교육에서의 혼합 현실 기술 및 3차원 인쇄: 심장 해부학을 예로 들 수 있습니다.

요약

여기에서는 컴퓨터 단층 촬영을 기반으로 처음부터 심장 모델을 구성하는 프로토콜을 설명하고 3차원(3D) 프린팅 및 혼합 현실 기술을 사용하여 해부학을 학습하는 의대생에게 제시합니다.

초록

혼합 현실 기술과 3차원(3D) 프린팅은 의학 분야에서 점점 더 보편화되고 있습니다. COVID-19 대유행 기간 동안 그리고 제한이 완화된 직후, 미래의 의사를 가르치는 데 많은 혁신이 구현되었습니다. 해부학 교육에서 몰입형 기술과 3D 프린팅 기술에 대한 관심도 있었습니다. 그러나 이는 일반적인 구현이 아닙니다. 2023년에는 심장 구조에 초점을 맞춘 수업을 위해 혼합 현실 기술의 3D 프린팅 및 홀로그램이 준비되었습니다. 그들은 엔지니어의 지원을 받아 심장의 상세한 구조에 대해 배우고 인간 시체에 대한 전통적인 학습 모델을 지원하는 새로운 기술에 익숙해질 수 있는 학생들을 가르치는 데 사용되었습니다. 학생들은 이러한 가능성이 매우 중요하다고 생각합니다. 이 기사에서는 수업을 위한 자료를 준비하는 과정과 추가 구현 가능성을 제시합니다. 저자는 다양한 교육 수준에서 학생들의 교육에서 제시된 기술을 개발할 수 있는 기회와 점점 더 광범위한 구현에 대한 정당성을 보고 있습니다.

서문

3차원(3D) 프린팅 기술과 혼합 현실은 의학 분야에서 점점 더 일반적으로 사용되는 기술적 성과입니다. 다양한 분야의 많은 전문가들의 일상적인 임상 실습뿐만 아니라 레지던트 및 미래의 의사, 즉 의대생 ^1,2,3,4,5,6의 교육에서도 더 많은 응용 프로그램이 발견되고 있습니다.

3D 프린팅 기술은 주로 상업 기관에서 제공하는 해부학 모델을 인쇄하는 데 자주 사용되지만, 이러한 유형의 학습 준비에 대한 학생들의 관심이 높아짐에 따라 의과 대학의 해부학과에 혁신을 도입하려는 충동이 생겼습니다⁷. 제제는 해부학 아틀라스, 도면 및 조각의 데이터를 기반으로 만들 수 있지만 컴퓨터 단층 촬영 또는 자기 공명 영상과 같은 이미징 연구를 기반으로 할 수도 있습니다 ^1,8,9. 3D 프린터에서 다양한 스케일로 해부학적 제제를 인쇄할 수 있으며 색상, 마커 및 기타 변형을 사용하여 교육 자료^10,11의 접근성을 높일 수 있습니다. 자료의 가용성이 증가했음에도 불구하고 폴란드의 의대생들은 아직 완전히 구현되지 않은 새로운 기술의 추가와 함께 인간 시체 준비를 기반으로 하는 현재의 고전적인 교육 모델을 지원하겠다는 선언에도 불구하고 이러한 유형의 준비에 대한 광범위한 접근이 불가능합니다.

혼합 현실 기술은 가상 세계와 현실 세계를 통합한 것입니다. 미리 준비된 홀로그램을 시각화할 수 있는 고글 덕분에, 고글은 현실 세계의 주변 물체에 "겹쳐질" 수 있다¹². 홀로그램은 확대, 축소 또는 회전과 같은 공간에서 조작할 수 있으므로 표시된 이미지를 더 잘 시각화하고, 액세스할 수 있으며, 더 유용하게 만들 수 있습니다. 혼합 현실은 심장 외과 3,13, 정형외과 ^14,15,16,17, 종양학 ¹⁸과 같은 외과 분야의 작업자에 의해 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 특히 COVID-19 팬데믹 이후 점점 더 많은 기초 의학 분야의 교수학자들이 미래 의사의 교육에 구현하기 위해 혼합 현실을 포함한 새로운 기술에 관심을 갖고 있습니다 ^19,20,21. 일반 해부학을 가르치는 학술 교사들도 자신의 분야에서 혼합 현실을 도입할 수 있는 여지를 찾고 있습니다 22,23,24,25,26. 홀로그램을 만들려면 이미징 연구가 필요하며, 대부분 컴퓨터 단층 촬영이 필요하며, 엔지니어는 전용 소프트웨어를 사용하여 고글과 함께 사용할 수 있는 홀로그램 버전으로 렌더링 및 처리합니다.

