Tecnologia de realidade mista e impressão tridimensional no ensino: anatomia do coração como exemplo

Resumo

Aqui, descrevemos um protocolo para construir um modelo de coração do zero com base em tomografia computadorizada e o apresentamos a estudantes de medicina usando impressão tridimensional (3D) e tecnologia de realidade mista para aprender anatomia.

Resumo

A tecnologia de realidade mista e a impressão tridimensional (3D) estão se tornando cada vez mais comuns no campo da medicina. Durante a pandemia de COVID-19 e imediatamente após a flexibilização das restrições, muitas inovações foram implementadas no ensino dos futuros médicos. Houve também interesse em técnicas imersivas e tecnologia de impressão 3D no ensino de anatomia. No entanto, essas não são implementações comuns. Em 2023, foram preparadas impressões 3D e hologramas em tecnologia de realidade mista para aulas focadas na estrutura do coração. Eles foram usados para ensinar os alunos, que, com o apoio de engenheiros, puderam aprender sobre a estrutura detalhada do coração e se familiarizar com as novas tecnologias que suportam o modelo tradicional de aprendizagem em cadáveres humanos. Os alunos acham essa possibilidade altamente valiosa. O artigo apresenta o processo de preparação de materiais para as aulas e outras possibilidades de implementação. Os autores veem uma oportunidade para o desenvolvimento das tecnologias apresentadas no ensino dos alunos em vários níveis de ensino e a justificativa para uma implementação cada vez mais difundida.

Introdução

A tecnologia de impressão tridimensional (3D) e a realidade mista são conquistas tecnológicas cada vez mais comumente usadas na medicina. Mais aplicações estão sendo encontradas não apenas na prática clínica diária de muitos especialistas de várias áreas, mas também no ensino de residentes e futuros médicos, ou seja, estudantes de medicina 1,2,3,4,5,6.

A tecnologia de impressão 3D é frequentemente utilizada para imprimir modelos anatômicos, oferecida principalmente por entidades comerciais, mas o crescente interesse dos alunos por esse tipo de preparação para o aprendizado é um impulso para a introdução de inovações nos departamentos de anatomia das universidades médicas⁷. As preparações podem ser criadas com base em dados de atlas anatômicos, desenhos e gravuras, mas também com base em estudos de imagem, como tomografia computadorizada ou ressonância magnética ^1,8,9. É possível imprimir preparações anatômicas em uma impressora 3D em várias escalas, e é possível usar cores, marcadores e outras variações para aumentar a acessibilidade do material didático^10,11. Apesar do aumento da disponibilidade de materiais, os estudantes de medicina na Polônia não têm amplo acesso a esse tipo de preparação, independentemente da vontade declarada de apoiar o atual modelo de ensino clássico baseado em preparações de cadáveres humanos, com a adição de novas tecnologias ainda não totalmente implementadas.

A tecnologia de realidade mista é a integração do mundo virtual com o mundo real. Graças aos óculos que permitem a visualização de hologramas previamente preparados, eles podem ser "sobrepostos" aos objetos circundantes no mundo real¹². Os hologramas podem ser manipulados no espaço, por exemplo, ampliados, reduzidos ou girados, tornando a imagem visualizada melhor visualizada, acessível e mais útil. A realidade mista é cada vez mais utilizada pelos operadores em disciplinas cirúrgicas, por exemplo, cirurgia cardíaca ^3,13 ortopedia 14,15,16,17, oncologia¹⁸. Cada vez mais, especialmente no período após a pandemia de COVID-19, os didáticos da área de ciências médicas básicas estão interessados nas novas tecnologias, incluindo a realidade mista, a fim de implementá-las na formação dos futuros médicos 19,20,21. Professores acadêmicos que ensinam anatomia normal também estão encontrando espaço para introduzir a realidade mista em seu campo 22,23,24,25,26. A criação de hologramas requer um estudo de imagem, na maioria das vezes tomografia computadorizada, que é renderizada e processada por engenheiros usando software dedicado em uma versão holográfica - possível de usar com óculos.

