Öğretimde Karma Gerçeklik Teknolojisi ve Üç Boyutlu Baskı: Bir Örnek Olarak Kalp Anatomisi

Özet

Burada, bilgisayarlı tomografiye dayalı olarak sıfırdan bir kalp modeli oluşturmak için bir protokol açıklıyoruz ve bunu anatomiyi öğrenmek için üç boyutlu (3D) baskı ve karma gerçeklik teknolojisini kullanarak tıp öğrencilerine sunuyoruz.

Özet

Karma gerçeklik teknolojisi ve üç boyutlu (3D) baskı, tıp alanında giderek daha yaygın hale geliyor. COVID-19 salgını sırasında ve kısıtlamalar hafifletildikten hemen sonra, geleceğin doktorlarının eğitiminde birçok yenilik uygulandı. Anatomi öğretiminde sürükleyici tekniklere ve 3D baskı teknolojisine de ilgi vardı. Ancak, bunlar yaygın uygulamalar değildir. 2023 yılında kalbin yapısına odaklanan dersler için karma gerçeklik teknolojisinde 3D baskılar ve hologramlar hazırlandı. Mühendislerin desteğiyle, kalbin ayrıntılı yapısı hakkında bilgi edinebilen ve insan kadavralarında geleneksel öğrenme modelini destekleyen yeni teknolojilere aşina olabilen öğrencilere öğretmek için kullanıldılar. Öğrenciler bu olasılığı çok değerli buluyorlar. Makale, sınıflar için materyal hazırlama sürecini ve daha fazla uygulama olanaklarını sunmaktadır. Yazarlar, sunulan teknolojilerin öğrencilerin çeşitli eğitim seviyelerinde öğretilmesinde geliştirilmesi ve giderek yaygınlaşan uygulamanın gerekçesi için bir fırsat görmektedir.

Giriş

Üç boyutlu (3D) baskı teknolojisi ve karma gerçeklik, tıpta giderek daha yaygın olarak kullanılan teknolojik başarılardır. Sadece çeşitli alanlardan birçok uzmanın günlük klinik pratiğinde değil, aynı zamanda asistanların ve geleceğin doktorlarının, yani tıp öğrencilerinin^eğitiminde de daha fazla uygulama bulunmaktadır 1,2,3,4,5,6.

3D baskı teknolojisi genellikle ticari kuruluşlar tarafından sunulan anatomik modelleri basmak için kullanılır, ancak öğrencilerin bu tür öğrenme hazırlıklarına artan ilgisi, tıp üniversitelerinin anatomi bölümlerinde yeniliklerin tanıtılması için bir itici güçtür⁷. Hazırlıklar, anatomik atlaslardan, çizimlerden ve gravürlerden elde edilen verilere dayalı olarak oluşturulabilir, aynı zamanda bilgisayarlı tomografi veya manyetik rezonans görüntüleme gibi görüntüleme çalışmalarına da dayalı olarak oluşturulabilir ^1,8,9. Anatomik preparatları bir 3D yazıcıda çeşitli ölçeklerde basmak mümkündür ve öğretim materyalinin erişilebilirliğini artırmak için renkler, işaretleyiciler ve diğer varyasyonları kullanmak mümkündür^10,11. Materyallerin artan mevcudiyetine rağmen, Polonya'daki tıp öğrencileri, henüz tam olarak uygulanmamış yeni teknolojilerin eklenmesiyle insan kadavra hazırlıklarına dayanan mevcut, klasik öğretim modelini destekleme konusunda beyan edilen istekliliklerinden bağımsız olarak, bu tür hazırlıklara geniş erişime sahip değildir.

Karma gerçeklik teknolojisi, sanal dünyanın gerçek dünya ile bütünleşmesidir. Daha önceden hazırlanmış hologramların görselleştirilmesini sağlayan gözlükler sayesinde, gerçek dünyadaki çevredeki nesnelerin üzerine "üst bindirilebilir"¹². Hologramlar uzayda manipüle edilebilir, örneğin büyütülebilir, küçültülebilir veya döndürülebilir, bu da görüntülenen görüntüyü daha iyi görselleştirilir, erişilebilir ve daha kullanışlı hale getirir. Karma gerçeklik, kalp cerrahisi ^3,13 ortopedi^14,15,16,17, onkoloji¹⁸ gibi cerrahi disiplinlerdeki operatörler tarafından giderek daha fazla kullanılmaktadır. Giderek artan bir şekilde, özellikle COVID-19 pandemisinden sonraki dönemde, temel tıp bilimleri alanındaki didaktikçiler, geleceğin doktorlarının eğitimine uygulamak için karma gerçeklik de dahil olmak üzere yeni teknolojilere ilgi duymaktadır 19,20,21. Normal anatomi öğreten akademik öğretmenler de kendi alanlarında karma gerçekliği tanıtmak için yer buluyorlar 22,23,24,25,26. Hologramlar oluşturmak, mühendisler tarafından özel bir yazılım kullanılarak holografik bir versiyona dönüştürülen ve işlenen bir görüntüleme çalışması, çoğunlukla bilgisayarlı tomografi gerektirir - gözlüklerle kullanılması mümkündür.

