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Bio-ingénierie

非ヒト霊長類のための神経インプラント設計ツールボックス

Published: February 09, 2024
doi:
10.3791/66167
, , , , ,
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

この論文では、磁気共鳴画像法(MRI)スキャンに基づく非ヒト霊長類の脳神経外科計画の自動化プロセスについて概説します。これらの技術は、プログラミングおよび設計プラットフォームの手順ステップを使用して、NHP用にカスタマイズされたインプラント設計をサポートします。その後、3次元(3D)印刷された実物大の解剖学的モデルを使用して、各コンポーネントの有効性を確認できます。

Abstract

この論文では、霊長類(NHP)の脳神経外科計画用に調整された磁気共鳴画像法(MRI)から脳と頭蓋骨の3Dモデリングを行う社内手法について説明します。この自動化された計算ソフトウェアベースの技術は、イメージングソフトウェアを使用した従来の手動抽出技術とは対照的に、MRIファイルから脳と頭蓋骨の特徴を抽出する効率的な方法を提供します。さらに、この手術は、脳と開頭手術された頭蓋骨を一緒に視覚化する方法を提供し、直感的で仮想的な手術計画を実現します。これにより、反復的な3Dプリンティングに依存していた過去の作業で必要な時間とリソースが大幅に削減されます。頭蓋骨モデリングプロセスでは、フットプリントを作成し、それをモデリングソフトウェアにエクスポートして、外科的移植用のカスタムフィットの頭蓋腔とヘッドポストを設計します。カスタムフィットの外科用インプラントは、インプラントと頭蓋骨の間の隙間を最小限に抑え、感染や安定性の低下などの合併症を引き起こす可能性があります。これらの術前ステップを実施することにより、外科的および実験的合併症が軽減されます。これらの技術は、他の外科的プロセスにも適用することができ、研究者や脳神経外科医にとって、より効率的で効果的な実験計画を容易にします。

Introduction

ヒト以外の霊長類(NHP)は、進化的にも行動的にもヒトと類似しているため、トランスレーショナルメディカル研究にとって非常に貴重なモデルです。NHPは、その脳が神経機能と機能障害の関連性の高いモデルであるため、神経工学の前臨床試験で特に重要性を増しています1,2,3,4,5,6,7,8.オプトジェネティクス、カルシウムイメージングなど、いくつかの強力な脳刺激および記録技術は、頭蓋窓から脳に直接アクセスすることが最適です9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23.NHPでは、脳を保護し、長期的な実験をサポートするために、チャンバーと人工硬膜で頭蓋窓が達成されることがよくあります8,10,12,17,18,24,25,26,27.同様に、ヘッドポストは、実験中にヘッドを安定させ、整列させるためにチャンバーに付随することがよくあります14,15,25,26,28,29,30.これらの成分の有効性は、それらが頭蓋骨にどれだけうまくフィットするかに大きく依存します。頭蓋骨に近づくことで、感染、骨壊死、インプラントの不安定性の可能性を減らすことで、骨の統合と頭蓋の健康が促進されます31.手術中にヘッドポストを手作業で曲げるなどの従来の設計方法25,29 磁気共鳴(MR)スキャンの冠状および矢状スライスに円を当てはめることにより、頭蓋骨の曲率を推定します9,12 不正確さのために合併症を引き起こす可能性があります。これらの中で最も精密なものでも、インプラントと頭蓋骨の間に1〜2mmの隙間ができ、肉芽組織が蓄積するスペースを提供します29.これらのギャップは、手術でネジを配置するのをさらに困難にします9、インプラントの安定性を損なう。最近では、オッセオインテグレーションとインプラントの寿命を改善するために、カスタマイズされたインプラントが開発されています9,29,30,32.計算モデルへの依存により、カスタムインプラント設計の進歩に伴い、追加コストがかかっています。最も正確な方法には、MRI装置に加えて、コンピューター断層撮影装置(CT)などの高度な機器が必要です30,32,33 また、インプラントのプロトタイプを開発するためのコンピューター数値制御(CNC)フライス盤もあります25,29,32,34.MRIとCTの両方へのアクセスを得ることは、特にNHPで使用するために、頭蓋室やヘッドポストなどのカスタムフィットのインプラントを必要とするラボでは実現不可能な場合があります。

その結果、使用前のインプラントの設計と検証を容易にする、安価で正確で非侵襲的な脳神経外科および実験計画の技術が地域社会で必要とされています。この論文では、MRデータから脳と頭蓋骨の仮想3D表現を生成して、開頭術の位置計画と、頭蓋骨にフィットするカスタムの頭蓋室とヘッドポストの設計を行う方法について説明します。この合理化された手順は、実験結果と研究動物の福祉に役立つ標準化されたデザインを提供します。MRIでは骨と軟部組織の両方が描かれるため、このモデリングにはMRIのみが必要です。CNCフライス盤を使用する代わりに、複数の反復が必要な場合でも、モデルを安価に3Dプリントできます。これにより、最終デザインをチタンなどの生体適合性金属で3Dプリントして移植することもできます。さらに、移植時に頭蓋腔内に留置される人工硬膜の製作についても説明します。これらの部品は、頭蓋骨と脳の実物大の3Dプリントモデルにすべての部品をはめ込むことで、手術前に検証することができます。

Protocol

動物に関するすべての処置は、ワシントン大学の動物ケアおよび使用委員会によって承認されました。この研究では、合計4匹の成体のオスのアカゲザル(Macaca mulatta)を使用しました。MRI取得時、サルHは7歳、サルLは6歳、サルCは8.5歳、サルBは5.5歳であった。サルHとLは、9歳でカスタムの慢性チャンバーを移植されました。 1.頭蓋骨と脳の分離(図…

Representative Results

これらのコンポーネントは、MRIによる可視化と3Dプリントされた解剖学的モデルを組み合わせて検証されました。自動開頭術の視覚化を、3Dプリントされた開頭術および開頭部位のMRIと比較すると、仮想開頭術の表現が、指定された開頭部位でアクセスできる脳の領域を正確に反映していることが明らかになります(図2A-F…

Discussion

この論文は、NHP頭蓋窓移植に使用されるコンポーネントの開発に有益であるだけでなく、NHP神経科学研究の他の分野にも転用可能な脳神経外科計画の簡単で正確な方法を概説します13,15,25。NHPインプラントの計画と設計の他の現在の方法と比較して25,29,30、この手順は、シンプルで経済的であるため、より多くの神経科学?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Toni Haun氏、Keith Vogel氏、Shawn Fisher氏の技術的な支援とサポートに感謝します。この研究は、ワシントン大学メアリー・ゲイツ基金(RI)、国立衛生研究所NIH 5R01NS116464(T.B.、A.Y.)、NIH R01 NS119395(D.J.G.、A.Y.)、ワシントン国立霊長類研究センター(WaNPRC、NIH P51 OD010425、U42 OD011123)、Center for Neurotechnology(EEC-1028725、Z.A.、D.J.G.)、Weill Neurohub(Z.I.)の支援を受けました。

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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References

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Citer Cet Article
Iritani, R., Belloir, T., Griggs, D. J., Ip, Z., Anderson, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Neural Implant Design Toolbox for Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (204), e66167, doi:10.3791/66167 (2024).
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