우리는 의학 연구 1학년 해부학 수업의 일환으로 학생들이 인간 심장의 해부학을 배울 수 있는 유용한 자료를 만들기로 결정했습니다. 이를 위해 심장의 혈관 CT 스캔이 사용되었으며, 이는 사전에 데이터를 완전히 익명화한 후 심장학과에서 사용할 수 있도록 했습니다. 우리는 두 팀으로 나뉘어 홀로그램과 3D 프린트를 제작하여 파일럿 수업의 일환으로 학생들에게 제공했습니다. 학생들은 자료의 접근성과 정확성을 매우 좋게 평가했지만 이 주제에 대한 자세한 연구는 나중에 발표될 예정이며 결과는 현재 평가 중입니다.

여기에서는 컴퓨터 단층 촬영에서 모델링 모델링을 통해 교육 실습에 구현된 기성 모델을 제시하는 과정을 보여줍니다.

프로토콜

이 프로토콜은 실레지아 의과대학의 인간 연구 윤리 위원회(Human Research Ethics Committee)의 지침을 따릅니다. 환자의 영상 데이터는 완전한 익명화 후에 사용되었습니다.

1. 3D 프린팅 - 3D 심장 모델의 세분화 및 재구성

1. 이미지 업로드 및 전처리
   1. 3D 슬라이서 5.6.0을 열고 데이터 모듈²⁷로 이동합니다.
   2. Add Data를 클릭하고 DICOM 형식의 환자별 CT 이미지를 선택합니다. 이미지가 올바른 방향으로 업로드되었는지 확인합니다.
   3. Slice Viewer에서 축보기, 시상면보기, 관상형 보기를 검사하여 이미지의 품질을 평가합니다. 심근과 심실을 구별할 수 있는 충분한 대비를 확인합니다.
   4. 대비가 충분하지 않은 경우 볼륨 모듈을 사용하여 조직 분화를 향상시키기 위해 창/수준 설정을 조정합니다. 시작점으로 창을 350HU로, 수준을 40HU로 설정하고 필요한 경우 수정합니다.
   5. 심근 및 내부 심실을 포함한 해부학적 관심 영역(ROI)의 가시성을 확인합니다.
2. 임계값 기반 세분화
   1. 세그먼트 편집기 모듈로 이동하고 추가를 클릭하여 새 세그멘테이션을 만듭니다.
   2. 세분화 도구에서 임계값 을 선택합니다. 하부 임계값 을 100HU 로, 상한 임계값 을 300HU 로 설정하여 연조직을 분리합니다.
      참고: 이 값은 이미지 품질 및 환자별 특성에 따라 달라질 수 있습니다.
   3. 임계값 범위를 수동으로 조정하여 슬라이더를 드래그하거나 심근 챔버와 심실이 명확하게 분리될 때까지 값을 입력하여 ROI를 구체화합니다. 축방향, 시상식 및 관상동맥 보기에서 육안 검사를 사용하여 적절한 선택을 보장합니다.
   4. 모든 관련 해부학적 영역이 캡처되었는지 확인합니다. 필요한 경우 페인트 도구로 전환하여 임계값으로 제대로 캡처되지 않은 세분화 영역을 수동으로 추가하거나 제거합니다.
   5. Apply(적용)를 클릭하여 임계값 기반 선택에 대한 세분화를 완료합니다(그림 1).
3. 수동 slice-by-slice 보정
   1. Segment Editor의 Scissors 또는 Erase 도구를 사용하여 CT 데이터 세트의 각 슬라이스를 수동으로 검사합니다. 아티팩트 또는 불량한 대비로 인해 발생하는 것과 같은 부정확성을 필요에 따라 분할된 영역을 제거하거나 추가하여 수정합니다.
   2. 각 절편에 대해 심근과 내부 심실을 정확하게 식별하는 데 중점을 둡니다. 모호한 부분이 발생하면 정확성을 보장하기 위해 의료 전문가나 해부학 참조와 상의하십시오.
   3. 심장을 두 개의 뚜렷한 부분으로 분리하십시오: 하나는 심근을 위한 것이고 다른 하나는 내부 챔버를 위한 것입니다. Create New Segment 버튼을 사용하여 이러한 구조를 구분할 수 있습니다.
   4. 축면, 시상면 및 관상면의 모든 슬라이스가 수정되고 분할될 때까지 슬라이스별 검사 및 수정을 계속합니다.
4. 후처리 및 모델 내보내기
   1. 내보낸 STL 파일을 MeshMixer로 가져옵니다(그림 2, 프로토타입 설계 소프트웨어라고 함).
      1. 먼저 작은 아티팩트를 제거하고 Edit > Make Solid를 선택하여 모델의 균일성을 확인합니다.
      2. 팝업 창에서 Solid Type(솔리드 유형 )을 Accuracy( 정확도 )로 선택하여 세분화의 정확한 세부 정보를 유지합니다. 최적의 충실도를 위해 솔리드 정확도 슬라이더를 0.8에서 1.0 사이의 값으로 조정합니다.
   2. 모델을 솔리드화한 후 수동 아티팩트 제거를 진행합니다. 지우기 및 채우기 도구를 사용하여 중단된 표면 영역을 재구성할 수 있습니다. 이 항목에 액세스하려면 Select > Modify > Erase & Fill에서 액세스할 수 있습니다.
   3. 클릭하고 드래그하여 문제가 있는 영역을 선택한 다음 채우기 옵션을 사용하여 표면 연속성을 복원합니다. 채워진 영역이 주변 형상과 부드럽게 혼합되는지 확인합니다.
