Enseñanza de Ciencias Biomédicas con Modelado 3D y Animación Digital

La tecnología de modelado 3D, de la mano de la animación digital, está ganando cada vez más relevancia en diferentes ámbitos de la performance, uno de ellos -y muy relevante de hecho- es educativo. Varios autores aluden a que las generaciones actuales de estudiantes, así como las futuras, están cada vez más versadas en el uso de plataformas y aplicaciones tecnológicas, cuyo uso se traslada, asimismo, al desarrollo de hábitos de estudio totalmente innovadores, en comparación con las generaciones predecesoras.

En esta ocasión, presentaré las principales aplicaciones del modelado 3D y la animación digital en la enseñanza de las ciencias biomédicas. Cabe destacar que esta información no sólo tiene una connotación informativa, sino que también constituye una suerte de guía para que, tanto los académicos como los estudiantes, sean considerados a la hora de desarrollar estrategias metodológicas innovadoras en su contexto académico.

6 Aplicaciones principales del modelado 3D y la animación digital en la enseñanza de las ciencias biomédicas

1) Patología

La patología es la rama de la medicina encargada de estudiar la etiología y las consecuencias de una gran variedad de enfermedades mediante el uso de técnicas morfológicas, siendo el principal campo de aplicación de la histotecnología. Para realizar su estudio es imprescindible disponer, en primer lugar, de material audiovisual de pacientes reales que sufren una determinada patología; de la misma manera, hasta hace unos años, era habitual utilizar muestras biológicas, como los cadáveres, para poder realizar un estudio in situ de la enfermedad en cuestión. Sin embargo, el uso de dichos recursos va disminuyendo con el tiempo, tanto desde el punto de vista económico (por la incineración de residuos) como desde los aspectos bioéticos, derivados de la utilización de los cadáveres con fines experimentales y educativos.

En este punto, debemos aventurarnos a utilizar las nuevas tecnologías, como es el caso del modelado 3D con animación digital. Gracias al software de modelado 3D como SelfCAD, a partir de simples autoformas, se hace posible el modelado, esculpimiento, coloración y textura de un prototipo de órgano o tejido que simula una lesión patológica y no sólo eso, sino que también permite ofrecer el modelo. con una secuencia de animación que reproduce su patrón de crecimiento, invasión, morfología, etc. De la misma forma, la posibilidad de simular y reproducir patrones morfológicos de forma virtual también resuelve un factor preponderante a la hora de enseñar esta disciplina: la variedad de casos disponibles.

Si nos referimos a la forma tradicional de transferir este tipo de conocimientos a los alumnos, en los que sólo existían imágenes de libros y algunos ejemplares biológicos tratados con agentes fijadores químicos que alteran el patrón de color de un órgano o tejido, el número de patologías es tan alto como los tipos de lesiones existentes, de esta forma, es un reto tener una variedad y disponibilidad tan alta en un laboratorio docente, que permita enseñar a los estudiantes. Por ello, el uso de esta herramienta permite reproducir patrones de lesiones de patologías menos convencionales y, a su vez, menos propensos a mostrarse en una silla o instancia de laboratorio. Esta aplicación constituye una gran oportunidad para poder vincular el modelado digital de prototipos con la impresión 3D, ya que, dada la variedad de resinas y materiales que existen para materializar un modelo en una plataforma, es posible conferir un tamaño, color y textura, para que el alumno participe en una experiencia lo más cercana posible a la realidad.

2) Técnicas quirúrgicas

De forma similar a la aplicación anterior, la tendencia a utilizar cadáveres o muestras biológicas para implementar técnicas quirúrgicas, todas con un grado crítico de precisión y sensibilidad, va disminuyendo progresivamente. Un año más, nos encontramos en un punto de inflexión en lo que se refiere a las estrategias metodológicas docentes para la docencia de prácticas quirúrgicas, ya que -gracias a la tecnología de modelado 3D y la animación digital- se hace posible la simulación de diferentes técnicas quirúrgicas, como hemimandibulectomía, enucleaciones oculares, amputación de pabellón auricular. , orquiectomías, mastectomías, obtención quirúrgica de segmentos del aparato digestivo, entre otros. Por ejemplo, gracias al modelado en 3D de un globo ocular con un trastorno neoplástico localizado en la fosa orbital, es posible saber de antemano dónde se recomienda llevar a cabo la intervención quirúrgica, teniendo en cuenta la forma de incisión, corte y lo más importante a la hora de tratar a pacientes con neoplasias- determinar los márgenes de lesión tisular, para comprobar si hay invasión y/o afectación del componente neoplástico en cada uno de los márgenes (craneal, caudal, izquierdo, derecho y profundo) . ), siendo uno de los rasgos indicativos del pronóstico y comportamiento de la lesión en el tiempo.

