नॉनह्यूमन वानरों में न्यूरोसर्जिकल प्लानिंग के लिए एमआरआई-आधारित टूलबॉक्स
Summary
नीचे उल्लिखित विधि का उद्देश्य त्रि-आयामी (3 डी) मुद्रण विधियों और एमआरआई डेटा निष्कर्षण के उपन्यास संयोजन का उपयोग करके अमानवीय रहनुमा (एनएचपी) न्यूरोसर्जरी की तैयारी के लिए एक व्यापक प्रोटोकॉल प्रदान करना है।
Abstract
इस पेपर में, हम सर्जिकल तैयारी के लिए एक विधि की रूपरेखा तैयार करते हैं जो पूरी तरह से चुंबकीय अनुनय इमेजिंग (एमआरआई) से निकाले गए डेटा का उपयोग करके एनएचपीएस में विभिन्न प्रकार के न्यूरोसर्जरी की व्यावहारिक योजना की अनुमति देता है। यह प्रोटोकॉल मस्तिष्क और खोपड़ी के शारीरिक रूप से सटीक शारीरिक मॉडल मुद्रित 3 डी की पीढ़ी के लिए अनुमति देता है, साथ ही मस्तिष्क के कुछ यांत्रिक गुणों को मॉडलिंग करने वाले मस्तिष्क के एक अग्रसंगित जेल मॉडल के लिए अनुमति देता है। इन मॉडलों को मस्तिष्क के मॉडल के लिए मस्तिष्क निष्कर्षण सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एमआरआई से निकाला जा सकता है, और खोपड़ी के मॉडल के लिए कस्टम कोड। तैयारी प्रोटोकॉल जेल मस्तिष्क मॉडल के लिए इंटरफेसिंग दिमाग, खोपड़ी और मोल्ड बनाने के लिए अत्याधुनिक 3डी प्रिंटिंग तकनीक का लाभ उठाता है। खोपड़ी और मस्तिष्क मॉडल कस्टम कोड में एक क्रेनियोटॉमी के अलावा के साथ खोपड़ी के अंदर मस्तिष्क के ऊतकों की कल्पना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, सीधे मस्तिष्क को शामिल सर्जरी के लिए बेहतर तैयारी के लिए अनुमति देता है । इन तरीकों के अनुप्रयोगों न्यूरोलॉजिकल उत्तेजना और रिकॉर्डिंग के साथ ही इंजेक्शन में शामिल सर्जरी के लिए डिज़ाइन कर रहे हैं, लेकिन प्रणाली की बहुमुखी प्रतिभा प्रोटोकॉल, निष्कर्षण तकनीकों के भविष्य के विस्तार के लिए अनुमति देता है, और सर्जरी के एक व्यापक दायरे के लिए मॉडल ।
Introduction
पशुओं के मॉडलों से लेकर मानव परीक्षणों तक चिकित्सा अनुसंधान की प्रगति में रहनुमा अनुसंधान एक निर्णायक कदम रहा है1,2. यह विशेष रूप से तंत्रिका विज्ञान और तंत्रिका इंजीनियरिंग के अध्ययन में है क्योंकि कृंतक दिमाग और अमानवीय वानरों (एनएचपी) 1,2,3के बीच एक बड़ी शारीरिक और शारीरिक विसंगति है। केमोजेनेटिक्स जैसी उभरती आनुवंशिक प्रौद्योगिकियों के साथ, ऑप्टोजेनेटिक्स, और कैल्शियम इमेजिंग जिसमें न्यूरॉन्स के आनुवंशिक संशोधन की आवश्यकता होती है, एनएचपी में तंत्रिका कार्य का अध्ययन करने वाले तंत्रिका इंजीनियरिंग अनुसंधान ने मस्तिष्क के कार्य2, 4, 5, 6, 7,8,9,10, 11,12,13,14,15, 16को समझने के लिए एक प्रीक्लिनिक मॉडल के रूप में विशेष ध्यान दिया है। अधिकांश एनएचपी तंत्रिका विज्ञान प्रयोगों में, हेड पोस्ट, उत्तेजना और रिकॉर्डिंग कक्ष, इलेक्ट्रोड सरणी औरऑप्टिकल विंडोज4, 5, 6, 7, 10,11,13, 14,15,17,18जैसे विभिन्न उपकरणों के प्रत्यारोपण के लिए न्यूरोसर्जिकल उपायों की आवश्यकता होती है।
