Технология смешанной реальности и трехмерная печать в преподавании: на примере анатомии сердца

Резюме

В этой статье мы опишем протокол создания модели сердца с нуля на основе компьютерной томографии и представим его студентам-медикам с использованием трехмерной (3D) печати и технологии смешанной реальности для изучения анатомии.

Аннотация

Технология смешанной реальности и трехмерная (3D) печать становятся все более распространенными в сфере медицины. Во время пандемии COVID-19 и сразу после снятия ограничений было внедрено много новшеств в обучение будущих врачей. Также был проявлен интерес к иммерсивным техникам и технологии 3D-печати в преподавании анатомии. Однако это не распространенные реализации. В 2023 году для занятий, посвященных строению сердца, подготовили 3D-печать и голограммы в технологии смешанной реальности. Они использовались для обучения студентов, которые при поддержке инженеров могли узнать о детальном строении сердца и ознакомиться с новыми технологиями, поддерживающими традиционную модель обучения на человеческих трупах. Студенты считают эту возможность очень ценной. В статье представлен процесс подготовки материалов к занятиям и дальнейшие возможности их реализации. Авторы видят возможность развития представленных технологий в обучении студентов на различных уровнях образования и обоснование все более широкого внедрения.

Введение

Технология трехмерной (3D) печати и смешанная реальность все чаще используются технологическими достижениями в медицине. Все больше применений находят не только в повседневной клинической практике многих специалистов из различных областей, но и в обучении ординаторов и будущих врачей, т.е. студентов-медиков 1,2,3,4,5,6.

Технология 3D-печати часто используется для печати анатомических моделей, предлагаемых в основном коммерческими структурами, но растущий интерес студентов к этому виду подготовки к обучению является импульсом для внедрения инноваций на кафедрах анатомии в медицинских вузах⁷. Препараты могут быть созданы на основе данных анатомических атласов, рисунков и гравюр, а также на основе визуализирующих исследований, таких как компьютерная томография или магнитно-резонансная томография ^1,8,9. На 3D-принтере можно печатать анатомические препараты в различных масштабах, а также можно использовать цвета, маркеры и другие вариации для повышения доступности учебного материала^10,11. Несмотря на возросшую доступность материалов, студенты-медики в Польше не имеют широкого доступа к этому виду подготовки, несмотря на декларируемую готовность поддерживать нынешнюю, классическую модель обучения, основанную на подготовке человеческого трупа с добавлением новых технологий, которые еще не полностью внедряются.

Технология смешанной реальности — это интеграция виртуального мира с реальным. Благодаря защитным очкам, позволяющим визуализировать заранее подготовленные голограммы, их можно «накладывать» на окружающие объекты в реальном^мире12. Голограммами можно манипулировать в пространстве, например, увеличивать, уменьшать или поворачивать, делая просматриваемое изображение более визуализированным, доступным и полезным. Смешанная реальность все чаще используется операторами в хирургических дисциплинах, например, кардиохирургия ^3,13, ортопедия 14,15,16,17, онкология ¹⁸. Все больше, особенно в период после пандемии COVID-19, дидакты в области фундаментальных медицинских наук проявляют интерес к новым технологиям, в том числе к смешанной реальности, с целью внедрения их в образование будущих врачей 19,20,21. Академические преподаватели, преподающие нормальную анатомию, также находят место для внедрения смешанной реальности в своей области 22,23,24,25,26. Создание голограмм требует визуализационного исследования, чаще всего компьютерной томографии, которая визуализируется и обрабатывается инженерами с помощью специального программного обеспечения в голографическую версию - можно использовать с очками.

Мы решили создать полезные материалы для студентов для изучения анатомии человеческого сердца в рамках занятий по анатомии на первом курсе медицинского факультета. Для этого была использована ангиокомпьютерная томография сердца, предоставленная отделением кардиологии после предварительной полной анонимизации данных. Мы, разделившись на две команды, создали голограммы и 3D-отпечатки, которые затем были доступны студентам в рамках пилотного урока. Студенты очень хорошо оценили доступность и точность материалов, но подробное исследование по этой теме будет представлено позже – в настоящее время проводится оценка результатов.

