm/s (ridurre a 50-60 mm/s per una qualità superiore)
        Densità di riempimento: 25% (per bilanciare la resistenza e l'utilizzo del materiale)
        Supporti: Abilita i supporti automatici (ad esempio, i supporti degli alberi)
        Ventola di raffreddamento: Spegnere per evitare deformazioni
        Ausili per l'adesione: utilizzare una tesa o una zattera per migliorare l'adesione del letto
      4. Assicurarsi della calibrazione della stampante e regolare le impostazioni in base a (a) tolleranze specifiche della stampante, (b) proprietà del filamento ABS e (c) il compromesso desiderato tra velocità di stampa e qualità della superficie.
    3. Strutture di supporto e post-elaborazione
      1. Strutture di supporto: Genera supporti nel software di slicing utilizzando strumenti integrati (ad esempio, Cura) per stabilizzare le caratteristiche sporgenti durante la stampa. Verificare che i supporti non interferiscano con delicati dettagli anatomici.
      2. Rimozione del supporto: Lasciare raffreddare completamente il modello stampato per evitare danni durante la rimozione del supporto. Rimuovere i supporti con cura. Utilizzare una pinza ad ago per un supporto più ampio. Per aree più piccole o delicate, rimuovere delicatamente i supporti a mano.
      3. Finitura superficiale: ispezionare il modello stampato per verificare la presenza di aree ruvide, in particolare dove sono stati fissati i supporti. Leviga queste aree utilizzando carta vetrata a grana fine (ad es. grana 200-400), lime piccole per dettagli precisi e punta a una superficie pulita e continua per migliorare l'accuratezza anatomica.
      4. Post-elaborazione avanzata (opzionale): se è necessaria una finitura lucida, preparare una camera di levigatura del vapore con acetone ed esporre il modello a vapori di acetone per ~9 minuti (eseguire questo passaggio in un'area ben ventilata con adeguate precauzioni di sicurezza [ad es. guanti, occhiali]) e lasciare asciugare completamente il modello prima di maneggiarlo.
  6. Punti di pausa.
    1. Mettere in pausa il protocollo dopo ogni correzione della sezione nel passaggio 1.3.1 salvando il progetto in 3D Slicer. Riprendi la segmentazione in un secondo momento senza perdita di dati.
    2. Nel passaggio 1.4.1, dopo aver esportato i file STL, se necessario, mettere in pausa i passaggi di post-elaborazione in quanto non richiedono continuità.

2. Realtà mista

NOTA: Elabora i file DICOM CT del cuore in una rappresentazione olografica utilizzando CarnaLife Holo (denominato software di realtà mista).