Decidimos criar materiais úteis para os alunos aprenderem a anatomia do coração humano como parte das aulas de anatomia no primeiro ano de estudos médicos. Para tanto, foi utilizada uma angiotomografia computadorizada do coração, disponibilizada pelo Departamento de Cardiologia após prévia anonimização completa dos dados. Nós, divididos em duas equipes, criamos hologramas e impressões 3D, que foram disponibilizados aos alunos como parte de uma aula piloto. Os alunos avaliaram muito bem a acessibilidade e precisão dos materiais, mas um estudo detalhado sobre este tópico será apresentado posteriormente - os resultados estão sendo avaliados.

Aqui, mostramos o processo de criação de modelos desde a tomografia computadorizada até a apresentação de modelos prontos implementados na prática docente.

Protocolo

O protocolo segue as diretrizes do Comitê de Ética em Pesquisa com Seres Humanos da Universidade Médica da Silésia. Os dados de imagem do paciente foram usados após anonimização completa.

1. 3D Impressão - Segmentação e reconstrução do modelo 3D do coração

1. Upload e pré-processamento de imagens
   1. Abra o 3D Slicer 5.6.0 e navegue até o módulo de dados²⁷.
   2. Clique em Adicionar dados e selecione as imagens de TC específicas do paciente no formato DICOM. Certifique-se de que as imagens sejam carregadas na orientação correta.
   3. Avalie a qualidade das imagens inspecionando as vistas axial, sagital e coronal no Slice Viewer. Verifique contraste suficiente para distinguir entre o miocárdio e as câmaras cardíacas.
   4. Se o contraste for insuficiente, ajuste as configurações de Janela/Nível para melhorar a diferenciação do tecido usando o Módulo Volumes. Defina a Janela para 350 UC e o Nível para 40 UC como ponto de partida e modifique se necessário.
   5. Confirme a visibilidade das regiões anatômicas de interesse (ROI), incluindo o miocárdio e as câmaras cardíacas internas.
2. Segmentação baseada em limite
   1. Navegue até o módulo Editor de segmentos e clique em Adicionar para criar uma nova segmentação.
   2. Selecione Limite nas ferramentas de segmentação. Defina o Thresold Inferior para 100 HU e o Limite Superior para 300 HU para isolar os tecidos moles.
      NOTA: Esses valores podem variar dependendo da qualidade da imagem e das características específicas do paciente.
   3. Ajuste a faixa de limite manualmente para refinar o ROI arrastando os controles deslizantes ou inserindo valores até que o miocárdio e as câmaras cardíacas estejam claramente isolados. Use a inspeção visual nas vistas axial, sagital e coronal para garantir a seleção adequada.
   4. Confirme se todas as áreas anatômicas relevantes foram capturadas. Se necessário, alterne para a ferramenta Pintura para adicionar ou remover manualmente áreas da segmentação que não foram capturadas corretamente pelo limite.
   5. Clique em Aplicar para finalizar a segmentação para a seleção baseada em limite (Figura 1)
3. Correção manual fatia a fatia
   1. Usando as ferramentas Tesoura ou Apagar no Editor de segmentos, inspecione manualmente cada fatia do conjunto de dados de TC. Corrija quaisquer imprecisões, como aquelas causadas por artefatos ou contraste ruim, removendo ou adicionando regiões segmentadas conforme necessário.
   2. Para cada fatia, concentre-se em identificar com precisão o miocárdio e as câmaras cardíacas internas. Se surgirem ambiguidades, consulte um profissional médico ou referência anatômica para garantir a precisão.
   3. Separe o coração em dois segmentos distintos: um para o miocárdio e outro para as câmaras internas. Use o botão Criar novo segmento para diferenciar essas estruturas.
   4. Continue a inspeção e correção fatia por fatia até que todas as fatias nos planos axial, sagital e coronal sejam corrigidas e segmentadas.
4. Pós-processamento e exportação de modelos
   1. Importe os arquivos STL exportados para o MeshMixer (Figura 2, conhecido como software de design de protótipo).
      1. Comece eliminando pequenos artefatos e garantindo a uniformidade do modelo selecionando Editar > Tornar sólido.
      2. Na janela pop-up, escolha Tipo sólido como Precisão para reter os detalhes precisos da segmentação. Ajuste o controle deslizante Precisão do sólido para um valor entre 0,8 e 1,0 para obter a fidelidade ideal.
   2. Depois de solidificar o modelo, prossiga para a remoção manual do artefato. Use a ferramenta Apagar e Preencher para reconstruir quaisquer áreas de superfície interrompidas. O acesso pode ser acessado em Selecionar > Modificar > Apagar e Preencher.
   3. Clique e arraste para selecionar áreas problemáticas e, em seguida, use a opção Preenchimento para restaurar a continuidade da superfície. Certifique-se de que as regiões preenchidas se misturem suavemente com a geometria circundante.