Здесь мы показываем процесс создания моделей от компьютерной томографии до презентации готовых моделей, внедренных в учебную практику.

протокол

Протокол составлен в соответствии с рекомендациями Комитета по этике исследований человека Медицинского университета Силезии. Данные визуализации пациента использовались после полной анонимизации.

1. 3D Печать - Сегментация и реконструкция 3D модели сердца

1. Загрузка и предварительная обработка изображений
   1. Откройте 3D Slicer 5.6.0 и перейдите к модулю данных²⁷.
   2. Нажмите «Добавить данные » и выберите КТ-изображения для конкретного пациента в формате DICOM. Убедитесь, что изображения загружены в правильной ориентации.
   3. Оцените качество изображений, изучив осевый, сагиттальный и корональный виды в средстве просмотра фрагментов. Убедитесь в достаточном контрасте, чтобы отличить миокард от камер сердца.
   4. Если контраста недостаточно, отрегулируйте параметры окна/уровня , чтобы улучшить дифференцировку тканей с помощью модуля «Объемы». Установите Окно на 350 HU и Уровень на 40 HU в качестве отправной точки, и при необходимости измените его.
   5. Подтвердите видимость анатомических областей интереса (ROI), включая миокард и внутренние камеры сердца.
2. Сегментация на основе пороговых значений
   1. Перейдите в модуль Редактор сегментов и нажмите кнопку Добавить , чтобы создать новую сегментацию.
   2. Выберите Порог в инструментах сегментации. Установите Нижний порог на 100 HU и Верхний порог на 300 HU, чтобы изолировать мягкие ткани.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти значения могут варьироваться в зависимости от качества изображения и специфических характеристик пациента.
   3. Отрегулируйте пороговый диапазон вручную, чтобы уточнить ROI, перетаскивая ползунки или вводя значения до тех пор, пока миокард и камеры сердца не будут четко изолированы. Используйте визуальный осмотр в осевом, сагиттальном и корональном видах, чтобы обеспечить правильный выбор.
   4. Убедитесь, что все соответствующие анатомические области захвачены. При необходимости переключитесь на инструмент «Рисование », чтобы вручную добавить или удалить области сегментации, которые не были должным образом захвачены пороговым уровнем.
   5. Нажмите кнопку Apply (Применить), чтобы завершить сегментацию для выбора на основе пороговых значений (рисунок 1)
3. Ручная коррекция срезов
   1. С помощью инструментов «Ножницы » или «Стереть » в редакторе сегментов вручную проверьте каждый срез набора данных компьютерной томографии. Исправьте любые неточности, например, вызванные артефактами или низкой контрастностью, удалив или добавив сегментированные области по мере необходимости.
   2. Для каждого среза сосредоточьтесь на точном определении миокарда и внутренних камер сердца. Если возникают неясности, проконсультируйтесь с медицинским работником или специалистом по анатомии, чтобы убедиться в точности.
   3. Разделите сердце на два отдельных сегмента: один для миокарда и один для внутренних камер. Используйте кнопку « Создать новый сегмент », чтобы различать эти структуры.
   4. Продолжайте осмотр и коррекцию среза за срезом до тех пор, пока все срезы в осиальной, сагиттальной и корональной плоскостях не будут скорректированы и сегментированы.
4. Постобработка и экспорт модели
   1. Импортируйте экспортированные STL-файлы в MeshMixer (рисунок 2, относящийся к программному обеспечению для проектирования прототипов).
      1. Начните с устранения мелких артефактов и обеспечения однородности модели, выбрав «Правка» > «Сделать твердым».
      2. Во всплывающем окне выберите «Тип твердого тела » в качестве «Точность », чтобы сохранить точные детали сегментации. Установите ползунок «Точность твердого тела » в значение от 0,8 до 1,0 для достижения оптимальной точности.
   2. После затвердевания модели приступайте к ручному удалению артефактов. Используйте инструмент «Стереть и заполнить » для восстановления любых нарушенных областей поверхности. Доступ к нему можно получить в разделе «Выбрать > изменить > стереть и заполнить».
   3. Щелкните и перетащите, чтобы выбрать проблемные области, затем используйте опцию «Заполнить », чтобы восстановить непрерывность поверхности. Убедитесь, что заполненные области плавно сливаются с окружающей геометрией.
   4. Для общего уточнения поверхности используйте инструмент « Выбрать », чтобы выделить определенные области модели, требующие сглаживания. Выбрав этот параметр, перейдите в раздел «Изменить > сгладить » и примените инструмент итеративно.
