अमानवीय प्राइमेट्स के लिए एक तंत्रिका प्रत्यारोपण डिजाइन टूलबॉक्स
Summary
यह पत्र चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) स्कैन के आधार पर अमानवीय प्राइमेट न्यूरोसर्जिकल योजना के लिए स्वचालित प्रक्रियाओं की रूपरेखा तैयार करता है। ये तकनीकें एनएचपी के लिए अनुकूलित प्रत्यारोपण डिजाइन का समर्थन करने के लिए प्रोग्रामिंग और डिजाइन प्लेटफार्मों में प्रक्रियात्मक चरणों का उपयोग करती हैं। प्रत्येक घटक की वैधता की पुष्टि तब त्रि-आयामी (3 डी) मुद्रित जीवन-आकार के शारीरिक मॉडल का उपयोग करके की जा सकती है।
Abstract
यह पत्र अमानवीय प्राइमेट (एनएचपी) न्यूरोसर्जिकल प्लानिंग के लिए तैयार चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) से 3 डी मस्तिष्क और खोपड़ी मॉडलिंग की एक इन-हाउस विधि का वर्णन करता है। यह स्वचालित, कम्प्यूटेशनल सॉफ्टवेयर-आधारित तकनीक इमेजिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करके पारंपरिक मैनुअल निष्कर्षण तकनीकों के विपरीत एमआरआई फाइलों से मस्तिष्क और खोपड़ी की विशेषताओं को निकालने का एक कुशल तरीका प्रदान करती है। इसके अलावा, प्रक्रिया सहज, आभासी शल्य चिकित्सा योजना के लिए मस्तिष्क और craniotomized खोपड़ी को एक साथ देखने के लिए एक विधि प्रदान करती है। यह पिछले काम के लिए आवश्यक समय और संसाधनों में भारी कमी उत्पन्न करता है, जो पुनरावृत्त 3 डी प्रिंटिंग पर निर्भर था। खोपड़ी मॉडलिंग प्रक्रिया एक पदचिह्न बनाती है जिसे सर्जिकल आरोपण के लिए कस्टम-फिट कपाल कक्षों और हेडपोस्ट को डिजाइन करने के लिए मॉडलिंग सॉफ्टवेयर में निर्यात किया जाता है। कस्टम-फिट सर्जिकल प्रत्यारोपण प्रत्यारोपण और खोपड़ी के बीच अंतराल को कम करते हैं जो संक्रमण या स्थिरता में कमी सहित जटिलताओं का परिचय दे सकते हैं। इन पूर्व-शल्य चिकित्सा चरणों को लागू करने से, सर्जिकल और प्रयोगात्मक जटिलताओं को कम किया जाता है। इन तकनीकों को अन्य सर्जिकल प्रक्रियाओं के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, शोधकर्ताओं के लिए अधिक कुशल और प्रभावी प्रयोगात्मक योजना की सुविधा और, संभवतः, न्यूरोसर्जन।
Introduction
अमानवीय प्राइमेट (एनएचपी) अनुवादक चिकित्सा अनुसंधान के लिए अमूल्य मॉडल हैं क्योंकि वे विकासवादी और व्यवहारिक रूप से मनुष्यों के समान हैं। एनएचपी ने तंत्रिका इंजीनियरिंग प्रीक्लिनिकल अध्ययनों में विशेष महत्व प्राप्त किया है क्योंकि उनके दिमाग तंत्रिका कार्य और शिथिलता के अत्यधिक प्रासंगिक मॉडल हैं1,2,3,4,5,6,7,8. कुछ शक्तिशाली मस्तिष्क उत्तेजना और रिकॉर्डिंग तकनीक, जैसे ऑप्टोजेनेटिक्स, कैल्शियम इमेजिंग, और अन्य, कपाल खिड़कियों के माध्यम से मस्तिष्क तक सीधी पहुंच के साथ सबसे अच्छी सेवा की जाती है9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. एनएचपी में, कपाल खिड़कियां अक्सर मस्तिष्क की रक्षा और दीर्घकालिक प्रयोग का समर्थन करने के लिए एक कक्ष और एक कृत्रिम ड्यूरा के साथ प्राप्त की जाती हैं8,10,12,17,18,24,25,26,27. इसी तरह, प्रयोगों के दौरान सिर को स्थिर और संरेखित करने के लिए हेडपोस्ट अक्सर कक्षों के साथ होते हैं14,15,25,26,28,29,30. इन घटकों की प्रभावशीलता इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि वे खोपड़ी में कितनी अच्छी तरह फिट होते हैं। खोपड़ी के करीब फिट संक्रमण, ऑस्टियोनेक्रोसिस और प्रत्यारोपण अस्थिरता की संभावना को कम करके हड्डी के एकीकरण और कपाल स्वास्थ्य को बढ़ावा देता है31. पारंपरिक डिजाइन विधियां, जैसे सर्जरी के दौरान हेडपोस्ट को मैन्युअल रूप से झुकाना25,29 और चुंबकीय अनुनाद (एमआर) स्कैन के कोरोनल और धनु स्लाइस के लिए