INTRODUCCIÓN

La fotogrametría en el campo de la ciencia y la tecnología se encarga de la adquisición, acumulación y transformación de la información acerca de la forma, movimiento y deformación de un objeto por medio de un haz de luz¹. Sus inicios se remontan al descubrimiento de la fotografía en el año 1839 por parte de Arago, perfeccionada por Niépce y Daguerre. Posteriormente, en el año 1850, Laussedat aprovecha la fotografía para realizar planos topográficos, diseñando y haciendo construir el primer fototeodolito, dando a esta técnica el nombre de metrofotografía"².

A gran escala es usada en geodesia, agricultura, construcción, forestación y ha generado una revolución en la elaboración de mapas gracias a las imágenes digitales obtenidas desde sensores ópticos combinados con los nuevos sistemas computacionales con el potencial necesario de medición objetiva, gracias a la naturaleza remota de adquisición de datos, sin contacto con el objeto medido y con alta precisión³.

Actualmente es adoptada por médicos dermatólogos, oftalmólogos, así como traumatólogos⁴ entre muchas otras ramas de las ciencias de la salud para la reproducción de estructuras del cuerpo permitiendo un mejor estudio de patologías de columna como la escoliosis, y en la planeación de procedimientos quirúrgicos como herramienta diagnóstica⁵.

3D en la educación médica

Cada día, el uso de modelos tridimensionales para la enseñanza es más frecuente (Figura 1). En la actualidad existen numerosas aplicaciones para la enseñanza de la medicina, por ejemplo, Essential Anatomy 3 o Visible Body, con modelos creados digitalmente que le permiten al alumno tener un acercamiento y una idea clara entre la relación, la función específica y el abordaje quirúrgico de las estructuras anatómicas estudiadas. Algunos de ellos poseen diversos requerimientos para su uso o reproducción, como la última versión del software, mayor memoria ROM o RAM, o diseño exclusivo para sistemas Windows, Apple o Android, entre otros, que pueden llegar a dificultar su obtención por el costo, o su uso por alumnos y maestros no familiarizados con la tecnología o un sistema en específico.

Figura 1 Ejemplos de modelos tridimensionales disponibles para la enseñanza actualmente. 

OBJETIVO

Cada día el uso de modelos tridimensionales para la enseñanza es más frecuente, sin embargo, las limitantes de software y hardware ponen obstáculos para su uso en la educación médica. Atendiendo estos problemas, nuestro objetivo es ofrecer un método sencillo y de bajo costo, que permite crear modelos tridimensionales de características realistas sin la necesidad de condiciones específicas para su uso y reproducción; asimismo, lograr su incorporación como una herramienta de aprendizaje y diagnóstico.

MÉTODO

El método mediante el que se formularon los modelos tridimensionales fue la fotogrametría digital, una técnica que a través de fotografías y la renderización mediante un software define con precisión la forma, dimensión y posición en el espacio de un objeto cualquiera y entrega una versión virtual de este, por lo que para su realización fue necesario contar con:

Para comenzar, se seleccionó el modelo con el que se trabajó, se usaron tres modelos: un corazón plastinado, una disección del miembro superior izquierdo y una disección de triángulos del cuello. En el caso de la pieza seleccionada menor a 20 cm (corazón plastinado), se colocaron marcas fiduciales alrededor de esta para que el programa se orientara espacialmente y pudiese reconocer los cuatro ejes de nuestra pieza, por el contrario, para las otras dos piezas (miembro superior izquierdo y triángulos del cuello), debido a su volumen, las estructuras que se encontraban alrededor formando parte del ambiente, actuaron como marcadores fiduciales y no fue necesario colocar marcas adicionales (Figura 2).

Figura 2 a) Corazón plastinado en el que se colocaron marcas fiduciales alrededor como marcadores de orientación espacial. b) Miembro superior izquierdo, en el que se usan los recursos del ambiente como marcadores fiduciales. 

Al tener listos los modelos se necesitó tener condiciones adecuadas de luz, por lo que se colocaron las lámparas alrededor de la pieza, cuidando que la luz se distribuyera uniformemente y sin variaciones significativas en todas las caras del modelo; posteriormente, se calibró la cámara fotográfica para poder obtener imágenes nítidas con buena exposición; además de definir una distancia focal adecuada en la que se permitió al fotógrafo capturar la imagen completa de la pieza de manera centrada y con un encuadre replicable en cada fotografía (Figura 3).

Figura 3 Se muestra la distribución de las luces en la que se permite al fotógrafo moverse libremente por el set; además de una distribución uniforme de la luz, para la toma correcta de fotografías. 

Se tomaron las fotografías de cada una de las caras de nuestra pieza rodeándola cada 15° hasta tener imágenes en 360°. Posteriormente, fue necesario dividir cada cara del modelo en 3 partes: inferior, media y superior, para la toma de fotografías de cada segmento. El número de fotografías por modelo fue variable, dependiendo del tamaño de la pieza, pero se requirió tomar un mínimo de 80 fotografías para facilitar su creación virtual en 3D.

