Metoden som er skissert nedenfor tar sikte på å gi en omfattende protokoll for utarbeidelse av ikke-menneskelig primat (NHP) nevrokirurgi ved hjelp av en ny kombinasjon av tredimensjonale (3D) utskriftsmetoder og MR-datautvinning.
I dette papiret skisserer vi en metode for kirurgisk forberedelse som muliggjør praktisk planlegging av en rekke nevrokirurgier i NHPs utelukkende ved hjelp av data hentet fra magnetisk resonansavbildning (MR). Denne protokollen gjør det mulig for generering av 3D-trykte anatomisk nøyaktige fysiske modeller av hjernen og skallen, samt en agarose gelmodell av hjernen som modellerer noen av hjernens mekaniske egenskaper. Disse modellene kan ekstraheres fra MR ved hjelp av hjerneutvinningsprogramvare for hjernens modell, og tilpasset kode for modellen av skallen. Forberedelsesprotokollen drar nytte av toppmoderne 3D-utskriftsteknologi for å lage grensesnitthjerne, hodeskaller og former for gelhjernemodeller. Skallen og hjernemodellene kan brukes til å visualisere hjernevev inne i skallen med tilsetning av kraniotomi i den egendefinerte koden, noe som gir bedre forberedelse til operasjoner som direkte involverer hjernen. Anvendelsene av disse metodene er utformet for operasjoner involvert i nevrologisk stimulering og opptak samt injeksjon, men allsidigheten til systemet gjør det mulig for fremtidig utvidelse av protokollen, utvinningsteknikker og modeller til et bredere spekter av operasjoner.
Primatforskning har vært et avgjørende skritt i utviklingen av medisinsk forskning fra dyremodeller til menneskelige studier1,2. Dette er spesielt så i studiet av nevrovitenskap og neural engineering som det er en stor fysiologisk og anatomisk avvik mellom gnager hjerner og de av ikke-menneskelige primater (NHP)1,2,3. Med nye genetiske teknologier som kjemogenetikk, optogenetikk og kalsiumavbildning som krever genetisk modifisering av nevroner, har neural engineering forskning som studerer nevrale funksjon i NHP fått spesiell oppmerksomhet som en preklinisk modell for å forståhjernefunksjon 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. I de fleste NHP nevrovitenskap eksperimenter, nevrokirurgiske tiltak er nødvendig for implantasjon av ulike enheter som hodestolper, stimulering og opptak kamre, elektrode arrays og optiskevinduer 4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Nåværende NHP laboratorier bruker en rekke metoder som ofte inkluderer ineffektiv praksis, inkludert å sedating dyret for å passe bena på en hodepost og omtrentlig krumningen av skallen rundt kraniotomi området. Andre laboratorier passer hodeposten til skallen i kirurgi eller bruker mer avanserte metoder for å få de nødvendige målingene for implantasjon som å analysere et NHP hjerneatlas og magnetisk resonans (MR) skanner for å prøve å estimere skallekurver2,10,11,16. Nevrokirurgi i NhPs involverer også væskeinjeksjoner, og laboratorier har ofte ingen måte å visualisere den forventede injeksjonsstedet i hjernen2,4,5,13,14 stole utelukkende på stereotoksiske målinger og sammenligning med MR-skanninger. Disse metodene har en grad av uunngåelig usikkerhet fra å ikke kunne teste den fysiske kompatibiliteten til alle de komplekse komponentene i implantatet.
Derfor er det behov for en nøyaktig ikke-invasiv metode for nevrokirurgisk planlegging i NHPs. Her presenterer vi en protokoll og metodikk for fremstilling av implantasjons- og injeksjonsoperasjoner hos disse dyrene. Hele prosessen stammer fra MR-skanninger, hvor hjernen og skallen ekstraheres fra dataene for å lage tredimensjonale (3D) modeller som deretter kan skrives ut 3D. Skallen og hjernemodellene kan kombineres for å forberede seg på kraniotomioperasjoner samt hodestolper med økt nøyaktighetsnivå. Hjernemodellen kan også brukes til å lage en mugg for støping av en anatomisk nøyaktig gelmodell av hjernen. Gel hjernen alene og i kombinasjon med en ekstrahert skallen kan brukes til å forberede seg på en rekke injeksjon operasjoner. Nedenfor vil vi beskrive hvert av trinnene som kreves for MR-basert verktøykasse for nevrokirurgisk forberedelse.
Denne artikkelen beskriver en verktøykasse for forberedelse for nevrokirurgi i NhPs ved hjelp av fysiske og CAD modeller av skallen og hjernen anatomi hentet fra MR-skanninger.
Mens de ekstraherte og 3D-trykte skallen og hjernemodellene ble designet spesielt for fremstilling av kraniotomioperasjoner og hodepostimplantasjoner, gir metodikken seg til flere andre applikasjoner. Som beskrevet før, gjør den fysiske modellen av skallen for pre-bøying av hodeposten før operasjonen, noe som skape…
The authors have nothing to disclose.
Dette prosjektet ble støttet av Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development av National Institutes of Health under Award Number K12HD073945, Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), Center for Neurotechnology (CNT, et National Science Foundation Engineering Research Center under Grant EEC-1028725) og University of Washington Royalty Research Funds. Finansiering til Macknik og Martinez-Conde laboratorier for dette prosjektet kom fra en BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, samt NSF Awards 1523614 & 1829474, og SUNY Empire Innovator Stipender til hver professor. Vi takker Karam Khateeb for hans hjelp med agarose forberedelse, og Toni J Huan for teknisk hjelp.
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 |