   5. Отрегулируйте ползунок «Прочность сглаживания » в диапазоне от 10 до 50% в зависимости от серьезности неровностей поверхности. Будьте осторожны, чтобы сохранить анатомическую точность во время разглаживания. Используйте сочетание клавиш Shift + Левая кнопка мыши , чтобы отменить выделение областей, не требующих изменения.
   6. После завершения сглаживания используйте инструмент «Инспектор » для автоматического определения и заполнения всех оставшихся отверстий в сетке. Проверьте модель визуально, чтобы убедиться в отсутствии серьезных артефактов или неровностей поверхности.
   7. Чтобы объединить миокард и внутренние камеры сердца в одну целостную модель, применяют булевы операции. Перейдите в раздел «Редактировать > Boolean Union » и выберите две отдельные части (миокард и камеры), чтобы объединить их.
   8. Убедитесь, что операция успешно соединяет конструкции без создания внутренних отверстий или перекрытий. Осмотрите пересечения и при необходимости откорректируйте их, вручную уточнив объединенные области с помощью Стирания и заливки или Сглаживания (Рисунок 3).
   9. После того как модель будет унифицирована и уточнена, экспортируйте окончательный файл STL, выбрав «Экспорт > STL для подготовки к 3D-печати».
5. Подготовка моделей к 3D-печати
   1. Выбор материала и настройки принтера
      1. Используйте филамент бутадиенакрилонитриенстирола (ABS), который позволяет легко выполнять постобработку, например, разглаживание ацетоном.
         ПРИМЕЧАНИЕ: АБС-пластик чувствителен к колебаниям температуры, поэтому обеспечьте стабильную среду во время печати.
      2. Выберите закрытый 3D-принтер для лучшего контроля температуры.
   2. Настройки принтера и слайсера
      1. Модель принтера: Используйте соответствующий принтер. Здесь был использован Creality Ender 3 с изготовленным на заказ металлическим корпусом.
      2. Материал нити: Используйте ABS.
      3. Настройте следующие параметры в Cura или аналогичном программном обеспечении для нарезки.
         Диаметр сопла: 0,5 мм
         Температура сопла: ~240 °C (регулируется в зависимости от марки нити)
         Температура слоя: ~100 °C
         Высота слоя: 0,24 мм
         Скорость печати: ~100 мм/с (уменьшите до 50-60 мм/с для более высокого качества)
         Плотность заполнения: 25% (для баланса прочности и использования материала)
         Опоры: Включите автоматические опоры (например, опоры для деревьев)
         Охлаждающий вентилятор: выключите для предотвращения деформации
         Вспомогательные средства для сцепления: используйте поля или плот для улучшения адгезии к дну
      4. Обеспечьте калибровку принтера и отрегулируйте настройки на основе (а) допусков, специфичных для принтера, (б) свойств нити ABS и (в) желаемого компромисса между скоростью печати и качеством поверхности.
   3. Опорные конструкции и постобработка
      1. Опорные конструкции: Создавайте опоры в программном обеспечении для нарезки с помощью встроенных инструментов (например, Cura) для стабилизации нависающих элементов во время печати. Убедитесь, что опоры не мешают деликатным анатомическим деталям.
      2. Снятие опоры: дайте напечатанной модели полностью остыть, чтобы предотвратить повреждение во время снятия опоры. Осторожно снимите опоры. Используйте плоскогубцы с игольчатым концом для более обширной поддержки. Для небольших или деликатных участков аккуратно снимите опоры рукой.
      3. Обработка поверхности: Осмотрите напечатанную модель на наличие шероховатых участков, особенно в местах крепления опор. Сгладьте эти участки с помощью мелкозернистой наждачной бумаги (например, с зернистостью 200-400), небольших пилок для точной детализации и стремитесь к чистой, непрерывной поверхности для повышения анатомической точности.
      4. Расширенная постобработка (опционально): Если требуется полированная отделка, подготовьте пароразглаживающую камеру с ацетоном и подвергните модель воздействию паров ацетона в течение ~9 минут (выполняйте этот шаг в хорошо проветриваемом помещении с соответствующими мерами предосторожности [например, перчатки, очки]) и дайте модели полностью высохнуть перед обращением.
6. Точки паузы.
   1. Приостанавливайте протокол после каждой коррекции среза на шаге 1.3.1, сохранив проект в 3D Slicer. Возобновите сегментацию позже без потери данных.
   2. На шаге 1.4.1 после экспорта файлов STL, если это необходимо, приостановите этапы постобработки, так как они не требуют непрерывности.

