Creation of a Virtual Atlas of Neuroanatomy and Neurosurgical Techniques Using 3D Scanning Techniques

La neuroanatomia è, grazie alle intricate connessioni che caratterizzano il sistema nervoso e alla sua affascinante complessità, una delle discipline più stimolanti della anatomia umana. Nonostante il gold standard per l’apprendimento dell’anatomia neurochirurgica sia ancora rappresentato dalle dissezioni cadaveriche, l’accessibilità a queste ultime rimane limitata, a causa della loro dispendiosità in termini di tempo e costi (necessità di un laboratorio, acquisizione di cadaveri e fissazione), e alle restrizioni socioculturali per la donazione di cadaveri. Al fine di far fronte a questi impedimenti, e con lo scopo di garantire su larga scala l’apprendimento tridimensionale della neuroanatomia, nel corso degli anni sono stati sviluppati nuovi strumenti e tecnologie. Le tradizionali rappresentazioni anatomiche bidimensionali sono state gradualmente sostituite dalle modalità 3-dimensionali (3D) – foto e video. Tra questi ultimi, i modelli volumetrici (VM) rappresentano la nuova frontiera per l'istruzione e la formazione neurochirurgica. Diversi metodi per creare questi VM sono stati descritti, tra cui la fotogrammetria (PGM) e la scansione a luce strutturata (SLS). Questo studio descrive l’utilizzo delle diverse tecniche di scansione 3D grazie alle quali è stato creato un atlante virtuale di anatomia neurochirurgica. Le dissezioni su teste e cervelli post-mortem sono state eseguite presso i laboratori di base cranica di Stanford University -NeuroTraIn Center e dell'Università della California, San Francisco - SBCVL. I VM dalle dissezioni sono stati creati seguendo i metodi di SLS e/o PGM. Modelli di fibra bianca sono stati generate utilizzando DICOM con il software DSI-studio e incorporati ai VM di dissezioni anatomiche. Inoltre, sono stati utilizzati VM tratti da common creative license material (materiale con licenze creative comuni) al fine di semplificare la comprensione di alcune regioni anatomiche. I VM generati con entrambi i metodi sono risultati adeguati, sia in termini di chiarezza che di integrità strutturale, per l’educazione anatomica, l’illustrazione medica e la simulazione chirurgica. Nel nostro lavoro sono stati esaustivamente descritti tutti gli step necessari, di entrambe le tecniche (SLS e PGM), per la creazione di VM, compresi le apparecchiature e i software utilizzati. Sono state inoltre descritte le tecniche di post-elaborazione e perfezionamento dei VM da poter utilizzare in base alle necessità richieste. I VM generati durante la realizzazione del nostro lavoro sono stati utilizzati per molteplici pubblicazioni, nella descrizione step-by-step di uno specifico approccio neurochirurgico o per migliorare la comprensione di una regione anatomica e della sua funzione. Questi modelli sono stati utilizzati a scopo didattico per la formazione neuroanatomica di studenti di medicina, specializzandi e giovani neurochirurghi. I VM offrono un modo nuovo, coinvolgente e innovativo con cui poter raggiungere un’accurata conoscenza tridimensionale della neuroanatomia. La metodologia delle due tecniche descritte può servire come punto di riferimento per un nuovo modo di acquisizione e rappresentazione della neuroanatomia, ed offrire nuove opportunità di utilizzo dei VM nella formazione didattica, nella simulazione e nella pianificazione chirurgica. L'atlante virtuale qui descritto, suddiviso in aree specifiche relative a diversi approcci neurochirurgici, aumenterà la comprensione dell'anatomia neurochirurgica da parte dello spettatore. Questa è la prima raccolta chirurgica di VM da dissezioni anatomiche disponibile in ambito medico e potrebbe essere utilizzato come riferimento per la futura creazione di analoga raccolta nelle diverse sotto specialità mediche.

Neuroanatomy is one of the most challenging and fascinating topics within the human anatomy, due to the complexity and interconnection of the entire nervous system. The gold standard for learning neurosurgical anatomy is cadaveric dissections. Nevertheless, it has a high cost (needs of a laboratory, acquisition of cadavers, and fixation), is time-consuming, and is limited by sociocultural restrictions. Due to these disadvantages, other tools have been investigated to improve neuroanatomy learning. Three-dimensional modalities have gradually begun to supplement traditional 2-dimensional representations of dissections and illustrations. Volumetric models (VM) are the new frontier for neurosurgical education and training. Different workflows have been described to create these VMs -photogrammetry (PGM) and structured light scanning (SLS). In this study, we aimed to describe and use the currently available 3D scanning techniques to create a virtual atlas of neurosurgical anatomy. Dissections on post-mortem human heads and brains were performed at the skull base laboratories of Stanford University - NeuroTraIn Center and the University of California, San Francisco - SBCVL (skull base and cerebrovascular laboratory). Then VMs were created following either SLS or PGM workflow. Fiber tract reconstructions were also generated from DICOM using DSI-studio and incorporated into VMs from dissections. Moreover, common creative license materials models were used to simplify the understanding of the specific anatomical region. Both methods yielded VMs with suitable clarity and structural integrity for anatomical education, surgical illustration, and procedural simulation. We described the roadmap of SLS and PGM for creating volumetric models, including the required equipment and software. We have also provided step-by-step procedures on how users can post-processing and refine these images according to their specifications. The VMs generated were used for several publications, to describe the step-by-step of a specific neurosurgical approach and to enhance the understanding of an anatomical region and its function. These models were used in neuroanatomical education and research (workshops and publications). VMs offer a new, immersive, and innovative way to accurately visualize neuroanatomy. Given the straightforward workflow, the presently described techniques may serve as a reference point for an entirely new way of capturing and depicting neuroanatomy and offer new opportunities for the application of VMs in education, simulation, and surgical planning. The virtual atlas, divided into specific areas concerning different neurosurgical approaches (such as skull base, cortex and fiber tracts, and spine operative anatomy), will increase the viewer's understanding of neurosurgical anatomy. The described atlas is the first surgical collection of VMs from cadaveric dissections available in the medical field and could be a used as reference for future creation of analogous collection in the different medical subspeciality.