Design of a Virtual Reality Module for Learning Parotid Gland and Facial Nerve Anatomy

Chirurgen, die am Kopf und Hals operieren, stehen vor einer einzigartigen Herausforderung: Der menschliche Körper ist ein dreidimensionales Puzzle, aber die meisten Lehrbücher und medizinischen Bilder sind flach. Um die komplizierte Landkarte aus Muskeln, Nerven und Blutgefäßen zu erlernen, mussten Auszubildende traditionell die Präparation menschlicher Leichen nutzen. Obwohl dies nach wie vor der Goldstandard für das Verständnis der Anatomie ist, ist es teuer, schwer zugänglich und das Gewebe kann nicht wiederverwendet werden. In den letzten Jahren hat der dreidimensionalen Drucktechnik eine goldene Mitte geboten, indem sie physische Modelle spezifischer Körperteile erstellt hat. Diese gedruckten Objekte sind jedoch statisch, kostspielig in der Herstellung und können nicht ohne Weiteres andere wichtige Lernwerkzeuge wie chirurgische Videos oder dynamische Bildgebung integrieren. Virtual Reality, bei der ein Lernender ein Headset trägt, um in eine digitale Welt einzutauchen, hat sich als leistungsstarke Alternative herauskristallisiert. Sie ermöglicht eine immersive Erkundung der Anatomie ohne die physischen Einschränkungen von Papier oder Kunststoff, doch bis jetzt existierte kein solches Werkzeug, um die spezifische, komplexe Region zu lehren, in der die Parotisdrüse und der Gesichtsnerv liegen.

Ein Forscherteam der Mayo Clinic setzte sich zum Ziel, dieses fehlende Puzzleteil der Ausbildung zu erschaffen. Sie konzentrierten sich auf die Parotisdrüse (Ohrspeicheldrüse), die größte der Speicheldrüsen, die vor dem Ohr liegt, und den Gesichtsnerv, der sich durch sie hindurchzieht und die Muskeln des Gesichts steuert. Dieser Bereich ist entscheidend für Chirurgen, die Parotidektomien durchführen – ein Eingriff zur Entfernung von Tumoren aus der Drüse. Wenn ein Chirurg während dieser Operation versehentlich den Gesichtsnerv beschädigt, kann dies zu einer dauerhaften Gesichtslähmung führen. Die Forscher wollten ein Virtual-Reality-Modul entwickeln, das es Studenten und Assistenzärzten ermöglicht, die Navigation durch dieses gefährliche Gelände sicher, wiederholt und ohne Risiko für einen Patienten zu üben.

Um diese digitale Umgebung aufzubauen, begann das Team mit realen medizinischen Daten. Sie nahmen anonymisierte CT-Scan-Bilder eines 29-jährigen Patienten und nutzten spezialisierte Software, um die verschiedenen Gewebe zu verfolgen und zu trennen, wodurch ein hochpräzises digitales Modell des Kopfes und des Halses entstand. Dieses ursprüngliche Modell war unglaublich detailliert und enthielt über 22 Millionen winzige geometrische Formen, sogenannte Polygone, welche die Bausteine der 3D-Computergrafik sind. Während dieser Detailgrad perfekt für ein statisches Bild war, war er für ein eigenständiges Virtual-Reality-Headset viel zu schwer zu verarbeiten. Wenn der Computer versuchen würde, all diese Formen gleichzeitig zu rendern, würde das Bild verzögern oder einfrieren, was die Immersion unterbrechen würde.

Das Team stand dann vor einer erheblichen technischen Hürde: Wie man das Modell leicht genug macht, um flüssig zu laufen, während man es gleichzeitig präzise genug für den Nutzen hält. Sie arbeiteten mit einem medizinischen Illustrator zusammen, um die digitale Anatomie zu modellieren und zu verfeinern, wobei sie sicherstellten, dass die Formen der bekannten menschlichen Anatomie perfekt entsprachen. Dann reduzierten sie systematisch die Anzahl der Polygone und entfernten unnötige Details, bis das gesamte Modell auf etwa 806.000 Polygone reduziert war. Dies war eine Reduktion von mehr als 96 Prozent. Das Ergebnis war ein Modell, das leicht genug war, um auf einem tragbaren Headset zu laufen, aber dennoch die klinische Genauigkeit behielt, die für das chirurgische Training erforderlich ist. Sie erstellten insgesamt 65 verschiedene anatomische Strukturen, verwendeten jedoch letztlich 55 davon in der endgültigen Szene, um sicherzustellen, dass die Software ohne Fehler läuft.

