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

I chirurghi che operano sulla testa e sul collo affrontano una sfida unica: il corpo umano è un puzzle tridimensionale, ma la maggior parte dei libri di testo e delle immagini mediche è piatta. Per apprendere l'intricata mappa di muscoli, nervi e vasi sanguigni, i tirocinanti si sono tradizionalmente affidati alla dissezione di cadaveri umani. Sebbene questo rimanga il gold standard per la comprensione dell'anatomia, è costoso, difficile da reperire e il tessuto non può essere riutilizzato. Negli ultimi anni, la stampa tridimensionale ha offerto una via di mezzo, creando modelli fisici di specifiche parti del corpo. Tuttavia, questi oggetti stampati sono statici, costosi da produrre e non possono facilmente incorporare altri strumenti di apprendimento vitali come video chirurgici o imaging dinamico. La realtà virtuale, in cui un discente indossa un visore per entrare in un mondo digitale, è emersa come una potente alternativa. Essa permette un'esplorazione immersiva dell'anatomia senza le limitazioni fisiche della carta o della plastica, eppure fino ad ora non esisteva uno strumento del genere per insegnare la regione specifica e complessa in cui risiedono la ghiandola parotide e il nervo facciale.

Un team di ricercatori della Mayo Clinic si è posto l'obiettivo di costruire questo tassello mancante del puzzle educativo. Si sono concentrati sulla ghiandola parotide, la più grande delle ghiandole salivari situata davanti all'orecchio, e sul nervo facciale, che vi si snoda all'interno per controllare i muscoli del viso. Quest'area è critica per i chirurghi che eseguono parotidectomie, una procedura per rimuovere tumori dalla ghiandola. Se un chirurgo danneggia accidentalmente il nervo facciale durante questa operazione, può causare una paralisi facciale permanente. I ricercatori volevano creare un modulo di realtà virtuale che permettesse agli studenti e ai specializzandi di praticare la navigazione in questo terreno pericoloso in modo sicuro, ripetitivo e senza rischi per il paziente.

Per costruire questo ambiente digitale, il team è partito da dati medici reali. Hanno preso immagini di TC de-identificate di un paziente di 29 anni e hanno utilizzato software specializzati per tracciare e separare i diversi tessuti, creando un modello digitale ad alta fedeltà della testa e del collo. Questo modello iniziale era incredibilmente dettagliato, contenente oltre 22 milioni di minuscole forme geometriche chiamate poligoni, che sono i mattoni della grafica computerizzata 3D. Sebbene questo livello di dettaglio fosse perfetto per un'immagine statica, era troppo pesante per essere elaborato in tempo reale da un visore di realtà virtuale autonomo. Se il computer avesse cercato di renderizzare tutti quei poligoni contemporaneamente, l'immagine avrebbe subito rallentamenti o blocchi, interrompendo l'immersione.

Il team ha poi affrontato un ostacolo tecnico significativo: come rendere il modello abbastanza leggero da funzionare fluidamente pur mantenendo l'accuratezza necessaria per essere utile. Hanno lavorato con un illustratore medico per scolpire e raffinare l'anatomia digitale, assicurandosi che le forme corrispondessero perfettamente all'anatomia umana nota. Successivamente, hanno ridotto sistematicamente il numero di poligoni, eliminando i dettagli superflui finché l'intero modello non è arrivato a circa 806.000 poligoni. Si è trattato di una riduzione di oltre il 96 percento. Il risultato è stato un modello abbastanza leggero da poter girare su un visore portatile, ma che conservava l'accuratezza clinica necessaria per l'addestramento chirurgico. Hanno creato in totale 65 strutture anatomiche distinte, sebbene ne abbiano utilizzate infine 55 nella scena finale per garantire che il software funzionasse senza errori.

I ricercatori non si sono limitati a costruire un modello 3D; hanno costruito un'esperienza di apprendimento guidata. Hanno organizzato il modulo in una serie di passaggi sequenziali, molto simile al voltare le pagine di un libro, ma in uno spazio tridimensionale. Mentre l'utente avanza attraverso ogni passaggio, un narratore spiega l'anatomia e strutture specifiche si illuminano per attirare l'attenzione. Ad esempio, quando la lezione si concentra sul nervo facciale, solo quel nervo e il suo ambiente immediato vengono evidenziati, mentre il resto del modello rimane in ombra. Questa tecnica, nota come rivelazione progressiva, evita che l'apprendista venga sopraffatto da troppe informazioni contemporaneamente. La stanza virtuale include anche altri strumenti di apprendimento sulle pareti, come un video di una vera parotidectomia e visualizzatori interattivi che permettono all'utente di scorrere le scansioni CT e MRI originali sezione per sezione. Ciò consente al discente di collegare il modello virtuale 3D con le immagini piatte che vedrebbe in un vero ospedale.

Per testare la loro creazione, il team ha invitato 36 chirurghi, specializzandi e studenti di medicina a provare il modulo in vari eventi educativi. La maggior parte dei partecipanti è stata in grado di navigare nello spazio virtuale autonomamente, procedendo attraverso i passaggi e interagendo con i controlli senza bisogno di aiuto. Alcuni utenti, in particolare quelli nuovi alla realtà virtuale, hanno avuto bisogno di un momento per orientarsi, suggerendo che le versioni future potrebbero beneficiare di un'introduzione ai controlli leggermente più lunga. I ricercatori hanno inoltre incontrato sfide tecniche durante lo sviluppo, come capire come evidenziare parti specifiche di un osso o di un nervo che facevano parte di un unico, grande oggetto digitale. Hanno risolto il problema creando speciali texture digitali in grado di cambiare colore istantaneamente, "dipingendo" efficacemente le aree evidenziate senza dover ricostruire l'intero modello.

Il prodotto finale è una prova di concetto funzionante che dimostra come modelli 3D ad alta fedeltà derivati da scansioni reali di pazienti possano essere adattati con successo per una realtà virtuale immersiva e autonoma. Il modulo ha integrato con successo 65 strutture anatomiche, inclusa la complessa ramificazione del nervo facciale, in un unico ambiente interattivo. Sebbene lo studio non abbia misurato se gli studenti imparassero meglio con questo strumento rispetto ai metodi tradizionali, esso ha stabilito un metodo chiaro e riproducibile per trasformare immagini mediche complesse in uno strumento educativo accessibile. Il team ha dimostrato che combinando la narrazione esperta, il video chirurgico e i modelli 3D dinamici, potevano creare un ambiente di apprendimento che fosse sia portatile che ricco di dettagli. Questo lavoro colma una lacuna nell'educazione medica, offrendo un nuovo modo per insegnare la delicata anatomia del viso e del collo alla prossima generazione di chirurghi.