Bioengineering

非人灵长类动物的神经植入物设计工具箱

Published: February 9, 2024 doi: 10.3791/66167

Rachel Iritani¹, Tiphaine Belloir¹, Devon J. Griggs², Zachary Ip¹, Zada Anderson³, Azadeh Yazdan-Shahmorad^1,2

¹Department of Bioengineering, Washington National Primate Research Center, University of Washington, ²Department of Electrical and Computer Engineering, Washington National Primate Research Center, University of Washington, ³Department of Biomedical Engineering, Purdue University

Summary

本文概述了基于磁共振成像（MRI）扫描的非人灵长类动物神经外科计划的自动化流程。这些技术在编程和设计平台中使用程序步骤来支持非人灵长类的定制植入物设计。然后可以使用三维（3D）打印的真人大小的解剖模型来确认每个组件的有效性。

Abstract

本文介绍了一种为非人灵长类动物（NHP）神经外科计划量身定制的磁共振成像（MRI） 3D 大脑和颅骨建模的内部方法。这种基于计算软件的自动化技术提供了一种从 MRI 文件中提取大脑和颅骨特征的有效方法，而不是使用成像软件的传统手动提取技术。此外，该手术提供了一种将大脑和开颅颅骨可视化的方法，以实现直观的虚拟手术计划。与过去的工作相比，这大大减少了时间和资源，而过去的工作依赖于迭代3D打印。颅骨建模过程会创建一个足迹，该足迹被导出到建模软件中，以设计用于手术植入的定制颅室和头柱。定制的外科植入物可最大限度地减少植入物和颅骨之间的间隙，这些间隙可能会引起并发症，包括感染或稳定性下降。通过实施这些术前步骤，可以减少手术和实验并发症。这些技术可以适用于其他手术过程，为研究人员和潜在的神经外科医生提供更有效的实验计划。

Introduction

非人灵长类动物（NHP）是转化医学研究的宝贵模型，因为它们在进化和行为上与人类相似。非人灵长类在神经工程临床前研究中变得尤为重要，因为它们的大脑是神经功能和功能障碍的高度相关模型¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸.一些强大的脑刺激和记录技术，如光遗传学、钙成像等，最好通过颅窗直接进入大脑⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³.在非人灵长类中，颅窗通常通过腔室和人工硬脑膜来实现，以保护大脑并支持长期实验⁸^,¹⁰^,¹²^,¹⁷^,¹⁸^,²⁴^,²⁵^,²⁶^,²⁷.同样，在实验过程中，头柱通常伴随着腔室以稳定和对齐头部¹⁴^,¹⁵^,²⁵^,²⁶^,²⁸^,²⁹^,³⁰.这些成分的有效性很大程度上取决于它们与颅骨的配合程度。更贴合颅骨可降低感染、骨坏死和植入物不稳定的可能性，从而促进骨整合和颅骨健康³¹.传统的设计方法，例如在手术过程中手动弯曲头柱²⁵^,²⁹ 通过将圆拟合到磁共振（MR）扫描的冠状和矢状切片来估计颅骨曲率⁹^,¹² 由于不精确，可能会引入并发症。即使是最精确的，也会在植入物和颅骨之间产生 1-2 毫米的间隙，为肉芽组织积累提供空间²⁹.这些间隙还增加了在手术中放置螺钉的困难⁹，影响植入物的稳定性。最近开发了定制的植入物，以改善骨整合和植入物寿命⁹^,²⁹^,³⁰^,³².由于对计算模型的依赖，定制植入物设计的进步也带来了额外的成本。最准确的方法需要复杂的设备，例如计算机断层扫描（CT）机器以及 MR 成像（MRI）机器³⁰^,³²^,³³ 甚至还有用于开发植入物原型的计算机数控（CNC）铣床²⁵^,²⁹^,³²^,³⁴.对于需要定制植入物（如颅室和头柱）的实验室来说，同时获得 MRI 和 CT，特别是用于非人灵长类，可能并不可行。

因此，社区需要廉价、准确和非侵入性的神经外科和实验计划技术，以促进植入物的使用前设计和验证。本文描述了一种从 MR 数据生成虚拟 3D 大脑和颅骨表示的方法，用于开颅手术位置规划和设计适合颅骨的定制颅室和头柱。这种简化的程序提供了一个标准化的设计，可以有益于实验结果和研究动物的福利。此建模只需要 MRI，因为 MRI 中描绘了骨骼和软组织。与使用CNC铣床不同，即使需要多次迭代，也可以以低廉的价格进行3D打印模型。这也允许最终设计在生物相容性金属（如钛）中进行3D打印，以便植入。此外，我们还描述了人工硬脑膜的制造，该硬脑膜在植入时放置在颅腔内。这些组件可以通过将所有部件安装到真人大小的头骨和大脑3D打印模型上来进行手术前验证。

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Protocol

所有涉及动物的程序均由华盛顿大学动物护理和使用委员会批准。本研究共使用了四只成年雄性恒河猴（Macaca mulatta）。采集MRI时，猴H7岁，猴L6岁，猴C8.5岁，猴B5.5岁。猴子 H 和 L 在 9 岁时被植入了定制的慢性腔室。

