Project Details
Description
Uno de los grandes retos para el estudiante de anatomía es la orientación espacial. El cuerpo está compuesto por diversas estructuras que se encuentran en distintos niveles de profundidad, relacionadas unas con otras y cuya relación varía dependiendo de la región corporal que se examine. Por ello, es fundamental que el estudiante logre una comprensión profunda de la tridimensionalidad del cuerpo, lo que redundará en una mejor habilidad para solucionar problemas específicos en su práctica clínica (1). Este reto implica para el profesor de anatomía ofrecerle al estudiante entornos educativos que favorezcan un aprendizaje significativo. La disección de cadáveres y el trabajo con especímenes biológicos es una práctica indispensable en la medida en que el estudiante explora y descubre por sí mismo su objeto de estudio de manera directa (2). Sin embargo, este escenario no es suficiente para lograr una comprensión completa de las relaciones anatómicas e integrarlas para formar una imagen mental del cuerpo. Por ejemplo, cuando se observan imágenes diagnósticas, que suelen presentarse como series de imágenes bidimensionales, el estudiante no necesariamente logra relacionar lo que observa en la imagen con la estructura anatómica subyacente. En las últimas décadas se han desarrollado diversas ayudas didácticas como apoyo para el aprendizaje de la anatomía gracias al advenimiento de nuevas herramientas tecnológicas de procesamiento de imágenes médicas, escáner e impresión 3D (3). Aunque el Departamento de Morfología cuenta con diversos modelos plásticos e inclusive con una mesa de disección virtual, hemos visto la importancia de desarrollar materiales didácticos propios, que respondan a las necesidades específicas de nuestros estudiantes y que sirvan de apoyo a las herramientas ya adquiridas. Para lograr un aprendizaje significativo se necesitan dos elementos concurrentes: que el estudiante esté dispuesto a aprender (es decir, que se oriente hacia el entendimiento y apropiación de los nuevos conocimientos, en vez de intentar memorizarlos literalmente) y que la tarea de aprendizaje sea potencialmente significativa (es decir, que sea interesante para él y pertinente para su nivel cognoscitivo) (4). Adicionalmente, hay que ofrecerles a los estudiantes experiencias de aprendizaje que faciliten la elaboración del conocimiento (5). Por ello, idear un contexto de aprendizaje colaborativo en el cual se le presente al estudiante la posibilidad de interactuar con objetos físicos o virtuales que lo inviten a relacionar las estructuras con su función o con imágenes diagnósticas puede ser útil para estimular su interés en aprender y para que construya un conocimiento más robusto y duradero. Este proyecto busca desarrollar un sistema que permita a partir de imágenes médicas de miembro superior del cuerpo humano, generar modelos físicos y virtuales, que puedan ser utilizados para la enseñanza en el área médica. Para ello, a partir de imágenes de tomografía computarizada (CT) y a través de archivos de intercambio de imágenes médicas DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine), se busca emplear herramientas de procesamiento digital, que permitan segmentar los diversos órganos y tejidos que componen el miembro superior. Una vez segmentados los diversos órganos, se busca desarrollar archivos digitales 3D que permitan la construcción de modelos físicos y virtuales, con los cuales se puedan desarrollar programas de entrenamiento y enseñanza. Los modelos 3D se pueden editar a fin de generar cortes y ensambles, para que un usuario pueda interactuar con ellos en un entorno virtual. Los ensambles 3D generados serán diseñados para permitir su impresión 3D en sistemas de prototipado rápido que manejan múltiples materiales y colores o en sistemas de virtualización inmersiva estereoscópicos, de tal forma que el aprendizaje pueda hacerse con elementos físicos o virtuales. Asimismo, se busca generar e imprimir moldes de los modelos para la producción de un gran número de prototipos a bajo costo que permitan a los profesores planear sesiones prácticas que incluyan la manipulación de estos objetos en contextos de trabajo colaborativo. Finalmente, se realizará una evaluación de este tipo de herramientas mediante su comparación con metodologías tradicionales de enseñanza. Durante la planeación del proyecto se hicieron pruebas de segmentación y modelado 3D a partir de imágenes de tomografía de hombro y se seleccionó un hueso, la clavícula, para imprimir un prototipo inicial (Figura 1). Durante la realización de estas pruebas identificamos que las imágenes de tomografía disponibles no son adecuadas para el trabajo que se pretende realizar, especialmente debido a que las estructuras no se encuentran completas. Por ello se determinó la necesidad de recolectar imágenes específicas para lograr obtener las especificaciones requeridas para el estudio. Finalmente, este proyecto se propone, mediante la colaboración entre