2. Смешанная реальность

ПРИМЕЧАНИЕ: Обрабатывайте файлы КТ сердца DICOM в голографическое представление с помощью CarnaLife Holo (называемого программным обеспечением смешанной реальности).

1. Подготовьте оборудование.
   1. Включите ноутбук и подключите его к розетке. Включите гарнитуру смешанной реальности.
   2. Подключите роутер к ноутбуку.
2. Загрузите изображение компьютерной томографии в гарнитуру смешанной реальности из полученных файлов CT DICOM.
   1. Откройте программное обеспечение смешанной реальности и войдите в систему (рис. 4).
   2. Выберите подходящую папку с компьютерной томографией. Выберите правильный ряд данных КТ (рисунок 5).
   3. Проверьте IP-адрес, отображаемый при включении гарнитуры, и введите его в указанном месте в программном обеспечении смешанной реальности.
   4. Нажмите кнопку «Подключить», чтобы увидеть визуализацию на гарнитуре смешанной реальности.
3. Сегментируйте структуру сердца с помощью инструмента для ручной сегментации с помощью опции «Ножницы» (рисунок 6). С его помощью отметьте области, которые будут удалены из реконструкции данных КТ путем щелчка левой кнопкой мыши и перетаскивания.
   1. Завершите маркировку области резания, щелкнув левой кнопкой мыши и подтвердив резку во всплывающем окне.
4. Выберите предустановленный пресет (параметры визуализации цвета), подходящий для визуализации структуры сердца, из списка доступных пресетов, кликнув по его названию: CT CARDIAC HOLLOW.
   1. При необходимости настройте визуализацию, изменив окно с помощью щелчка правой кнопкой мыши и удерживая курсор при перемещении курсора в 3D-виде.
5. Загрузка 3D моделей поверхности левого и правого желудочков и предсердий.
   1. Нажмите на раздел «3D-модели» в программном обеспечении смешанной реальности. Нажмите на кнопку «Загрузить модели ».
   2. Перейдите в папку с моделями поверхностей. Выберите все четыре файла и подтвердите, нажав кнопку «Открыть». Настройте цвета визуализированных моделей (рис. 7).
      1. Нажмите на значок карандаша в списке 3D-моделей. Перейдите на вкладку «Экспозиция » в видимом всплывающем окне.
      2. Нажмите на белый квадрат рядом с меткой Цвет . Выберите подходящий цвет с помощью всплывающего окна «Палитра цветов ». Подтвердите, нажав кнопку OK . Щелкните левой кнопкой мыши по 3D View.
      3. Повторите все шаги для остальных моделей поверхностей.
6. Создавайте аннотации анатомических структур на 2D-видах, используя три 2D-вида (осевой, сагиттальный и корональный) для размещения точки аннотации в соответствующем месте.
   1. Нажмите на раздел « Аннотации » в программном обеспечении.
   2. В правой части окна приложения (в макете приложения по умолчанию) находятся три 2D-вида восстановленных данных.
      1. Перемещайтесь по срезам, нажимая на значки с одинарной или двойной стрелкой рядом с ползунком справа от каждого 2D-вида.
      2. Измените срез, щелкнув и удерживая левую кнопку Shift во время прокрутки с помощью колеса мыши.