वर्तमान एनएचपी प्रयोगशालाएं विभिन्न प्रकार के तरीकों का उपयोग करते हैं जिनमें अक्सर एक सिर पोस्ट के पैरों को फिट करने के लिए जानवर को अलग करने और क्रैनिओटॉमी साइट के चारों ओर खोपड़ी की वक्रता का अनुमानित सहित अप्रभावी प्रथाएं शामिल होती हैं। अन्य प्रयोगशालाएं सर्जरी में खोपड़ी के लिए हेड पोस्ट को फिट करती हैं या प्रत्यारोपण के लिए आवश्यक माप प्राप्त करने के अधिक उन्नत तरीकों को नियोजित करती हैं जैसे कि एनएचपी मस्तिष्क एटलस और चुंबकीय अनुनाद (एमआर) स्कैन का विश्लेषण करने के लिए खोपड़ी वक्रता का अनुमान लगाने की कोशिश2,10,11,16। एनएचपीएस में न्यूरोसर्जरी में तरल इंजेक्शन भी शामिल होते हैं, और प्रयोगशालाओं में अक्सर मस्तिष्क2,4,5,13,14 के भीतर अनुमानित इंजेक्शन स्थान की कल्पना करने का कोई तरीका नहीं होता हैजोपूरी तरह से स्टीरियोटैक्सिक माप और एमआर स्कैन की तुलना पर निर्भर करता है। इन तरीकों में प्रत्यारोपण के सभी जटिल घटकों की शारीरिक अनुकूलता का परीक्षण करने में असमर्थ होने से अपरिहार्य अनिश्चितता की एक डिग्री है।
इसलिए एनएचपीएस में न्यूरोसर्जिकल प्लानिंग के लिए सटीक नॉनइनेसिव मेथड की जरूरत है। यहां, हम इन जानवरों में प्रत्यारोपण और इंजेक्शन सर्जरी की तैयारी के लिए एक प्रोटोकॉल और कार्यप्रणाली प्रस्तुत करते हैं। पूरी प्रक्रिया एमआरआई स्कैन से उपजी है, जहां मस्तिष्क और खोपड़ी डेटा से निकाले जाते हैं ताकि तीन आयामी (3 डी) मॉडल बनाए जा सकें जो तब 3 डी मुद्रित हो सकते हैं। खोपड़ी और मस्तिष्क मॉडल को क्रैनिओटॉमी सर्जरी के साथ-साथ सटीकता के बढ़े हुए स्तर के साथ सिर पदों के लिए तैयार करने के लिए जोड़ा जा सकता है। मस्तिष्क मॉडल का उपयोग मस्तिष्क के शारीरिक रूप से सटीक जेल मॉडल की कास्टिंग के लिए एक मोल्ड बनाने के लिए भी किया जा सकता है। अकेले जेल मस्तिष्क और एक निकाले गए खोपड़ी के संयोजन में इंजेक्शन सर्जरी की एक किस्म के लिए तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। नीचे हम न्यूरोसर्जिकल तैयारी के लिए एमआरआई आधारित टूलबॉक्स के लिए आवश्यक प्रत्येक चरण का वर्णन करेंगे।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह लेख एमआर स्कैन से निकाले गए खोपड़ी और मस्तिष्क शरीर रचना विज्ञान के भौतिक और सीएडी मॉडल का उपयोग करके एनएचपीएस में न्यूरोसर्जरी की तैयारी के लिए एक टूलबॉक्स का वर्णन करता है।
जबकि निकाले …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस परियोजना को पुरस्कार संख्या K12HD073945, वाशिंगटन राष्ट्रीय रहनुमा अनुसंधान केंद्र (WaNPCR, P51 OD010425), न्यूरोटेक्नोलॉजी के लिए केंद्र (सीएनटी, अनुदान EEC-1028725) और वाशिंगटन रॉयल्टी फंड के तहत एक राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन इंजीनियरिंग अनुसंधान केंद्र के तहत स्वास्थ्य के राष्ट्रीय संस्थानों के यूनिस कैनेडी शिवर राष्ट्रीय बाल स्वास्थ्य और मानव विकास संस्थान द्वारा समर्थित किया गया था । इस परियोजना के लिए मैकनिक और मार्टिनेज-कोंडे प्रयोगशालाओं के लिए वित्तपोषण एक मस्तिष्क पहल एनएसएफ-एनसीएस पुरस्कार 1734887 से आया, साथ ही एनएसएफ पुरस्कार 1523614 और 1829474, और प्रत्येक प्रोफेसर को SUNY एम्पायर इनोवेटर छात्रवृत्ति। हम करम खतीब को आगदार तैयारी के साथ उनकी मदद के लिए धन्यवाद देते हैं, और तकनीकी मदद के लिए टोनी जे ह्यून ।