1.颅骨和脑分离（图1）

使用 3T MRI 机器获取颅骨和大脑的 T1 快速磁化制备梯度回波（MPRAGE）文件。MRI 采集³⁵ 使用以下参数：翻转角度 = 8°，重复时间/回波时间 = 7.5/3.69 s，基质尺寸 = 432 x 432 x 80，采集持续时间 = 103.7 s，多线圈，切片厚度 = 1 mm，平均数 = 1。
下载标有 supplemental_code（补充编码文件 1）的文件夹。此文件夹应包含以下文件： brain_extract.m、brain_extraction.m、^{make_stl_of_array.m 36} 和^{stl_write.m 37}。
将 MRI 文件添加到 supplemental_code 文件夹。在计算软件中，选择 supplemental_code 文件夹作为文件路径并运行 brain_extract.m。
以下步骤概述了使用MATLAB进行颅骨和脑分离的半自动方法（图1），该方法已从先前的提取技术³⁵中汇总而来。命令窗口将提示输入大脑和颅骨分离以及开颅手术可视化所需的参数。在命令窗口中输入每个响应后，单击 Enter。
1. 命令窗口将首先提示输入 MPRAGE 文件的名称。输入文件名（例如，MRIFile.dcm）并确认MRI已正确显示（图1A）。
2. 要隔离颅骨（图 1B - D），请按照命令窗口中概述的详细步骤进行操作。确定一个合适的阈值，在不消除颅骨物质的情况下将颅骨与周围组织分开（补充图1A）。按 （y） 确认阈值。
3. 类似的技术用于隔离大脑（图1E-G）。当命令窗口中出现提示时，输入大脑的阈值。评估弹出的数字，并在必要时调整阈值。确保大脑与颅骨和周围组织隔离，并且在此过程中没有脑组织被移除。按 （y） 确认阈值。
4. 继续进入感兴趣的部分。

2.开颅手术位置规划（图2）

取出大脑和颅骨后，输入开颅手术的坐标。如果坐标尚不清楚，则表示 （n） 表示否，将显示一个图形（补充图 1B）。通过选择 z 框架（冠状平面）并在所选 z 框架上为开颅中心选择一个点来确定开颅坐标。
1. 如果坐标已知，请用相应的 x （矢向）、 y （轴向）和 z （日冕）值表示它们。
输入以毫米为单位的开颅半径（例如 10 毫米），然后选择无外半径。
指定颅骨和脑图像是否需要比例尺。比例尺有助于确认模型的尺寸是否正确。
如果需要，将大脑和头骨文件保存为 STL 以进行 3D 打印（图 1D、G）。
接下来，将显示一个带有大脑和开颅头骨的人物。这可用于验证对目标大脑区域的访问。大脑用蓝色表示，头骨用浅灰色表示（图2B，E）。
选择（n）以完成 SLT 大小减小，这是将用于未来步骤的功能（见下文）。
每次开颅手术迭代重复第 1 节和第 2 节。