   4. Para refinamento geral da superfície, use a ferramenta Selecionar para destacar áreas específicas do modelo que requerem suavização. Uma vez selecionado, navegue até Modificar > Suavizar e aplique a ferramenta iterativamente.
   5. Ajuste o controle deslizante Resistência suave entre 10 e 50%, dependendo da gravidade das irregularidades da superfície. Tenha cuidado para manter a precisão anatômica durante a suavização. Use Shift + Clique com o botão esquerdo para desmarcar áreas que não requerem modificação.
   6. Quando a suavização estiver concluída, use a ferramenta Inspetor para identificar e preencher automaticamente os furos restantes na malha. Verifique o modelo visualmente para garantir que não existam artefatos importantes ou irregularidades de superfície.
   7. Para integrar o miocárdio e as câmaras cardíacas internas em um modelo coeso, aplique operações booleanas . Vá para Editar > união booleana e selecione as duas partes separadas (miocárdio e câmaras) para mesclá-las.
   8. Certifique-se de que a operação une com êxito as estruturas sem criar furos internos ou sobreposições. Inspecione as interseções e ajuste conforme necessário, refinando manualmente as áreas de mesclagem usando Apagar e preencher ou Suavizar (Figura 3).
   9. Depois que o modelo for unificado e refinado, exporte o arquivo STL final selecionando Exportar STL > para preparação de impressão 3D.
5. Preparação de modelos para impressão 3D
   1. Seleção de material e configurações da impressora
      1. Use filamento de acrilonitrila butadieno estireno (ABS), que permite um pós-processamento fácil, como suavização de acetona.
         NOTA: O ABS é sensível a flutuações de temperatura, portanto, garanta um ambiente estável durante a impressão.
      2. Opte por uma impressora 3D fechada para melhor controle de temperatura.
   2. Configurações da impressora e da segmentação de dados
      1. Modelo da impressora: Use a impressora apropriada. Aqui, foi usado o Creality Ender 3 com um invólucro de metal feito sob medida.
      2. Material do filamento: Use ABS.
      3. Defina as seguintes configurações no Cura ou em um software de fatiamento semelhante.
         Diâmetro do bico: 0,5 mm
         Temperatura do bico: ~ 240 °C (ajuste com base na marca do filamento)
         Temperatura da cama: ~ 100 °C
         Altura da camada: 0,24 mm
         Velocidade de impressão: ~ 100 mm / s (reduza para 50-60 mm / s para maior qualidade)
         Densidade de preenchimento: 25% (para equilibrar a resistência e o uso de material)
         Suportes: Habilite suportes automáticos (por exemplo, suportes de árvore)
         Ventilador de resfriamento: Desligue para evitar empenamento
         Auxiliares de adesão: Use uma aba ou jangada para melhorar a adesão do leito
      4. Garanta a calibração da impressora e ajuste as configurações com base em (a) tolerâncias específicas da impressora, (b) propriedades do filamento ABS e (c) a compensação desejada entre velocidade de impressão e qualidade da superfície.
   3. Estruturas de suporte e pós-processamento
      1. Estruturas de suporte: Gere suportes no software de fatiamento usando ferramentas integradas (por exemplo, Cura) para estabilizar os recursos pendentes durante a impressão. Verifique se os suportes não interferem nos detalhes anatômicos delicados.
      2. Remoção do suporte: Deixe o modelo impresso esfriar completamente para evitar danos durante a remoção do suporte. Remova os suportes com cuidado. Use um alicate de bico fino para um suporte mais amplo. Para áreas menores ou delicadas, remova suavemente os suportes com a mão.
      3. Acabamento de superfície: inspecione o modelo impresso em busca de áreas ásperas, especialmente onde os suportes foram fixados. Alise essas áreas usando uma lixa de grão fino (por exemplo, grão 200-400), limas pequenas para detalhes precisos e procure uma superfície limpa e contínua para aumentar a precisão anatômica.
      4. Pós-processamento avançado (opcional): Se for necessário um acabamento polido, prepare uma câmara de alisamento de vapor com acetona e exponha o modelo a vapores de acetona por ~9 min (execute esta etapa em uma área bem ventilada com precauções de segurança apropriadas [por exemplo, luvas, óculos]) e deixe o modelo secar completamente antes de manusear.
6. Pontos de pausa.
   1. Pause o protocolo após cada correção de fatia na etapa 1.3.1 salvando o projeto no 3D Slicer. Retome a segmentação posteriormente sem perda de dados.
   2. Na etapa 1.4.1, depois de exportar os arquivos STL, se necessário, pause as etapas de pós-processamento, pois elas não exigem continuidade.