      3. Измените фрагмент, перетащив синие, красные или зеленые линии (представления в 2D-плоскости).
   3. После настройки правильного среза на выбранном 2D-виде увеличьте масштаб с помощью колесика мыши и разместите точку аннотации, щелкнув левой кнопкой мыши. Аннотация будет создана в том месте, где вы щелкнули.
   4. Вернитесь в раздел « Аннотации » и нажмите на значок «Карандаш » на аннотации в списке аннотаций с соответствующим идентификационным номером.
   5. В нижней части всплывающего окна введите текст аннотации, например, «Левый желудочек».
   6. Настройте цвета, толщину и размеры аннотаций в этом всплывающем окне. Вернитесь в 2D вид с размещенной аннотацией.
   7. Захватите и переместите метку аннотации за пределы 2D-плоскости в подходящее место.
   8. Повторите все шаги для всех анатомических структур, которые необходимо аннотировать.
7. Загрузите состояние визуализации для получения сохраненных аннотаций анатомических структур в визуализации.
   1. Нажмите на значок «Загрузить файл » рядом со значком «Дискета » в правом верхнем углу 3D-вида. Во всплывающем окне щелкните значок Папка , перейдите в каталог с сохраненным файлом состояния визуализации и нажмите Выбрать папку.
   2. Если файл выбран правильно и для этих данных имеется допустимый файл, то в списке применимых файлов состояния визуализации заявление об отказе от ответственности «Файлы не найдены» будет заменено именами состояний, которые пользователь может загрузить.
   3. Щелкните левой кнопкой мыши по подходящему состоянию визуализации, чтобы выбрать его и подтвердить, нажав кнопку «Загрузить». После загрузки пользователю будет предложено состояние визуализации загрузки.
8. Чтобы увидеть подготовленную визуализацию в голографическом пространстве, наденьте гарнитуру и с помощью голосовой команды «Найти здесь » перед глазами предстанет 3D-голографическая компьютерная томография. Настройте его с помощью голосовых команд, например, «Поворот», «Масштабирование», «Вырезать с умом», и объедините его с жестами рук (рис. 8).
9. Используйте голосовую команду «Умная резка » для применения и корректировки секущей плоскости перпендикулярно линии взгляда.
10. Перемещайте и поворачивайте головку, чтобы передать движение и ориентацию приложенной режущей плоскости. Подойдите ближе к голограмме, чтобы переместить режущую плоскость вглубь голографической реконструкции. Поверните головку на 90° по часовой стрелке, чтобы повернуть режущую плоскость на 90° по часовой стрелке и т.д.
11. Выполняйте эти движения, чтобы увидеть внутренние части структуры сердца, голографическую визуализацию и предварительно загруженные поверхностные модели и аннотации анатомических структур.

Результаты

Протокол сегментации и 3D-реконструкции дал два основных результата для обучения анатомии: 3D-печатную модель сердца и 3D-МРТ-визуализацию сердца. Эти результаты, в которых используются данные компьютерной томографии для конкретного пациента, предоставляют студентам дополнительные инструменты для практического и иммерсивного обучения.