Tıp eğitiminin ilk yılında anatomi derslerinin bir parçası olarak öğrencilerin insan kalbinin anatomisini öğrenmeleri için faydalı materyaller oluşturmaya karar verdik. Bu amaçla, verilerin önceden tamamen anonimleştirilmesinden sonra Kardiyoloji Bölümü'nden temin edilebilen bir Anjiyo-BT taraması kullanıldı. İki takıma ayrıldık, hologramlar ve 3D baskılar oluşturduk ve bunlar daha sonra pilot dersin bir parçası olarak öğrencilere sunuldu. Öğrenciler materyallerin erişilebilirliğini ve doğruluğunu çok iyi değerlendirdiler, ancak bu konuyla ilgili ayrıntılı bir çalışma daha sonra sunulacak - sonuçlar şu anda değerlendiriliyor.

Burada, bilgisayarlı tomografiden model oluşturma sürecini, öğretim uygulamasında uygulanan hazır modelleri sunmaya kadar gösteriyoruz.

Protokol

Protokol, Silezya Tıp Üniversitesi İnsan Araştırmaları Etik Komitesi'nin yönergelerini takip eder. Hastanın görüntüleme verileri tam anonimleştirildikten sonra kullanıldı.

1. 3D Yazdırma - 3D kalp modelinin segmentasyonu ve yeniden yapılandırılması

1. Görüntü yükleme ve ön işleme
   1. 3D Slicer 5.6.0'ı açın ve veri modülü^27'ye gidin.
   2. Veri Ekle'ye tıklayın ve hastaya özel BT görüntülerini DICOM formatında seçin. Görüntülerin doğru yönde yüklendiğinden emin olun.
   3. Dilim Görüntüleyici'de eksenel, sagital ve koronal görünümleri inceleyerek görüntülerin kalitesini değerlendirin. Miyokard ve kalp odacıkları arasında ayrım yapmak için yeterli kontrastı doğrulayın.
   4. Kontrast yetersizse, Hacimler Modülünü kullanarak doku farklılaşmasını geliştirmek için Pencere/Düzey ayarlarını yapın. Başlangıç noktası olarak Pencereyi 350 HU'ya ve Seviyeyi 40 HU'ya ayarlayın ve gerekirse değiştirin.
   5. Miyokard ve iç kalp odaları dahil olmak üzere anatomik ilgi bölgelerinin (ROI) görünürlüğünü onaylayın.
2. Eşik tabanlı segmentasyon
   1. Segment Düzenleyici modülüne gidin ve yeni bir segmentasyon oluşturmak için Ekle'yi tıklayın.
   2. Segmentasyon araçlarından Eşik'i seçin. Yumuşak dokuları izole etmek için Alt Eşiği 100 HU'ya ve Üst Eşiği 300 HU'ya ayarlayın.
      NOT: Bu değerler görüntü kalitesine ve hastaya özgü özelliklere bağlı olarak değişebilir.
   3. Miyokard ve kalp odacıkları net bir şekilde izole edilene kadar kaydırıcıları sürükleyerek veya değerleri girerek ROI'yi iyileştirmek için eşik aralığını manuel olarak ayarlayın. Doğru seçimi sağlamak için eksenel, sagital ve koronal görünümlerde görsel inceleme kullanın.
   4. İlgili tüm anatomik alanların yakalandığını onaylayın. Gerekirse, eşikleme tarafından düzgün bir şekilde yakalanmayan segmentasyon alanlarını manuel olarak eklemek veya kaldırmak için Paint aracına geçin.
   5. Eşik tabanlı seçim için segmentasyonu sonlandırmak için Uygula'ya tıklayın (Şekil 1)
3. El ile dilim dilim düzeltme
   1. Segment Düzenleyici'deki Makas veya Silme araçlarını kullanarak CT veri kümesinin her bir dilimini manuel olarak inceleyin. Yapıtlar veya zayıf kontrasttan kaynaklananlar gibi yanlışlıkları, gerektiğinde segmentlere ayrılmış bölgeleri kaldırarak veya ekleyerek düzeltin.
   2. Her dilim için, miyokard ve iç kalp odacıklarını tam olarak tanımlamaya odaklanın. Belirsizlikler ortaya çıkarsa, doğruluğu sağlamak için bir tıp uzmanına veya anatomik referansa danışın.
   3. Kalbi iki ayrı bölüme ayırın: biri miyokard için ve diğeri iç odalar için. Bu yapıları ayırt etmek için Yeni Segment Oluştur düğmesini kullanın.
   4. Eksenel, sagital ve koronal düzlemlerdeki tüm dilimler düzeltilene ve bölümlere ayrılana kadar dilim dilim incelemeye ve düzeltmeye devam edin.
4. İşlem sonrası ve model dışa aktarma
   1. Dışa aktarılan STL dosyalarını MeshMixer'a aktarın (Şekil 2, prototip tasarım yazılımı olarak anılır).
      1. Küçük yapaylıkları ortadan kaldırarak ve Düzenle > Katı Yap'ı seçerek modelin tekdüzeliğini sağlayarak başlayın.
      2. Açılır pencerede, segmentasyonun kesin ayrıntılarını korumak için Doğruluk olarak Katı Tür'ü seçin. En iyi doğruluk için Katı Doğruluk kaydırıcısını 0,8 ile 1,0 arasında bir değere ayarlayın.
   2. Modeli sağlamlaştırdıktan sonra, manuel artefakt kaldırma işlemine geçin. Bozulmuş yüzey alanlarını yeniden oluşturmak için Sil ve Doldur aracını kullanın. Erişim buna, Seç > Değiştir > Sil ve Doldur altından erişilebilir.
   3. Sorunlu alanları seçmek için tıklayın ve sürükleyin, ardından yüzey sürekliliğini geri yüklemek için Doldur seçeneğini kullanın. Doldurulan bölgelerin çevredeki geometri ile düzgün bir şekilde karıştığından emin olun.
