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摘要

在这里，我们描述了一种基于计算机断层扫描从头开始构建心脏模型的协议，并使用 3D （3D） 打印和混合现实技术将其展示给医学生来学习解剖学。

摘要

混合现实技术和 3D （3D） 打印在医学领域越来越普遍。在 COVID-19 大流行期间和限制放宽后，未来医生的教学中立即实施了许多创新。解剖学教学中也对沉浸式技术和 3D 打印技术感兴趣。但是，这些不是常见的实现。2023 年，混合现实技术中的 3D 打印和全息图为专注于心脏结构的课程准备了。它们被用来教学生，学生在工程师的支持下，可以了解心脏的详细结构，并熟悉支持传统人体学习模式的新技术。学生们发现这种可能性非常有价值。本文介绍了为课程准备材料的过程和进一步的实现可能性。作者看到了在各级教育的学生教学中发展所提出的技术的机会，以及日益广泛实施的理由。

引言

三维 （3D） 打印技术和混合现实是医学领域越来越普遍的技术成果。不仅在各个领域的许多专家的日常临床实践中，而且在住院医师和未来医生（即医学生）的教学中也发现了更多的应用1,2,3,4,5,6。

3D 打印技术通常用于打印解剖模型，主要由商业实体提供，但学生对这种学习准备的兴趣日益浓厚，这是在医科大学解剖学系引入创新的动力7。可以根据解剖图谱、图纸和雕刻的数据创建准备工作，也可以基于成像研究，例如计算机断层扫描或磁共振成像 1,8,9。可以在 3D 打印机上打印各种比例的解剖制剂，并且可以使用颜色、标记和其他变体来增加教材的可访问性10,11。尽管材料的可用性增加，但波兰的医学生并没有广泛获得这种类型的准备，尽管宣布愿意支持当前基于人体尸体制备的经典教学模式，并增加了尚未完全实施的新技术。

混合现实技术是虚拟世界与现实世界的集成。由于护目镜能够使先前准备好的全息图可视化，因此它们可以“叠加”在现实世界中的周围物体上12。全息影像可以在空间中进行作，例如，放大、缩小或旋转，使查看的图像更直观、更易于访问且更有用。混合现实越来越多地被外科学科的作员使用，例如，心脏外科 3,13、骨科14、15、16、17、肿瘤学18。特别是在 COVID-19 大流行之后的时期，基础医学领域的教学家越来越对包括混合现实在内的新技术感兴趣，以便将它们应用于未来医生的教育中 19,20,21。教授正常解剖学的学术教师也在寻找在他们的领域引入混合现实的空间 22,23,24,25,26。创建全息影像需要成像研究，最常见的是计算机断层扫描，由工程师使用专用软件渲染和处理成全息版本，可以与护目镜一起使用。

我们决定为学生创建有用的材料，作为医学研究第一年解剖学课程的一部分来学习人体解剖学。为此，使用了心脏的血管 CT 扫描，在事先对数据进行完全匿名化后，心脏病学部门提供了该扫描。我们分成两个小组，制作了全息图和 3D 打印件，然后作为试点课程的一部分提供给学生。学生们对材料的可访问性和准确性评价非常好，但稍后将介绍有关此主题的详细研究 - 目前正在评估结果。