2. Realidade mista

NOTA: Processe os arquivos DICOM de TC do coração em uma representação holográfica usando o CarnaLife Holo (conhecido como software de realidade mista).

1. Prepare o hardware.
   1. Ligue o laptop e conecte-o a uma tomada elétrica. Ligue o headset de realidade misturada.
   2. Conecte o roteador ao laptop.
2. Carregue a imagem de TC no headset de realidade misturada de arquivos DICOM de CT adquiridos.
   1. Abra o software de realidade misturada e faça logon (Figura 4).
   2. Selecione a pasta apropriada com tomografias computadorizadas. Selecione a série correta de dados de TC (Figura 5).
   3. Verifique o endereço IP exibido quando o fone de ouvido é ligado e insira-o no local designado no software de realidade misturada.
   4. Clique no botão Conectar para ver a visualização no headset de realidade misturada.
3. Segmente a estrutura do coração com uma ferramenta de segmentação manual usando a opção Tesoura (Figura 6). Com ele, marque as áreas que serão removidas da reconstrução dos dados do TC clicando com o botão esquerdo e arrastando.
   1. Termine a marcação da região de corte clicando com o botão esquerdo do mouse e confirmando o corte no pop-up.
4. Escolha uma predefinição predefinida (parâmetros de visualização de cores) adequada para visualização da estrutura cardíaca em uma lista de predefinições disponíveis clicando em seu nome: CT CARDIAC HOLLOW.
   1. Se necessário, ajuste a visualização alterando a janela usando o botão direito do mouse e segure enquanto move o cursor na Visualização 3D.
5. Carregue modelos de superfície 3D de ventrículos e átrios esquerdo e direito.
   1. Clique na seção Modelos 3D no software de realidade misturada. Clique no botão Carregar modelos .
   2. Navegue até a pasta com modelos de superfície. Selecione todos os quatro arquivos e confirme clicando em Abrir. Ajuste as cores dos modelos visualizados (Figura 7).
      1. Clique no ícone Lápis na lista de modelos 3D. Clique na guia Aspecto no pop-up visível.
      2. Clique no quadrado branco ao lado do rótulo Cor . Selecione uma cor adequada com o pop-up Seletor de cores . Confirme clicando no botão OK . Clique com o botão esquerdo do mouse em Visualização 3D.
      3. Repita todas as etapas para os modelos de superfície restantes.
6. Crie anotações de estruturas anatômicas em vistas 2D utilizando três vistas 2D (axial, sagital e coronal) para colocar o ponto de anotação no local apropriado.
   1. Clique na seção Anotar no software.
   2. No lado direito da janela do aplicativo (no layout padrão do aplicativo) há três exibições 2D de dados reconstruídos.
      1. Percorra as fatias clicando nos ícones de seta simples ou dupla ao lado do controle deslizante no lado direito de cada vista 2D.
      2. Altere a fatia clicando e segurando o botão Shift esquerdo enquanto rola com a roda do mouse.
      3. Altere a fatia arrastando linhas azuis, vermelhas ou verdes (representações de plano 2D).
   3. Depois de configurar a fatia correta na vista 2D selecionada, amplie com a roda do mouse e coloque o ponto de anotação clicando com o botão esquerdo. A anotação será criada no local clicado.
   4. Volte para a seção Anotar e clique no ícone Lápis na anotação na lista de anotações com o número de ID correspondente.
   5. Na parte inferior do pop-up, insira o texto da anotação, por exemplo, "Ventrículo esquerdo".