   4. 일반적인 곡면 미세화의 경우 선택 도구를 사용하여 스무딩이 필요한 모델의 특정 영역을 강조 표시합니다. 선택한 후 Modify > Smooth 로 이동하여 도구를 반복적으로 적용합니다.
   5. Smooth Strength(부드러운 강도) 슬라이더를 표면 불규칙성의 정도에 따라 10에서 50% 사이로 조정합니다. 매끄럽게 하는 동안 해부학적 정확성을 유지하기 위해 주의하십시오. Shift + 왼쪽 클릭을 사용하여 수정할 필요가 없는 영역을 선택 취소합니다.
   6. 매끄럽게 만들기가 완료되면 검사기 도구를 사용하여 메시에 남아 있는 구멍을 자동으로 식별하고 채웁니다. 모델을 육안으로 검사하여 주요 아티팩트 또는 표면 불규칙성이 없는지 확인합니다.
   7. 심근과 내부 심실을 하나의 응집력 있는 모델로 통합하려면 부울 연산을 적용합니다. Edit > Boolean Union 으로 이동하여 두 개의 개별 부품(심근 및 챔버)을 선택하여 병합합니다.
   8. 작업이 내부 구멍이나 겹침을 생성하지 않고 구조를 성공적으로 결합하는지 확인합니다. 교차점을 검사하고 Erase & Fill 또는 Smooth 를 사용하여 병합 영역을 수동으로 조정하여 필요에 따라 조정합니다(그림 3).
   9. 모델이 통합되고 구체화되면 3D 프린팅 준비를 위해 > STL 내보내기 를 선택하여 최종 STL 파일을 내보냅니다.
5. 3D 프린팅을 위한 모델 준비
   1. 재료 선택 및 프린터 설정
      1. 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 필라멘트를 사용하면 아세톤 평활화와 같은 후처리가 용이합니다.
         참고: ABS는 온도 변화에 민감하므로 인쇄하는 동안 안정적인 환경을 확보하십시오.
      2. 더 나은 온도 제어를 위해 동봉된 3D 프린터를 선택하십시오.
   2. 프린터 및 슬라이서 설정
      1. 프린터 모델: 적절한 프린터를 사용합니다. 여기서, 맞춤형 금속 인클로저가 있는 Creality Ender 3가 사용되었습니다.
      2. 필라멘트 재료: ABS를 사용합니다.
      3. Cura 또는 유사한 슬라이싱 소프트웨어에서 다음 설정을 구성합니다.
         노즐 직경 : 0.5 mm
         노즐 온도: ~240°C(필라멘트 브랜드에 따라 조정)
         침대 온도: ~100 °C
         레이어 높이 : 0.24 mm
         인쇄 속도 : ~ 100mm / s (더 높은 품질을 위해 50-60mm / s로 줄임)
         메우는 조밀도: 25% (힘과 물자 사용법의 균형을 맞추기 위하여)
         지원: 자동 지원(예: 트리 지원)을 활성화합니다.
         냉각 팬: 뒤틀림을 방지하기 위해 끕니다.
         접착 보조제: 챙이나 뗏목을 사용하여 침대 접착력을 향상시킵니다.
      4. 프린터 보정을 확인하고 (a) 프린터별 허용 오차, (b) ABS 필라멘트의 속성, (c) 인쇄 속도와 표면 품질 간의 원하는 절충에 따라 설정을 조정합니다.
   3. 서포트 구조 및 후처리
      1. 서포트 구조: 내장 도구(예: Cura)를 사용하여 슬라이싱 소프트웨어에서 서포트를 생성하여 프린팅 중에 돌출된 피처를 안정화합니다. 지지대가 섬세한 해부학적 세부 사항을 방해하지 않는지 확인하십시오.
      2. 지지대 제거: 지지대 제거 중 손상을 방지하기 위해 인쇄된 모델을 완전히 식히십시오. 지지대를 조심스럽게 제거하십시오. 보다 광범위한 지지를 위해 니들 노즈 플라이어를 사용하십시오. 작거나 섬세한 부위의 경우 손으로 지지대를 부드럽게 제거하십시오.
      3. 표면 마감: 인쇄된 모델에서 거친 영역, 특히 지지대가 부착된 부분을 검사합니다. 미세한 그릿 사포(예: 200-400방)와 정밀한 디테일을 위한 작은 파일을 사용하여 이러한 영역을 매끄럽게 하고 해부학적 정확도를 향상시키기 위해 깨끗하고 연속적인 표면을 목표로 합니다.
      4. 고급 후처리(선택 사항): 광택 마감이 필요한 경우 아세톤으로 증기 평활화 챔버를 준비하고 모델을 아세톤 증기에 ~9분 동안 노출시키고(적절한 안전 예방 조치[예: 장갑, 고글]) 환기가 잘 되는 곳에서 이 단계를 수행하고 취급하기 전에 모델을 완전히 건조시킵니다.
6. 일시 중지 지점.
   1. 1.3.1단계에서 각 슬라이스 수정 후 프로젝트를 3D 슬라이서에 저장하여 프로토콜을 일시 중지합니다. 나중에 데이터 손실 없이 세분화를 다시 시작합니다.
   2. 1.4.1단계에서 STL 파일을 내보낸 후 필요한 경우 연속성이 필요하지 않으므로 사후 처리 단계를 일시 중지합니다.