在这里，我们展示了从计算机断层扫描创建模型到展示在教学实践中实现的现成模型的过程。

研究方案

该协议遵循西里西亚医科大学人类研究伦理委员会的指导方针。患者的影像学数据在完全匿名后使用。

1. 3D 打印 - 3D 心脏模型的分割和重建

  1. 图像上传和预处理
    1. 打开 3D 切片器 5.6.0 并导航到数据模块27。
    2. 单击 Add Data（添加数据 ），然后选择 DICOM 格式的患者特定 CT 图像。确保以正确的方向上传图像。
    3. 通过在 Slice Viewer 中检查轴向、矢状和冠状视图来评估图像质量。验证足够的造影剂以区分心肌和心腔。
    4. 如果对比度不足，请使用体积模块调整窗口/水平设置以增强组织区分。将窗口设置为 350 胡，将级别设置为 40 胡 作为起点，并根据需要进行修改。
    5. 确认感兴趣解剖区域 （ROI） 的可见性，包括心肌和心脏内腔。
  2. 基于阈值的分段
    1. 导航到 Segment Editor 模块，然后单击 Add 以创建新的分段。
    2. 选择 阈值 从分段工具中。将 下限 阈值设置为 100 胡 ，将 上限 阈值设置为 300 胡 以隔离软组织。
      注意：这些值可能因图像质量和患者特定特征而异。
    3. 通过拖动滑块或输入值直到心肌和心腔清晰隔离，手动调整阈值范围以优化 ROI。在轴向、矢状和冠状位视图中进行目视检查，以确保正确选择。
    4. 确认捕获了所有相关的解剖区域。如果需要，请切换到 Paint 工具，以手动添加或删除阈值处理未正确捕捉的分段区域。
    5. 单击 Apply 以完成基于阈值的选择的分割（图 1）
  3. 手动逐片校正
    1. 使用 Segment Editor 中的 Scissors 或 Erase 工具，手动检查 CT 数据集的每个切片。根据需要删除或添加分段区域，以更正任何不准确之处，例如由伪影或对比度不佳引起的不准确之处。
    2. 对于每个切片，重点是精确识别心肌和心脏内腔。如果出现歧义，请咨询医疗专业人员或解剖参考以确保准确性。
    3. 将心脏分成两个不同的部分：一个用于心肌，一个用于内腔。使用 Create New Segment 按钮来区分这些结构。
    4. 继续逐层检查和校正，直到轴向、矢状面和冠状面的所有切片都得到校正和分割。
  4. 后处理和模型导出
    1. 将导出的 STL 文件导入 MeshMixer（图 2，称为原型设计软件）。
      1. 首先消除小伪影，并通过选择 Edit > Make Solid 来确保模型的均匀性。
      2. 在弹出窗口中，选择 Solid Type 作为 Accuracy 以保留分割的精确细节。将 Solid Accuracy 滑块调整为介于 0.8 和 1.0 之间的值，以获得最佳保真度。
    2. 固化模型后，继续手动删除伪影。使用 擦除和填充 工具重建任何被破坏的表面区域。可以在 选择>修改>擦除和填充下访问此访问权限。
    3. 单击并拖动以选择有问题的区域，然后使用 Fill 选项恢复表面连续性。确保填充区域与周围的几何图形平滑混合。
    4. 对于一般曲面细化，请使用 Select 工具突出显示模型中需要平滑的特定区域。选择后，导航到 Modify > Smooth 并迭代应用该工具。