Al tener las fotografías, se sometieron a un proceso de renderización con el software de Agisoft PhotoScan, con licencia estándar; 3DF Zephyr, con licencia free, y con Regard 3D, que es de uso libre. Con este procedimiento se tomaron las fotografías y se conviertieron en puntos de información que se compilaron hasta crear un modelo tridimensional de gran calidad (Figura 4).

Figura 4 a) Obtención de puntos a partir de 93 fotografías. b) Primera condensación de puntos. c) Creación de la malla base para la unión de los puntos en un modelo sólido. d) Segunda condensación de puntos ya en la malla. e) Texturizado de la capa de puntos final. 

Consideraciones éticas

Para implementar el uso modelos 3D y simuladores como complemento para la enseñanza de la medicina, se tuvo en cuenta que estas herramientas son un medio, más no un fin. Distintos autores tomaron esta idea e hicieron énfasis en no perder de vista este concepto para evitar errores que provocaran la deshumanización de la medicina⁵.

El uso de modelos biológicos no tiene sustitución posible. Sin embargo, emplear modelos 3D ofreció una alternativa a la enseñanza que respeta la declaración de Helsinki, garantizando un trato respetuoso a las piezas a partir de las cuales se obtuvieron los modelos, la confidencialidad de los datos, la dignidad y la integridad del cadáver.

RESULTADOS

Dado que los tres softwares que se usaron fueron creados para la realización y levantamiento de mapas geográficos, nos permitieron obtener modelos manipulables en 360°, aptos para la exportación y edición en múltiples programas como Adobe Photoshop, Rhinoceros, Autodesk Maya, etc., así como la posibilidad de ser montados sobre plataformas en línea como Sketchfab, en la que se pueden usar con visión de anaglifo (3D tradicional con lentes rojo y azul), en realidad virtual (VR), e incluso generar animaciones o impresión 3D (Figura 5).

Figura 5 Modelo virtual comparado con la imagen real y las distintas opciones que ofrece la plataforma en línea Sketchfab. a) Modelo biológico real. b) Visión en anaglifo. c) Presentación para lentes de realidad virtual. d) Colocación de etiquetas descriptivas. 

Sin embargo, al realizar la comparativa más a fondo de los modelos en cada programa, se encontró que Agisoft PhotoScan presenta algunos puntos sobresalientes, que a pesar de ser de paga lo hacen estar por encima de sus competidores, entre estos destacan su facilidad de uso, contando con menús amigables e intuitivos, a diferencia de Regard 3D y 3DF Zephyr que sí bien tuvieron menús accesibles, en cada paso presentaron un gran número de sub-menús que pueden llegar a confundir a los menos experimentados; un segundo punto a favor es que Agisoft entregó un modelo con características muy apegadas a la realidad mientras que 3DF Zephyr, debido al número limitado del uso de 50 fotografías en la versión free, entregó un modelo con buena calidad en texturas y relieves, pero con un gran número de agujeros negros por falta de información, así mismo, Regard 3D terminó con un modelo completo que no permitió su modificación, por lo que presentó manchas negras y una calidad final baja (Figura 6); como tercer punto, Agisoft no presentó ningún problema de compatibilidad o requerimiento específico de hardware, al ser corrido en una computadora básica y una de alto rendimiento solo se vio afectado el tiempo de realización, siendo más rápido en la computadora con mejores prestaciones; por su parte, 3DF Zephyr se vio afectado en el rendimiento en ambas computadoras, ya que solo presenta soporte para tarjetas gráficas NVIDIA, con un número limitado de núcleos de procesamiento dependiente de la versión con la que se trabaja, además de requerir la última versión de los controladores, por lo que su funcionamiento se vio muy limitado; por último, Regard 3D no presentó cambio alguno, ya que en ambas computadoras tuvo un desempeño igualmente limitado para terminar el modelo.

Figura 6 Comparativa entre los modelos creados por software: a) Regard 3D. b) 3DF Zaphyr. c) Agisoft Photo Scan. 

En la Tabla 1 se anexa mayor información sobre cada uno de los programas.

DISCUSIÓN

La anatomía es necesaria para que los médicos entiendan el funcionamiento o la presentación específica de una patología, además de ser indispensable al momento de realizar procedimientos invasivos en los pacientes⁶. Con el inconveniente de que las imágenes de los atlas de anatomía son imágenes planas en 2D, se dificulta la comprensión visoespacial por parte de los educandos. Las imágenes tridimensionales permiten apreciar de una forma más real las estructuras anatómicas y sus relaciones con las estructuras adyacentes.

En la actualidad, la tecnología permite la creación de modelos tridimensionales con gran facilidad. Sin embargo, aún es elevado el costo de esta, a nivel personal e incluso institucional, ya que se requieren equipos de gama alta con un costo aproximado de 1700ⁱ dólares o bien, de la contratación de equipos profesionales con una estimación monetaria de 500 mil dólares.