   4. Genel yüzey iyileştirmesi için, modelin düzgünleştirme gerektiren belirli alanlarını vurgulamak için Seçim aracını kullanın. Seçildikten sonra Değiştir > Düzgünleştir'e gidin ve aracı yinelemeli olarak uygulayın.
   5. Yüzey düzensizliklerinin ciddiyetine bağlı olarak Pürüzsüzlük Gücü kaydırıcısını %10 ile %50 arasında ayarlayın. Düzleştirme sırasında anatomik doğruluğu korumak için dikkatli olun. Değişiklik gerektirmeyen alanların seçimini kaldırmak için Shift + Sol Tıklama tuşlarını kullanın.
   6. Düzgünleştirme tamamlandıktan sonra, ağda kalan delikleri otomatik olarak tanımlamak ve doldurmak için Denetçi aracını kullanın. Önemli artefaktlar veya yüzey düzensizlikleri olmadığından emin olmak için modeli görsel olarak kontrol edin.
   7. Miyokard ve iç kalp odacıklarını tek bir uyumlu modele entegre etmek için Boole işlemlerini uygulayın. Boole Birliği> Düzenle'ye gidin ve birleştirmek için iki ayrı parçayı (miyokard ve odalar) seçin.
   8. İşlemin, iç delikler veya üst üste binmeler oluşturmadan yapıları başarıyla birleştirdiğinden emin olun. Kesişimleri inceleyin ve Erase & Fill (Sil ve Doldur ) veya Smooth'u (Düzgünleştir ) kullanarak birleştirme alanlarını manuel olarak iyileştirerek gerektiği gibi ayarlayın (Şekil 3).
   9. Model birleştirildikten ve rafine edildikten sonra, 3D baskı hazırlığı için STL'> Dışa Aktar'ı seçerek son STL dosyasını dışa aktarın.
5. 3D baskı için model hazırlama
   1. Malzeme seçimi ve yazıcı ayarları
      1. Akrilonitril bütadien stiren (ABS) filamenti kullanın, bu da aseton yumuşatma gibi kolay son işleme izin verir.
         NOT: ABS sıcaklık dalgalanmalarına karşı hassastır, bu nedenle yazdırma sırasında sabit bir ortam sağlayın.
      2. Daha iyi sıcaklık kontrolü için kapalı bir 3D yazıcıyı tercih edin.
   2. Yazıcı ve dilimleyici ayarları
      1. Yazıcı modeli: Uygun yazıcıyı kullanın. Burada, özel yapım metal muhafazalı Creality Ender 3 kullanıldı.
      2. Filament malzemesi: ABS kullanın.
      3. Cura veya benzeri bir dilimleme yazılımında aşağıdaki ayarları yapılandırın.
         Nozul Çapı: 0,5 mm
         Nozul Sıcaklığı: ~ 240 ° C (filament markasına göre ayarlayın)
         Yatak Sıcaklığı: ~100 °C
         Katman Yüksekliği: 0,24 mm
         Baskı Hızı: ~100 mm/sn (daha yüksek kalite için 50-60 mm/sn'ye düşürün)
         Dolgu Yoğunluğu: %25 (mukavemet ve malzeme kullanımını dengelemek için)
         Destekler: Otomatik destekleri etkinleştirin (örneğin, ağaç destekleri)
         Soğutma Fanı: Bükülmeyi önlemek için kapatın
         Yapışma Yardımcıları: Yatak yapışmasını iyileştirmek için bir siperlik veya sal kullanın
      4. Yazıcının kalibrasyonunu sağlayın ve (a) Yazıcıya özel toleranslara, (b) ABS filamentin özelliklerine ve (c) baskı hızı ile yüzey kalitesi arasında istenen dengeye göre ayarları yapın.
   3. Destek yapıları ve son işlem
      1. Destek yapıları: Yazdırma sırasında sarkan özellikleri stabilize etmek için yerleşik araçları (örn. Cura) kullanarak dilimleme yazılımında destekler oluşturun. Desteklerin hassas anatomik ayrıntılarla etkileşime girmediğini doğrulayın.
      2. Desteğin çıkarılması: Desteğin çıkarılması sırasında hasarı önlemek için yazdırılan modelin tamamen soğumasını bekleyin. Destekleri dikkatlice çıkarın. Daha kapsamlı destek için iğne burunlu pense kullanın. Daha küçük veya hassas alanlar için, destekleri elinizle nazikçe çıkarın.
      3. Yüzey bitirme: Basılı modeli, özellikle desteklerin takılı olduğu pürüzlü alanlar açısından inceleyin. İnce zımpara kağıdı (örn. 200-400 kum), hassas detaylandırma için küçük dosyalar kullanarak bu alanları düzleştirin ve anatomik doğruluğu artırmak için temiz, sürekli bir yüzey hedefleyin.
      4. Gelişmiş son işlem (İsteğe bağlı): Cilalı bir yüzey gerekiyorsa, asetonlu bir buhar yumuşatma odası hazırlayın ve modeli ~9 dakika boyunca aseton buharlarına maruz bırakın (bu adımı uygun güvenlik önlemleriyle iyi havalandırılan bir alanda gerçekleştirin [örn. eldivenler, gözlükler]) ve kullanmadan önce modelin tamamen kurumasını bekleyin.
6. Duraklama noktaları.
   1. Adım 1.3.1'deki her dilim düzeltmesinden sonra projeyi 3B Dilimleyici'ye kaydederek protokolü duraklatın. Segmentasyona daha sonra veri kaybı olmadan devam edin.
   2. Adım 1.4.1'de, STL dosyalarını dışa aktardıktan sonra, gerekirse, süreklilik gerektirmedikleri için işlem sonrası adımları duraklatın.