  1. Preparare l'hardware.
    1. Accendi il laptop e collegalo a una presa di corrente. Attivare il visore VR per realtà mista.
    2. Collega il router al laptop.
  2. Caricare l'immagine CT nel visore VR per realtà mista dai file DICOM CT acquisiti.
    1. Aprire il software di realtà mista ed effettuare l'accesso (Figura 4).
    2. Selezionare la cartella appropriata con le scansioni TC. Selezionare la serie corretta di dati CT (Figura 5).
    3. Controllare l'indirizzo IP visualizzato all'accensione del visore VR e inserirlo nella posizione designata nel software di realtà mista.
    4. Fare clic sul pulsante Connetti per visualizzare la visualizzazione sul visore VR per realtà mista.
  3. Segmentare la struttura del cuore con uno strumento di segmentazione manuale utilizzando l'opzione Forbici (Figura 6). Con esso, contrassegna le aree che verranno rimosse dalla ricostruzione dei dati CT facendo clic con il pulsante sinistro del mouse e trascinando.
    1. Terminare la marcatura della regione di taglio facendo clic con il pulsante sinistro del mouse e quindi confermando il taglio nel pop-up.
  4. Scegli un preset predefinito (parametri di visualizzazione del colore) adatto alla visualizzazione della struttura cardiaca da un elenco di preset disponibili facendo clic sul suo nome: CT CARDIAC HOLLOW.
    1. Se necessario, regolare la visualizzazione modificando la finestra facendo clic con il pulsante destro del mouse e tenendo premuto mentre si sposta il cursore nella vista 3D.
  5. Carica modelli 3D di superficie di ventricoli e atri sinistro e destro.
    1. Fare clic sulla sezione Modelli 3D nel software di realtà mista. Fare clic sul pulsante Carica modelli .
    2. Individuate la cartella con i modelli di superficie. Seleziona tutti e quattro i file e conferma facendo clic su Apri. Regolare i colori dei modelli visualizzati (Figura 7).
      1. Fare clic sull'icona a forma di matita nell'elenco dei modelli 3D. Fare clic sulla scheda Aspetto nel popup visibile.
      2. Fare clic sul quadrato bianco accanto all'etichetta Colore . Seleziona un colore adatto con il menu a comparsa Selettore colore . Confermare facendo clic sul pulsante OK . Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su Vista 3D.
      3. Ripetete tutti i passaggi per i modelli di superficie rimanenti.
  6. È possibile creare annotazioni di strutture anatomiche nelle viste 2D utilizzando tre viste 2D (assiale, sagittale e coronale) per posizionare il punto di annotazione nel punto appropriato.
    1. Fare clic sulla sezione Annota nel software.
    2. Sul lato destro della finestra dell'app (nel layout predefinito dell'app) sono presenti tre viste 2D dei dati ricostruiti.
      1. Scorrere le sezioni facendo clic sulle icone a freccia singola o doppia accanto al dispositivo di scorrimento sul lato destro di ogni vista 2D.
      2. Per modificare la sezione, fare clic e tenere premuto il pulsante Maiusc sinistro mentre si scorre con la rotellina del mouse.
      3. Modificare la sezione trascinando le linee blu, rosse o verdi (rappresentazioni piane 2D).
    3. Dopo aver impostato la sezione corretta sulla vista 2D selezionata, eseguire lo zoom con la rotellina del mouse e posizionare il punto di annotazione facendo clic con il pulsante sinistro del mouse. L'annotazione verrà creata nel punto in cui si è fatto clic.
    4. Torna alla sezione Annota e fai clic sull'icona a forma di matita sull'annotazione nell'elenco delle annotazioni con il numero ID corrispondente.
    5. Nella parte inferiore del pop-up, inserire il testo dell'annotazione, ad esempio "Ventricolo sinistro".
    6. Regola i colori, lo spessore e le dimensioni delle annotazioni in questo pop-up. Torna alla vista 2D con l'annotazione inserita.
    7. Afferra e sposta l'etichetta di annotazione all'esterno del piano 2D in una posizione adatta.
    8. Ripetere tutti i passaggi per tutte le strutture anatomiche che devono essere annotate.
  7. Caricare lo stato di visualizzazione per ottenere le annotazioni salvate delle strutture anatomiche nella visualizzazione.
    1. Fare clic sull'icona Carica file accanto all'icona del disco floppy nell'angolo in alto a destra della vista 3D. Nella finestra popup, fare clic sull'icona Cartella , accedere alla directory con il file di stato della visualizzazione salvato e fare clic su Seleziona cartella.
    2. Se l'opzione è selezionata correttamente e se è presente un file valido per questi dati specifici, un elenco di file di stato di visualizzazione applicabili sostituirà la dichiarazione di non responsabilità Nessun file trovato con i nomi degli stati che l'utente può caricare.
    3. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse su uno stato di visualizzazione adatto per selezionarlo e confermare facendo clic sul pulsante Carica. Dopo il caricamento, all'utente verrà richiesto lo stato di visualizzazione del caricamento.
  8. Per vedere la visualizzazione preparata nello spazio olografico, indossare l'auricolare e utilizzare il comando vocale Localizza qui per portare la ricostruzione della scansione TC olografica 3D davanti agli occhi. Regolalo utilizzando i comandi vocali, ad esempio Ruota, Zoom, Taglia in modo intelligente e combinalo con i gesti delle mani (Figura 8).
  9. Utilizzare il comando vocale Taglia Smart per applicare e regolare il piano di taglio perpendicolare alla linea di vista.
  10. Spostare e ruotare la testa per traslare il movimento e l'orientamento del piano di taglio applicato. Avvicinati all'ologramma per spostare il piano di taglio più in profondità nella ricostruzione olografica. Ruotare la testa di 90° in senso orario per ruotare il piano di taglio di 90° in senso orario, ecc.
  11. Esegui questi movimenti per vedere le parti interne della struttura cardiaca, la visualizzazione olografica e i modelli di superficie caricati in precedenza e le annotazioni delle strutture anatomiche.

