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

Los cirujanos que operan la cabeza y el cuello se enfrentan a un desafío único: el cuerpo humano es un rompecabezas tridimensional, pero la mayoría de los libros de texto e imágenes médicas son planos. Para aprender el intrincado mapa de músculos, nervios y vasos sanguíneos, los aprendices han dependido tradicionalmente de la disección de cadáveres humanos. Si bien esto sigue siendo el estándar de oro para comprender la anatomía, es costoso, difícil de acceder y el tejido no se puede reutilizar. En años recientes, la impresión tridimensional ha ofrecido un punto medio, creando modelos físicos de partes específicas del cuerpo. Sin embargo, estos objetos impresos son estáticos, costosos de producir y no pueden incorporar fácilmente otras herramientas de aprendizaje vitales, como videos quirúrgicos o imágenes dinámicas. La realidad virtual, donde un estudiante usa un visor para entrar en un mundo digital, ha surgido como una alternativa poderosa. Permite una exploración inmersiva de la anatomía sin las limitaciones físicas del papel o el plástico, pero hasta ahora, no existía tal herramienta para enseñar la región específica y compleja donde residen la glándula parótida y el nervio facial.

Un equipo de investigadores de la Clínica Mayo se propuso construir esta pieza faltante del rompecabezas educativo. Se centraron en la glándula parótida, la más grande de las glándulas salivales, ubicada delante de la oreja, y en el nervio facial, que se entreteje a través de ella para controlar los músculos de la cara. Esta zona es crítica para los cirujanos que realizan parotidectomías, un procedimiento para extirpar tumores de la glándula. Si un cirujano daña accidentalmente el nervio facial durante esta operación, puede provocar una parálisis facial permanente. Los investigadores querían crear un módulo de realidad virtual que permitiera a los estudiantes y residentes practicar la navegación por este terreno peligroso de forma segura, repetidamente y sin riesgo para un paciente.

Para construir este entorno digital, el equipo comenzó con datos médicos reales. Tomaron imágenes de tomografía computarizada (TC) desidentificadas de un paciente de 29 años y utilizaron software especializado para trazar y separar los diferentes tejidos, creando un modelo digital de alta fidelidad de la cabeza y el cuello. Este modelo inicial era increíblemente detallado, contenía más de 22 millones de diminutas formas geométricas llamadas polígonos, que son los bloques de construcción de los gráficos computacionales en 3D. Si bien este nivel de detalle era perfecto para una imagen estática, era demasiado pesado para que un visor de realidad virtual independiente lo procesara en tiempo real. Si la computadora intentara renderizar todas esas formas a la vez, la imagen se retrasaría o se congelaría, rompiendo la inmersión.

El equipo enfrentó entonces un obstáculo técnico significativo: cómo hacer que el modelo fuera lo suficientemente ligero para ejecutarse con fluidez, manteniendo al mismo tiempo la precisión necesaria para ser útil. Trabajaron con un ilustrador médico para esculpir y refinar la anatomía digital, asegurándose de que las formas coincidieran perfectamente con la anatomía humana conocida. Luego, redujeron sistemáticamente el número de polígonos, eliminando el detalle innecesario hasta que todo el modelo se redujo a unos 806,000 polígonos. Esta fue una reducción de más del 96 por ciento. El resultado fue un modelo lo suficientemente ligero para ejecutarse en un visor portátil, pero que aún conservaba la precisión clínica necesaria para el entrenamiento quirúrgico. Crearon un total de 65 estructuras anatómicas distintas, aunque finalmente utilizaron 55 de ellas en la escena final para asegurar que el software funcionara sin errores.

Los investigadores no solo construyeron un modelo 3D; construyeron una experiencia de aprendizaje guiada. Organizaron el módulo en una serie de pasos secuenciales, de forma muy similar a pasar las páginas de un libro, pero en un espacio tridimensional. A medida que el usuario avanza a través de cada paso, un narrador explica la anatomía y ciertas estructuras se iluminan para atraer la atención. Por ejemplo, cuando la lección se centra en el nervio facial, solo ese nervio y sus alrededores inmediatos se resaltan, mientras que el resto del modelo permanece en penumbra. Esta técnica, conocida como divulgación progresiva, evita que el alumno se sienta abrumado por demasiada información a la vez. La sala virtual también incluye otras herramientas de aprendizaje en las paredes, como un video de una parotidectomía real y visores interactivos que permiten al usuario desplazarse a través de los escaneos originales de TC y RM corte por corte. Esto permite al alumno conectar el modelo virtual 3D con las imágenes planas que vería en un hospital real.

Para probar su creación, el equipo invitó a 36 cirujanos, residentes y estudiantes de medicina a probar el módulo en diversos eventos educativos. La mayoría de los participantes pudieron navegar por el espacio virtual por su cuenta, avanzando a través de los pasos e interactuando con los controles sin necesidad de ayuda. Algunos usuarios, particularmente aquellos nuevos en la realidad virtual, necesitaron un momento para reorientarse, lo que sugiere que las versiones futuras podrían beneficiarse de una introducción ligeramente más larga a los controles. Los investigadores también encontraron desafíos técnicos durante el desarrollo, como determinar cómo resaltar partes específicas de un hueso o un nervio que formaban parte de un solo objeto digital grande. Lo resolvieron creando texturas digitales especiales que podían cambiar de color instantáneamente, "pintando" efectivamente las áreas resaltadas sin necesidad de reconstruir todo el modelo.

El producto final es una prueba de concepto funcional que demuestra que los modelos 3D de alta fidelidad derivados de escaneos reales de pacientes pueden adaptarse con éxito para la realidad virtual inmersiva e independiente. El módulo integró con éxito 65 estructuras anatómicas, incluyendo la compleja ramificación del nervio facial, en un único entorno interactivo. Si bien el estudio no midió si los estudiantes aprendían mejor con esta herramienta en comparación con los métodos tradicionales, estableció un método claro y reproducible para convertir imágenes médicas complejas en una herramienta educativa accesible. El equipo demostró que, al combinar narración experta, video quirúrgico y modelos 3D dinámicos, podían crear un entorno de aprendizaje que es tanto portátil como rico en detalles. Este trabajo llena un vacío en la educación médica, ofreciendo una nueva forma de enseñar la delicada anatomía de la cara y el cuello a la próxima generación de cirujanos.