    5. 在 10 到 50% 之间调整 Smooth Strength 滑块，具体取决于表面不规则性的严重性。在平滑时要小心保持解剖学准确性。使用 Shift + 左键单击 可取消选择不需要修改的区域。
    6. 平滑完成后，使用 Inspector 工具自动识别并填充网格中的任何剩余孔。目视检查模型，确保不存在重大伪影或表面不规则性。
    7. 要将心肌和心脏内腔集成到一个内聚模型中，请应用 布尔 运算。转到 Edit > Boolean Union 并选择两个单独的部分（心肌和腔室）以合并它们。
    8. 确保作成功连接结构，而不会产生内部孔或重叠。检查交叉点并根据需要调整，通过使用 擦除和填充 或 平滑 手动细化合并区域（图3）。
    9. 统一和优化模型后，通过选择 Export > STL for 3D printing preparation 来导出最终的 STL 文件。
  5. 3D 打印的模型准备
    1. 材料选择和打印机设置
      1. 使用丙烯腈丁二烯苯乙烯 （ABS） 长丝，便于后处理，例如丙酮平滑。
        注意：ABS 对温度波动很敏感，因此请确保打印过程中的环境稳定。
      2. 选择封闭式 3D 打印机以更好地控制温度。
    2. 打印机和切片器设置
      1. 打印机型号：使用合适的打印机。在这里，使用了带有定制金属外壳的 Creality Ender 3。
      2. 细丝材质：使用 ABS。
      3. 在 Cura 或类似的切片软件中配置以下设置。
        喷嘴直径： 0.5 mm
        喷嘴温度：~240 °C（根据耗材品牌调整）
        床层温度：~100 °C
        层高： 0.24 毫米
        打印速度：~100 mm/s（降低到 50-60 mm/s 以获得更高的质量）
        填充密度：25%（以平衡强度和材料使用）
        支撑：启用自动支撑（例如，树支撑）
        冷却风扇：关闭以防止翘曲
        粘附助剂：使用帽檐或筏子提高床的粘附力
      4. 确保校准打印机并根据 （a） 打印机特定的公差、（b） ABS 耗材的特性以及 （c） 打印速度和表面质量之间的预期权衡来调整设置。
    3. 支撑结构和后处理
      1. 支撑结构： 使用内置工具（例如 Cura）在切片软件中生成支撑，以稳定打印过程中的悬垂特征。验证支撑物不会干扰精细的解剖细节。
      2. 支撑移除： 让打印的模型完全冷却，以防止在移除支撑时损坏。小心地移除支撑。使用尖嘴钳以获得更广泛的支撑。对于较小或脆弱的区域，用手轻轻去除支撑。
      3. 表面处理：检查打印模型是否有粗糙区域，尤其是连接支撑的地方。使用细砂纸（例如 200-400 粒度）平滑这些区域，使用小锉刀进行精确细节处理，并瞄准干净、连续的表面，以提高解剖学准确性。
      4. 高级后处理（可选）：如果需要抛光表面，请准备一个带有丙酮的蒸汽平滑室，并将模型暴露在丙酮蒸气中 ~9 分钟（在通风良好的区域执行此步骤，并采取适当的安全预防措施 [例如，手套、护目镜]），并在处理前让模型完全干燥。
  6. 暂停点。
    1. 通过在 3D Slicer 中保存项目，在步骤 1.3.1 中的每个切片校正后暂停协议。稍后恢复分段，而不会丢失数据。
    2. 在步骤 1.4.1 中，导出 STL 文件后，如果需要，请暂停后处理步骤，因为它们不需要连续性。