Risultati

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Il protocollo di segmentazione e ricostruzione 3D ha prodotto due output primari per l'allenamento anatomico: un modello cardiaco stampato in 3D e una visualizzazione RM 3D del cuore. Questi risultati, che utilizzano dati TC specifici del paziente, forniscono strumenti complementari agli studenti per impegnarsi in esperienze di apprendimento pratiche e coinvolgenti.

Il modello di cuore stampato in 3D consente agli studenti di interagire fisicamente con una rappresentazione tangibile dell'anatomia cardiaca. Questo modello presenta caratteristiche esterne distinte, come il miocardio, così come le strutture interne, comprese le camere e le valvole. Negli esperimenti di successo, l'accuratezza anatomica era elevata, con caratteristiche ben definite e artefatti minimi dopo la post-elaborazione. La Figura 9 mostra un modello stampato in 3D completamente elaborato con una chiara differenziazione tra il miocardio e le camere interne. Nei casi in cui il contrasto nelle immagini TC era subottimale, gli errori di segmentazione hanno portato a imprecisioni nel modello, come dimensioni irregolari della camera o strutture valvolari incomplete. Questi problemi erano spesso correggibili con un intervento manuale, tra cui un'ulteriore levigatura e rimozione degli artefatti, come evidenziato nella Figura 10.

Al contrario, la visualizzazione 3D Mixed Reality offre un'esperienza dinamica e interattiva in cui gli studenti possono esplorare il cuore nello spazio virtuale. L'ambiente RM fornisce interazioni in tempo reale, tra cui rotazione, zoom e sezionamento attraverso diversi piani anatomici, consentendo una comprensione più dettagliata di strutture complesse come le arterie coronarie o le pareti del setto. Le implementazioni di successo della visualizzazione RM hanno presentato rappresentazioni altamente accurate sia dell'anatomia esterna che di quella interna. Tuttavia, le visualizzazioni non ottimali (ad esempio, dove la segmentazione era difettosa) hanno portato a visioni distorte delle strutture interne, influenzando il realismo e l'efficacia dell'insegnamento del modello RM (Figura 11). Per le strutture anatomiche complesse, l'approccio della segmentazione potrebbe non essere sufficiente. Grazie alla possibilità di rendering volumetrico è possibile visualizzare diverse densità (rappresentate dalle unità di Hounsfield) che sono importanti per comprendere l'anatomia (Figura12).

Le tecniche offrono strumenti robusti e complementari che migliorano l'esperienza di apprendimento fornendo modelli accurati e manipolabili, sebbene il loro successo dipenda dalla qualità della segmentazione e della ricostruzione nelle fasi iniziali del protocollo. Nel complesso, questi risultati dimostrano l'efficacia del protocollo nella creazione di modelli cardiaci precisi a partire da dati TC specifici del paziente. Questi risultati dimostrano l'efficacia del protocollo nella creazione di modelli cardiaci precisi a partire da dati TC specifici per il paziente.