2. 혼합 현실

참고: CarnaLife Holo(혼합 현실 소프트웨어라고 함)를 사용하여 심장 CT DICOM 파일을 홀로그램 표현으로 처리합니다.

1. 하드웨어를 준비합니다.
   1. 노트북을 켜고 전원 콘센트에 꽂습니다. 혼합 현실 헤드셋을 켭니다.
   2. 라우터를 노트북에 연결합니다.
2. 획득한 CT DICOM 파일에서 혼합 현실 헤드셋에 CT 이미지를 로드합니다.
   1. 혼합 현실 소프트웨어를 열고 로그인합니다(그림 4).
   2. CT 스캔이 있는 적절한 폴더를 선택합니다. 올바른 CT 데이터 시리즈를 선택합니다(그림 5).
   3. 헤드셋이 켜져 있을 때 표시되는 IP 주소를 확인하고 혼합 현실 소프트웨어의 지정된 위치에 입력합니다.
   4. 연결 단추를 클릭하여 혼합 현실 헤드셋에서 시각화를 확인합니다.
3. Scissors 옵션을 사용하여 수동 분할 도구로 심장 구조를 분할합니다(그림 6). 이를 통해 마우스 왼쪽 버튼을 클릭하고 드래그하여 CT 데이터 재구성에서 제거할 영역을 표시합니다.
   1. 절단 영역 표시를 마우스 왼쪽 버튼을 클릭하여 종료한 다음 팝업에서 절단을 확인합니다.
4. 사용 가능한 사전 설정 목록에서 심장 구조 시각화에 적합한 사전 정의된 사전 설정(색상 시각화 매개변수)을 CT CARDIAC HOLLOW라는 이름을 클릭하여 선택합니다.
   1. 필요한 경우 3D 뷰에서 커서를 이동하는 동안 마우스 오른쪽 버튼을 길게 클릭하여 창을 변경하여 시각화를 조정합니다.
5. 좌심실과 우심실과 심방의 3D 표면 모델을 로드합니다.
   1. 혼합 현실 소프트웨어에서 3D 모델 섹션을 클릭합니다. Load Models 버튼을 클릭합니다.
   2. 표면 모델이 있는 폴더로 이동합니다. 4개의 파일을 모두 선택하고 열기를 클릭하여 확인합니다. 시각화된 모델의 색상을 조정합니다(그림 7).
      1. 3D 모델 목록에서 연필 아이콘을 클릭합니다. 표시되는 팝업에서 Aspect 탭을 클릭합니다.
      2. Color 라벨 옆에 있는 흰색 사각형을 클릭합니다. 색상 선택기 팝업에서 적절한 색상을 선택합니다. 확인 버튼을 클릭하여 확인합니다. 3D View를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭합니다.
      3. 나머지 표면 모델에 대해 모든 단계를 반복합니다.
6. 3개의 2D 뷰(축방향, 시상식 및 관상동맥)를 활용하여 2D 뷰에서 해부학적 구조의 주석을 작성하여 주석 점을 적절한 위치에 배치합니다.
   1. 소프트웨어에서 Annotate 섹션을 클릭합니다.
   2. 앱 창의 오른쪽(기본 앱 레이아웃)에는 재구성된 데이터의 2D 뷰 3개가 있습니다.
      1. 모든 2D 보기의 오른쪽에 있는 슬라이더 옆에 있는 단일 화살표 또는 이중 화살표 아이콘을 클릭하여 슬라이스를 이동합니다.
      2. 마우스 휠로 스크롤하는 동안 왼쪽 Shift 버튼을 클릭하고 길게 눌러 슬라이스를 변경합니다.
      3. 파란색, 빨간색 또는 초록색 선을 드래그하여 슬라이스를 변경합니다(2D 평면 표현).
   3. 선택한 2D 뷰에서 올바른 슬라이스를 설정한 후 마우스 휠로 확대/축소하고 마우스 왼쪽 버튼을 클릭하여 주석 점을 배치합니다. 클릭한 위치에 주석이 생성됩니다.