Die Forscher bauten nicht nur ein 3D-Modell; sie bauten ein geführtes Lernerlebnis. Sie organisierten das Modul in eine Reihe aufeinanderfolgender Schritte, ähnlich wie das Umblättern der Seiten eines Buches, jedoch in einem dreidimensionalen Raum. Während sich der Nutzer durch die einzelnen Schritte bewegt, erklärt ein Erzähler die Anatomie, und spezifische Strukturen leuchten auf, um den Blick zu lenken. Wenn sich beispielsweise die Lektion auf den Gesichtsnerv konzentriert, wird nur dieser Nerv und seine unmittelbare Umgebung hervorgehoben, während der Rest des Modells dunkel bleibt. Diese Technik, bekannt als progressive Offenlegung (progressive disclosure), verhindert, dass der Lernende durch zu viele Informationen auf einmal überfordert wird. Der virtuelle Raum enthält auch andere Lernwerkzeuge an den Wänden, wie etwa ein Video einer echten Parotidektomie-Operation und interaktive Viewer, die es dem Nutzer ermöglichen, durch die ursprünglichen CT- und MRT-Scans Schicht für Schicht zu scrollen. Dies ermöglicht es dem Lernenden, das 3D-VR-Modell mit den flachen Bildern zu verknüpfen, die er in einem echten Krankenhaus sehen würde.

Um ihre Kreation zu testen, lud das Team 36 Chirurgen, Assistenzärzte und Medizinstudenten ein, das Modul bei verschiedenen Bildungsveranstaltungen auszuprobieren. Die meisten Teilnehmer waren in der Lage, sich eigenständig im virtuellen Raum zu bewegen, die Schritte zu durchlaufen und mit den Bedienelementen zu interagieren, ohne Hilfe zu benötigen. Einige Nutzer, insbesondere solche, die neu in der Virtual Reality waren, benötigten einen Moment, um sich zu orientieren, was darauf hindeutet, dass zukünftige Versionen von einer etwas längeren Einführung in die Steuerung profitieren könnten. Die Forscher stießen während der Entwicklung auch auf technische Herausforderungen, wie etwa die Frage, wie man bestimmte Teile eines Knochens oder Nervs hervorheben kann, die Teil eines einzigen, großen digitalen Objekts waren. Sie lösten dies durch die Erstellung spezieller digitaler Texturen, die die Farbe sofort ändern konnten, wodurch die hervorgehobenen Bereiche effektiv „bemalt“ wurden, ohne das gesamte Modell neu aufbauen zu müssen.

Das Endprodukt ist ein funktionierender Proof-of-Concept, der zeigt, dass hochpräzise 3D-Modelle, die aus echten Patientenscans abgeleitet wurden, erfolgreich für immersive, eigenständige Virtual Reality adaptiert werden können. Das Modul integrierte erfolgreich 65 anatomische Strukturen, einschließlich der komplexen Verzweigung des Gesichtsnervs, in eine einzige, interaktive Umgebung. Obwohl die Studie nicht untersuchte, ob Studenten mit diesem Werkzeug besser lernten als mit traditionellen Methoden, etablierte sie eine klare, reproduzierbare Methode, um komplexe medizinische Bildgebung in ein zugängliches Bildungswerkzeug zu verwandeln. Das Team zeigte, dass sie durch die Kombination von Experten-Narration, chirurgischen Videos und dynamischen 3D-Modellen eine Lernumgebung schaffen konnten, die sowohl tragbar als auch reich an Details ist. Diese Arbeit schließt eine Lücke in der medizinischen Ausbildung und bietet eine neue Möglichkeit, die filigrane Anatomie des Gesichts und des Halses der nächsten Generation von Chirurgen zu lehren.