La realtà virtuale nella pianificazione preoperatoria: uno studio preliminare in uro-oncologia e chirurgia spinale

Abstract

Il planning preoperatorio è una procedura che consente ai chirurghi di delineare le fasi dell’intervento per ottimizzare i risultati e ridurre i rischi. Le immagini 2D, pur essendo ampiamente utilizzate, limitano la comprensione spaziale, favorendo l’adozione di tecniche di visualizzazione 3D, come modelli virtuali e modelli 3D stampati (3DPM). Tuttavia, gli studi comparativi sulla modalità ottimale sono limitati. Questa tesi valuta l’uso della Realtà Virtuale (VR) e dei 3DPM in due contesti clinici: inserimento di viti peduncolari (PSI) in ortopedia e tumore renale in uro-oncologia. In collaborazione con l’Ospedale San Martino di Genova, ho segmentato un modello di colonna e sviluppato un ambiente virtuale immersivo (VE) per il planning di PSI, confrontandolo con un’applicazione a monitor. Sono stati testati 21 specializzandi di ortopedia, misurando errori e accuratezza rispetto al planning degli esperti. I dati hanno mostrato i due gruppi hanno performato in maniera simile. I risultati hanno mostrato che i due gruppi hanno avuto prestazioni simili, ma il gruppo VR ha commesso meno errori e ha mostrato una variabilità inferiore. Ciò suggerisce che la VR immersiva potrebbe offrire vantaggi rispetto alla visualizzazione a monitor. Il secondo studio, con MSK Cancer Center di New York, si è concentrato sul planning di interventi di tumori renali, con l’obiettivo di confrontare un VE e un 3DPM. Ho segmentato il rene partendo da immagini TC per creare un modello 3D utilizzato in entrambe le modalità. Inoltre, ho sviluppato un VE per effettuare il planning e un modulo di familiarizzazione per la VR. Chirurghi esperti valuteranno le due modalità, identificando la tecnologia ottimale. Sebbene entrambe le tecniche migliorino la comprensione anatomica, ulteriori studi sono necessari per determinare l’approccio più efficace nei diversi contesti clinici. Questa tesi sottolinea il potenziale delle tecnologie immersive e dei modelli 3D paziente-specifici nel training chirurgico.

Preoperative planning is a procedure that allows surgeons to outline surgical steps to optimize outcomes and reduce risks. Traditional 2D imaging limits spatial understanding, driving the adoption of 3D visualization techniques, such as Virtual Reality (VR) and 3D-printed models (3DPM). However, comparative studies on their optimal use remain limited. This thesis evaluates these methods in two clinical contexts: pedicle screw insertion (PSI) in orthopedic surgery and renal cancer in uro-oncology. In collaboration with San Martino Hospital in Genoa, I segmented a spine model from patient-specific CT scans and developed an immersive virtual environment (VE) for PSI planning. The VE was compared to a traditional screen-based application to access whether visualization modality affects preoperative planning. Testing on 21 orthopedic surgery residents measured performance based on error rates and planning accuracy relative to expert planning. Results showed that the two groups performed similarly, but the VR group made fewer errors and showed lower variability. This suggest that immersive VR may offer advantages over screen-based visualization. The second study, in collaboration with MSK Cancer Center in New York, focused on kidney cancer surgery planning surgery planning to determine whether a VE or a 3DPM is the preferred modality. I segmented the kidney from CT scans to create a 3D model for both VR and 3DPM modalities. A VE was developed with different tools, along with a familiarization module to ease VR interaction. Expert surgeons will evaluate both methods to identify the preferred visualization approach. While all 3D visualization modalities enhance anatomical understanding, further investigation is needed to identify the most effective approach for specific clinical context. This study emphasized the potential of patient-specific 3D models and immersive technology in surgical education aiming to empower surgeons with innovative tools and enhancing patient care.