È stato condotto uno studio preliminare per valutare le percezioni degli studenti della tecnologia della realtà mista nell'insegnamento dell'anatomia, in particolare nell'apprendimento della struttura del cuore. Lo studio ha coinvolto 106 studenti che, sotto la supervisione di ingegneri, sono stati in grado di utilizzare gli ologrammi per scopi di apprendimento. Alla fine della sessione, è stato chiesto loro: "La tecnologia della realtà mista ti ha aiutato a comprendere meglio l'argomento: la struttura del cuore?" Tutti gli intervistati (100%) hanno risposto "sì". Le conoscenze degli studenti sono state valutate subito dopo la sessione attraverso una breve prova scritta che richiede la descrizione di tre strutture anatomiche legate alla morfologia del cuore. Il punteggio medio è stato di 2,037 contro un punteggio totale di 3 (Tabella 1).

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Figura 1: Segmentazione TC del cuore. Viste assiali (in alto a sinistra), coronali (in basso a sinistra), sagittali (in basso a destra) e 3D (in alto a destra) della segmentazione CT sul software 3D Slicer. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 2: Post-elaborazione. Visualizzazioni di modelli 3D di segmentazione sul software di progettazione prototipi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Dopo la post-elaborazione. Visualizzazioni di modelli 3D di segmentazione sul software di progettazione prototipi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 4: Vista del software di realtà mista. Schermata iniziale dell'applicazione. Pannello di accesso chiaro e accessibile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 5: Selezione della serie corretta nel software di realtà mista. Selezione delle immagini di tomografia computerizzata disponibili per la visualizzazione olografica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 6: opzione a forbice per il taglio di parti di visualizzazione nel software di realtà mista. Uno strumento che permette di adattare l'ologramma alle esigenze dell'utente in tempo reale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 7: Regolazione dei colori della visualizzazione olografica nel software di realtà mista. L'aggiunta di colori alla visualizzazione aumenta l'accessibilità e la chiarezza degli ologrammi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 8: Visualizzazioni nello spazio olografico create con il software di realtà mista. Un ologramma tridimensionale con colori evidenziati e marcatori di tomografia computerizzata per facilitare l'orientamento nello spazio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 9: Dopo la post-elaborazione e l'operazione booleana "Anteprima a raggi X". Visualizzazione dei modelli 3D sul software di progettazione prototipi. Modello stampato in 3D completamente elaborato con una chiara differenziazione tra il miocardio e le camere interne. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-10
Figura 10: Dopo aver tagliato il modello in una proiezione a quattro camere, viene visualizzata l'anteprima finale della parte stampata in 3D. Visualizzazione dei modelli 3D sul software di progettazione prototipi. Ulteriore levigatura e rimozione degli artefatti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 11: Visualizzazione dei dati CT nel software di realtà mista. Il rendering delle superfici rappresenta il risultato di una segmentazione eccessiva. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 12: Visualizzazione esemplare dei dati CT nel software di realtà mista. Rendering del volume, che visualizza densità diverse. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Numero totale di studenti (n)106
Numero di studenti che hanno utilizzato ologrammi per scopi di apprendimento (n)106
Numero di studenti che hanno risposto "SÌ" alla domanda "La tecnologia della realtà mista ti ha aiutato a comprendere meglio l'argomento: la struttura del cuore?" (n)106
Numero di studenti che hanno risposto "NO" alla domanda "La tecnologia della realtà mista ti ha aiutato a comprendere meglio l'argomento: la struttura del cuore?" (n)0
Punteggio minimo0
Punteggio massimo3
Punteggio medio degli studenti che hanno sostenuto una breve prova scritta per descrivere tre strutture anatomiche legate alla morfologia del cuore2.037
Punteggio totale3

Tabella 1: Dati preliminari dello studio.

Discussione

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

L'anatomia moderna si basa principalmente su metodi classici e collaudati noti da centinaia di anni. I cadaveri umani sono la base per l'insegnamento ai futuri medici e gli anatomisti sottolineano il loro ruolo non solo nella comprensione delle strutture del corpo umano, ma anche nel plasmare gli atteggiamenti etici28,29. Lo sviluppo della tecnologia è espansivo non solo nelle procedure cliniche quotidiane, ma anche nell'insegnamento, da qui il tentativo di implementare la stampa 3D 7,30,31,32 e la realtà mista nell'insegnamento dell'anatomia 33,34,35,36. Attualmente, il lavoro dei medici si basa in gran parte su soluzioni moderne, attrezzature e digitalizzazione ampiamente intesa, e la quota crescente di automazione, robotizzazione e implementazione di soluzioni innovative progredirà, tenendo conto della tendenza in corso da anni.