3. 颅腔设计（图3）

在开始腔室设计之前，使用开颅手术位置规划程序确认开颅手术的位置和开颅手术半径。
颅骨和脑分离完成后，下一步将是输入开颅手术中心的最终坐标。输入 x （矢状）、 y （轴向）和 z （日冕）值。
接下来，命令窗口将提示输入内半径和外半径，这决定了用于腔室设计的头骨区域。选择小于实际开颅半径的内半径（例如，开颅半径为 10.0 毫米的内半径为 5 毫米）和大于腔室裙板计划半径的第二个外半径（例如，半径为 22 毫米的腔室裙边为 26 毫米）。这将提供一个环形的头骨结构，作为建造房间的基础。
注意：为了设计开颅半径为 10 毫米的腔室，选择了 5 毫米的内半径。这提供了颅骨切开边缘的准确表示，同时保持足够小的圆圈，以便在将颅骨表示导出到设计软件时可以轻松识别开颅中心。为半径为 22 mm 的腔室提取 26 mm 的外半径，以确保有额外的颅骨区域可用。腔室的尺寸是在实验需要确定的约束条件下开发的。此步骤中使用的半径将由开颅手术的大小和腔室裙的大小决定，这取决于螺钉尺寸和颅骨上的可用空间。
指示颅骨和脑图像是否需要比例尺。
如果需要，保存大脑和头骨文件。
将弹出一个图形，其中包含所选的大脑（蓝色）和头骨区域（灰色）（图3A）。然后，需要在选定的头骨区域应用 STL 大小减小，以便更轻松地在计算机辅助设计（CAD）软件中处理文件。
选择（y）开始减小 STL 大小。尺寸减小将创建一个文件大小减小的 STL 文件，该文件可以很容易地导入 CAD 软件以进行自定义硬件设计。
使用具有叠加的大脑和头骨的图形（图3A），使用鼠标在头骨表面上选择用于文件缩减的点。按住 shift 键可放置多个点。
1. 放置点以覆盖感兴趣区域，在本例中为所选头骨区域。将这些点尽可能靠近放置，以确保更精确和准确地表示头骨（补充图 2）。一些用户可能更喜欢选择 ~20 个临界点，并在为最终产品选择所有兴趣点之前完成腔室设计的其余部分作为练习。
2. 选择点时，最好在所选区域中放置尽可能多的点。一般来说，~200 点代表颅骨曲率。在所选区域的边缘放置更多点，以强调大脑和颅骨之间的边界。
  注意：在完成整个区域的点放置之前，请避免单击回车按钮，因为这会导致代码过早地进行，并且必须重复点选择过程。
在选定的头骨上完成点放置后 按回车键 。在命令窗口中键入缩减的文件名。
将文件导入 CAD 软件以进行自定义腔室设计。首先打开CAD软件。
单击 “文件 ”> “打开 ”，然后从目录中选择 STL 缩减的文件名。
1. 在单击 “打开”（Open）之前，单击 “选项 ”（Options）按钮，然后在 “导入为”（Import as ）菜单中单击 “曲面主体”（Surface Body）。单击 “确定 ”，然后单击 “打开”。
导入 STL 后，检查表面上是否有小孔，用蓝线表示。如果颅骨区域有腔室将覆盖的孔（补充图 3），请完成步骤 6.3.19.1 中的固定孔程序（第 3 节）。
在CAD软件中查看腔室的头骨表面，如 图3B所示。确保所选区域的边缘在颅骨表示中可见。
求导入曲面中心的内圆轮廓，定位开颅手术的中心。通过单击 “插入 ”（Insert）>“参照几何”（ Reference Geometry > Plane）创建与内圆对齐的平面。使用沿内圆圆周均匀分布的三个点作为平面的参考点。
通过单击“ 草图 ”选项卡中的圆圈图标，创建与内圈相对应的圆圈。选择上一步中的平面作为参考平面，并沿边识别点，直到圆预览提供内圆轮廓的准确表示。可能需要测试几种不同的点组合，以找到最适合内圈的点。
以圆为参照，单击“插入”>“参照几何>点”，然后在圆的中间创建一个点，然后使用“弧心”选项。该点代表开颅手术的中心。
作为将来拉伸的参考平面，使第二个平面平行于初始平面并偏移 10 mm。选择偏移方向时，请确保箭头从对象向上指向。
创建腔室内圈（图3C）
1. 通过单击“ 插入”（Insert） >“参照几何”（Reference Geometry > Axis），突出显示 “点”（Point）和“面/平面”（Face/Plane ）选项，并使用开颅手术的上平面和中心点作为参照，创建垂直延伸穿过开颅平面和上平面的轴。在此轴和上平面的交点处再做一个点。
2. 选取“ 拉伸凸台/底座”（Extrude Boss/Base ）和上平面作为要从中拉伸的曲面。通过创建两个同心圆，将上平面上的点作为中心点（例如，11.35 mm 和 12.25 mm 半径）来绘制内圈横截面的草图。在方向菜单中选取 “最多到曲面”（Up to Surface ），并将输入的曲面指定为要拉伸到的曲面。
3. 通过选择“插入曲面”（Insert > Surface）>“移动/复制”（Move/Copy）来复制导入的曲面，并将复制的曲面提升到内圈和裙边的高度（例如，3.5 mm）。使用“移动/复制”（Move/Copy）菜单中的“平移”（Pinlate）选项，沿垂直于两个平面的轴平移曲面。
4. 执行从上平面到复制曲面的圆形拉伸切割。首先单击 “拉伸切口”（Extruded Cut ），然后选择内圈的顶面作为拉伸切口的起点。通过选择复制的曲面作为端点来完成拉伸。
5. 使用“插入>特征”（Insert Features）>“删除/保留主体”（Delete/Keep Body）工具删除原始导入曲面。使用“视图”（View）选项卡中的“隐藏/显示”（Hide/Show）工具，可以隐藏复制的曲面以查看内圈并验证其设计。
