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Bio-ingénierie

비인간 영장류를 위한 신경 임플란트 설계 툴박스

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

이 논문은 자기공명영상(MRI) 스캔을 기반으로 한 비인간 영장류 신경외과 계획을 위한 자동화된 프로세스를 간략하게 설명합니다. 이러한 기술은 프로그래밍 및 설계 플랫폼의 절차적 단계를 사용하여 NHP를 위한 맞춤형 임플란트 설계를 지원합니다. 그런 다음 3차원(3D) 프린팅된 실물 크기 해부학 모델을 사용하여 각 구성 요소의 유효성을 확인할 수 있습니다.

Abstract

이 논문은 비인간 영장류(NHP) 신경외과 계획에 맞게 조정된 자기공명영상(MRI)에서 3D 뇌 및 두개골 모델링의 자체 방법을 설명합니다. 이 자동화된 컴퓨터 소프트웨어 기반 기술은 이미징 소프트웨어를 사용하는 기존의 수동 추출 기술과 달리 MRI 파일에서 뇌 및 두개골 특징을 추출하는 효율적인 방법을 제공합니다. 또한 이 시술은 직관적인 가상 수술 계획을 위해 뇌와 개두술을 함께 시각화하는 방법을 제공합니다. 이를 통해 반복적인 3D 프린팅에 의존했던 과거 작업에 필요한 시간과 리소스를 크게 줄일 수 있습니다. 두개골 모델링 프로세스는 외과적 이식을 위한 맞춤형 두개실과 헤드포스트를 설계하기 위해 모델링 소프트웨어로 내보내는 발자국을 생성합니다. 맞춤형 수술용 임플란트는 감염이나 안정성 저하 등의 합병증을 유발할 수 있는 임플란트와 두개골 사이의 틈을 최소화합니다. 이러한 수술 전 단계를 시행하면 수술 및 실험 합병증을 줄일 수 있습니다. 이러한 기술은 다른 수술 과정에 적용할 수 있으므로 연구자와 잠재적으로 신경외과 의사를 위한 보다 효율적이고 효과적인 실험 계획을 용이하게 할 수 있습니다.

Introduction

비인간 영장류(NHP)는 진화론적으로나 행동적으로 인간과 유사하기 때문에 중개 의학 연구에 매우 중요한 모델입니다. NHP는 신경 공학 전임상 연구에서 특히 중요한데, 그 이유는 NHP의 뇌가 신경 기능 및 기능 장애와 관련성이 높은 모델이기 때문입니다1,2,3,4,5,6,7,8. 광유전학, 칼슘 영상 등과 같은 일부 강력한 뇌 자극 및 기록 기술은 두개창을 통해 뇌에 직접 접근할 때 가장 잘 제공됩니다9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. NHP에서 두개골 창은 뇌를 보호하고 장기 실험을 지원하기 위해 챔버와 인공 경막으로 이루어지는 경우가 많습니다8,10,12,17,18,24,25,26,27. 마찬가지로, 헤드포스트는 실험 중에 헤드를 안정화하고 정렬하기 위해 챔버를 동반하는 경우가 많습니다14,15,25,26,28,29,30. 이러한 구성 요소의 효과는 두개골에 얼마나 잘 맞는지에 따라 크게 달라집니다. 두개골에 더 밀착되면 감염, 골괴사 및 임플란트 불안정성의 가능성을 줄여 뼈 통합과 두개골 건강을 촉진합니다31. 수술 중 헤드포스트를 수동으로 구부리는 것과 같은 기존 설계 방법25,29 자기 공명(MR) 스캔의 관상 및 시상 슬라이스에 원을 맞추어 두개골 곡률을 추정합니다9,12 부정확성으로 인해 합병증이 발생할 수 있습니다. 이들 중 가장 정밀한 것조차도 임플란트와 두개골 사이에 1-2mm의 간격을 만들어 육아 조직이 축적될 수 있는 공간을 제공합니다29. 이러한 틈은 수술에 나사를 끼우는 데 어려움을 초래합니다9, 임플란트의 안정성을 손상시킵니다. 최근에는 골유착 및 임플란트 수명을 개선하기 위해 맞춤형 임플란트가 개발되었습니다9,29,30,32. 추가 비용은 컴퓨터 모델에 의존하기 때문에 맞춤형 임플란트 설계의 발전에 수반되었습니다. 가장 정확한 방법에는 MR 영상(MRI) 기계 외에도 컴퓨터 단층 촬영(CT) 기계와 같은 정교한 장비가 필요합니다30,32,33 임플란트 프로토타입 개발을 위한 컴퓨터 수치 제어(CNC) 밀링 머신도 있습니다25,29,32,34. 특히 NHP와 함께 사용하기 위해 MRI와 CT를 모두 사용하는 것은 두개실 및 헤드포스트와 같은 맞춤형 임플란트가 필요한 실험실에서는 불가능할 수 있습니다.