   6. Ajuste cores, espessuras e tamanhos de anotação neste pop-up. Volte para a vista 2D com a anotação inserida.
   7. Pegue e mova a legenda da anotação para fora do plano 2D para um local adequado.
   8. Repita todas as etapas para todas as estruturas anatômicas que precisam ser anotadas.
7. Carregue o estado de visualização para obter anotações salvas de estruturas anatômicas na visualização.
   1. Clique no ícone Carregar arquivo ao lado do ícone Disquete no canto superior direito da Visualização 3D. No pop-up, clique no ícone Pasta , navegue até o diretório com o arquivo de estado de visualização salvo e clique em Selecionar pasta.
   2. Se selecionado corretamente e se houver um arquivo válido para esses dados específicos, uma lista de arquivos de estado de visualização aplicáveis substituirá o aviso de isenção de responsabilidade Nenhum arquivo encontrado por nomes de estados que o usuário pode carregar.
   3. Clique com o botão esquerdo em um estado de visualização adequado para selecioná-lo e confirme clicando no botão Carregar. Após o carregamento, o usuário será solicitado com o status do estado de visualização de carregamento.
8. Para ver a visualização preparada no espaço holográfico, coloque o fone de ouvido e use o comando de voz Localize aqui para trazer a reconstrução da tomografia computadorizada holográfica 3D na frente dos olhos. Ajuste-o usando comandos de voz, por exemplo, Girar, Zoom, Cortar de forma inteligente e combine-o com gestos manuais (Figura 8).
9. Use o comando de voz Cut Smart para aplicar e ajustar o plano de corte perpendicular à linha de visão.
10. Mova e gire a cabeça para transladar o movimento e a orientação do plano de corte aplicado. Aproxime-se do holograma para mover o plano de corte mais profundamente na reconstrução holográfica. Gire a cabeça 90° no sentido horário para girar o plano de corte 90° no sentido horário, etc.
11. Execute esses movimentos para ver as partes internas da estrutura do coração, visualização holográfica e modelos de superfície previamente carregados e anotações de estruturas anatômicas.

Resultados

O protocolo de segmentação e reconstrução 3D produziu duas saídas primárias para o treinamento de anatomia: um modelo de coração impresso em 3D e uma visualização de RM 3D do coração. Esses resultados, que utilizam dados de TC específicos do paciente, fornecem ferramentas complementares para que os alunos se envolvam em experiências de aprendizado práticas e imersivas.

O modelo de coração impresso em 3D permite que os alunos interajam fisicamente com uma representação tangível da anatomia cardíaca. Esse modelo apresenta características externas distintas, como o miocárdio, bem como estruturas internas, incluindo as câmaras e válvulas. Em experimentos bem-sucedidos, a precisão anatômica foi alta, com características bem definidas e artefatos mínimos após o pós-processamento. A Figura 9 mostra um modelo impresso em 3D totalmente processado com clara diferenciação entre o miocárdio e as câmaras internas. Nos casos em que o contraste nas imagens de TC estava abaixo do ideal, os erros de segmentação levaram a imprecisões no modelo, como tamanhos irregulares de câmaras ou estruturas valvares incompletas. Esses problemas geralmente eram corrigíveis com intervenção manual, incluindo suavização adicional e remoção de artefatos, conforme destacado na Figura 10.