2. 混合现实

注意：使用 CarnaLife Holo（称为混合现实软件）将心脏 CT DICOM 文件处理成全息表示。

  1. 准备硬件。
    1. 打开笔记本电脑并将其插入电源插座。打开混合现实头戴显示设备。
    2. 将路由器连接到笔记本电脑。
  2. 将 CT 图像从获取的 CT DICOM 文件加载到混合现实头戴显示设备中。
    1. 打开混合现实软件并登录（图 4）。
    2. 选择适当的包含 CT 扫描的文件夹。选择正确的 CT 数据系列（图 5）。
    3. 检查耳机打开时显示的 IP 地址，并将其输入到混合现实软件的指定位置。
    4. 单击 “连接 ”按钮，查看混合现实头戴显示设备上的可视化效果。
  3. 使用 剪刀 选项，通过手动分割工具分割心脏结构（图 6）。使用它，通过左键单击和拖动来标记将从 CT 数据重建中删除的区域。
    1. 通过单击鼠标左键结束切割区域标记，然后在弹出窗口中确认切割。
  4. 通过单击其名称，从可用预设列表中选择适合心脏结构可视化的预定义预设（颜色可视化参数）： CT CARDIAC HOLLOW。
    1. 如果需要，在 3D 视图中移动光标时，右键单击并按住窗口来调整可视化效果。
  5. 加载左心室和右心室和心房的 3D 表面模型。
    1. 单击混合现实软件中的 3D 模型 部分。单击 Load Models 按钮。
    2. 导航到包含曲面模型的文件夹。选择所有四个文件并单击 可选.调整可视化模型的颜色（图 7）。
      1. 点击 3D 模型列表上的 铅笔 图标。点击 长aspect 可见弹出窗口上的选项卡。
      2. 单击 Color 标签旁边的白色方块。使用 Color Picker 弹出窗口选择合适的颜色。通过单击确认 OK 按钮。左键单击 3D 视图。
      3. 对其余曲面模型重复所有步骤。
  6. 利用三个 2D 视图（轴向、矢状和冠状面）将注释点放置在适当的位置，在 2D 视图上创建解剖结构的注释。
    1. 点击 注释 软件中的部分。
    2. App 窗口的右侧（在默认 App 布局中）是重建数据的三个 2D 视图。
      1. 通过单击每个 2D 视图右侧滑块旁边的单箭头或双箭头图标来浏览切片。
      2. 通过单击并按住 左 Shift 按钮，同时用鼠标滚轮滚动来更改切片。
      3. 通过拖动蓝色、红色或绿色线条 （2D 平面表示） 来更改切片。
    3. 在选定的 2D 视图上设置正确的切片后，使用鼠标滚轮进行缩放，并通过左键单击放置注释点。将在单击的位置创建注释。
    4. 返回 注释 部分，然后单击注释列表中注释上的 铅笔 图标，其中包含相应的 ID 号。
    5. 在弹出窗口的下部，输入注释的文本，例如“左心室”。
    6. 在此弹出窗口中调整注释的颜色、粗细和大小。返回带有已放置注释的 2D 视图 。
    7. 抓取注释标签并将其移动到 2D 平面之外的合适位置。
    8. 对所有需要注释的解剖结构重复所有步骤。
  7. 加载可视化状态以获取可视化中保存的解剖结构注释。
    1. 单击 3D 视图右上角 Floppy Disc 图标旁边的 Load File 图标。在弹出窗口中，单击 Folder 图标，导航到包含已保存可视化状态文件的目录，然后单击 Select folder 。
    2. 如果选择正确，并且此特定数据存在有效文件，则适用的可视化效果状态文件列表会将 No files found 免责声明替换为用户可以加载的状态名称。
    3. 左键单击合适的可视化状态以选择它，然后单击 Load 按钮进行确认。加载后，系统将提示用户加载可视化状态。
  8. 要在全息空间中查看准备好的可视化效果，请戴上头戴显示设备并使用语音命令 Locate here 将 3D 全息 CT 扫描重建带到眼前。使用语音命令进行调整，例如旋转 、缩放、智能剪切，并将其与手势相结合（图 8）。
  9. 使用 Cut Smart 语音命令应用和调整垂直于视线的剪切平面。
  10. 移动并旋转头部以平移应用的切割平面的移动和方向。靠近全息图，将切割平面更深地移动到全息重建中。将头部顺时针旋转 90° 可将切割平面顺时针旋转 90°，以此类推。
  11. 执行这些动作以查看心脏结构的内部、全息可视化以及先前加载的表面模型和解剖结构的注释。

结果

分割和 3D 重建方案产生了用于解剖学训练的两个主要输出：3D 打印的心脏模型和心脏的 3D MR 可视化。这些结果利用患者特定的 CT 数据，为学生提供了参与动手和沉浸式学习体验的补充工具。

3D 打印的心脏模型使学生能够与心脏解剖结构的有形表示进行物理交互。该模型呈现出独特的外部特征，例如心肌，以及内部结构，包括腔室和瓣膜。在成功的实验中，解剖学准确性很高，特征明确，后处理后伪影最少。 图 9 显示了一个完全加工的 3D 打印模型，心肌和内腔之间有明显的区别。在 CT 图像对比度不理想的情况下，分割误差会导致模型不准确，例如腔室大小不规则或瓣膜结构不完整。这些问题通常可以通过手动干预来纠正，包括额外的平滑和伪影去除，如图 10 所示。

相比之下，3D 混合现实可视化提供了一种动态和交互式体验，学生可以在虚拟空间中探索心脏。MR 环境提供实时交互，包括旋转、缩放和通过不同解剖平面的切片，从而可以更详细地了解冠状动脉或间隔壁等复杂结构。MR 可视化的成功实施展示了外部和内部解剖结构的高度准确表示。然而，次优的可视化（例如，分割有缺陷的地方）导致内部结构视图失真，影响了 MR 模型的真实感和教学效果（图 11）。对于复杂的解剖结构，分割方法可能还不够。由于体积渲染的可能性，可以可视化不同的密度（由 Hounsfield 单位表示），这对于理解解剖结构很重要（图12）。

这些技术提供了强大的互补工具，通过提供准确和可作的模型来增强学习体验，尽管它们的成功取决于协议初始步骤中分割和重建的质量。总体而言，这些结果表明该方案在从患者特异性 CT 数据创建精确的心脏模型方面的有效性。这些结果表明，该方案在从患者特异性 CT 数据创建精确的心脏模型方面是有效的。