   4. Annotate 섹션으로 돌아가서 해당 ID 번호가 있는 annotations 목록의 annotation에 있는 Pencil 아이콘을 클릭합니다.
   5. 팝업 아래쪽에 주석의 텍스트(예: "Left ventricle")를 입력합니다.
   6. 이 팝업에서 주석의 색상, 두께 및 크기를 조정합니다. 배치된 주석이 있는 2D 뷰 로 돌아갑니다.
   7. 주석 레이블을 잡아 2D 평면 외부의 적절한 위치로 이동합니다.
   8. 주석을 달아야 하는 모든 해부학적 구조에 대해 모든 단계를 반복합니다.
7. 시각화 상태를 로드하여 시각화에서 해부학적 구조의 저장된 주석을 가져옵니다.
   1. 3D 보기의 오른쪽 상단 모서리에 있는 플로피 디스크 아이콘 옆에 있는 파일 로드(Load File) 아이콘을 클릭합니다. 팝업에서 Folder(폴더) 아이콘을 클릭하고, 저장된 시각화 상태 파일이 있는 디렉터리로 이동한 다음, Select folder(폴더 선택)를 클릭합니다.
   2. 올바르게 선택하고 이 특정 데이터에 유효한 파일이 있는 경우 적용 가능한 시각화 상태 파일 목록이 파일을 찾을 수 없음 고지 사항을 사용자가 로드할 수 있는 상태 이름으로 바꿉니다.
   3. 적절한 시각화 상태를 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하여 선택하고 Load 버튼을 클릭하여 확인합니다. 로드한 후 사용자에게 시각화 상태 로드 중 상태가 표시됩니다.
8. 홀로그램 공간에서 준비된 시각화를 보려면 헤드셋을 착용하고 음성 명령 Locate here 를 사용하여 3D 홀로그램 CT 스캔 재구성을 눈 앞에 가져옵니다. Rotate, Zoom, Cut Smart와 같은 음성 명령을 사용하여 조정하고 손 제스처와 결합합니다(그림 8).
9. Cut Smart 음성 명령을 사용하여 시선에 수직인 절단 평면을 적용하고 조정합니다.
10. 헤드를 이동하고 회전하여 적용된 절단 평면의 이동과 방향을 변환합니다. 홀로그램에 가까이 다가가 절단 평면을 홀로그램 재구성 안으로 더 깊이 이동합니다. 헤드를 시계 방향으로 90° 회전하여 절단 평면을 시계 방향으로 90° 회전하는 식입니다.
11. 이러한 움직임을 수행하여 심장 구조의 내부 부분, 홀로그램 시각화, 이전에 로드된 표면 모델 및 해부학적 구조의 주석을 확인합니다.

결과

세분화 및 3D 재구성 프로토콜은 해부학 훈련을 위한 두 가지 주요 결과물, 즉 3D 프린팅된 심장 모델과 심장의 3D MR 시각화를 산출했습니다. 환자별 CT 데이터를 활용하는 이러한 결과는 학생들이 실습 및 몰입형 학습 경험에 참여할 수 있는 보완 도구를 제공합니다.

3D 프린팅된 심장 모델을 통해 학생들은 심장 해부학의 유형적인 표현과 물리적으로 상호 작용할 수 있습니다. 이 모델은 심근과 같은 뚜렷한 외부 특징뿐만 아니라 챔버 및 판막을 포함한 내부 구조를 나타냅니다. 성공적인 실험에서는 해부학적 정확도가 높았으며, 후처리 후 잘 정의된 특징과 최소한의 아티팩트가 있었습니다. 그림 9 는 심근과 내부 챔버가 명확하게 구분되는 완전히 처리된 3D 프린팅 모델을 보여줍니다. CT 이미지의 대비가 최적이 아닌 경우, 분할 오류로 인해 불규칙한 챔버 크기 또는 불완전한 밸브 구조와 같은 모델의 부정확성이 발생했습니다. 이러한 문제는 그림 10에서 볼 수 있듯이 추가 평활화 및 아티팩트 제거를 포함한 수동 개입으로 해결할 수 있는 경우가 많았습니다.