Напечатанная на 3D-принтере модель сердца позволяет студентам физически взаимодействовать с осязаемым изображением анатомии сердца. Эта модель имеет отличительные внешние особенности, такие как миокард, а также внутренние структуры, включая камеры и клапаны. В успешных экспериментах анатомическая точность была высокой, с четко определенными особенностями и минимальными артефактами после постобработки. На рисунке 9 показана полностью обработанная 3D-печатная модель с четким различием между миокардом и внутренними камерами. В тех случаях, когда контраст на изображениях КТ был неоптимальным, ошибки сегментации приводили к неточностям в модели, таким как неправильные размеры камеры или неполные структуры клапанов. Эти проблемы часто можно было исправить с помощью ручного вмешательства, включая дополнительное сглаживание и удаление артефактов, как показано на рисунке 10.

В отличие от этого, 3D-визуализация смешанной реальности предлагает динамичный и интерактивный опыт, в котором учащиеся могут исследовать сердце в виртуальном пространстве. МРТ-среда обеспечивает взаимодействие в режиме реального времени, включая вращение, масштабирование и разрезание в различных анатомических плоскостях, что позволяет более детально понять сложные структуры, такие как коронарные артерии или стенки перегородки. Успешные реализации МР-визуализации позволили получить высокоточные представления как внешней, так и внутренней анатомии. Однако неоптимальные визуализации (например, при неправильной сегментации) приводили к искажению представлений о внутренних структурах, что влияло на реалистичность MR-модели и эффективность обучения (рис. 11). Для сложных анатомических структур подход к сегментации может быть недостаточным. Благодаря возможности объемного рендеринга можно визуализировать различные плотности (представленные единицами измерения Хаунсфилда), которые важны для понимания анатомии (рис.12).

Эти методы предлагают надежные, взаимодополняющие инструменты, которые улучшают процесс обучения, предоставляя точные и манипулируемые модели, хотя их успех зависит от качества сегментации и реконструкции на начальных этапах протокола. В целом, эти результаты демонстрируют эффективность протокола в создании точных моделей сердца на основе данных КТ для конкретного пациента. Эти результаты демонстрируют эффективность протокола в создании точных моделей сердца на основе данных КТ для конкретного пациента.

Было проведено предварительное исследование для оценки восприятия студентами технологии смешанной реальности в обучении анатомии, в частности, при изучении структуры сердца. В исследовании приняли участие 106 студентов, которые под руководством инженеров смогли использовать голограммы в учебных целях. В конце сессии их спросили: «Помогла ли вам технология смешанной реальности лучше понять тему – строение сердца?» Все респонденты (100%) ответили «да». Знания студентов оценивались сразу после занятия с помощью короткого письменного теста, требующего от них описания трех анатомических структур, связанных с морфологией сердца. Средний балл составил 2,037 против общего балла 3 (Таблица 1).