Integrare le forme classiche di istruzione con la stampa 3D, le lezioni che utilizzano la realtà mista o gli ultrasuoni può avere un impatto molto positivo sulla preparazione dei futuri medici per la professione, non solo per l'opportunità di acquisire maggiori conoscenze e confrontare le visualizzazioni in vari tipi di tecniche di imaging, ma anche per il contatto con le nuove tecnologie, familiarizzando con il loro utilizzo e dando impulso a pensare a nuove applicazioni, soprattutto nell'area di interesse37.

La preparazione dei modelli nella tecnologia di stampa 3D, così come degli ologrammi nella tecnologia di realtà mista, richiede un impegno maggiore rispetto allo standard, la pianificazione della loro creazione e la libertà di condurre le lezioni usandoli. Va aggiunto che si tratta di soluzioni costose, in particolare la realtà mista, che richiede dispositivi in grado di visualizzare ologrammi (occhiali), strutture ingegneristiche, inclusa un'applicazione e il suo funzionamento. La stampa 3D, grazie alla sua maggiore popolarità e ai minori costi38, è più facile da implementare ma richiede la pianificazione dell'acquisto di una stampante e di un filamento se il dipartimento di anatomia desidera creare i propri modelli da zero e un software per la creazione di immagini pronte per la stampa da studi di imaging DICOM.

CarnaLife Holo consente agli utenti di caricare sia i dati CT che i risultati della segmentazione, fornendo un approccio unico raramente applicato nel dominio della risonanza magnetica. Le attuali tecniche all'avanguardia in genere visualizzano modelli 3D utilizzando il rendering superficiale basato su file STL o OBJ39,40. Di conseguenza, gli utenti possono accedere solo ai risultati della segmentazione, con una capacità limitata di visualizzare direttamente i dati originali. Ciò può rappresentare una sfida quando si analizzano piccole strutture o patologie, come le calcificazioni, in cui la precisione della segmentazione è fondamentale.

Attraverso la visualizzazione dei dati grezzi (rendering del volume), gli utenti possono valutare le strutture non solo in base alla geometria, ma anche analizzando la distribuzione delle unità di Hounsfield (densità) all'interno della struttura. La segmentazione cardiaca automatica, una tecnica comune che facilita il noioso compito della segmentazione manuale, ha i suoi limiti41. È limitato dal numero di strutture che può segmentare, soprattutto in presenza di patologie, e richiede hardware ad alte prestazioni per un'elaborazione efficiente.

Per affrontare queste sfide, è stata proposta una combinazione di due metodi di visualizzazione: rendering del volume e rendering della superficie. Questo approccio ibrido consente la visualizzazione simultanea di strutture segmentate e la distribuzione di valori all'interno dei dati analizzati, offrendo agli utenti uno strumento più completo per l'interpretazione dei dati.