2. Karma gerçeklik

NOT: Kalp CT DICOM dosyalarını CarnaLife Holo (karma gerçeklik yazılımı olarak adlandırılır) kullanarak holografik bir gösterime işleyin.

1. Donanımı hazırlayın.
   1. Dizüstü bilgisayarı açın ve bir elektrik prizine takın. Karma gerçeklik başlığını açın.
   2. Yönlendiriciyi dizüstü bilgisayara bağlayın.
2. CT görüntüsünü, alınan CT DICOM dosyalarından karma gerçeklik başlığına yükleyin.
   1. Karma gerçeklik yazılımını açın ve oturum açın (Şekil 4).
   2. CT taramaları ile uygun klasörü seçin. Doğru CT veri serisini seçin (Şekil 5).
   3. Kulaklık açıldığında görüntülenen IP adresini kontrol edin ve karma gerçeklik yazılımında belirlenen yere girin.
   4. Karma gerçeklik başlığındaki görselleştirmeyi görmek için Bağlan düğmesine tıklayın.
3. Makas seçeneğini kullanarak kalp yapısını manuel bir segmentasyon aracıyla segmentlere ayırın (Şekil 6). Bununla beraber, CT veri rekonstrüksiyonundan kaldırılacak alanları sol tıklayıp sürükleyerek işaretleyin.
   1. Farenin sol düğmesine tıklayarak ve ardından açılır pencerede kesmeyi onaylayarak kesme bölgesi işaretlemesini sonlandırın.
4. Adına tıklayarak mevcut ön ayarlar listesinden kalp yapısı görselleştirmesi için uygun önceden tanımlanmış bir ön ayar (renk görselleştirme parametreleri) seçin: CT CARDIAC HOLLOW.
   1. Gerekirse, imleci 3D Görünüm'de hareket ettirirken sağ tıklayıp basılı tutarak pencereyi değiştirerek görselleştirmeyi ayarlayın.
5. Sol ve sağ ventriküllerin ve atriyumların 3B yüzey modellerini yükleyin.
   1. Karma gerçeklik yazılımındaki 3B Modeller bölümüne tıklayın. Modelleri Yükle düğmesine tıklayın.
   2. Yüzey modellerinin bulunduğu klasöre gidin. Dört dosyayı da seçin ve Aç'a tıklayarak onaylayın. Görselleştirilmiş modellerin renklerini ayarlayın (Şekil 7).
      1. 3D modeller listesindeki Kalem simgesine tıklayın. Görünür açılır penceredeki Görünüş sekmesine tıklayın.
      2. Renk etiketinin yanındaki beyaz kareye tıklayın. Renk Seçici açılır penceresiyle uygun bir renk seçin. Tamam düğmesine tıklayarak onaylayın. 3D Görünüm'e sol tıklayın.
      3. Kalan yüzey modelleri için tüm adımları yineleyin.
6. Açıklama noktasını uygun noktaya yerleştirmek için üç 2B görünüm (eksenel, sagital ve koronal) kullanarak 2B görünümlerde anatomik yapıların ek açıklamalarını oluşturun.
   1. Yazılımdaki Açıklama Ekle bölümüne tıklayın.
   2. Uygulama penceresinin sağ tarafında (varsayılan uygulama düzeninde) yeniden oluşturulmuş verilerin üç adet 2B görünümü bulunur.
      1. Her 2D Görünümün sağ tarafındaki kaydırıcının yanındaki Tek veya Çift Ok simgelerini tıklatarak dilimler arasında gezinin.
      2. Fare tekerleğiyle kaydırırken sol Shift düğmesini tıklayıp basılı tutarak dilimi değiştirin.
      3. Mavi, kırmızı veya yeşil çizgileri (2B düzlem temsilleri) sürükleyerek dilimi değiştirin.
   3. Seçilen 2D Görünümde doğru dilimi ayarladıktan sonra, fare tekerleğiyle yakınlaştırın ve sol tıklayarak açıklama noktasını yerleştirin. Tıklanan noktada ek açıklama oluşturulacaktır.
   4. Açıklama Ekle bölümüne geri dönün ve ilgili kimlik numarasıyla birlikte ek açıklamalar listesindeki ek açıklama üzerindeki Kalem simgesini tıklayın.