Рисунок 1: КТ-сегментация сердца. Аксиальное (вверху слева), корональное (внизу слева), сагиттальное (внизу справа) и 3D (вверху справа) виды сегментации КТ в программном обеспечении 3D Slicer. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Постобработка. Просмотр сегментации 3D-моделей в программном обеспечении для проектирования прототипов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: После постобработки. Просмотр сегментации 3D-моделей в программном обеспечении для проектирования прототипов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Вид программного обеспечения смешанной реальности. Стартовый экран приложения. Понятная и доступная панель входа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5: Выбор правильного сериала в программном обеспечении смешанной реальности. Подбор доступных изображений компьютерной томографии для голографической визуализации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 6: Опция ножниц для вырезания частей визуализации в программном обеспечении смешанной реальности. Инструмент, который позволяет настраивать голограмму под нужды пользователя в режиме реального времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 7: Настройка цветов голографической визуализации в программном обеспечении смешанной реальности. Добавление цветов в визуализацию повышает доступность и четкость голограмм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 8: Визуализации в голографическом пространстве, созданные с помощью программного обеспечения смешанной реальности. Трехмерная голограмма с выделенными цветами и маркерами компьютерной томографии для облегчения ориентации в пространстве. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 9: После постобработки и булева операции предварительный просмотр "рентгена". Просмотр 3D-моделей в программном обеспечении для проектирования прототипов. Полностью обработанная 3D-печатная модель с четким разграничением миокарда и внутренних камер. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 10: После резки модели в четырехкамерной проекции, окончательный предварительный просмотр 3D-печатной детали. Просмотр 3D-моделей в программном обеспечении для проектирования прототипов. Дополнительное сглаживание и удаление артефактов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 11: Визуализация данных компьютерной томографии в программном обеспечении смешанной реальности. Рендеринг поверхности представляет собой результат чрезмерной сегментации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 12: Пример визуализации данных компьютерной томографии в программном обеспечении смешанной реальности. Объемный рендеринг, который визуализирует разную плотность. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Общее количество студентов (n)			106
Количество учащихся, использовавших голограммы в учебных целях (n)			106
Количество студентов, ответивших «ДА» на вопрос «Помогла ли вам технология смешанной реальности лучше понять тему — строение сердца?» (н)			106
Количество студентов, ответивших «НЕТ» на вопрос «Помогла ли вам технология смешанной реальности лучше понять тему — строение сердца?». (н)			0
Минимальный балл			0
Максимальный балл			3
Средний балл студентов, сдавших короткий письменный тест по описанию трех анатомических структур, связанных с морфологией сердца			2.037
Общий балл			3

Таблица 1: Предварительные данные исследования.

Обсуждение

Современная анатомия базируется в первую очередь на классических, проверенных методах, известных на протяжении сотен лет. Человеческие трупы являются основой для обучения будущих врачей, и анатомы подчеркивают их роль не только в понимании строения человеческого тела, но и в формировании этических установок^28,29. Развивающиеся технологии расширяются не только в повседневных клинических процедурах, но и в обучении, отсюда и попытка внедрить 3D-печать ^7,30,31,32 и смешанную реальность в преподавание анатомии 33,34,35,36. В настоящее время работа врачей во многом базируется на современных решениях, оборудовании и широко понимаемой цифровизации, и увеличивающаяся доля автоматизации, роботизации и внедрения инновационных решений будет прогрессировать, учитывая тенденцию, которая сохраняется на протяжении многих лет.

Дополнение классических форм обучения 3D-печатью, занятиями с использованием смешанной реальности или ультразвуком может оказать весьма положительное влияние на подготовку будущих врачей к профессии не только из-за возможности получить больше знаний и сравнить визуализации в различных видах методов визуализации, но и из-за контакта с новыми технологиями, знакомство с их использованием, и придание импульса к размышлениям о новых применениях, особенно в области интересов³⁷.

Подготовка моделей в технологии 3D-печати, а также голограмм в технологии смешанной реальности требует большего, чем стандартно, приверженности, планирования их создания и получения свободы в проведении занятий с их использованием. Следует добавить, что это дорогостоящие решения, особенно смешанная реальность, для которой требуются устройства, способные отображать голограммы (очки), инженерные средства – в том числе приложение и его эксплуатация. 3D-печать, благодаря своей большей популярности и меньшим^{затратам}, проще в реализации, но требует планирования покупки принтера и нити, если кафедра анатомии хотела бы создавать свои собственные модели с нуля, и программного обеспечения для создания изображений, готовых к печати на основе исследований визуализации DICOM.

CarnaLife Holo позволяет пользователям загружать как данные компьютерной томографии, так и результаты сегментации, обеспечивая уникальный подход, редко применяемый в области МРТ. Современные методы обычно визуализируют 3D-модели с использованием рендеринга поверхности на основе файлов STL или OBJ^39,40. Следовательно, пользователи могут получить доступ только к результатам сегментации с ограниченной возможностью прямого просмотра исходных данных. Это может создать проблемы при анализе небольших структур или патологий, таких как кальцинаты, где точность сегментации имеет решающее значение.