进行了一项初步研究，以评估学生在解剖学教育中对混合现实技术的看法，特别是在学习心脏结构方面。该研究涉及 106 名学生，他们在工程师的监督下，能够利用全息图进行学习。在会议结束时，他们被问到：“混合现实技术是否帮助您更好地理解了这个主题——心脏的结构？所有受访者 （100%） 都回答“是”。课程结束后，学生们立即通过简短的笔试评估了他们的知识，要求他们描述与心脏形态相关的三个解剖结构。平均分是 2.037，总分是 3（表 1）。

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图 1：心脏 CT 分割。 3D Slicer 软件上 CT 分割的轴向（左上）、冠状面（左下）、矢状面（右下）和 3D（右上）视图。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 2：后处理。 原型设计软件上的分割 3D 模型视图。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 3：后处理后。 原型设计软件上的分割 3D 模型视图。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 4：混合现实软件视图。 应用程序启动屏幕。清晰易懂的登录面板。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 5：在混合现实软件中选择正确的系列。 选择用于全息可视化的可用计算机断层扫描图像。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 6：用于在混合现实软件中剪切部分可视化的剪刀选项。 一种工具，允许人们根据用户的需求实时调整全息图。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 7：在混合现实软件中调整全息可视化的颜色。 向可视化效果添加颜色可以提高全息影像的可访问性和清晰度。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 8：使用混合现实软件创建的全息空间中的可视化效果。 具有突出显示颜色和计算机断层扫描标记的三维全息影像，以帮助在空间中定位。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 9：后处理和布尔运算后 “x-ray” 预览。 原型设计软件上的 3D 模型视图。全加工的 3D 打印模型，心肌和内腔之间有明显的区别。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 10：在四腔投影中切割模型后，最终的 3D 打印部件预览。 原型设计软件上的 3D 模型视图。额外的平滑和伪影去除。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 11：混合现实软件中 CT 数据的可视化。 表面渲染表示过度分割的结果。 请单击此处查看此图的较大版本。

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图 12：混合现实软件中 CT 数据的示例可视化。 体积渲染，用于可视化不同的密度。 请单击此处查看此图的较大版本。

学生总数 （n）106
使用全息影像进行学习的学生人数 （n）106
对于“混合现实技术是否帮助您更好地理解主题 - 心脏的结构”这个问题回答“是”的学生人数（注）106
对“混合现实技术是否帮助您更好地理解主题 - 心脏的结构”这个问题回答“否”的学生人数（注）0
最低分数0
最高分3
参加简短笔试以描述与心脏形态相关的三种解剖结构的学生的平均分2.037
总分3

表 1：研究的初步数据。

讨论

现代解剖学主要基于数百年来已知的经典、经过验证的方法。人体尸体是教导未来医生的基础，解剖学家强调他们不仅在理解人体结构方面的作用，而且在塑造道德态度方面的作用28,29。开发技术不仅在日常临床程序中广泛，而且在教学中也广泛存在，因此尝试在解剖学教学中实施 3D 打印 7,30,31,32 和混合现实 33,34,35,36。目前，医生的工作主要基于现代解决方案、设备和广为人知的数字化，考虑到多年来一直存在的趋势，自动化、机器人化和创新解决方案实施的份额将不断增加。

用 3D 打印补充经典教育形式，使用混合现实或超声波的课程可以对未来医生为该行业的准备产生非常积极的影响，不仅因为有机会获得更多知识和比较各种类型成像技术的可视化，还因为接触新技术， 熟悉它们的用途，并促使人们考虑新的应用，尤其是在感兴趣的领域37。

使用 3D 打印技术准备模型以及使用混合现实技术准备全息图，需要比标准更大的承诺、规划它们的创建，并在使用它们进行课程时获得自由。应该补充的是，这些是昂贵的解决方案，尤其是混合现实，它需要可以显示全息图（护目镜）的设备、工程设施——包括应用程序及其作。3D 打印由于其更受欢迎和更低的成本38，更容易实施，但如果解剖学部门想从头开始创建自己的模型和软件来创建准备从 DICOM 成像研究中打印的图像，则需要计划购买打印机和耗材。