   5. Açılır pencerenin alt kısmına, ek açıklama metnini girin, örneğin "Sol ventrikül".
   6. Bu açılır pencerede ek açıklamanın renklerini, kalınlığını ve boyutlarını ayarlayın. Yerleştirilen ek açıklama ile 2D Görünüme geri dönün.
   7. Ek açıklama etiketini alın ve 2B düzlemin dışına uygun bir yere taşıyın.
   8. Açıklama eklenmesi gereken tüm anatomik yapılar için tüm adımları tekrarlayın.
7. Görselleştirmede anatomik yapıların kaydedilmiş ek açıklamalarını elde etmek için görselleştirme durumunu yükleyin.
   1. 3D Görünümün sağ üst köşesindeki Disket simgesinin yanındaki Dosya Yükle simgesini tıklatın. Açılır pencerede, Klasör simgesine tıklayın, kaydedilen görselleştirme durum dosyasının bulunduğu dizine gidin ve Klasör seç'e tıklayın.
   2. Doğru seçilirse ve bu belirli veriler için geçerli bir dosya varsa, geçerli görselleştirme durumu dosyalarının bir listesi, Dosya bulunamadı sorumluluk reddini kullanıcının yükleyebileceği durum adlarıyla değiştirir.
   3. Seçmek için uygun bir görselleştirme durumuna sol tıklayın ve Yükle düğmesine tıklayarak onaylayın. Yüklemeden sonra, kullanıcıya görselleştirme durumu yükleniyor durumu sorulur.
8. Hazırlanan görselleştirmeyi holografik alanda görmek için, kulaklığı takın ve 3D holografik CT tarama rekonstrüksiyonunu gözlerin önüne getirmek için burayı bulun sesli komutunu kullanın. Sesli komutları kullanarak ayarlayın, örneğin Döndür, Yakınlaştır, Akıllı Kes ve el hareketleriyle birleştirin (Şekil 8).
9. Görüş hattına dik olarak kesme düzlemini uygulamak ve ayarlamak için Cut Smart sesli komutunu kullanın.
10. Uygulanan kesme düzleminin hareketini ve yönünü çevirmek için kafayı hareket ettirin ve döndürün. Kesme düzlemini holografik rekonstrüksiyonun daha derinlerine taşımak için holograma yaklaşın. Kesme düzlemini saat yönünde 90° döndürmek için kafayı saat yönünde 90° çevirin, vb.
11. Kalp yapısının iç kısımlarını, holografik görselleştirmeyi ve önceden yüklenmiş yüzey modellerini ve anatomik yapıların açıklamalarını görmek için bu hareketleri gerçekleştirin.

Sonuçlar

Segmentasyon ve 3D rekonstrüksiyon protokolü, anatomi eğitimi için iki temel çıktı verdi: 3D baskılı bir kalp modeli ve kalbin 3D MR görselleştirmesi. Hastaya özel BT verilerini kullanan bu sonuçlar, öğrencilerin uygulamalı ve sürükleyici öğrenme deneyimlerine katılmaları için tamamlayıcı araçlar sağlar.

3D baskılı kalp modeli, öğrencilerin kardiyak anatominin somut bir temsili ile fiziksel olarak etkileşime girmelerini sağlar. Bu model, miyokard gibi farklı dış özelliklerin yanı sıra odalar ve valfler dahil olmak üzere iç yapılar sunar. Başarılı deneylerde, anatomik doğruluk, iyi tanımlanmış özellikler ve işlem sonrası minimum artefaktlar ile yüksekti. Şekil 9 , miyokard ve iç odacıklar arasında net bir ayrım ile tamamen işlenmiş bir 3D baskılı modeli göstermektedir. BT görüntülerindeki kontrastın yetersiz olduğu durumlarda, segmentasyon hataları, düzensiz oda boyutları veya eksik valf yapıları gibi modelde yanlışlıklara yol açmıştır. Bu sorunlar, Şekil 10'da vurgulandığı gibi, ek yumuşatma ve artefakt kaldırma dahil olmak üzere genellikle manuel müdahale ile düzeltilebilirdi.