Por otra parte, como se ha descrito en el apartado anterior, el modelado 3D aplicado a las técnicas quirúrgicas también puede trasladarse a herramientas de Realidad Virtual con diferentes grados de inmersión (Realidad Inmersiva), por ejemplo, mediante el diseño de una aplicación descargable para Virtual. Dispositivos y visores de la realidad, consistentes en simular una instancia de intervención quirúrgica, que puede ser manipulada por el alumno (bajo la guía del profesor) y -de esta forma- acercarse al máximo a una instancia o situación genuina . Desde el punto de vista de la innovación, esto permite la reproducción de ciclos iterativos de pruebas o “falla rápida”, en los que el alumnado mejorará sustancialmente a medida que vaya desarrollando sucesivos intentos de técnicas quirúrgicas, hasta el punto de conseguir los resultados adecuados. experiencia para poder aventurarse en salas de cirugía real con pacientes reales.

3) Histotecnología y gestión de muestras de tejidos

La histotecnología es la rama de la tecnología que se encarga de aportar los últimos avances en la manipulación, tratamiento y procesamiento de muestras de tejido, a fin de obtener una preparación de portaobjetos que permita el diagnóstico histopatológico. Concatenado en la aplicación anterior, una vez obtenemos una muestra biológica (órgano o tejido), debe manipularse adecuadamente, teniendo en cuenta dos aspectos: en primer lugar -en los casos en que se haya obtenido una muestra grande durante la intervención quirúrgica- ésta debe realizarse. seccionada hasta obtener un segmento de tejido, cuyas dimensiones permiten colocarlo en una cápsula histológica, que se llama reducción macroscópica. Por otra parte, la reducción de tejido no debe realizarse de forma aleatoria, sino que se debe seguir un orden adecuado y tener en cuenta el margen del tejido a evaluar, previamente determinado por el cirujano. Teniendo en cuenta todo esto, el modelado 3D con animación digital facilita sustancialmente la manipulación de muestras de tejido, ilustrando cómo realizar cortes macroscópicos, respetando los márgenes quirúrgicos y el tejido sano restante. Además, esta aplicación de modelado 3D permite establecer, previamente, el protocolo de descalcificación recomendado para practicar sobre fragmentos óseos, antes de iniciar el histoprocesamiento. Gracias al dibujo de un esquema de descalcificación, que debe incorporar los diferentes tipos de cortes necesarios para determinar el compromiso de los márgenes del tejido por componente patológico, existe una noción más completa y precisa sobre el protocolo de laboratorio a seguir, en caso de recibir muestras óseas o calcificadas, de un procedimiento quirúrgico. Este aspecto es especialmente relevante cuando nos referimos a la extirpación quirúrgica de ejemplares de tejido voluminoso, como hemimandibulectomía, esplenectomías radicales y orquiectomías, que –por razones obvias– superan mucho el límite de las cápsulas histológicas.

De esta forma, un modelo 3D animado puede proporcionar al estudiante una orientación adecuada sobre cómo realizar el corte macroscópico, teniendo en cuenta el plan de corte (longitudinal, transversal, sagital, coronal o axial, según corresponda), el posicionamiento y la orientación del margen. Libre de lesión y el límite no comprometido y -tan importante como todo lo anterior- no dejar sin procesar los segmentos de tejido, ya que pueden ser muy preponderantes a la hora de realizar el diagnóstico histopatológico, para determinar si existe un compromiso de ese margen con la lesión principal. .

4. Muestras citológicas

A diferencia de la histotecnología, la citotecnología hace referencia a los distintos métodos existentes para obtener una muestra compuesta únicamente de células, sin contexto histológico, como la aspiración con aguja fina y la punción con aguja sin aspiración. En ambos casos, gracias a la tecnología de modelado 3D, es posible replicar la metodología y la técnica de ambos tipos de muestreo, especificando el movimiento, profundidad y dirección adecuada de los instrumentos utilizados. En el caso de la aspiración con aguja fina, es muy recomendable aplicar su uso en el vaciado de derrames serosos, por ejemplo, un derrame pleural. Después de esculpir los pulmones y la pleura que la rodea, coloreada de azul claro y con mayor grado de transparencia, para apreciar el color del parénquima pulmonar, se esculpe el sector pleural de forma que dé la impresión que tiene una zona provista de líquido en el espacio pleural. Posteriormente, se simula el posicionamiento de un instrumento (aguja acoplada a un pistón), que se estira para producir un efecto de reducción del volumen pleural. De esta forma, se reproduce fácilmente el protocolo de vaciado de cavidades con derrame seroso, que también es aplicable a derrames pericárdicos y peritoneales y lesiones quísticas.