创建腔室裙边（图 3D）
1. 使第二个复制的曲面偏移量低于现有曲面的腔室裙边厚度（例如，-1.5 mm）。在 “平移”（Pinlate ）菜单中，选择垂直于平面的轴作为参考点和偏移值，以在初始曲面下方创建新曲面。
  注意：根据偏移方向的默认方向，可能必须将偏移值设置为负值才能朝着正确的方向前进。
  1. 如果腔室将覆盖的区域有孔，请按照第 6 节（固定孔）中概述的步骤操作，然后再继续执行腔室设计程序的其余部分。
2. 以腔室的形状从上平面到下表面进行挤压。首先选择“ 拉伸凸台/底座”（Extrude Boss/Base ），然后选取上平面作为拉伸平面。
  1. 按照步骤 6.2 处理固定孔程序中的现有挤压件。
3. 在此平面上绘制腔室裙边的形状。使腔室的内圆成为与内圈的较小半径相同大小的圆（例如，11.35 mm），将其围绕上平面上的点居中，并使用弧和线的组合使腔室裙边的外边界最大化裙边面积。挤压到两个曲面的下部。
  注意：如果拉伸出现错误，则草图可能比曲面宽。在这种情况下，请减小外裙边边界的大小。
4. 从上平面拉伸切割到两个复制曲面的上部，形成腔室轮廓的形状。
  1. 有关固定孔程序中剩余的挤压件的更多信息，请参阅步骤 6.2。
5. 要显示腔室裙边和内环，请删除输入曲面的两个剩余副本。生成的对象应与 图 3D 中的对象类似。
6. 在进行 STL 减少和导入的过程中，头骨的模型是镜像的。为了弥补这一点，需要对生成的裙子进行镜像。在 “特征 ”（Features）菜单中，单击 “镜像 ”（Mirror）并将裙边镜像到上平面。使用 删除/保留身体 功能删除原始裙子。
结合腔室顶部和裙边（图 3E)
1. 在用于设计腔室裙边的软件中打开腔室顶部 STL 文件。然后，通过单击“插入零件”（ Insert > Part），在菜单中选择自定义裙边，然后单击屏幕上的任意位置以导入零件，将腔室裙边作为零件插入。
2. 要对齐腔室顶部和裙边，请单击“ 插入”>“特征”（Insert Features） >“移动/复制”（Move/Copy）。选择腔室裙边，然后单击菜单底部的约束按钮。突出显示裙边的内环和腔室顶部的内表面作为同心配合（补充图4A）。
  1. 确认裙边的顶部与腔室顶部的底部对齐，并根据需要切换对齐方向。
3. 使用 “移动/复制”（Move/Copy ）将裙边向下平移到腔室顶部的正下方。这将需要多次迭代才能找到正确的距离，以便腔室顶部不会延伸到腔室裙板下方并阻碍裙板（补充图 4B 和 补充图 5）。
4. 旋转腔室顶部以对齐标签之间的间隙，使一个标签垂直，一个平行于大脑的中线。使用 “旋转 ”工具和对象中心的现有轴作为旋转轴。调整旋转度，直到腔室顶部和裙边相对于彼此处于正确的方向。
5. 通过从腔室顶部的底部直接向下向裙边挤压，将物体连接在一起。使用“ 拉伸凸台/底座”（Extrude Boss/Base），选取腔室顶部的底面，然后使用中心轴作为中心点，在此曲面上创建与该环具有相同内半径和外半径的草图。选择“ Up To Body”（Up To Body ）作为挤出方向，并指示腔室裙边。
6. 从固定卡舌的腔室顶部表面执行 挤压切割 。选取该曲面作为拉伸平面后，草绘一个内半径与内环相同的圆。 退出草图 并执行超过腔室裙底（例如，10 mm）的盲拉伸切割。
7. 在腔室裙边周围添加十二个均匀分布的螺丝孔。放置螺丝孔，使它们间距均匀，但又足够远，以便在手术过程中可以接触到它们，但又足够近，以避免不必要的大腔室占地面积。
8. 使用 “孔向导 ”工具进行螺丝孔放置。在 “孔规范 - 类型”（Hole Specification - Type ）菜单中选择参数。参数应与手术植入期间使用的螺钉对齐（例如，标准：ANSI 公制，类型：平头螺钉 - ANSI B18.6.7M，尺寸：M2，配合：松动，最小直径：3.20 mm，最大直径：4.00 mm，埋头孔角度：90 度，最终条件：全部贯通）。
9. 单击 “位置 ”选项卡开始放置孔。要放置一个孔，请将鼠标悬停在腔室上的平面上，然后单击鼠标右键。放置所有 12 个螺丝孔，确保它们均匀放置且易于取用。
10. 如果放置螺丝孔后障碍物仍然存在（补充图 6A），请选择不同的平面来放置孔，或使用以下步骤对孔进行向上挤压切割。
  1. 通过创建一个平行于剩余平面但向下偏移 0.00001 mm 的平面来开始向上拉伸切割，以便平面直接位于障碍物下方。
  2. 使用在上一步中创建的平面作为参照执行拉伸切割。使用圆弧和直线的组合，勾勒出需要删除的区域的形状。确保草图包含位于螺钉孔外半径内的平面的任何部分（补充图 6B）。向上挤出切割 1 毫米。
11. 放置螺丝孔后，修剪裙边以减少锋利的边缘并尽量减少不必要的裙边区域。从腔室的顶面向下经过腔室裙边（例如，30 mm）进行 挤压切割 。将挤出件的形状使其平滑任何粗糙的边缘并修剪外裙区域。
  1. 可能需要额外的定制剪裁来去除所有锋利的边缘和多余的裙子。如果不能使用腔室的顶面作为参考平面切割裙边区域，请创建一个倾斜平面，并使用该平面创建额外的拉伸切割。
12. 有关最终的腔室设计表示，请参见 图 3F 。如果需要，这种设计可以3D打印并放置在模型大脑和开颅头骨上（图3G）。