Materials
| 3D Printing Software (GrabCAD Print) | Stratasys | Version 1.36 | Used for High quality 3D printing |
| 3D Printing Software (Simplify 3D) | Simplify3D | Version 4.1 | Used for PLA 3D printing |
| Agarose | Benchmark Scientific | A1700 | Used for making gel brains |
| Black Nail Polish | L.A. Colors | CNP637 | Used for gel molding |
| Cannula (ID 320 um, OD 432 um) | Polymicro Technologies | 1068150627 | Used to inject dye into gel brain |
| Cannula (ID 450 um, OD 666 um) | Polymicro Technologies | 1068150625 | Used to inject dye into gel brain |
| Catheter Connector | B Braun | PCC2000 | Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50 |
| Dremel 3D Digilab 3D45 printer | Dremel | F0133D45AA | Used for prototyping in PLA |
| ECOWORKS | Stratasys | 300-00104 | Used to dissolve QSR support structures |
| Erlymeyer flask | Pyrex | 4980 | Used for gel molding |
| Ethyl cyanoacrylate | The Original Super Glue Corp. | 15187 | Used to make combined cannula |
| Graduated cylinder | 3023 | Used for gel molding | |
| HATCHBOX PLA 3D Printer Filament | HATCHBOX | 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK | 1kg Spool, 1.75mm, Red/Black |
| Locust Bean Gum | Modernist Pantry | 1018 | Gumming agent for gel brain mixtures |
| MATLAB | MathWorks | R2019b | Used for skull extraction |
| McCormick Yellow Food Color | McCormick | Used for dye injection | |
| Microwave | Panasonic | NN-SD975S | Used for agarose curing |
| MR Imaging Software (3D Slicer) | 3D Slicer | Version 4.10.2 | Used for 3D model generation |
| MR Imaging Software (Mango with BET plugin) | Reasearch Imaging Institute | Version 4.1 | Used for brain extraction |
| Philips Acheiva MRI System | Philips | 4522 991 19391 | Used to image non-human primates |
| Phosphate Buffered Solution | Gibco | 70011-044 | 10X diluted with DI water to 1X |
| Pump | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Pump driver | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Refrigerator | General Electric | Used to preserve agarose gel | |
| Scientific Spatula | VWR | 82027-494 | Used to extract gel molds |
| SolidWorks | Dassault Systemes | 2019 | |
| Stratasys ABS-M30 filament | Stratasys | 333-60304 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys F170 3D printer | Stratasys | 123-10000 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys QSR support | Stratasys | 333-63500 | Used to create supports with ABS model |
| Syringe | SGE | SGE250TLL | Used for dye injection |
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