반면, 3D 혼합 현실 시각화는 학생들이 가상 공간에서 심장을 탐험할 수 있는 역동적이고 인터랙티브한 경험을 제공합니다. MR 환경은 다양한 해부학적 평면을 통한 회전, 확대/축소 및 절단을 포함한 실시간 상호 작용을 제공하여 관상 동맥 또는 중격 벽과 같은 복잡한 구조를 보다 자세히 이해할 수 있도록 합니다. MR 시각화의 성공적인 구현은 외부 및 내부 해부학적 구조를 매우 정확하게 표현했습니다. 그러나 최적화되지 않은 시각화(예: 분할에 결함이 있는 경우)는 내부 구조에 대한 왜곡된 관점으로 이어져 MR 모델의 현실감과 교육 효과에 영향을 미쳤습니다(그림 11). 복잡한 해부학적 구조의 경우 세분화 접근 방식으로는 충분하지 않을 수 있습니다. 체적 렌더링의 가능성 덕분에, 해부학을 이해하는 데 중요한 다양한 밀도(Hounsfield Units로 표시)를 시각화할 수 있습니다(그림12).

이 기술은 정확하고 조작 가능한 모델을 제공하여 학습 경험을 향상시키는 강력하고 보완적인 도구를 제공하지만, 그 성공 여부는 프로토콜의 초기 단계에서 세분화 및 재구성의 품질에 달려 있습니다. 전반적으로 이러한 결과는 환자별 CT 데이터에서 정확한 심장 모델을 생성하는 프로토콜의 효과를 보여줍니다. 이러한 결과는 환자별 CT 데이터에서 정확한 심장 모델을 생성하는 데 있어 프로토콜의 효과를 보여줍니다.

해부학 교육, 특히 심장 구조 학습에서 혼합 현실 기술에 대한 학생들의 인식을 평가하기 위해 예비 연구가 수행되었습니다. 이 연구에는 엔지니어의 감독 하에 학습 목적으로 홀로그램을 활용할 수 있는 106명의 학생이 참여했습니다. 세션이 끝날 무렵 그들은 "혼합 현실 기술이 심장 구조라는 주제를 더 잘 이해하는 데 도움이 되었습니까?"라는 질문을 받았습니다. 모든 응답자(100%)가 "예"라고 답했습니다. 학생들의 지식은 세션 직후 심장의 형태와 관련된 세 가지 해부학적 구조를 설명하도록 요구하는 간단한 필기 시험을 통해 평가되었습니다. 총점 3에 대한 평균 점수는 2.037점이었습니다(표 1).

그림 1: 심장의 CT 분할. 3D 슬라이서 소프트웨어에서 CT 분할의 축(왼쪽 위), 관상(왼쪽 아래), 시상(오른쪽 아래) 및 3D(오른쪽 위) 보기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 후처리. 프로토타입 설계 소프트웨어에서 세분화 3D 모델을 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 후처리 후. 프로토타입 설계 소프트웨어에서 세분화 3D 모델을 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: Mixed Reality 소프트웨어 보기. 응용 프로그램 시작 화면. 명확하고 접근하기 쉬운 로그인 패널. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 혼합 현실 소프트웨어에서 올바른 시리즈 선택. 홀로그램 시각화를 위해 사용 가능한 컴퓨터 단층 촬영 이미지 선택. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 혼합 현실 소프트웨어에서 시각화의 일부를 잘라내기 위한 가위 옵션. 홀로그램을 사용자의 필요에 맞게 실시간으로 조정할 수 있는 도구입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7: 혼합 현실 소프트웨어에서 홀로그램 시각화의 색상 조정. 시각화에 색상을 추가하면 홀로그램의 접근성과 선명도가 높아집니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 8: 혼합 현실 소프트웨어로 만든 홀로그램 공간의 시각화. 강조 표시된 색상과 컴퓨터 단층 촬영 마커가 있는 3차원 홀로그램으로 공간에서의 방향을 돕습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9: 후처리 및 부울 연산 후 "x-ray" 미리보기. 프로토타입 설계 소프트웨어에서 3D 모델을 볼 수 있습니다. 심근과 내부 챔버를 명확하게 구분하는 완전히 처리된 3D 프린팅 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 10: 4챔버 프로젝션에서 모델을 절단한 후 최종 3D 프린팅 부품 미리보기. 프로토타입 설계 소프트웨어에서 3D 모델을 볼 수 있습니다. 추가 스무딩 및 아티팩트 제거. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 11: 혼합 현실 소프트웨어에서 CT 데이터의 시각화. 표면 렌더링은 과도한 세분화의 결과를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 12: 혼합 현실 소프트웨어에서 CT 데이터의 예시적인 시각화. 다양한 밀도를 시각화하는 볼륨 렌더링. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