tres unidades académicas, el desarrollo de una línea de investigación para la innovación en educación médica. Es importante señalar que la tecnología necesaria para este desarrollo se encuentra disponible en la universidad y que nuestro interés es usarla para el beneficio de la comunidad académica (estudiantes y profesores) y socializarla para darle mayor visibilidad a la universidad. Estado del Arte El uso de modelos digitales 3D a partir de imágenes médicas ha tomado gran relevancia en los últimos años en el área académica (6-8). Estos modelos pueden ser empleados para recrear elementos de gran realismo tanto físicos como virtuales, que permitan representar órganos del cuerpo humano y ser empleados en tareas de aprendizaje o para ensayar procedimientos clínicos. Especialmente atención se encuentra en el uso de imágenes clínicas para creación de modelos 3D imprimibles que permiten representar en diversos materiales y texturas los diferentes elementos de un órgano o parte del cuerpo (6). Igualmente, estos modelos pueden ser empleados en herramientas virtuales para la generación de modelos digitales manipulables en 3D (6). Los modelos impresos 3D a partir de imágenes médicas, tienen un gran potencial dado que permiten dar a los profesionales de la salud realimentación táctica y tangible tanto de estados anatómicos como patológicos. En general, el proceso de crear modelos 3D a partir de imágenes médicas está basado en un procedimiento de varias etapas (9). Primero, se adquieren las imágenes médicas. Estas imágenes usualmente crean representaciones bidimensionales de una sección del cuerpo. Sin embargo, en el procedimiento de adquisición se generan diversos cortes del mismo objeto, separados levemente en un eje axial perpendicular al plano de la imagen. Por tal motivo se tiene una secuencia de imágenes que intrínsecamente tiene la representación tridimensional del objeto. Usualmente las imágenes médicas pueden ser compartidas usando un archivo de intercambio estándar que puede ser leído en diferentes unidades médicas. Uno de los formatos más empleados es el DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine), que es un estándar reconocido mundialmente para el intercambio de imágenes médicas, pensado para su manejo, visualización, almacenamiento, impresión y transmisión. El segundo paso para la creación del modelo 3D es emplear una herramienta de segmentación de imágenes médicas para la creación del modelo 3D usando herramientas CAD (Computer Aided Design). Una vez segmentadas las imágenes y creado el modelo 3D, se realizan modificaciones leves usando herramientas CAD convencionales. Esto permite eliminar ruidos durante el proceso de adquisición o errores en la segmentación, al igual que complementar posibles datos faltantes. Posteriormente, se crea un archivo de intercambio que pueda ser empleado por equipos de impresión 3D comerciales. Los formatos .stl (Standard Triangle Language) y .obj (3D Object Format), son dos tipos de archivos comúnmente empleados para transferir modelos CAD a sistemas de impresión. Una vez se tiene el archivo imprimible, se debe asignar las diferentes capas segmentadas al tipo de material o color con que se desea reproducir el modelo. Los archivos .stl y .obj también se pueden emplear para recrear estos modelos 3D en ambientes virtuales, donde en vez de tener el objeto físico, este se puede proyectar en un ambiente inmersible donde el usuario puede navegar, explorar y hasta interactuar con el modelo. Actualmente la virtualización de modelos 3D se puede emplear para crear animaciones y herramientas de simulación en las cuales el modelo 3D se anima para hacer una representación aún más completa del modelo (9). En algunos casos se pueden crear simuladores de entrenamiento a partir de objetos 3D, en los cuales se evalúa el conocimiento sobre un órgano del cuerpo o la habilidad para realizar algún procedimiento médico (8). El Centro Tecnológico de Automatización Industrial (CTAI), de la Pontificia Universidad Javeriana, en los últimos años ha incorporado a su oferta de servicios, herramientas para el uso de modelos digitales tanto impresos como virtuales. Es así como el CTAI es el único Demo Center para impresión 3D de la tecnología Stratasys. Actualmente se cuenta con impresoras en tecnologías FDM (plásticos de ingeniería) al igual que en PolyJet (fotopolímeros), los cuales son ideales para creación de modelos 3D combinando materiales y colores. Por su parte, junto con el Centro Ático, han desarrollado la primera sala de inmersión 3D tipo CAVE (Cave Assisted Virtual Environment) del país, donde se cuenta con la posibilidad que hasta 10 usuarios interactúen con modelos tridimensionales utilizando tecnología inmersible del tipo estereográfico (10, 11).
Status | Finished |
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Effective start/end date | 16/10/18 → 16/04/21 |
Project funding
- Internal
- Vice presidency for Research
- PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA