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

Chirurgen die opereren aan het hoofd en de hals staan voor een unieke uitdaging: het menselijk lichaam is een driedimensionale puzzel, maar de meeste tekstboeken en medische beelden zijn plat. Om de ingewikkelde kaart van spieren, zenuwen en bloedvaten te leren kennen, hebben trainees traditioneel vertrouwd op het ontleden van menselijke kadavers. Hoewel dit nog steeds de gouden standaard is voor het begrijpen van de anatomie, is het duur, moeilijk toegankelijk en kan het weefsel niet opnieuw worden gebruikt. In de afgelopen jaren heeft 3D-printen een middenweg geboden door fysieke modellen van specifieke lichaamsdelen te maken. Deze geprinte objecten zijn echter statisch, kostbaar om te produceren en kunnen niet gemakkelijk andere vitale leermiddelen zoals chirurgische video's of dynamische beeldvorming bevatten. Virtual reality, waarbij een leerling een headset draagt om een stap in een digitale wereld te zetten, is een krachtig alternatief geworden. Het maakt immersieve exploratie van de anatomie mogelijk zonder de fysieke beperkingen van papier of plastic, maar tot nu toe bestond er geen dergelijk instrument om de specifieke, complexe regio te onderwijzen waar de parotisklier en de nervus facialis zich bevinden.

Een team van onderzoekers van de Mayo Clinic zette zich in om dit ontbrekende stukje van de educatieve puzzel te bouwen. Ze richtten zich op de parotisklier (de parotisklier), de grootste van de speekselklieren, gelegen voor het oor, en de nervus facialis (gezichtszenuw), die erdoorheen weeft om de spieren van het gezicht aan te sturen. Dit gebied is cruciaal voor chirurgen die een parotidectomie uitvoeren, een procedure om tumoren uit de klier te verwijderen. Als een chirurg tijdens deze operatie per ongeluk de nervus facialis beschadigt, kan dit leiden tot permanente gezichtsparalyse. De onderzoekers wilden een virtual reality-module creëren die studenten en assistenten in staat stelt om veilig, herhaaldelijk en zonder risico voor een patiënt door dit gevaarlijke terrein te navigeren.

Om deze digitale omgeving te bouwen, begon het team met echte medische gegevens. Ze namen gede-identificeerde CT-scanbeelden van een 29-jarige patiënt en gebruikten gespecialiseerde software om de verschillende weefsels te traceren en te scheiden, waardoor een hoogwaardig digitaal model van het hoofd en de hals ontstond. Dit initiële model was ongelooflijk gedetailleerd en bevatte meer dan 22 miljoen kleine geometrische vormen, polygonen genoemd, die de bouwstenen zijn van 3D-computergraphics. Hoewel dit niveau van detail perfect was voor een statisch beeld, was het veel te zwaar voor een standalone virtual reality-headset om in realtime te verwerken. Als de computer al die vormen tegelijkertijd zou renderen, zou het beeld vertragen of vastlopen, wat de immersie zou verbreken.

Het team werd vervolgens geconfronteerd met een aanzienlijke technische hindernis: hoe het model licht genoeg te maken om soepel te draaien, terwijl het nauwkeurig genoeg blijft om nuttig te zijn. Ze werkten samen met een medisch illustrator om de digitale anatomie te boetseren en te verfijnen, waarbij ze ervoor zorgden dat de vormen exact overeenkwamen met de bekende menselijke anatomie. Vervolgens verminderden ze systematisch het aantal polygonen, waarbij ze onnodige details weghaalden totdat het hele model was teruggebracht tot ongeveer 806.000 polygonen. Dit was een reductie van meer dan 96 procent. Het resultaat was een model dat licht genoeg was om op een draagbare headset te draaien, maar nog steeds de klinische nauwkeurigheid behield die nodig is voor chirurgische training. Ze creëerden in totaal 65 afzonderlijke anatomische structuren, hoewel ze er uiteindelijk 55 gebruikten in de definitieve scène om ervoor te zorgen dat de software zonder fouten draaide.

De onderzoekers bouwden niet alleen een 3D-model; ze bouwten een begeleide leerervaring. Ze organiseerden de module in een reeks opeenvolgende stappen, vergelijkbaar met het omslaan van de pagina's van een boek, maar dan in een driedimensionale ruimte. Terwijl de gebruiker door elke stap beweegt, legt een verteller de anatomie uit en lichten specifieke structuren op om de aandacht te trekken. Wanneer de les bijvoorbeeld focust op de nervus facialis, wordt alleen die zenuw en de directe omgeving ervan geaccentueerd, terwijl de rest van het model gedimd blijft. Deze techniek, bekend als progressieve onthulling (progressive disclosure), voorkomt dat de leerling wordt overweldigd door te veel informatie tegelijk. De virtuele kamer bevat ook andere leermiddelen aan de wanden, zoals een video van een echte parotidectomie en interactieve viewers waarmee de gebruiker door de originele CT- en MRI-scans kan scrollen, laag voor laag. Dit stelt de leerling in staat om het 3D-virtuele model te verbinden met de platte beelden die zij in een echt ziekenhuis zouden zien.

Om hun creatie te testen, nodigde het team 36 chirurgen, assistenten en medische studenten uit om de module uit te proberen tijdens diverse educatieve evenementen. De meeste deelnemers waren in staat om zelfstandig door de virtuele ruimte te navigeren, door de stappen te bewegen en met de besturing te interageren zonder hulp. Een enkeling, met name degenen die nieuw waren in virtual reality, had een moment nodig om zich te oriënteren, wat suggereert dat toekomstige versies wellicht baat hebben bij een iets langere introductie bij de besturing. De onderzoekers stuitten tijdens de ontwikkeling ook op technische uitdagingen, zoals het uitzoeken hoe ze een specif씩 deel van een bot of zenuw konden markeren die deel uitmaakten van één enkel, groot digitaal object. Ze losten dit op door speciale digitale texturen te maken die direct van kleur konden veranderen, waardoor de geaccentueerde gebieden effectief "beschilderd" konden worden zonder het hele model opnieuw te hoeven opbouwen.

Het eindproduct is een werkend bewijs van concept (proof-of-concept) dat aantoont dat hoogwaardige 3D-modellen afgeleid van echte patiëntenscans succesvol kunnen worden aangepast voor immersieve, standalone virtual reality. De module integreerde succesvol 65 anatomische structuren, inclusief de complexe vertakking van de nervus facialis, in één enkele, interactieve omgeving. Hoewel de studie niet heeft gemeten of studenten met dit hulpmiddel beter leren dan met traditionele methoden, heeft het een duidelijke, reproduceerbare methode vastgesteld om complexe medische beeldvorming om te zetten in een toegankelijk educatief hulpmiddel. Het team heeft aangetoond dat ze door het combineren van deskundige vertelling, chirurgische video en dynamische 3D-modellen een leeromgeving kunnen creëren die zowel draagbaar als rijk aan detail is. Dit werk vult een gat in het medisch onderwijs en biedt een nieuwe manier om de delicate anatomie van het gezicht en de hals te onderwijzen aan de volgende generatie chirurgen.