Em contraste, a visualização de realidade mista 3D oferece uma experiência dinâmica e interativa onde os alunos podem explorar o coração no espaço virtual. O ambiente de RM fornece interação em tempo real, incluindo rotação, zoom e seccionamento através de diferentes planos anatômicos, permitindo uma compreensão mais detalhada de estruturas complexas como as artérias coronárias ou as paredes septais. Implementações bem-sucedidas de visualização de RM apresentaram representações altamente precisas da anatomia externa e interna. No entanto, visualizações abaixo do ideal (por exemplo, onde a segmentação era falha) levaram a visões distorcidas das estruturas internas, afetando o realismo do modelo de RM e a eficácia do ensino (Figura 11). Para as estruturas anatômicas complexas, a abordagem de segmentação pode não ser suficiente. Graças à possibilidade de renderização volumétrica, é possível visualizar diferentes densidades (representadas por Unidades Hounsfield) que são importantes para entender a anatomia (Figura12).

As técnicas oferecem ferramentas robustas e complementares que aprimoram a experiência de aprendizado, fornecendo modelos precisos e manipuláveis, embora seu sucesso dependa da qualidade da segmentação e reconstrução nas etapas iniciais do protocolo. No geral, esses resultados demonstram a eficácia do protocolo na criação de modelos cardíacos precisos a partir de dados de tomografia computadorizada específicos do paciente. Esses resultados demonstram a eficácia do protocolo na criação de modelos cardíacos precisos a partir de dados de TC específicos do paciente.

Um estudo preliminar foi realizado para avaliar as percepções dos alunos sobre a tecnologia de realidade mista no ensino de anatomia - especificamente no aprendizado da estrutura do coração. O estudo envolveu 106 alunos que, sob a supervisão de engenheiros, foram capazes de utilizar hologramas para fins de aprendizagem. No final da sessão, eles foram questionados: "A tecnologia de realidade mista ajudou você a entender melhor o tópico - a estrutura do coração?" Todos os entrevistados (100%) responderam "sim". O conhecimento dos alunos foi avaliado imediatamente após a sessão por meio de um pequeno teste escrito que exigia que eles descrevessem três estruturas anatômicas relacionadas à morfologia do coração. O escore médio foi de 2,037 contra um escore total de 3 (Tabela 1).

Figura 1: Segmentação da TC do coração. Visualizações axial (canto superior esquerdo), coronal (canto inferior esquerdo), sagital (canto inferior direito) e 3D (canto superior direito) da segmentação por TC no software 3D Slicer. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Pós-processamento. Visualizações de modelos 3D de segmentação no software de design de protótipos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Após o pós-processamento. Visualizações de modelos 3D de segmentação no software de design de protótipos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Exibição do software de Realidade Misturada. Tela inicial do aplicativo. Painel de login claro e acessível. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Selecionando a série correta no software de realidade misturada. Seleção de imagens de tomografia computadorizada disponíveis para visualização holográfica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Opção de tesoura para cortar partes da visualização no software de realidade misturada. Uma ferramenta que permite ajustar o holograma às necessidades do usuário em tempo real. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: Ajustando as cores da visualização holográfica no software de realidade misturada. Adicionar cores à visualização aumenta a acessibilidade e a clareza dos hologramas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8: Visualizações no espaço holográfico criadas com o software de realidade misturada. Um holograma tridimensional com cores destacadas e marcadores de tomografia computadorizada para auxiliar na orientação no espaço. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9: Após o pós-processamento e a operação booleana visualização do "raio-x". Vista de modelos 3D no software de design de protótipos. Modelo impresso em 3D totalmente processado com clara diferenciação entre o miocárdio e as câmaras internas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 10: Depois de cortar o modelo em uma projeção de quatro câmaras, a visualização final da peça impressa em 3D. Vista de modelos 3D no software de design de protótipos. Suavização adicional e remoção de artefatos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 11: Visualização de dados de TC no software de realidade mista. A renderização de superfície representa o resultado da segmentação excessiva. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 12: Visualização exemplar de dados de TC no software de realidade mista. Renderização de volume, que visualiza diferentes densidades. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Número total de alunos (n)			106
Número de alunos que usaram hologramas para fins de aprendizagem (n)			106
Número de alunos que responderam "SIM" à pergunta "A tecnologia de realidade mista ajudou você a entender melhor o tópico - a estrutura do coração?" (n)			106
Número de alunos que responderam "NÃO" à pergunta "A tecnologia de realidade mista ajudou você a entender melhor o tópico - a estrutura do coração?" (n)			0
Pontuação mínima			0
Pontuação máxima			3
Pontuação média dos alunos que fizeram um pequeno teste escrito para descrever três estruturas anatômicas relacionadas à morfologia do coração			2.037
Pontuação total			3