हलकों को फिट करके खोपड़ी वक्रता का अनुमान लगाना9,12 अशुद्धता के कारण जटिलताओं का परिचय दे सकता है। यहां तक कि इनमें से सबसे सटीक प्रत्यारोपण और खोपड़ी के बीच 1-2 मिमी अंतराल बनाते हैं, दानेदार ऊतक को जमा करने के लिए जगह प्रदान करते हैं29. ये अंतराल अतिरिक्त रूप से सर्जरी में शिकंजा लगाने में कठिनाई पैदा करते हैं9, प्रत्यारोपण की स्थिरता से समझौता करना। अनुकूलित प्रत्यारोपण हाल ही में osseointegration और प्रत्यारोपण दीर्घायु में सुधार के लिए विकसित किए गए हैं9,29,30,32. कम्प्यूटेशनल मॉडल पर निर्भरता के कारण कस्टम इम्प्लांट डिज़ाइन में प्रगति के साथ अतिरिक्त लागत आई है। सबसे सटीक तरीकों के लिए एमआर इमेजिंग (एमआरआई) मशीनों के अलावा कम्प्यूटरीकृत टोमोग्राफी (सीटी) मशीनों जैसे परिष्कृत उपकरणों की आवश्यकता होती है30,32,33 और यहां तक कि इम्प्लांट प्रोटोटाइप विकसित करने के लिए कंप्यूटर संख्यात्मक नियंत्रण (सीएनसी) मिलिंग मशीन25,29,32,34. एमआरआई और सीटी दोनों तक पहुंच प्राप्त करना, विशेष रूप से एनएचपी के साथ उपयोग के लिए, कपाल कक्षों और हेडपोस्ट जैसे कस्टम-फिटेड प्रत्यारोपण की आवश्यकता वाली प्रयोगशालाओं के लिए संभव नहीं हो सकता है।
नतीजतन, न्यूरोसर्जिकल और प्रयोगात्मक योजना की सस्ती, सटीक और गैर-इनवेसिव तकनीकों के लिए समुदाय में एक आवश्यकता है जो उपयोग करने से पहले प्रत्यारोपण के डिजाइन और सत्यापन की सुविधा प्रदान करती है। यह पत्र क्रैनियोटॉमी स्थान योजना और खोपड़ी को फिट करने वाले कस्टम कपाल कक्षों और हेडपोस्ट के डिजाइन के लिए एमआर डेटा से आभासी 3 डी मस्तिष्क और खोपड़ी अभ्यावेदन उत्पन्न करने की एक विधि का वर्णन करता है। यह सुव्यवस्थित प्रक्रिया एक मानकीकृत डिजाइन प्रदान करती है जो प्रयोगात्मक परिणामों और अनुसंधान जानवरों के कल्याण को लाभ पहुंचा सकती है। इस मॉडलिंग के लिए केवल एमआरआई की आवश्यकता होती है क्योंकि एमआरआई में हड्डी और नरम ऊतक दोनों को दर्शाया गया है। सीएनसी मिलिंग मशीन का उपयोग करने के बजाय, मॉडल को सस्ते में 3 डी प्रिंट किया जा सकता है, भले ही कई पुनरावृत्तियों की आवश्यकता हो। यह आरोपण के लिए टाइटेनियम जैसे जैव-संगत धातुओं में अंतिम डिजाइन को 3 डी मुद्रित करने की भी अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, हम एक कृत्रिम ड्यूरा के निर्माण का वर्णन करते हैं, जिसे आरोपण पर कपाल कक्ष के अंदर रखा जाता है। इन घटकों को खोपड़ी और मस्तिष्क के जीवन-आकार, 3 डी-मुद्रित मॉडल पर सभी भागों को फिट करके पूर्व-शल्य चिकित्सा द्वारा मान्य किया जा सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह पत्र न्यूरोसर्जिकल योजना की एक सीधी और सटीक विधि की रूपरेखा तैयार करता है जो न केवल एनएचपी कपाल खिड़की आरोपण के लिए उपयोग किए जाने वाले घटकों के विकास के लिए फायदेमंद है, बल्कि एनएचपी तंत्रिका विज्ञ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम टोनी हौन, कीथ वोगेल और शॉन फिशर को उनकी तकनीकी मदद और समर्थन के लिए धन्यवाद देना चाहते हैं। इस काम को वाशिंगटन मैरी गेट्स एंडोमेंट (आरआई), नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ हेल्थ एनआईएच 5R01NS116464 (टीबी, एवाई), एनआईएच R01 NS119395 (डीजेजी, एवाई), वाशिंगटन नेशनल प्राइमेट रिसर्च सेंटर (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), सेंटर फॉर न्यूरोटेक्नोलॉजी (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) और वेल न्यूरोहब (Z. I.) द्वारा समर्थित किया गया था।
Materials
| 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 |
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