Buna karşılık, 3B Karma Gerçeklik görselleştirmesi, öğrencilerin sanal alanda kalbi keşfedebilecekleri dinamik ve etkileşimli bir deneyim sunar. MR ortamı, rotasyon, yakınlaştırma ve farklı anatomik düzlemlerde kesit alma dahil olmak üzere gerçek zamanlı etkileşim sağlayarak koroner arterler veya septal duvarlar gibi karmaşık yapıların daha ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasına olanak tanır. MR görselleştirmenin başarılı uygulamaları, hem dış hem de iç anatominin son derece doğru temsillerini sundu. Bununla birlikte, optimal olmayan görselleştirmeler (örneğin, segmentasyonun kusurlu olduğu durumlarda), MR modelinin gerçekçiliğini ve öğretim etkinliğini etkileyen iç yapıların çarpık görünümlerine yol açmıştır (Şekil 11). Kompleks olan anatomik yapılar için segmentasyon yaklaşımı yeterli olmayabilir. Hacimsel işleme imkanı sayesinde, anatomiyi anlamak için önemli olan farklı yoğunlukları (Hounsfield Birimleri ile temsil edilir) görselleştirmek mümkündür (Şekil12).

Teknikler, doğru ve manipüle edilebilir modeller sağlayarak öğrenme deneyimini geliştiren sağlam, tamamlayıcı araçlar sunar, ancak başarıları protokolün ilk adımlarında segmentasyon ve yeniden yapılandırmanın kalitesine bağlıdır. Genel olarak, bu sonuçlar protokolün hastaya özgü BT verilerinden kesin kalp modelleri oluşturmadaki etkinliğini göstermektedir. Bu sonuçlar, protokolün hastaya özgü BT verilerinden kesin kalp modelleri oluşturmadaki etkinliğini göstermektedir.

Anatomi eğitiminde, özellikle de kalbin yapısını öğrenmede öğrencilerin karma gerçeklik teknolojisine ilişkin algılarını değerlendirmek için bir ön çalışma yapılmıştır. Çalışma, mühendislerin gözetiminde hologramları öğrenme amacıyla kullanabilen 106 öğrenciyi içeriyordu. Oturumun sonunda şu soru soruldu: "Karma gerçeklik teknolojisi, konuyu, kalbin yapısını daha iyi anlamanıza yardımcı oldu mu?" Ankete katılanların tümü (%100) "evet" yanıtını verdi. Öğrencilerin bilgileri, oturumdan hemen sonra, kalbin morfolojisi ile ilgili üç anatomik yapıyı tanımlamalarını gerektiren kısa bir yazılı test ile değerlendirildi. Ortalama puan 2.037 iken toplam puan 3 idi (Tablo 1).

Şekil 1: Kalbin BT segmentasyonu. 3D Slicer yazılımında CT segmentasyonunun eksenel (sol üst), koronal (sol alt), sagital (sağ alt) ve 3D (sağ üst) görünümleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: İşlem sonrası. Prototip tasarım yazılımı üzerinde segmentasyon 3D modellerinin görünümleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: İşlem sonrası sonra. Prototip tasarım yazılımı üzerinde segmentasyon 3D modellerinin görünümleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Karma Gerçeklik yazılımının görünümü. Uygulama başlangıç ekranı. Açık ve erişilebilir giriş paneli. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Karma gerçeklik yazılımında doğru seriyi seçme. Holografik görselleştirme için mevcut bilgisayarlı tomografi görüntülerinin seçimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Karma gerçeklik yazılımında görselleştirme parçalarını kesmek için makas seçeneği. Hologramı gerçek zamanlı olarak kullanıcının ihtiyaçlarına göre ayarlamaya izin veren bir araç. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7: Karma gerçeklik yazılımında holografik görselleştirmenin renklerini ayarlama. Görselleştirmeye renk eklemek, hologramların erişilebilirliğini ve netliğini artırır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 8: Karma gerçeklik yazılımıyla oluşturulan holografik uzaydaki görselleştirmeler. Uzayda oryantasyona yardımcı olmak için vurgulanmış renklere ve bilgisayarlı tomografi işaretleyicilerine sahip üç boyutlu bir hologram. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 9: İşlem sonrası ve boole işleminden sonra "x-ışını" önizlemesi. Prototip tasarım yazılımında 3D modellerin görünümü. Miyokard ve iç odalar arasında net bir ayrım ile tamamen işlenmiş 3D baskılı model. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 10: Modeli dört odacıklı bir projeksiyonda kestikten sonra, son 3D baskılı parça önizlemesi. Prototip tasarım yazılımında 3D modellerin görünümü. Ek yumuşatma ve artefakt kaldırma. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 11: Karma gerçeklik yazılımında CT verilerinin görselleştirilmesi. Yüzey işleme, aşırı segmentasyonun sonucunu temsil eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 12: Karma gerçeklik yazılımında CT verilerinin örnek görselleştirmesi. Farklı yoğunlukları görselleştiren hacim oluşturma. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Toplam öğrenci sayısı (n)			106
Hologramları öğrenme amacıyla kullanan öğrenci sayısı (n)			106
"Karma gerçeklik teknolojisi konuyu, yani kalbin yapısını daha iyi anlamanıza yardımcı oldu mu?" sorusuna "EVET" yanıtını veren öğrenci sayısı. (n)			106
"Karma gerçeklik teknolojisi konuyu, yani kalbin yapısını daha iyi anlamanıza yardımcı oldu mu?" sorusuna "HAYIR" yanıtını veren öğrenci sayısı. (n)			0
Minimum puan			0
Maksimum puan			3
Kalbin morfolojisi ile ilgili üç anatomik yapıyı tanımlamak için kısa bir yazılı sınava giren öğrencilerin ortalama puanı			2.037
Toplam puan			3