4. 头柱设计（图4）

请注意，头柱设计需要最终确定的开颅手术中心位置和腔室的最大裙边面积。
在命令窗口中输入已知的开颅坐标（x、y 和 z 值）。
对于头柱设计，只需要一个半径来表示头骨上围绕腔室的可用区域。在此步骤中，输入上一节中设计的腔室的最大半径（例如，25 mm）。接下来，指示不需要外半径。
使用命令窗口指示是否需要比例尺来确认尺寸。
与前面的部分类似，如果需要 3D 打印，请保存大脑和头骨 STL 文件。
显示的下一个图将显示围绕腔室的头骨区域，以创建头柱足迹。使用要导入到设计软件中的 STL 尺寸缩小提取此区域。
选择 （y） 表示需要减小 STL 大小。选择图形上大脑（蓝色）和头骨（灰色）叠加在一起的点。确保选择的点尽可能靠近并均匀分布在灰色颅骨区域（补充图7A）。有关点选择过程的更多详细信息，请参阅步骤 3.8。
完成点选择后按 回车键 以覆盖头柱所在的灰色头骨区域。在命令窗口中指示下载的缩减文件的文件名。
将缩小的文件导入 CAD 软件，以设计自定义头梁封装。确保文件作为 曲面主体导入。
导入文件后，检查表面是否有蓝线指示的孔。如果头柱将覆盖的一般区域有孔，则需要在步骤 6.11 中完成固定孔程序（第 4.11 节）。
头柱设计的第一步是在表面上找到一个与轴向平面对齐的平面，这样当头柱顶部和底部组合在一起时，头柱顶部垂直于头骨（补充图7B，C）。如果在颅骨表面上找不到与轴向平面直接对齐的平面，请使用表面上的现有平面创建一个新平面，并旋转它以正确对齐它。拥有一个可用于与虚拟头骨表示进行比较的物理 3D 头骨模型会很有帮助。
1. 此步骤可能需要多次修改才能创建直接垂直于头骨的头柱顶部。要更改头柱顶部相对于头柱封装的角度，请修改此步骤中使用的平面。可能需要测试几个平面才能找到一个平行于轴向平面的平面。
使用在上一步中找到或创建的平面创建表面上方 3 mm 的平行平面，该平面将为头柱顶部的方向提供参考。
1. 完成第 6 节中概述的固定孔程序，并在前柱区域出现间隙。
创建头柱底部（图4C)
1. 单击 “拉伸凸台/底座”（Extrude Boss/Base），选取新平面，然后使用圆弧和直线的组合创建头柱轮廓线的草图。使头柱腿的长度相似，并且它们之间的角度一致（参见 图4A中的示例）。使用圆弧连接头柱的支腿，以确保封装周围的边缘光滑，并将草图拉伸到输入的曲面上。
  注意：头柱腿的数量将取决于腔室周围的可用空间。但是，头柱应至少有三条腿，以确保适当的机械稳定性。
  1. 有关如何从固定孔程序中绘制现有挤压件的说明，请参阅步骤 6.2。
2. 此时，头柱的底面可用于确认该表面与头骨的曲率相匹配。如果需要 3D 打印来检查贴合度，请完成以下四个步骤。
  1. 删除导入的曲面实体。镜像在步骤 4.10 中创建的平面上的封装。在 “镜像 ”（Mirror）菜单中，确认“ 合并实体”（Merge Solids） 框未选中。
  2. 要验证封装是否与头骨曲率匹配，请使用 “删除/保留主体 ”删除原始封装，仅保留镜像版本。
  3. 将物体3D打印为STL，并将其放置在3D头骨模型上，以物理测试它是否与头骨曲率匹配。
  4. 要继续头柱设计，请使用工具栏顶部的“ 撤消 ”箭头撤消前两个步骤（镜像和删除）。这应该会恢复原来的封装和表面主体。
3. 在封装的平面中心创建一个点。使用此点和上部参考平面创建轴。
4. 单击 “移动/复制 ”工具，然后创建导入曲面的副本，该曲面的高度为头柱底部的厚度（例如，1.35 mm）。使用在此步骤中创建的轴作为平移参照，并验证是否选中 了“复制 ”（Copy）框以防止修改原始曲面。
5. 从头柱封装的平面到复制（凸起）表面执行拉伸切割。删除原始曲面及其副本。得到的部分如 图4B所示。
  1. 按照步骤 6.3 对固定孔程序中的现有挤压件进行操作。
6. 创建一个平行于参考平面的新平面，但向上或向下平移以悬停在头柱底部上方至少 1 毫米处。要确定翻译的长度，请使用评估选项卡中的测量工具。从新平面到头柱底部进行圆形拉伸，以创建一个平台，头柱顶部的底部将位于该平台，并确保平台以头骨的中线为中心。
7. 使用“特征”（Features）菜单中的“圆角”（Fillet）工具平滑拉伸和头柱封装之间的交集。使用非对称参数测试不同的半径值，并选择可能的最大半径值。
8. 此时，通过3D打印当前版本并针对头骨模型进行测试来验证头柱顶部平台的位置。
9. 使用与腔室螺丝孔相同的技术沿头柱底部放置螺丝孔（步骤 3.20.7）。在每个头柱腿上至少添加三个螺丝孔。确保每个螺丝孔的中心点距离下一个孔的中心至少 5 毫米，并且每个孔的边缘距离腿的边缘至少 2.5 毫米。
  1. 为避免血管在颅骨下方和中线附近延伸，请确认螺丝孔没有穿过中线，并在需要时移动它们。产品应与 图4C中的设计相似。
10. 使用 “镜像 ”（Mirror）工具对零件进行镜像，以补偿在导入颅骨曲面期间发生的镜像。使用圆形底座的顶部作为镜面。
11. 使用 “删除/保留主体 ”功能删除原始零件，以便仅保留镜像版本。
结合头杆顶部和底部（图 4D）
1. 从“插入”（Insert）菜单中将头柱顶部作为零件导入。在菜单中突出显示部件后，单击屏幕上的任意位置以添加该部件。
2. 使用 移动/复制 功能，对齐头杆顶部和底部。首先将头柱顶部指定为 要移动的身体。然后，在 “约束 ”菜单中执行以下三个配对：
  1. 确保圆形头柱平台的顶面与头柱顶部的底面重合。
  2. 确保最后一个配对中曲面的轮廓边缘同心配合。
  3. 将一条沿头柱后腿垂直的线与一条垂直于头柱顶部（平坦侧）后部水平延伸的线配对。确保顶部的曲面朝前（前），平面朝更靠近头柱的后腿（后）。
  4. 确认每个连接方向正确，并在需要时在菜单中切换配接方向（有关配接示例，请参阅 补充图 8 ）。
    注意：组合自定义头管底部和顶部的过程使用使用 CAD 软件设计的通用头管顶部。在这里，顶部是根据 Crist Instrument 的头柱设计的。上述配接程序特定于这些部件，如果使用不同的配合部件，则可能需要进行调整。
3. 确保组合头柱顶部和底部如 图 4D 所示。
  1. 如果头杆顶部未正确对齐，请修改步骤 4.11 中使用的参考平面。