총 학생 수(n)			106
학습 목적으로 홀로그램을 사용한 학생 수(n)			106
"혼합 현실 기술이 주제, 즉 심장 구조를 더 잘 이해하는 데 도움이 되었습니까?"라는 질문에 "예"라고 답한 학생 수 (n)			106
"혼합 현실 기술이 주제, 즉 심장 구조를 더 잘 이해하는 데 도움이 되었습니까?"라는 질문에 "아니오"라고 답한 학생 수 (n)			0
최소 점수			0
최대 점수			3
심장의 형태와 관련된 세 가지 해부학적 구조를 설명하기 위해 간단한 필기 시험을 치른 학생들의 평균 점수			2.037
총점			3

표 1: 연구의 예비 데이터.

토론

현대의 해부학은 주로 수백 년 동안 알려진 고전적이고 입증된 방법을 기반으로 합니다. 인체 시체는 미래의 의사를 가르치는 기초이며, 해부학자들은 인체의 구조를 이해하는 것뿐만 아니라 윤리적 태도를 형성하는 데에도 인간의 역할을 강조한다^28,29). 기술의 발전은 일상적인 임상 절차뿐만 아니라 교육에서도 광범위하기 때문에 3D 프린팅 ^7,30,31,32 및 해부학 교육에서 혼합 현실^{구현 33,34,35,36} 을 구현하려는 시도가 있습니다. 현재 의사의 업무는 주로 최신 솔루션, 장비 및 널리 이해된 디지털화를 기반으로 하며, 수년 동안 지속되어 온 추세를 고려하여 자동화, 로봇화 및 혁신적인 솔루션 구현의 점유율 증가가 진행될 것입니다.

3D 프린팅으로 고전적인 형태의 교육을 보완하는 것, 혼합 현실 또는 초음파를 사용하는 수업은 더 많은 지식을 습득하고 다양한 유형의 이미징 기술에서 시각화를 비교할 수 있는 기회뿐만 아니라 새로운 기술과의 접촉으로 인해 미래의 의사를 직업에 대한 준비에 매우 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 그 사용법에 익숙해지고, 특히 관심 분야에서 새로운 응용 프로그램에 대해 생각하도록 자극을 준다³⁷.

3D 프린팅 기술로 모델을 준비하고 혼합 현실 기술로 홀로그램을 준비하려면 표준 이상의 헌신, 제작 계획, 이를 사용하여 수업을 자유롭게 진행해야 합니다. 이것들은 값비싼 솔루션, 특히 홀로그램(고글)을 표시할 수 있는 장치, 응용 프로그램 및 작동을 포함한 엔지니어링 시설을 필요로 하는 혼합 현실이라는 점을 추가해야 합니다. 3D 프린팅은 인기가 높^{고 비용이 저렴}하기 때문에 구현하기가 더 쉽지만 해부학과에서 처음부터 자체 모델을 만들고 DICOM 이미징 연구에서 인쇄할 수 있는 이미지를 만들기 위한 소프트웨어를 만들려면 프린터와 필라멘트 구입을 계획해야 합니다.

CarnaLife Holo를 사용하면 CT 데이터와 세분화 결과를 모두 업로드할 수 있어 MR 영역에는 거의 적용되지 않는 고유한 접근 방식을 제공합니다. 현재의 최첨단 기술은 일반적으로 STL 또는 OBJ 파일^39,40을 기반으로 하는 표면 렌더링을 사용하여 3D 모델을 시각화합니다. 결과적으로 사용자는 세분화 결과에만 액세스할 수 있으며 원본 데이터를 직접 볼 수 있는 기능은 제한적입니다. 이는 세분화 정밀도가 중요한 석회화와 같은 작은 구조나 병리학을 분석할 때 문제를 제기할 수 있습니다.

원시 데이터 시각화(볼륨 렌더링)를 통해 사용자는 형상뿐만 아니라 구조 내 Hounsfield 단위(밀도)의 분포를 분석하여 구조를 평가할 수 있습니다. 수동 세분화의 지루한 작업을 용이하게 하는 일반적인 기술인 자동 심장 세분화에는 한계가 있습니다⁴¹. 특히 병리학이 있는 경우 분할할 수 있는 구조의 수에 의해 제약을 받으며 효율적인 처리를 위해 고성능 하드웨어가 필요합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 볼륨 렌더링과 표면 렌더링이라는 두 가지 시각화 방법의 조합이 제안되었습니다. 이 하이브리드 접근 방식을 사용하면 분할된 구조와 분석된 데이터 내의 값 분포를 동시에 시각화할 수 있으므로 사용자에게 데이터 해석을 위한 보다 포괄적인 도구를 제공할 수 있습니다.

