В данной статье описываются автоматизированные процессы нейрохирургического планирования нечеловеческих приматов на основе магнитно-резонансной томографии (МРТ). Эти методы используют процедурные этапы в программировании и разработке платформ для поддержки индивидуального дизайна имплантатов для NHP. Валидность каждого компонента может быть подтверждена с помощью трехмерных (3D) напечатанных анатомических моделей в натуральную величину.
В данной статье описывается собственный метод 3D-моделирования мозга и черепа с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), адаптированный для нейрохирургического планирования у нечеловекообразных приматов (NHP). Этот автоматизированный метод, основанный на вычислительном программном обеспечении, обеспечивает эффективный способ извлечения признаков мозга и черепа из файлов МРТ, в отличие от традиционных методов ручного извлечения с использованием программного обеспечения для визуализации. Кроме того, процедура обеспечивает метод визуализации головного мозга и черепа вместе для интуитивно понятного, виртуального хирургического планирования. Это приводит к резкому сокращению времени и ресурсов по сравнению с предыдущими работами, которые полагались на итеративную 3D-печать. В процессе моделирования черепа создается след, который экспортируется в программное обеспечение для моделирования для проектирования индивидуальных камер черепа и оголовков для хирургической имплантации. Хирургические имплантаты, подобранные по индивидуальному заказу, сводят к минимуму зазоры между имплантатом и черепом, которые могут привести к осложнениям, включая инфекцию или снижение стабильности. Выполняя эти предоперационные этапы, уменьшаются хирургические и экспериментальные осложнения. Эти методы могут быть адаптированы для других хирургических процессов, что способствует более эффективному и действенному планированию экспериментов для исследователей и, возможно, нейрохирургов.
Нечеловекообразные приматы являются бесценными моделями для трансляционных медицинских исследований, потому что они эволюционно и поведенчески похожи на людей. NHP приобрели особое значение в доклинических исследованиях нейроинженерии, потому что их мозг является очень релевантной моделью нейронной функции и дисфункции1,2,3,4,5,6,7,8. Некоторые мощные методы стимуляции и регистрации мозга, такие как оптогенетика, визуализация кальция и другие, лучше всего подходят для прямого доступа к мозгу через краниальные окна9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. В НХП краниальные окна часто достигаются с камерой и искусственной твердой мозговой оболочкой для защиты мозга и поддержки долгосрочных экспериментов8,10,12,17,18,24,25,26,27. Кроме того, оголовья часто сопровождают камеры для стабилизации и выравнивания головы во время экспериментов14,15,25,26,28,29,30. Эффективность этих компонентов сильно зависит от того, насколько хорошо они вписываются в череп. Более близкое прилегание к черепу способствует интеграции костей и здоровью черепа, снижая вероятность инфекции, остеонекроза и нестабильности имплантата31. Традиционные методы проектирования, такие как ручное сгибание стойки во время операции25,29 и оценка кривизны черепа путем подгонки кругов к корональным и сагиттальным срезам магнитно-резонансной томографии (МРТ)9,12 могут возникнуть осложнения из-за неточности. Даже самые точные из них создают зазоры 1-2 мм между имплантатом и черепом, обеспечивая пространство для накопления грануляционной ткани29. Эти зазоры дополнительно затрудняют установку винтов в хирургии9, ставя под угрозу стабильность имплантата. В последнее время были разработаны индивидуальные имплантаты для улучшения остеоинтеграции и долговечности имплантатов9,29,30,32. Дополнительные расходы сопровождаются прогрессом в разработке индивидуальных имплантатов из-за зависимости от вычислительных моделей. Для наиболее точных методов требуется сложное оборудование, такое как аппараты компьютерной томографии (КТ) в дополнение к аппаратам МРТ (МРТ)30,32,33 и даже фрезерные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) для разработки прототипов имплантатов25,29,32,34. Получение доступа как к МРТ, так и к КТ, особенно для использования с NHP, может быть неосуществимо для лабораторий, нуждающихся в индивидуально подобранных имплантатах, таких как камеры черепа и подголовники.
В результате, в обществе существует потребность в недорогих, точных и неинвазивных методах нейрохирургического и экспериментального планирования, которые облегчают проектирование и валидацию имплантатов перед использованием. В данной статье описывается метод создания виртуальных 3D-изображений мозга и черепа на основе данных МРТ для планирования местоположения трепанации черепа и проектирования специальных камер черепа и оголовьев, соответствующих черепу. Эта оптимизированная процедура обеспечивает стандартизированную конструкцию, которая может принести пользу результатам экспериментов и благополучию подопытных животных. Для этого моделирования требуется только МРТ, потому что на МРТ визуализируются как кости, так и мягкие ткани. Вместо того, чтобы использовать фрезерный станок с ЧПУ, модели можно напечатать на 3D-принтере недорого, даже если требуется несколько итераций. Это также позволяет напечатать окончательный дизайн на 3D-принтере из биосовместимых металлов, таких как титан, для имплантации. Кроме того, мы опишем изготовление искусственной твердой мозговой оболочки, которая помещается внутрь черепной камеры при имплантации. Эти компоненты могут быть проверены до хирургического вмешательства, путем установки всех частей на напечатанную на 3D-принтере модель черепа и мозга в натуральную величину.
В этой статье описывается простой и точный метод нейрохирургического планирования, который не только полезен для разработки компонентов, используемых для имплантации краниального окна NHP, но и может быть перенесен в другие области исследований в области нейробиологии NHP 13,15,25.<sup class="xref…
The authors have nothing to disclose.
Мы хотели бы поблагодарить Тони Хауна, Кита Фогеля и Шона Фишера за их техническую помощь и поддержку. Эта работа была поддержана Фондом Мэри Гейтс Вашингтонского университета (R.I.), Национальным институтом здравоохранения NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y.), Вашингтонским национальным исследовательским центром приматов (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), Центром нейротехнологий (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) и Weill Neurohub (Z.I.).
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 |