그 결과, 지역 사회에서는 임플란트를 사용하기 전에 설계하고 검증할 수 있는 신경외과 및 실험 계획의 저렴하고 정확하며 비침습적인 기술에 대한 필요성이 있습니다. 이 논문은 개두술 위치 계획 및 두개골에 맞는 맞춤형 두개실 및 헤드포스트 설계를 위해 MR 데이터에서 가상 3D 뇌 및 두개골 표현을 생성하는 방법을 설명합니다. 이 간소화된 절차는 실험 결과와 연구 동물의 복지에 도움이 될 수 있는 표준화된 설계를 제공합니다. 뼈와 연조직이 모두 MRI에 묘사되기 때문에 이 모델링에는 MRI만 필요합니다. CNC 밀링 머신을 사용하는 대신 여러 번 반복해야 하는 경우에도 모델을 저렴하게 3D 프린팅할 수 있습니다. 이를 통해 최종 설계를 이식용 티타늄과 같은 생체 적합성 금속으로 3D 프린팅할 수 있습니다. 또한 이식 시 두개골 챔버 내부에 배치되는 인공 경막의 제작에 대해 설명합니다. 이러한 구성 요소는 모든 부품을 실물 크기의 3D 프린팅 두개골과 뇌 모형에 장착하여 수술 전 검증할 수 있습니다.

Protocol

동물과 관련된 모든 절차는 워싱턴 대학의 동물 관리 및 사용 위원회 연구소의 승인을 받았습니다. 이 연구에는 총 4마리의 성인 수컷 붉은털원숭이(Macaca mulatta)가 사용되었습니다. MRI 촬영 당시 원숭이 H는 7세, 원숭이 L은 6세, 원숭이 C는 8.5세, 원숭이 B는 5.5세였다. 원숭이 H와 L은 9살이 되었을 때 맞춤형 만성 챔버를 이식받았습니다. 1. 두개골 및 뇌 분리(<strong clas…

Representative Results

이러한 구성 요소는 이전에 MRI 시각화와 3D 프린팅 해부학 모델의 조합을 사용하여 검증되었습니다. 자동화된 개두술 시각화를 3D 프린팅된 개두술 및 개두술 위치의 MRI와 비교하면 가상 개두술 표현이 지정된 개두술 위치로 접근할 수 있는 뇌 영역을 정확하게 반영한다는 것이 분명합니다(그림 2A-F). 또한 자동 개두술 시각?…

Discussion

이 논문은 NHP 두개골 창 이식에 사용되는 구성 요소의 개발에 도움이 될 뿐만 아니라 NHP 신경 과학 연구의 다른 영역으로 이전할 수 있는 간단하고 정확한 신경외과 계획 방법을 설명합니다 13,15,25. NHP 임플란트 계획 및 설계의 다른 현재 방법과 비교하여25,29,30, 이 절차는 간단하고 경제적이기 때문에 더 많은…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

기술적인 도움과 지원을 아끼지 않은 Toni Haun, Keith Vogel 및 Shawn Fisher에게 감사의 말씀을 전합니다. 이 연구는 워싱턴 대학교 메리 게이츠 기금(R.I.), 국립보건원(NIH 5R01NS116464, T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395(D.J.G., A.Y.), 워싱턴 국립 영장류 연구 센터(WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), 신경기술 센터(EEC-1028725, ZA, D.J.G.) 및 웨일 뉴로허브(Weill Neurohub, Z. I.)의 지원을 받았습니다.

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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