С помощью визуализации исходных данных (объемный рендеринг) пользователи могут оценивать структуры не только по геометрии, но и по анализу распределения единиц Хаунсфилда (плотности) внутри структуры. Автоматическая сегментация сердца, распространенный метод, облегчающий утомительную задачу ручной сегментации, имеет^{свои ограничения.} Он ограничен количеством структур, которые он может сегментировать, особенно при наличии патологий, и требует высокопроизводительного оборудования для эффективной обработки.

Для решения этих проблем была предложена комбинация двух методов визуализации - объемного рендеринга и рендеринга поверхности. Этот гибридный подход позволяет одновременно визуализировать сегментированные структуры и распределение значений в анализируемых данных, предлагая пользователям более полный инструмент для интерпретации данных.

В случае анатомии сердца создание 3D-модели осложняется тем, что стандартных автоматических инструментов в программе недостаточно для извлечения сердечной ткани из полного изображения из-за неоднородности размеров, формы, положения анатомических структур, наличия артефактов, размытых границ (низкого контраста) между соседними тканями. Поэтому, помимо пороговой сегментации, следует проводить сегментацию под контролем врача по схеме «срез за срезом». Следующий этап – адаптация модели к 3D-печати, которая включает в себя дальнейшее устранение искажений, возникающих в результате шумов во время получения изображения. После печати модели аккуратно растворяются в ацетоне для получения более гладкой поверхности. Использование готовых моделей учащимися несложно – аналогично просмотру и обсуждению препаратов человеческого трупа. В случае смешанной реальности каждый раз требуется обучение использованию технологии – правильному прикреплению очков к голове, а также управлению голосом и жестами. Из-за ограниченного доступного оборудования невозможно одновременно участвовать в работе большого количества студентов. Для повышения доступности визуализируемого материала были использованы маркеры специфических анатомических структур, способствующие более быстрому обсуждению препаратов – голограммы.

Освоение процесса сегментации и 3D-реконструкции в 3D Slicer может быть сложной задачей для новичков, поскольку это включает в себя изучение множества функций и рабочих процессов. Развитие навыков обычно требует значительной практики и опыта. По нашим наблюдениям, достижение уверенности в работе с программным обеспечением потребовало примерно 20-30 часов целенаправленной работы, которая включала сегментацию по крайней мере 5-7 различных моделей сердца. 3D Slicer — это платформа с открытым исходным кодом, которая использует преимущества надежного онлайн-сообщества. Он предлагает обширные ресурсы по устранению неполадок, форумы по решению проблем, а также множество учебных пособий и примеров использования. Эти ресурсы облегчают процесс обучения, предоставляя доступные рекомендации. Кроме того, использование таких инструментов, как большие языковые модели (LLM), включая ChatGPT или Gemini, может еще больше улучшить понимание программного обеспечения и его функций. На этапе обучения доступ к наставнику или руководителю, имеющему опыт работы в области медицинской визуализации и анатомии, оказывается весьма полезным. Немедленная обратная связь по стратегиям сегментации и точности ускоряет развитие навыков и обеспечивает сохранение анатомической точности. Новички должны быть готовы к тому, что первые попытки могут занять много времени и привести к ошибкам. Тем не менее, последовательная практика делает процессы сегментации и уточнения значительно более интуитивно понятными и эффективными. Очень важно подходить к этой кривой обучения с терпением, так как постоянное взаимодействие с инструментом значительно повышает скорость и точность.

Важнейшими этапами представленного протокола стали надлежащая сегментация и извлечение сердечной ткани из исследования визуализации с целью создания трехмерной модели, полезной для 3D-печати и технологий смешанной реальности.

Урок анатомии сердца с использованием 3D-печати и технологии смешанной реальности был очень хорошо воспринят студентами, и подавляющее большинство сочло технологическую поддержку полезной, позволяющей лучше понять обсуждаемую тему. По мнению авторов, новые технологии должны поддерживать существующие, классические дидактические решения и получать все более широкое распространение.

Материалы

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