Tabela 1: Dados preliminares do estudo.

Discussão

A anatomia moderna é baseada principalmente em métodos clássicos e comprovados conhecidos há centenas de anos. Os cadáveres humanos são a base para o ensino dos futuros médicos, e os anatomistas enfatizam seu papel não apenas na compreensão das estruturas do corpo humano, mas também na formação de atitudes éticas^28,29. O desenvolvimento da tecnologia é expansivo não apenas nos procedimentos clínicos cotidianos, mas também no ensino, daí a tentativa de implementar a impressão 3D 7,30,31,32 e a realidade mista no ensino de anatomia 33,34,35,36. Atualmente, o trabalho dos médicos é amplamente baseado em soluções modernas, equipamentos e digitalização amplamente compreendida, e a crescente participação da automação, robotização e implementação de soluções inovadoras progredirá, levando em consideração a tendência que vem ocorrendo há anos.

Complementar formas clássicas de educação com impressão 3D, aulas com uso de realidade mista ou ultrassom pode ter um impacto muito positivo na preparação dos futuros médicos para a profissão, não só pela oportunidade de adquirir mais conhecimento e comparar visualizações em vários tipos de técnicas de imagem, mas também pelo contato com novas tecnologias, familiarizar-se com seu uso e impulsionar a reflexão sobre novas aplicações, especialmente na área de interesse³⁷.

Preparar modelos em tecnologia de impressão 3D, bem como hologramas em tecnologia de realidade mista, requer um comprometimento maior do que o padrão, planejando sua criação e ganhando liberdade na condução de aulas usando-os. Deve-se acrescentar que essas são soluções caras, especialmente realidade mista, que requer dispositivos que possam exibir hologramas (óculos), instalações de engenharia - incluindo um aplicativo e sua operação. A impressão 3D, devido à sua maior popularidade e custos mais baixos³⁸, é mais fácil de implementar, mas requer o planejamento da compra de uma impressora e filamento se o departamento de anatomia quiser criar seus próprios modelos do zero e software para criar imagens prontas para impressão a partir de estudos de imagem DICOM.

O CarnaLife Holo permite que os usuários carreguem dados de TC e resultados de segmentação, fornecendo uma abordagem única raramente aplicada no domínio de RM. As técnicas atuais de última geração normalmente visualizam modelos 3D usando renderização de superfície com base em arquivos STL ou OBJ^39,40. Consequentemente, os usuários só podem acessar os resultados da segmentação, com capacidade limitada de visualizar diretamente os dados originais. Isso pode representar desafios ao analisar pequenas estruturas ou patologias, como calcificações, onde a precisão da segmentação é crítica.

Por meio da visualização de dados brutos (renderização de volume), os usuários podem avaliar estruturas não apenas pela geometria, mas também pela análise da distribuição das unidades Hounsfield (densidade) dentro da estrutura. A segmentação cardíaca automática, uma técnica comum que facilita a tediosa tarefa de segmentação manual, tem suas limitações⁴¹. É limitado pelo número de estruturas que pode segmentar, especialmente na presença de patologias, e requer hardware de alto desempenho para processamento eficiente.

