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

頭部や頸部を執刀する外科医は、独特の課題に直面している。人体は三次元的なパズルであるが、ほとんどの教科書や医学的画像は平面であるからだ。筋肉、神経、血管の複雑な地図を学ぶために、研修医は伝統的にヒトの遺体解剖に頼ってきた。これは解剖学を理解するためのゴールドスタンダードであり続けているが、高価で、入手が困難であり、組織を再利用することもできない。近年、三次元プリンティングが、特定の身体部位の物理的なモデルを作成することで、中間的な解決策を提示している。しかし、これらのプリントされた物体は静止しており、制作コストがかかり、外科手術の動画や動的な画像のような他の重要な学習ツールを容易に組み込むことができない。ヘッドセットを装着してデジタル世界の中へと入り込むバーチャルリアリティ（VR）は、強力な代替手段として台頭してきた。それは、紙やプラスチックの物理的な制限を受けることなく、解剖学の没入的な探索を可能にするが、これまでは、耳の前にある耳下腺と顔面神経が存在する、あの特有で複雑な領域を教えるためのツールは存在していなかった。

メイヨー・クリニックの研究チームは、この教育的なパズルの欠けているピースを構築することに着手した。彼らは、耳の前にある最大の唾液腺である耳下腺と、その中を通り抜けて顔の筋肉を制御する顔面神経に焦点を当てた。この領域は、耳下腺腫瘍を取り除く手術である耳下腺摘出術を行う外科医にとって極めて重要である。もし外科医がこの手術中に誤って顔面神経を損傷すれば、永久的な顔面麻痺を引き起こす可能性がある。研究者たちは、学生やレジデントが、この危険な領域を安全に、繰り返し、そして患者にリスクを与えることなくナビゲートする練習ができるバーチャルリアリティ・モジュールを作成したいと考えた。

このデジタル環境を構築するために、チームは実際の医療データから着手した。彼らは29歳の患者から得られた匿名化されたCTスキャン画像を使用し、特殊なソフトウェアを用いて異なる組織をトレースして分離することで、頭部および頸部の高忠実度なデジタルモデルを作成した。この初期モデルは非常に詳細であり、3Dコンピュータグラフィックスの構成要素である「ポリゴン」と呼ばれる2,200万個以上の微細な幾何学的形状を含んでいた。このレベルの詳細さは静止画には完璧であったが、スタンドアロン型のVRヘッドセットでリアルタイムに処理するには重すぎた。もしコンピュータが一度にそれらすべての形状を描画しようとすれば、画像がラグを起こしたりフリーズしたりして、没入感が損なわれてしまう。

チームは次に、臨床的な正確さを維持しつつ、いかにモデルをスムーズに動作させるほど軽量化するかという、重大な技術的ハードルに直面した。彼らは医学的なイラストレーターと協力して、デジタル解剖図を彫刻・精緻化し、形状が既知の人体解剖学と完全に一致するようにした。その後、彼らはポリゴンの数を体系的に削減し、不要な詳細を削ぎ落としていくことで、モデル全体を約80万6,000個のポリゴンまで減らした。これは96パーセント以上の削減であった。その結果、ポータブルなヘッドセットで動作するほど軽量でありながら、外科トレーニングに必要な臨床的正確さを保持したモデルが完成した。彼らは合計65の明確な解剖学的構造を作成したが、最終的にはソフトウェアをエラーなく実行するために、そのうちの55個を最終的なシーンで使用した。

研究者たちは単に3Dモデルを作ったのではなく、ガイド付きの学習体験を構築した。彼らは、本をめくるように、三次元空間の中で一連の連続したステップへとモジュールを構成した。ユーザーが各ステップを進むにつれて、ナレーターが解剖学を解説し、特定の構造がハイライトされて目を引くように設計されている。例えば、レッスンが顔面神経に焦点を当てている場合、その神経とその周辺のみが強調され、他の部分は暗くなったままとなる。この手法は「段階的開示（progressive disclosure）」と呼ばれ、学習者が一度に多すぎる情報に圧倒されるのを防ぐものである。また、バーチャルルームの壁には、実際の耳下腺摘出術の動画や、元のCTおよびMRIのスキャンをスライスごとにスクロールできるインタラクティブなビューアなど、他の学習ツールも配置されている。これにより、学習者は3Dバーチャルモデルを、実際の病院で見かける平面的画像と結びつけることができる。

作成物をテストするために、チームは様々な教育イベントにおいて、36人の外科医、レジデント、および医学部生にこのモジュールを試してもらった。ほとんどの参加者は、ステップを進み、操作をインタラクトすることに、助けを借りることなく自力でナビゲートすることができた。一部のユーザー、特にバーチャルリアリティに慣れていない人々は、操作に慣れるために少し時間を必要とした。これは、将来のバージョンでは、操作に関する導入をもう少し長くすることが有益であることを示唆している。研究者たちは開発中、例えば、単一の大きなデジタルオブジェクトの一部である骨や神経の特定の部分をどのようにハイライトするかといった技術的な課題にも遭遇した。彼らは、色を瞬時に変えられる特別なデジタルテクスチャを作成することで、モデル全体を再構築することなく、ハイライトされた領域を「塗装」するように解決した。

最終的な成果物は、高忠実度の3Dモデルが、実際の患者のスキャンから派生したものであっても、スタンドアロン型の没入型バーチャルリアリティにうまく適応できることを示す、機能的な概念実証（プルーフ・オブ・コンセプト）である。このモジュールは、顔面神経の複雑な分岐を含む65の解剖学的構造を、単一のインタラクティブな環境に統合することに成功した。この研究では、学生が従来の教授法と比較してこのツールによって学習効果が高まったかどうかまでは測定していないが、複雑な医療画像をアクセシブルな教育ツールへと変えるための、明確で再現可能な方法を確立した。チームは、専門的なナレーション、外科手術動画、および動的な3Dモデルを組み合わせることで、携帯可能でありながら詳細な学習環境を構築できることを示した。この取り組みは、顔面および頸部の繊細な解剖学を次世代の外科医に教えるための、新しい方法を提供することで、医学教育における空白を埋めるものである。