심장 해부학의 경우, 크기, 모양, 해부학적 구조의 위치, 아티팩트의 존재 및 인접 조직 간의 모호한 경계(낮은 대비)의 이질성으로 인해 프로그램의 표준 자동 도구가 전체 이미지에서 심장 조직을 추출하기에 충분하지 않기 때문에 3D 모델을 만드는 것이 복잡합니다. 그러므로, 역치 세분화에 더하여, "slice by slice" 메커니즘에서 의사의 감독하에 세분화를 수행해야 합니다. 다음 단계는 모델을 3D 프린팅에 적응하는 것으로, 여기에는 이미지 획득 중 노이즈로 인한 왜곡을 추가로 제거하는 것이 포함됩니다. 인쇄 후 모델은 더 매끄러운 표면을 얻기 위해 아세톤에 부드럽게 용해됩니다. 학생들이 기성품을 사용하는 것은 간단하며, 이는 인체 시체 준비를 보고 토론하는 것과 유사합니다. 혼합 현실의 경우 매번 기술 사용에 대한 교육이 필요합니다 - 고글을 머리에 올바르게 부착하고 음성 및 제스처 제어. 사용 가능한 장비가 제한되어 있기 때문에 동시에 더 많은 수의 학생이 참여할 수 없습니다. 이미징된 물질의 접근성을 높이기 위해 특정 해부학적 구조의 마커를 사용하여 제제(홀로그램)에 대한 더 빠른 논의를 용이하게 했습니다.

3D 슬라이서에서 세분화 및 3D 재구성 프로세스를 마스터하는 것은 여러 기능과 워크플로를 학습해야 하기 때문에 초보자에게는 어려울 수 있습니다. 숙련도를 개발하려면 일반적으로 상당한 연습과 경험이 필요합니다. 관찰한 바에 따르면, 소프트웨어로 확신을 얻으려면 약 20-30시간의 전담 작업이 필요했으며, 여기에는 최소 5-7개의 서로 다른 심장 모델을 세분화하는 작업이 포함되었습니다. 3D Slicer는 강력한 온라인 커뮤니티의 이점을 제공하는 오픈 소스 플랫폼입니다. 광범위한 문제 해결 리소스, 문제 해결 포럼, 풍부한 자습서 및 사용 사례를 제공합니다. 이러한 리소스는 접근 가능한 지침을 제공하여 학습 과정을 촉진합니다. 또한 ChatGPT 또는 Gemini를 포함한 대규모 언어 모델(LLM)과 같은 도구를 활용하면 소프트웨어와 그 기능에 대한 이해를 더욱 높일 수 있습니다. 학습 단계에서는 의료 영상 및 해부학에 경험이 있는 멘토 또는 감독자에 대한 접근이 매우 유리한 것으로 입증되었습니다. 세분화 전략 및 정확성에 대한 즉각적인 피드백은 기술 개발을 가속화하고 해부학적 정밀도가 유지되도록 합니다. 초보자는 초기 시도가 시간이 많이 걸리고 오류가 발생하기 쉬울 수 있음을 예상해야 합니다. 그러나 일관된 관행은 세분화 및 세분화 프로세스를 훨씬 더 직관적이고 효율적으로 만듭니다. 도구를 꾸준히 사용하면 속도와 정확성이 크게 향상되므로 인내심을 가지고 이 학습 곡선에 접근하는 것이 중요합니다.

제시된 프로토콜의 중요한 단계는 3D 프린팅 및 혼합 현실 기술에 유용한 3차원 모델을 만들기 위해 이미징 연구에서 심장 조직을 적절하게 분할하고 추출하는 것이었습니다.

3D 프린팅 및 혼합 현실 기술을 사용한 심장 해부학 수업은 학생들로부터 매우 좋은 반응을 얻었으며 대다수는 기술 지원이 유용하다고 생각하여 논의된 주제를 더 잘 이해할 수 있었습니다. 저자에 따르면 새로운 기술은 기존의 고전적인 교훈적 솔루션을 지원하고 점점 더 널리 사용되어야 합니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Slicer	The Slicer Community	https://www.slicer.org	Version 5.6.0
CarnaLifeHolo	MedApp S.A.	https://carnalifeholo.com	3D visualization software
Meshmixer	Autodesk Inc.	https://www.research.autodesk.com/projects/meshmixer/	prototype design software
Ender 3	Creality	https://www.creality.com/products/ender-3-3d-printer	3D printer
Cura	UltiMaker	https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura/	3D printing software