5. 人工硬脑膜制造 ¹¹ （图 5）

获得人工硬脑膜模具（图5B）。
通过以 10：1 的比例混合硅胶 KE1300-T 和 CAT-1300 来创建人造硬脑膜硅胶混合物。
将 1 mL 混合物倒入模具中心的圆柱体顶面上。
为防止气泡，将模具置于真空室中约15分钟。
添加模具的第二层，使用圆柱体两侧的柱子来引导工件的对齐。
将 3-4 mL 硅胶混合物倒入模具中，然后将透明亚克力片放在模具顶部（图 5A）。使用 C 形夹将模具夹在一起。
检查光学窗口中是否有气泡，并在必要时用真空室将其清除。
在室温下固化所得结构过夜。残留的气泡通过模具在固化前夹紧时产生的压力去除。
固化后通过拆下每个成型部件并小心地取下硅胶硬脑膜进行拆卸。

6. 固孔程序

如果在头骨表示上发现孔（在 CAD 软件中用蓝线表示），请执行固定孔程序。创建下表面（将结束拉伸的曲面）后，完成以下步骤。对于腔室，这是按照步骤 3.19 进行的。对于头柱，请在完成步骤 4.12 后启动此过程。
1. 隐藏下表面以外的任何曲面或凸显，以便可以独立地可视化下表面。
2. 使用“ 插入”>“曲面>平面”（Planar ）在与间隙接触的每个面上创建平面曲面，并在间隙上方创建平面曲面（如果适用）。要指定曲面，请选择每条边作为边界图元。
3. 制作平面，直到每个间隙都被包围，包括间隙的角和线的边缘。
4. 单击 “插入”（Insert> Surface > Knit ），然后选取间隙周围的每个平面曲面。有关针织表面的视觉效果，请参见 补充图 9A 。
5. 通过选择 “点”（Point）和“面/平面”（Face/Plane ）作为参照类型，并在曲面的边和上平面上选取一个点，在沿针织曲面边缘的每个点处创建参照轴。对针织表面边缘的每个点重复（补充图9B）。
6. 在围绕针织曲面的每个轴与上部参照平面的交点处创建一个点。选择 “相交 ”（Intersection）作为参照类型，然后选取一个轴和上平面。确保创建一个与每个轴相对应的点。
7. 绘制一个草图，将上一步中制作的每个参考点连接起来。选择 “向上到曲面”（Up to Surface ）作为方向，然后选取针织曲面作为要拉伸到的曲面。
8. 对腔室或头柱将覆盖的区域中的所有间隙重复步骤 6.1.2-6.1.7（有关固定孔程序的最终结果，请参见 补充图 9C ）。
从上参照平面到最低曲面进行拉伸时（步骤 3.19.2 或步骤 4.12.1），确保在现有拉伸周围绘制腔室/头柱轮廓。
同样，当执行从上平面到两个表面的较高表面的挤压切割时（步骤 3.19.4 或步骤 4.12.5），将主挤压切割与固定孔程序产生的挤压分开执行（补充图 10A）。
1. 为了从固定孔进行挤压切割，将现有挤压件的最上表面拉伸到凸起表面上的平面上，该平面为腔室或头柱提供光滑的顶面（补充图 10B）。如果拉伸切口产生刚性表面，请使用不同的平面或执行后续拉伸。

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Representative Results

这些组件之前使用MRI可视化和3D打印解剖模型的组合进行了验证。通过将自动开颅手术可视化与 3D 打印开颅手术和开颅手术位置的 MRI 进行比较，很明显，虚拟开颅手术表示准确地反映了可以通过指定开颅手术位置访问的大脑区域（图 2A-F）。此外，通过将虚拟表示与植入手术的现有开颅手术进行比较，进一步评估了自动开颅手术可视化的准确性（图 2E、G）。3D 打印模型、自动可视化、MRI 和实际开颅手术突出显示了同一区域，在同一位置以比例一致性显示主要沟。大脑和颅骨分离以及随后的开颅手术可视化过程需要不到 15 分钟才能完成，允许在 1 小时内测试多个位置。

通过将虚拟开颅手术与开颅手术位置的 MRI 表示进行比较，证实了脑隔离程序的有效性（图 2B、C、E、F）。这些相似之处表明，脑隔离程序能够表示大脑上被靶向解剖结构（例如脑沟）的正确大小、位置和形状。

将3D打印的大脑和头骨组合用作解剖学上准确的模型，以验证腔室和头柱的设计。在投资钛合金零件之前，腔室和头柱是用塑料3D打印的。经证实，植入物适合颅骨，并且它们没有相互重叠或阻碍重要的解剖标志物。腔室和前柱设计过程产生了与头骨曲率相匹配的组件（图3G，I，图4E，图6，图7）。人工硬脑膜也被证实适合靠近腔室的内壁，有一个微小的间隙，以解释植入过程中所做的调整。在两只猕猴身上植入了定制腔室。与以前的腔室设计方法⁹相反，每个试图插入的螺钉都能够拧入。这是由于与根据 MRI 曲率近似⁹ 设计的腔室相比，通过定制拟合大大减少了腔室和颅骨之间的间隙（图 6A-F）。一个定制腔室已经植入了 2 年多，另一个已经植入了一年半。通过适当的维护，这些植入物不会出现螺钉丢失、感染或稳定性问题（图 3I）。

定制的头柱和腔室设计流程避免了在手术过程中需要手动调整，否则可能会增加手术时间。这些技术还可以减少曲率近似²⁹ 导致的 1-2 mm 间隙，从而促进更好的植入物健康并改善实验结果。这些改进可防止植入物的并发症并延长植入物的使用寿命，从而改善动物福利。

图 1：脑和颅骨分离。 （A）分层磁共振图像（MRI）日冕切片。（B）来自颅骨阈值的分层二元掩模。（C）从倒置的二元面具中分离出的头骨的分层切片。（D）重建的3D头骨。（E）来自大脑阈值的分层二元掩码。（F）分离大脑的分层 MRI 切片。（G）重建的3D大脑。请点击这里查看此图的较大版本.