CarnaLife Holo 使用户能够上传 CT 数据和分割结果，提供了一种在 MR 领域很少应用的独特方法。当前最先进的技术通常使用基于 STL 或 OBJ 文件的表面渲染来可视化3D 模型 39,40。因此，用户只能访问分段结果，而直接查看原始数据的能力有限。在分析小结构或病理（例如钙化）时，这可能会带来挑战，因为分割精度至关重要。

通过原始数据可视化（体积渲染），用户不仅可以通过几何图形来评估结构，还可以通过分析结构内 Hounsfield 单位（密度）的分布来评估结构。自动心脏分割是一种有助于手动分割繁琐任务的常用技术，但也有其局限性41。它受到可以分割的结构数量的限制，尤其是在存在病态的情况下，并且需要高性能硬件才能进行高效处理。

为了应对这些挑战，已经提出了两种可视化方法的组合 - 体积渲染和表面渲染。这种混合方法允许同时可视化分割结构和分析数据中的值分布，为用户提供更全面的数据解释工具。

在心脏解剖结构的情况下，创建 3D 模型很复杂，因为由于大小、形状、解剖结构位置的异质性、伪影的存在以及相邻组织之间的模糊边界（低对比度），程序中的标准自动工具不足以从完整图像中提取心脏组织。因此，除了阈值分割外，还应在医生的监督下按照 “逐层切片” 机制进行分割。下一阶段是使模型适应 3D 打印，包括进一步消除图像采集过程中由噪声引起的失真。打印后，将模型轻轻溶解在丙酮中，以获得更光滑的表面。学生使用现成的模型很简单 - 类似于查看和讨论人体尸体准备工作。在混合现实的情况下，每次都需要对该技术的使用进行培训 - 将护目镜正确连接到头部，以及语音和手势控制。由于可用设备有限，不可能同时让更多学生参加。为了增加成像材料的可及性，使用了特定解剖结构的标记来促进对准备工作的更快讨论 - 全息图。

对于 3D Slicer 来说，掌握 3D Slicer 中的分割和 3D 重建过程可能具有挑战性，因为它涉及学习多种功能和工作流程。提高熟练程度通常需要大量的实践和经验。根据我们的观察，使用该软件获得信心需要大约 20-30 小时的专门工作，其中包括分割至少 5-7 个不同的心脏模型。3D Slicer 是一个开源平台，受益于强大的在线社区。它提供广泛的故障排除资源、问题解决论坛以及丰富的教程和用例。这些资源通过提供可访问的指导来促进学习过程。此外，利用大型语言模型 （LLM） 等工具，包括 ChatGPT 或 Gemini，可以进一步增强对软件及其功能的理解。在学习阶段，获得在医学成像和解剖学方面经验丰富的导师或主管证明是非常有利的。对分割策略和准确性的即时反馈可加速技能发展并确保保持解剖精度。初学者应该预料到最初的尝试可能很耗时并且容易出错。但是，一致的实践使细分和细化流程更加直观和高效。耐心地处理这个学习曲线至关重要，因为稳定地使用该工具可以大大提高速度和准确性。

所提出的协议的关键步骤是从成像研究中正确分割和提取心脏组织，以创建对 3D 打印和混合现实技术有用的三维模型。

使用 3D 打印和混合现实技术的心脏解剖学课程深受学生欢迎，绝大多数学生认为技术支持很有用——可以更好地理解所讨论的主题。根据作者的说法，新技术应该支持现有的、经典的教学解决方案，并得到越来越广泛的应用。

披露声明

Maciej Stanuch、Marcel Pikuła、Oskar Trybus 和 Andrzej Skalski 是 MedApp S.A. 的员工。MedApp SA 是制造 CarnaLifeHolo 解决方案的公司。

致谢

该研究是作为非商业合作的一部分进行的。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
3D SlicerThe Slicer Communityhttps://www.slicer.orgVersion 5.6.0
CarnaLifeHolo MedApp S.A.https://carnalifeholo.com3D visualization software
MeshmixerAutodesk Inc.https://www.research.autodesk.com/projects/meshmixer/prototype design software
Ender 3 Creality https://www.creality.com/products/ender-3-3d-printer3D printer
CuraUltiMaker https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura/3D printing software

参考文献

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