Sviluppo di ambienti virtuali per lo studio dei sistemi di pianificazione chirurgica/preoperatoria

Abstract

La chirurgia spinale rappresenta una delle sfide mediche più complesse, dove la precisione millimetrica è fondamentale per evitare danni a strutture vitali. Interventi delicati, come il posizionamento di viti peduncolari per correggere deformità quali la scoliosi, richiedono una pianificazione preoperatoria impeccabile. Tuttavia, i metodi tradizionali basati su schermi bidimensionali costringono il medico a un notevole sforzo mentale per ricostruire la tridimensionalità dell’anatomia, aumentando il rischio di errori.

La Realtà Virtuale (VR) rappresenta oggi un’ottima soluzione al problema, permettendo al chirurgo di immergersi nell'anatomia del paziente. Ma qual è il modo più efficace per interagire con questo mondo digitale? È meglio affidarsi a un mouse, a dei controller o alle nostre stesse mani?

Il presente lavoro di tesi risponde a questa domanda attraverso lo sviluppo e la comparazione di tre ambienti virtuali "gemelli", realizzati con il motore grafico Unity 3D. L'obiettivo è stato confrontare tre diverse modalità di interazione: non immersiva tramite mouse, e immersiva tramite visore Meta Quest 3 utilizzando sia controller fisici che la tecnologia di Hand-Tracking (tracciamento delle mani).

È stato condotto un test preliminare su tre partecipanti con l’obiettivo di valutare la funzionalità e l’usabilità dei tre software. Dai feedback qualitativi raccolti è emerso che l’interazione tramite mouse richiede un maggiore sforzo cognitivo ed è percepita come meno intuitiva, mentre l’uso dei controller VR garantisce stabilità e affidabilità nell’esecuzione del task. L’Hand-Tracking, sebbene soggetto a limitazioni tecniche legate al tracciamento, è stato valutato come il metodo più naturale e immediato per l’interazione.

La conclusione di questo lavoro sarà estendere i test ad un campione più ampio di utenti, con l’obiettivo di analizzare i dati quantitativi e determinare quale modalità di interazione assicuri la massima precisione nel training chirurgico spinale

Spinal surgery represents one of the most complex medical challenges, where millimetric precision is essential to avoid damage to vital structures. Delicate procedures, such as the placement of pedicle screws to correct deformities like scoliosis, require flawless preoperative planning. Traditional methods based on two-dimensional screens, however, force surgeons to exert significant cognitive effort to reconstruct the three-dimensional anatomy, increasing the risk of errors.

Virtual Reality (VR) offers a promising solution by allowing surgeons to immerse themselves directly in the patient’s anatomy. Yet, the question remains: what is the most effective way to interact with this digital environment? Should one rely on a mouse, VR controllers, or their own hands?

This thesis addresses this question through the development and comparison of three “twin” virtual environments created with the Unity 3D engine. The study aimed to evaluate three interaction modalities: non-immersive mouse input, and immersive VR using the Meta Quest 3 headset, either with physical controllers or with hand-tracking technology.

A preliminary test was conducted with three participants to assess the functionality and usability of the three software applications. Qualitative feedback revealed that mouse interaction requires greater cognitive effort and is perceived as less intuitive, while VR controllers provide stability and reliability during task execution. Hand-tracking, although subject to technical limitations in tracking, was reported as the most natural and immediate interaction method.

The future development of this work will extend testing to a larger sample of users, with the aim of analyzing quantitative data to determine which interaction modality ensures the highest precision in spinal surgical training.