Tablo 1: Çalışmanın ön verileri.

Tartışmalar

Modern anatomi, öncelikle yüzlerce yıldır bilinen klasik, kanıtlanmış yöntemlere dayanmaktadır. İnsan kadavraları, geleceğin doktorlarını öğretmenin temelidir ve anatomistler, yalnızca insan vücudunun yapılarını anlamada değil, aynı zamanda etik tutumları şekillendirmede de rollerini vurgulamaktadır^28,29. Gelişen teknoloji sadece günlük klinik prosedürlerde değil, aynı zamanda öğretimde de geniştir, bu nedenle 3D baskı ^7,30,31,32 ve anatomi öğretiminde karma gerçeklik 33,34,35,36 uygulama girişimi vardır. Şu anda, doktorların çalışmaları büyük ölçüde modern çözümlere, ekipmanlara ve geniş çapta anlaşılan dijitalleşmeye dayanmaktadır ve otomasyon, robotizasyon ve yenilikçi çözümlerin uygulanmasının artan payı, yıllardır devam eden eğilim dikkate alınarak ilerleyecektir.

Klasik eğitim biçimlerini 3D baskı ile desteklemek, karma gerçeklik veya ultrason kullanan sınıflar, gelecekteki doktorların mesleğe hazırlanması üzerinde çok olumlu bir etkiye sahip olabilir, sadece daha fazla bilgi edinme ve çeşitli görüntüleme tekniklerinde görselleştirmeleri karşılaştırma fırsatı nedeniyle değil, aynı zamanda yeni teknolojilerle temas nedeniyle, kullanımlarına aşina olmak ve özellikle ilgi alanındaki yeni uygulamalar hakkında düşünme dürtüsü vermek³⁷.

3B baskı teknolojisinde modellerin yanı sıra karma gerçeklik teknolojisinde hologramlar hazırlamak, standart bağlılıktan daha fazlasını, oluşturulmalarını planlamayı ve bunları kullanarak ders verme özgürlüğü kazanmayı gerektirir. Bunların pahalı çözümler olduğu, özellikle de hologramları (gözlükleri) görüntüleyebilen cihazlar, mühendislik tesisleri - bir uygulama ve çalışması da dahil olmak üzere karma gerçeklik olduğu da eklenmelidir. 3D baskı, daha fazla popülaritesi ve daha düşük maliyetleri³⁸ nedeniyle uygulanması daha kolaydır, ancak anatomi departmanı sıfırdan kendi modellerini ve DICOM görüntüleme çalışmalarından baskıya hazır görüntüler oluşturmak için yazılım oluşturmak isterse bir yazıcı ve filament satın almanın planlanmasını gerektirir.

CarnaLife Holo, kullanıcıların hem CT verilerini hem de segmentasyon sonuçlarını yüklemelerine olanak tanıyarak MR alanında nadiren uygulanan benzersiz bir yaklaşım sunar. Mevcut son teknoloji teknikler tipik olarak STL veya OBJ dosyalarına dayalı yüzey oluşturma kullanarak 3B modelleri görselleştirir^39,40. Sonuç olarak, kullanıcılar yalnızca orijinal verileri doğrudan görüntüleme konusunda sınırlı bir yetenekle segmentasyon sonuçlarına erişebilir. Bu, segmentasyon hassasiyetinin kritik olduğu kalsifikasyonlar gibi küçük yapıları veya patolojileri analiz ederken zorluklar doğurabilir.