5. Oncología

La oncología es la disciplina que estudia y trata las neoplasias, con especial énfasis en los tumores malignos, merece un apartado especial en este artículo, ya que engloba modelos tridimensionales que simulan tanto lesiones patológicas macroscópicas, como mecanismos efectores moleculares que facilitan la progresión de las neoplasias. una neoplasia. Gracias al modelado 3D, es posible recrear el microambiente tumoral, que se define como el conjunto de componentes celulares, tisulares y moleculares que favorecen el crecimiento, desarrollo y estabilización de un tumor en un órgano o tejido determinado. Asimismo, se pueden recrear con prototipos en 3D e incluso animar a fenómenos específicos de las neoplasias y que son trascendentales para su enseñanza y comprensión, como la angiogénesis, la metástasis y los patrones de crecimiento tumoral, según el linaje o el origen embrionario de la neoplasia. para ilustrar patrones de invasión y remodelación de los tejidos.

Concretamente, el último punto -asociado a los patrones de crecimiento- es de vital importancia para tener una noción de grado de invasión que producen las neoplasias según su origen tisular o embrionario, por ejemplo, aquellos tumores malignos derivados de las hojas ectodérmicas o endodérmicas, que dan lugar. a los epitelios glandulares y de revestimiento, se llaman carcinomas, que presentan un patrón de crecimiento en nódulos esferoidales coalescentes. Por otra parte, las neoplasias originadas en el mesodermo, que dan paso a la formación de tejido conjuntivo, se llaman sarcoma y presentan un patrón de crecimiento poliradial o en estrella, mientras que las que también derivan del mesodermo, pero concretamente del tejido hematopoyético , son conocidos como tumores de células redondas, cuyo patrón de crecimiento e invasión sigue un patrón aleatorio y multidireccional. Todos estos patrones de crecimiento pueden ilustrarse fácilmente con un modelo tridimensional dotado de una secuencia de animación: de esta forma, es posible determinar el compromiso de los márgenes lesionados por el componente neoplástico. En otro aspecto, el modelado 3D también permite ilustrar diversos mecanismos moleculares que se producen en la neoplasia, como la transición epitelial-mesenquimal, la apoptosis, la angiogénesis y los patrones de crecimiento tumoral, tales como en masa (origen epitelial), araña (origen mesenquimal). ), aleatoria multidireccional (origen mesenquimal hematopoyético) y trabecular (origen neuroectodérmico y endodérmico).

6. Biología Molecular

Por último, otras asignaturas en las que se puede implementar esta estrategia metodológica, centrada en el aprendizaje de ciencias biomédicas, son la biología celular y molecular, la inmunología, la genética, la microbiología y sus parientes. Por ejemplo, en inmunología, se han recreado modelos animados en 3D que ilustran diversos mecanismos efectores de la inmunidad, como reacciones de hipersensibilidad, fagocitosis, presentación antigénica, activación de determinadas poblaciones celulares, entre otros. Aunque este nicho todavía está en construcción -por lo menos en nuestro contexto educativo- es una gran iniciativa para poder aventurarse en el modelado 3D y la animación digital para la enseñanza de la inmunología, ya que, para buena parte del alumnado, es percibida como disciplina árida, abstracta y difícil de entender e integrar. Por tanto, la posibilidad de impartir estas asignaturas con elementos atractivos y dotadas de componentes estilísticos puede facilitar no sólo el proceso de aprendizaje sino también el rendimiento del alumnado, que puede ser el objetivo de un estudio de impacto interesante y contundente.

Como podemos ver, existen muchas aplicaciones del modelado 3D en la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias biológicas y sus afines. La relevancia de este artículo es dar a conocer que el diseño de prototipos tridimensionales puede vincularse con otras herramientas tecnológicas muy sofisticadas, como la impresión 3D y la realidad virtual, que se pueden orquestar de manera eficiente, para diseñar aplicaciones o plataformas disruptivas en las cuales estos Los modelos 3D pueden vincularse a un programa de Realidad Virtual, para ofrecer una experiencia inmersiva y simulada al estudiante, así como con dispositivos de impresión 3D, para hacer tangibles y texturar procesos patológicos o biológicos. ¡Avanzamos hacia un futuro en el que la tecnología y la innovación serán las protagonistas!

Le agradecemos que se haya tomado el tiempo de leer el artículo y esperamos que haya encontrado la información que estaba buscando. Le animamos a comentar cualquier duda o sugerencia, ¡gracias!€