DYNAMIC DIGITAL TWINS FOR EXTENDED REALITY NAVIGATION IN PERIODICALLY MOVING ANATOMICAL ENVIRONMENTS

La Extended Reality (XR) è sempre più adottata in ambito medico per la formazione chirurgica, la navigazione guidata da immagini e la simulazione, consentendo una visualizzazione spazialmente contestualizzata delle strutture anatomiche e degli strumenti all’interno dell’ambiente fisico. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi di navigazione XR presuppone condizioni anatomiche statiche, mentre molte procedure minimamente invasive si svolgono in organi soggetti a movimenti fisiologici periodici, come la respirazione o l’attività cardiaca. Questa discrepanza solleva una questione fondamentale: con quale accuratezza un digital twin basato su XR è in grado di mantenere la corrispondenza spaziale con un sistema anatomico soggetto a movimento periodico? Il presente lavoro indaga la fattibilità di digital twin dinamici per la navigazione guidata in XR in ambienti anatomici soggetti a movimento periodico. Viene presentato un framework che sincronizza un modello fisico delle vie aeree (airway phantom), sottoposto a movimento rigido controllato, con la sua controparte virtuale resa in XR. Il sistema integra il tracciamento elettromagnetico degli strumenti, la registrazione fisico-virtuale e la visualizzazione XR in tempo reale, al fine di mantenere l’allineamento spaziale tra l’ambiente fisico e il suo digital twin durante il movimento. Il framework viene valutato in uno scenario di navigazione broncoscopica, utilizzato come caso rappresentativo dello spostamento anatomico indotto dalla respirazione. L’accuratezza della registrazione, la coerenza dello spazio operativo e la fedeltà del movimento sono quantificate mediante gli indici Fiducial Registration Error (FRE), Target Registration Error (TRE) e Dynamic Tracking Error (DTE). Inoltre, le prestazioni di navigazione sono analizzate attraverso esperimenti controllati che confrontano condizioni statiche e dinamiche. I risultati sperimentali dimostrano un allineamento stabile tra ambiente fisico e virtuale, con un’accuratezza dell’ordine dei millimetri (FRE ≈ 1,35 mm; TRE ≈ 0,53 mm) e una sincronizzazione del movimento coerente entro 1,5 mm durante lo spostamento periodico. Gli esperimenti di navigazione evidenziano che l’introduzione del movimento comporta un aumento del tempo di completamento per traiettorie più complesse, senza tuttavia compromettere l’accuratezza del targeting. Tali risultati dimostrano che i digital twin basati su XR sono in grado di mantenere una corrispondenza spaziale coerente con sistemi fisici soggetti a movimento periodico. Oltre al caso d’uso della broncoscopia, il framework proposto costituisce una base per lo studio della navigazione XR in ambienti anatomici dinamici e per lo sviluppo di futuri sistemi di formazione, simulazione e guida, nei quali il movimento fisiologico riveste un ruolo centrale.