Para enfrentar esses desafios, foi proposta uma combinação de dois métodos de visualização - renderização de volume e renderização de superfície. Essa abordagem híbrida permite a visualização simultânea de estruturas segmentadas e a distribuição de valores dentro dos dados analisados, oferecendo aos usuários uma ferramenta mais abrangente para interpretação de dados.

No caso da anatomia do coração, a criação de um modelo 3D é complicada porque as ferramentas automáticas padrão do programa são insuficientes para extrair o tecido cardíaco de uma imagem completa devido à heterogeneidade de tamanho, forma, posição das estruturas anatômicas, presença de artefatos e limites borrados (baixo contraste) entre os tecidos adjacentes. Portanto, além da segmentação do limiar, a segmentação supervisionada por um médico no mecanismo "fatia por fatia" deve ser realizada. A próxima etapa é a adaptação do modelo para impressão 3D, que inclui a remoção adicional de distorções resultantes do ruído durante a aquisição da imagem. Após a impressão, os modelos são suavemente dissolvidos em acetona para obter uma superfície mais lisa. O uso de modelos prontos pelos alunos é simples - análogo à visualização e discussão de preparações de cadáveres humanos. No caso da realidade mista, a cada vez, é necessário treinamento no uso da tecnologia - fixação correta de óculos na cabeça, bem como controle de voz e gestos. Devido ao equipamento limitado disponível, não é possível ter um número maior de alunos participando ao mesmo tempo. A fim de aumentar a acessibilidade do material imageado, marcadores de estruturas anatômicas específicas foram usados para facilitar a discussão mais rápida das preparações - hologramas.

Dominar o processo de segmentação e reconstrução 3D no 3D Slicer pode ser um desafio para iniciantes, pois envolve o aprendizado de várias funcionalidades e fluxos de trabalho. O desenvolvimento de proficiência normalmente requer prática e experiência significativas. Em nossas observações, alcançar a confiança com o software exigiu aproximadamente 20-30 h de trabalho dedicado, que incluiu segmentar pelo menos 5-7 modelos de coração distintos. O 3D Slicer é uma plataforma de código aberto que se beneficia de uma comunidade online robusta. Ele oferece amplos recursos de solução de problemas, fóruns de solução de problemas e uma variedade de tutoriais e casos de uso. Esses recursos facilitam o processo de aprendizagem, fornecendo orientação acessível. Além disso, a utilização de ferramentas como grandes modelos de linguagem (LLMs), incluindo ChatGPT ou Gemini, pode melhorar ainda mais a compreensão do software e seus recursos. Durante a fase de aprendizagem, o acesso a um mentor ou supervisor com experiência em imagens médicas e anatomia é altamente vantajoso. O feedback imediato sobre estratégias de segmentação e precisão acelera o desenvolvimento de habilidades e garante que a precisão anatômica seja mantida. Os iniciantes devem antecipar que as tentativas iniciais podem ser demoradas e propensas a erros. No entanto, a prática consistente torna os processos de segmentação e refinamento significativamente mais intuitivos e eficientes. É essencial abordar essa curva de aprendizado com paciência, pois o envolvimento constante com a ferramenta melhora substancialmente a velocidade e a precisão.

As etapas críticas do protocolo apresentado foram a segmentação e extração adequadas do tecido cardíaco do estudo de imagem, a fim de criar um modelo tridimensional que seja útil para impressão 3D e tecnologias de realidade mista.

A aula de anatomia do coração com recurso à impressão 3D e à tecnologia de realidade mista foi muito bem recebida pelos alunos, sendo que a grande maioria achou útil o apoio tecnológico – permitindo uma melhor compreensão do tema abordado. Segundo os autores, as novas tecnologias devem apoiar as soluções didáticas clássicas existentes e ser cada vez mais utilizadas.

Materiais

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