Ham veri görselleştirme (hacim oluşturma) sayesinde, kullanıcılar yapıları yalnızca geometriye göre değil, aynı zamanda yapı içindeki Hounsfield birimlerinin (yoğunluk) dağılımını analiz ederek de değerlendirebilir. Manuel segmentasyonun sıkıcı görevini kolaylaştıran yaygın bir teknik olan otomatik kalp segmentasyonunun sınırlamaları vardır⁴¹. Özellikle patolojilerin varlığında segmentlere ayırabileceği yapı sayısı ile sınırlıdır ve verimli işleme için yüksek performanslı donanım gerektirir.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için, hacim oluşturma ve yüzey oluşturma olmak üzere iki görselleştirme yönteminin bir kombinasyonu önerilmiştir. Bu hibrit yaklaşım, segmentlere ayrılmış yapıların ve analiz edilen veriler içindeki değerlerin dağılımının aynı anda görselleştirilmesine olanak tanıyarak kullanıcılara veri yorumlama için daha kapsamlı bir araç sunar.

Kalp anatomisi söz konusu olduğunda, bir 3D model oluşturmak karmaşıktır, çünkü programdaki standart otomatik araçlar, boyut, şekil, anatomik yapıların konumu, artefaktların varlığı ve bitişik dokular arasındaki bulanık sınırlar (düşük kontrast) nedeniyle kalp dokusunu tam bir görüntüden çıkarmak için yetersizdir. Bu nedenle, eşik segmentasyona ek olarak, "dilim dilim" mekanizmasında bir hekim tarafından denetlenen segmentasyon yapılmalıdır. Bir sonraki aşama, modelin, görüntü elde etme sırasındaki gürültüden kaynaklanan bozulmaların daha da giderilmesini içeren 3D baskıya uyarlanmasıdır. Baskıdan sonra, daha pürüzsüz bir yüzey elde etmek için modeller aseton içinde nazikçe çözülür. Hazır modellerin öğrenciler tarafından kullanımı basittir - insan kadavra hazırlıklarını görüntülemeye ve tartışmaya benzer. Karma gerçeklik söz konusu olduğunda, her seferinde, teknolojinin kullanımında eğitim gereklidir - gözlüklerin kafaya doğru şekilde takılması, ayrıca ses ve hareket kontrolü. Mevcut ekipmanların sınırlı olması nedeniyle, aynı anda daha fazla sayıda öğrencinin katılması mümkün değildir. Görüntülenen materyalin erişilebilirliğini arttırmak için, preparatların - hologramların daha hızlı tartışılmasını kolaylaştırmak için belirli anatomik yapıların belirteçleri kullanıldı.

3D Slicer'da segmentasyon ve 3D yeniden yapılandırma sürecine hakim olmak, birden fazla işlevsellik ve iş akışını öğrenmeyi içerdiğinden yeni başlayanlar için zor olabilir. Yeterlilik geliştirmek tipik olarak önemli uygulama ve deneyim gerektirir. Gözlemlerimize göre, yazılımla güven elde etmek, en az 5-7 farklı kalp modelinin bölümlere ayrılmasını içeren yaklaşık 20-30 saatlik özel bir çalışma gerektiriyordu. 3D Slicer, sağlam bir çevrimiçi topluluktan yararlanan açık kaynaklı bir platformdur. Kapsamlı sorun giderme kaynakları, sorun çözme forumları ve çok sayıda öğretici ve kullanım örneği sunar. Bu kaynaklar, erişilebilir rehberlik sağlayarak öğrenme sürecini kolaylaştırır. Ek olarak, ChatGPT veya Gemini dahil olmak üzere büyük dil modelleri (LLM'ler) gibi araçların kullanılması, yazılımın ve özelliklerinin anlaşılmasını daha da geliştirebilir. Öğrenme aşamasında, tıbbi görüntüleme ve anatomi konusunda deneyimli bir akıl hocasına veya süpervizöre erişim oldukça avantajlıdır. Segmentasyon stratejileri ve doğruluğu hakkında anında geri bildirim, beceri gelişimini hızlandırır ve anatomik hassasiyetin korunmasını sağlar. Yeni başlayanlar, ilk denemelerin zaman alıcı olabileceğini ve hatalara açık olabileceğini tahmin etmelidir. Bununla birlikte, tutarlı uygulama, segmentasyon ve iyileştirme süreçlerini önemli ölçüde daha sezgisel ve verimli hale getirir. Bu öğrenme eğrisine sabırla yaklaşmak çok önemlidir, çünkü araçla sürekli etkileşim hızı ve doğruluğu önemli ölçüde artırır.

Sunulan protokolün kritik adımları, 3D baskı ve karma gerçeklik teknolojileri için yararlı olan üç boyutlu bir model oluşturmak için görüntüleme çalışmasından kalp dokusunun uygun segmentasyonu ve çıkarılmasıydı.

3D baskı ve karma gerçeklik teknolojisini kullanan kalp anatomisi dersi öğrenciler tarafından çok iyi karşılandı ve büyük çoğunluk teknolojik desteği yararlı buldu - tartışılan konunun daha iyi anlaşılmasını sağladı. Yazarlara göre, yeni teknolojiler mevcut, klasik didaktik çözümleri desteklemeli ve giderek daha yaygın olarak kullanılmalıdır.

Malzemeler

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