La fotogrametría tiene la facilidad de poder crear modelos con una computadora de 400 dólares, un celular de gama media de 300 dólares con una buena cámara fotográfica y habilidades básicas para la toma de fotografías; que, aún sumando el costo de la licencia del software en sus versiones básicas, con la que se pueden obtener resultados realmente fieles a la pieza original, tiene un presupuesto final accesible para uso institucional y de manera personal.

Debido a que este tipo de software fue creado para el levantamiento de mapas, puede generar versiones virtuales de modelos de gran escala; sin embargo, con el uso de distintos lentes también puede hacer modelos a partir de piezas pequeñas o incluso generar recorrido tipo túnel en 180 grados.

Otra ventaja es la conservación y distribución de datos, ya que estos modelos se pueden almacenar en la nube, por lo que puede ser compartido e incluso usado por escuelas que no cuentan con las instalaciones para la conservación de modelos biológicos, que, si sumamos los gastos del servicio de internet, un disco duro o cualquier gadget que permita su reproducción, no se equipara con los que representa tener un laboratorio de conservación biológica.

Por otro lado, encontramos algunas desventajas que tiene la técnica, en primer lugar y siendo la más relevante, se localiza en los modelos creados en los programas Agisoft Photo Scan y 3DF Zephyr, que a pesar de entregar la mejor versión final, el resultado se puede ver afectado por la modificación de la calidad, el ruido y la cantidad de las imágenes disponibles para obtener información, por lo que no se pueden realizar modelos de piezas que brillen, destellen o tengan reflejos, haciendo imposible crear una versión virtual a partir de piezas de cristal o metálicas.

La segunda limitante es tener que trabajar con condiciones de iluminación, exposición y encuadre, lo más parecidas posible en cada fotografía, para no tener variaciones de pigmentación que puedan provocar falta de información con la consecuente gestación de agujeros negros, deformación o tendencia en el modelo hacia colores muy cálidos o muy fríos, debido a estas condiciones tan específicas a nivel básico no podemos generar modelos de objetos en movimiento, animales o que sean sostenidos por personas ya que por más quietos que estén, la respiración puede causar una variación milimétrica con consecuencias catastróficas.

Esta limitante puede ser corregida al incrementar el número de cámaras fotográficas que hagan capturas en 360 grados al mismo tiempo, sin embargo, al incrementar el número de cámaras también se verá afectado el costo de manera directamente proporcional.

Una tercera desventaja es la necesidad de un software que realice la renderización de la pieza virtual, que si bien, se puede realizar por separado y de manera manual, es un proceso que llega a tardar meses, incrementando el costo y eliminando la facilidad de realización para personas inexpertas; por lo que tendremos que pagar para poder usar las funciones totales de éstos, dados los resultados obtenidos en la comparación del software libre y pagado.

En comparación con otros estudios esta rama de la técnica, logra crear un modelo cien por ciento real, que no solo representa el espectro fotómetro de la luz que incide en un paciente⁷, facilita la lectura de datos, por lo que dota de una visión clara que incluso puede imprimirse en 3D⁸ para los médicos que abordan una patología o aprenden un nuevo procedimiento.

Esta es una herramienta de gran ayuda en la enseñanza, sin embargo, no sustituye en forma alguna el estudio con material cadavérico, pero abre una nueva ventana en la educación accesible para cualquier médico que cuente con una cámara, para desarrollar destrezas manuales que serán necesarias en su futuro quehacer clínico.

CONCLUSIÓN

Se determinó que la versión básica pagada de Agisoft Photo Scan y 3DF Zephyr son muy superiores a Regard 3D, a pesar de contar con una licencia completa con todas las funciones de manera libre. El precio final del uso de esta técnica es de aproximadamente 900 dólares con equipos de gama básica y uso de software en su versión estándar, el cuál es 40 veces menor que contratar un equipo profesional para crear modelos.

La fotogrametría permite crear modelos tridimensionales de características realistas, que no necesitan un sistema operativo específico para su reproducción, uso y manipulación, por lo que se encuentra al alcance de cualquier persona que cuente con el archivo del modelo, el link generado a partir de plataformas en línea o directamente desde el almacenamiento de la nube.

Esta técnica no solo es para uso en el pregrado, ya que a nivel de residentes y médicos de base se posiciona como una herramienta de apoyo en la presentación de casos clínicos en foros y congresos.

GLOSARIO

CONTRIBUCIÓN INDIVIDUAL

AGRADECIMIENTOS

Al personal técnico forense del Departamento de Anfiteatro de la Facultad de Medicina de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) por su apoyo en el manejo y conservación del material biológico.

PRESENTACIONES PREVIAS

FINANCIAMIENTO

Departamento de Anfiteatro de la Facultad de Medicina de la UNAM.

CONFLICTO DE INTERESES

Ninguno.