图 2：开颅手术计划。 （A）猴子 B 的开颅手术可视化，使用 3D 打印的大脑和头骨模型。（B）猴子 B 的计算软件中的开颅手术可视化。（C）猴子 B 的磁共振（MR）图像中的开颅手术可视化。（D） Monkey H 的 3D 打印大脑和颅骨模型的开颅手术可视化。（E） Monkey H 计算软件中的开颅手术可视化。（F） Monkey H 磁共振（MR）图像中的开颅手术可视化。（G） Monkey H 的开颅手术图像。请点击这里查看此图的较大版本.

图 3：腔室植入物设计。 （A）用于降低 STL 分辨率的头骨区域（灰色）。（B） SOLIDWORKS 中的骷髅头 STL 分辨率降低。（C）腔室内圈，突出显示。（d） SOLIDWORKS 中的腔室裙设计。（E）连接腔室裙边和顶部。（F） SOLIDWORKS 中的 Chamber STL。（G） 3D打印的大脑、头骨和腔室。（H）钛室。（I） Monkey H 的植入腔室。请点击这里查看此图的较大版本.

图 4：头柱设计。 （A）头骨 STL 分辨率降低的头柱底部轮廓。（B）定制头管尺寸。（C）头柱底部。（D） SOLIDWORKS中的头柱设计。（E）头骨上的3D打印头柱。（F）钛合金头柱。请点击这里查看此图的较大版本.

图 5：人工硬脑膜制造。 （A）使用模具夹紧硅胶混合物。（b）人工硬脑膜。该图经 Griggs 等人^{许可改编11}。请点击这里查看此图的较大版本.

图 6：定制配合与颅骨曲率配合室。从（A）前视图、（B）侧视图和（C）后视图对^{颅骨 9} 的 MRI 曲率估计设计的腔室。从（D）前视图、（E）侧视图和（F）后视图定制设计的腔室。请点击这里查看此图的较大版本.

图 7：覆盖的大脑和头骨上的腔室、头柱和人工硬脑膜 请点击这里查看此图的较大版本.

补充图 1：阈值和开颅手术位置规划。 （A）具有适当阈值的二进制掩码示例。（B） MRI 上的冠状切片用于确定开颅手术位置。请点击此处下载此文件。

补充图 2：MATLAB 中用于腔室设计的 STL 文件缩减过程。 请点击此处下载此文件。

补充图 3：颅骨 STL 分辨率降低的孔的视觉表示。 请点击此处下载此文件。

补充图 4：腔室裙板软件屏幕截图。 （A）腔室裙部的内圈和腔室顶部的内表面作为同心配合。（B）向下平移腔室裙边。请点击此处下载此文件。

补充图 5：有和没有重叠的腔室裙边和腔室顶部。 （A）腔室裙板和腔室顶部重叠的下视图示例（修改腔室裙板的下表面）。（B）腔室裙板和腔室顶部之间没有重叠的例子。请点击此处下载此文件。

补充图 6：平面阻塞螺丝孔和消除障碍物。 （A）螺丝孔放置后平面阻塞螺丝孔的示例。（B）挤压切割的轮廓，以消除螺丝孔内部的表面。请点击此处下载此文件。

补充图7：点选择和颅骨的轴向平面。 （一）头柱设计的点选择。（B）平行于颅骨轴向平面的平面的上视图。（C）平行于颅骨轴向平面的平面的侧视图。请点击此处下载此文件。

补充图 8：对接示例。 （A）第一副 - 圆形头柱平台的顶面和头柱顶部的底面作为同心配合。（B）二副 - 圆形头柱平台顶面的边缘和头柱顶部底面的边缘作为同心配合。（C）第三副 - 一条沿头柱后腿垂直延伸的线和一条沿头柱顶部后部水平延伸的线作为垂直配合。请点击此处下载此文件。

补充图 9：固定孔程序。（A）进口表面间隙周围的针织表面。（B）针织面边缘每个点上的轴。（三）固孔程序的最终结果。请点击此处下载此文件。

补充图 10：执行挤压切割。 （A）从固定孔程序中挤出切开周围的挤压件。（B）在腔室底部的顶面上挤压切割到平面的示例。请点击此处下载此文件。

补充编码文件 1：协议的编码文件。请点击此处下载此文件。

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Discussion

本文概述了一种简单而精确的神经外科计划方法，该方法不仅有利于开发用于 NHP 颅窗植入的组件，而且可转移到 NHP 神经科学研究的其他领域 13,15,25。与目前其他非人灵长类植入物规划和设计方法^相比 25,29,30，该程序有可能被更多的神经科学实验室采用，因为它简单且经济。虽然CT通常用于颅骨建模^32,38，但该协议仅使用MRI扫描即可为大脑和颅骨提供足够的建模细节。现有方法需要同时进行 MRI 和 CT 扫描以进行脑和颅骨隔离 30,32,33，而这种方法消除了 CT 成像的额外成本和挑战。另一个好处是，该模型不需要对齐 MRI 和 CT 扫描，从而节省了大量时间并防止了与对齐不良相关的问题³⁹。从单个成像文件生成大脑和颅骨模型可生成高度兼容的模型，可轻松组合用于开颅手术可视化。此功能对于迭代开颅手术测试过程特别有用，因为不是组合和对齐来自单独程序^30,33的文件，而是在一个软件中从单个输入文件生成两个模型，并在几秒钟内自动显示。这样可以有效地确认大脑和颅骨建模的准确性，并确保植入物与体内颅骨曲率相匹配。这也消除了以前确定最佳开颅手术位置所需的头骨迭代^3D打印35，从而节省了每次迭代数十小时的打印时间。相比之下，我们基于软件的技术大约需要 10-15 分钟才能生成每次开颅手术迭代。

