Design of a Virtual Reality Module for Learning Parotid Gland and Facial Nerve Anatomy
本文介绍了设计、开发及初步可用性测试的一个独立虚拟现实模块，该模块利用基于临床影像优化的三维模型，为耳鼻喉科受训人员提供关于腮腺和面神经复杂解剖结构的沉浸式、交互式教育。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
从事头颈部手术的外科医生面临着独特的挑战：人体是一个三维的谜题，但大多数教科书和医学图像却是平面的。为了学习肌肉、神经和血管错综复杂的地图，受训者传统上依赖于解剖人类尸体。虽然这仍然是理解解剖结构的“金标准”，但成本高昂、难以获取，且组织无法重复使用。近年来，三维打印提供了一个折中方案，可以创建特定身体部位的物理模型。然而，这些打印出的物体是静态的、制作成本高，且无法轻易整合其他重要的学习工具，如手术视频或动态影像。虚拟现实——即学习者佩戴头显进入一个数字世界——已成为一种强大的替代方案。它允许学习者在没有纸张或塑料物理限制的情况下，进行沉浸式的解剖探索；然而，直到现在，还没有这样的工具能够教授包含腮腺和面神经所在的那种特定且复杂的区域。
梅奥医学中心（Mayo Clinic）的一个研究小组致力于构建这一缺失的教育拼图。他们将重点放在腮腺上（这是位于耳朵前方的最大的唾液腺之一）以及贯穿其中以控制面部肌肉的面神经上。对于执行腮腺切除术（一种从腺体中移除肿瘤的手术）的医生来说，这个区域至关重要。如果外科医生在手术过程中意外损伤了面神经，可能会导致永久性面瘫。研究人员希望创建一个虚拟现实模块，让学生和住院医生能够安全、反复地练习在这一危险地形中进行导航，而不会对患者造成风险。
为了构建这个数字环境，团队从真实的医学数据开始。他们提取了一份来自29岁患者的去标识化CT扫描图像，并使用专门的软件对不同组织进行追踪和分离，从而创建了一个高保真的头颈部数字模型。这个初始模型极其详细，包含了超过2200万个被称为“多边形”的小几何形状，这些是3D计算机图形的基础构建块。虽然这种精细程度对于静态图像来说非常完美，但对于一台独立的虚拟现实头显来说，其处理起来过于沉重。如果计算机试图同时渲染所有这些形状，图像就会出现滞后或冻结，从而破坏沉浸感。
随后，团队面临了一个重大的技术障碍：如何在保持足够准确性和实用性的同时，使模型变得足够轻量以流畅运行。他们与一位医学插画师合作，对数字解剖结构进行雕刻和精炼，确保形状与已知的人体解剖结构完全匹配。然后，他们系统地减少了多边形数量，剥离不必要的细节，直到整个模型的规模降至约80.6万个多边形。这是一个超过96%的缩减。结果是一个既能运行在便携式头显上，又能保留手术培训所需临床准确性的模型。他们总共创建了65个不同的解剖结构，但最终在场景中使用了其中的55个，以确保软件运行不出错。
研究人员不仅仅构建了一个3D模型，他们还构建了一个引导式学习体验。他们将该模块组织成一系列连续的步骤，非常类似于翻阅书籍，但在三维空间中进行。随着用户在每个步骤中移动，旁白会讲解解剖结构，特定的结构会亮起以吸引注意力。例如，当课程侧重于面神经时，只有该神经及其紧邻的周围环境会被高亮显示，而模型的其余部分则保持暗淡。这种被称为“渐进式披露”的技术可以防止学习者因信息过载而感到不知所措。虚拟房间的墙壁上还包含其他学习工具，例如一段真实的腮腺切除手术视频，以及可以让用户逐层滚动查看原始CT和MRI扫描切片的交互式查看器。这使得学习者能够将3D虚拟模型与他们在真实医院中看到的平面图像联系起来。
为了测试他们的作品，团队邀请了36名外科医生、住院医生和医学生在不同的教育活动中尝试该模块。大多数参与者都能独立操作虚拟空间，通过步骤并与控制装置进行交互，无需他人帮助。少数用户（尤其是对虚拟现实还不熟悉的人）需要一点时间来重新适应环境，这表明未来的版本可能需要更长的控制操作介绍。研究人员在开发过程中还遇到了技术挑战，例如如何高亮显示属于单个大型数字对象的特定骨骼或神经部分。他们通过创建特殊的数字纹理解决了这个问题，这些纹理可以瞬间改变颜色，从而有效地“绘制”出高亮区域，而无需重建整个模型。
最终的产品是一个运作良好的概念验证，证明了源自真实患者扫描的高保真3D模型可以成功适配于沉浸式的、独立的虚拟现实。该模块成功地将包括面神经复杂分支在内的65个解剖结构集成到了一个交互式环境中。虽然该研究并未衡量学生使用该工具的学习效果是否优于传统方法，但它建立了一种清晰、可复制的方法，将复杂的医学影像转化为易于获取的教学工具。团队展示了通过结合专家解说、手术视频和动态3D模型，可以创造出一个既便携又细节丰富的学习环境。这项工作填补了医学教育中的空白，为向下一代外科医生教授面部和颈部精细解剖结构提供了一种新途径。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。