Nel caso dell'anatomia del cuore, la creazione di un modello 3D è complicata perché gli strumenti automatici standard del programma non sono sufficienti per estrarre il tessuto cardiaco da un'immagine completa a causa dell'eterogeneità delle dimensioni, della forma, della posizione delle strutture anatomiche, della presenza di artefatti e dei confini sfocati (basso contrasto) tra i tessuti adiacenti. Pertanto, oltre alla segmentazione della soglia, dovrebbe essere eseguita la segmentazione sotto la supervisione di un medico nel meccanismo "fetta per fetta". La fase successiva è l'adattamento del modello alla stampa 3D, che include un'ulteriore rimozione delle distorsioni derivanti dal rumore durante l'acquisizione dell'immagine. Dopo la stampa, i modelli vengono delicatamente sciolti in acetone per ottenere una superficie più liscia. L'uso di modelli già pronti da parte degli studenti è semplice, analogo alla visualizzazione e alla discussione di preparazioni di cadaveri umani. Nel caso della realtà mista, ogni volta, è necessaria una formazione nell'uso della tecnologia: corretto fissaggio degli occhiali alla testa, nonché controllo vocale e gestuale. A causa delle limitate attrezzature disponibili, non è possibile avere un numero maggiore di studenti che partecipano contemporaneamente. Al fine di aumentare l'accessibilità del materiale visualizzato, sono stati utilizzati marcatori di strutture anatomiche specifiche per facilitare una discussione più rapida delle preparazioni - ologrammi.

Padroneggiare il processo di segmentazione e ricostruzione 3D in 3D Slicer può essere impegnativo per i principianti, in quanto comporta l'apprendimento di più funzionalità e flussi di lavoro. Lo sviluppo della competenza richiede in genere una pratica e un'esperienza significative. Nelle nostre osservazioni, acquisire confidenza con il software ha richiesto circa 20-30 ore di lavoro dedicato, che includeva la segmentazione di almeno 5-7 modelli cardiaci distinti. 3D Slicer è una piattaforma open source che beneficia di una solida comunità online. Offre ampie risorse per la risoluzione dei problemi, forum per la risoluzione dei problemi e una vasta gamma di tutorial e casi d'uso. Queste risorse facilitano il processo di apprendimento fornendo una guida accessibile. Inoltre, l'utilizzo di strumenti come i modelli linguistici di grandi dimensioni (LLM), tra cui ChatGPT o Gemini, può migliorare ulteriormente la comprensione del software e delle sue funzionalità. Durante la fase di apprendimento, l'accesso a un mentore o supervisore esperto in imaging medico e anatomia si rivela molto vantaggioso. Il feedback immediato sulle strategie di segmentazione e sull'accuratezza accelera lo sviluppo delle competenze e garantisce il mantenimento della precisione anatomica. I principianti devono prevedere che i tentativi iniziali possono richiedere molto tempo e essere soggetti a errori. Tuttavia, una pratica coerente rende i processi di segmentazione e perfezionamento significativamente più intuitivi ed efficienti. È essenziale affrontare questa curva di apprendimento con pazienza, poiché l'impegno costante con lo strumento migliora sostanzialmente la velocità e la precisione.

I passaggi critici del protocollo presentato sono stati la corretta segmentazione ed estrazione del tessuto cardiaco dallo studio di imaging al fine di creare un modello tridimensionale utile per la stampa 3D e le tecnologie di realtà mista.

La lezione di anatomia del cuore che utilizza la stampa 3D e la tecnologia di realtà mista è stata accolta molto bene dagli studenti e la stragrande maggioranza ha trovato utile il supporto tecnologico, consentendo una migliore comprensione dell'argomento discusso. Secondo gli autori, le nuove tecnologie dovrebbero affiancare le soluzioni didattiche classiche esistenti ed essere sempre più diffuse.

Dichiarazioni

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Maciej Stanuch, Marcel Pikuła, Oskar Trybus e Andrzej Skalski sono dipendenti di MedApp S.A. MedApp S.A. è l'azienda che produce la soluzione CarnaLifeHolo.

Ringraziamenti

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Lo studio è stato condotto nell'ambito di una cooperazione non commerciale.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Affettatrice 3DLa comunità di Slicerhttps://www.slicer.orgVersione 5.6.0
CarnaLifeHolo MedApp S.A.https://carnalifeholo.comSoftware di visualizzazione 3D
Miscelatore a reteAutodesk Inc.https://www.research.autodesk.com/projects/meshmixer/software di progettazione di prototipi
Ender 3 Creality https://www.creality.com/products/ender-3-3d-printerStampante 3D
CuraUltiMaker https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura/Software di stampa 3D

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