确定相对于额叶、顶叶和颞叶颅骨区域的植入物位置以及其他颅骨特征，对手术和实验计划具有巨大的好处。利用此功能来定制设计相对于腔室占地面积的前置封装。对于任何非人灵长类神经科学研究，这种空间建模特征都可以用于设计来自解剖平面、MRI 坐标、大脑和颅骨的解剖特征以及现有植入物的组件。通过这样做，大大减少了植入期间或植入后出现不可预见问题的可能性。该手术还能够创建跨越不同平面的多个大脑区域的植入物，同时保持与颅骨的紧密贴合。

这里强调的方法创建一个圆形腔室，并允许在腔室周围设计一个头柱。然而，这里的程序有可能通过修改腔室裙设计部分来适应其他形状。头柱设计也是如此——该程序允许创建不同数量的支腿和其他自定义形状，形状主要取决于腔室周围的可用空间。颅骨 STL 复位的形状，目前是腔室设计的环，可以进一步修改，以创建不同的颅骨 STL 复位形状，以满足特定腔室或前柱设计的需要，从而促进更有效的适应。

尽管此过程有效地创建了定制的植入物，但可以改进一些步骤以提高生产效率。如前所述，由于在设计软件中难以识别头骨方向，因此将头柱顶部垂直于头骨对齐是本文概述的方法的迭代过程。为了简化将头柱顶部定位在底部的过程，可以在虚拟头骨表示上放置额外的标记，以指示轴向、矢状面和冠状面。该协议还具有进一步自动化的潜力，以提高易用性。虽然本协议中讨论的颅骨 STL 复位方法对于设计植入物是有效的，但它可以随着进一步的自动化而变得更快、更一致。我们的验证程序需要对头骨和植入物原型进行3D打印，以验证植入物是否与头骨的曲率相匹配。通过创建一种将大脑、头骨、腔室、头柱和人工硬脑膜结合在一起的虚拟 3D 可视化方法，可以消除此步骤。

我们的平台提供完全虚拟的开颅手术计划和定制种植体设计过程。最终设计可以3D打印，并在真人大小的物理模型³⁵上进行验证。与现有方法相反，我们的协议不需要昂贵的产品迭代或使用昂贵的机器，如数控铣床^29,34。与其他现有的植入物设计方法9,12,29,30,32,33,40类似，该方法完全依赖于成像模式来准确描述解剖结构。MRI 扫描中存在的任何不准确或 MRI 和手术之间大脑或颅骨解剖结构的变化都可能影响植入物的功效。因此，正确规划 MRI 采集对于优化植入物设计至关重要。

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Disclosures

没什么可透露的。

Acknowledgments

我们要感谢 Toni Haun、Keith Vogel 和 Shawn Fisher 的技术帮助和支持。这项工作得到了华盛顿大学玛丽盖茨基金会（RI），美国国立卫生研究院NIH 5R01NS116464（T.B.，A.Y.），NIH R01 NS119395（D.J.G.，A.Y），华盛顿国家灵长类动物研究中心（WaNPRC，NIH P51 OD010425，U42 OD011123），神经技术中心（EEC-1028725，Z.A.，D.J.G.）和威尔神经中心（ZI）的支持。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Printing Software (Simplify 3D) (Paid)	Simplify3D	Version 4.1	Used for 3D printing using MakerGear printer
C-Clamp	Bessey	CM22	Used for artificial dura fabrication, 2-1/2 Inch Capacity, 1-3/8 Inch Throat
Formlabs Form 3+ 3D Printer	Formlabs	Form 3+	Used for precise 3D printing
MakerGear M2 3D Printer	MakerGear	M2 revG	Used for 3D printing implant prototypes
MATLAB (Paid)	MathWorks	R2021b	Used for brain and skull isolation, virtual craniotomy visualization and skull STL reduction
Phillips Acheiva MRI System	Philips	4522 991 19391	Used for non-human primate imaging
Photopolymer Resin	Formlabs	FLGPGR04	1L, Grey, used for precise 3D prints with Formlabs printer
PreForm Print Preparation Software	Formlabs	Version 2.17.0	Used for 3D printing with Formlabs printer
Printing Filament (PLA)	MatterHackers	88331	PLA 1.75 mm White. Used for 3D printing with MakerGear printer
Silicone CAT-1300	Shin-Etsu		Used for artificial dura fabrication
Silicone KE1300-T	Shin-Etsu		Used for artificial dura fabrication
SolidWorks (Paid)	Dassault Systems	2020	Used for chamber and headpost design
Syn.Flex-S Multicoil	Philips	45221318123	Used for non-human primate imaging

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Bioengineering

非人灵长类动物的神经植入物设计工具箱

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

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