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JoVE Journal Bioengineering
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Bioengineering

Una caja de herramientas de diseño de implantes neurales para primates no humanos

Published: February 9, 2024 doi: 10.3791/66167
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 3, 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

Este artículo describe los procesos automatizados para la planificación neuroquirúrgica de primates no humanos basados en imágenes de resonancia magnética (IRM). Estas técnicas utilizan pasos de procedimiento en plataformas de programación y diseño para respaldar el diseño de implantes personalizados para NHP. La validez de cada componente se puede confirmar utilizando modelos anatómicos tridimensionales (3D) impresos a tamaño real.

Abstract

Este artículo describe un método interno de modelado 3D del cerebro y el cráneo a partir de imágenes de resonancia magnética (IRM) adaptadas para la planificación neuroquirúrgica de primates no humanos (NHP). Esta técnica automatizada basada en software computacional proporciona una forma eficiente de extraer características del cerebro y el cráneo de los archivos de resonancia magnética, a diferencia de las técnicas tradicionales de extracción manual que utilizan software de imágenes. Además, el procedimiento proporciona un método para visualizar el cerebro y el cráneo craneotomizado juntos para una planificación quirúrgica virtual e intuitiva. Esto genera una reducción drástica de tiempo y recursos con respecto a los requeridos por trabajos anteriores, que se basaban en la impresión 3D iterativa. El proceso de modelado del cráneo crea una huella que se exporta al software de modelado para diseñar cámaras craneales y postes de cabeza a medida para la implantación quirúrgica. Los implantes quirúrgicos hechos a medida minimizan los espacios entre el implante y el cráneo que podrían introducir complicaciones, como infecciones o disminución de la estabilidad. Al implementar estos pasos prequirúrgicos, se reducen las complicaciones quirúrgicas y experimentales. Estas técnicas pueden adaptarse a otros procesos quirúrgicos, lo que facilita una planificación experimental más eficiente y eficaz para los investigadores y, potencialmente, para los neurocirujanos.

Introduction

Los primates no humanos (NHP, por sus siglas en inglés) son modelos invaluables para la investigación médica traslacional porque son evolutiva y conductualmente similares a los humanos. Los NHP han cobrado especial importancia en los estudios preclínicos de ingeniería neuronal porque sus cerebros son modelos muy relevantes de la función y la disfunción neuronal1,2,3,4,5,6,7,8. Algunas técnicas poderosas de estimulación y registro cerebral, como la optogenética, las imágenes de calcio y otras, se sirven mejor con acceso directo al cerebro a través de ventanas craneales9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. En los NHP, las ventanas craneales a menudo se logran con una cámara y una duramadre artificial para proteger el cerebro y apoyar la experimentación a largo plazo8,10,12,17,18,24,25,26,27. Del mismo modo, los postes de cabeza a menudo acompañan a las cámaras para estabilizar y alinear la cabeza durante los experimentos14,15,25,26,28,29,30. La eficacia de estos componentes depende en gran medida de lo bien que encajen en el cráneo. Un ajuste más cercano al cráneo promueve la integración ósea y la salud craneal al disminuir la probabilidad de infección, osteonecrosis e inestabilidad del implante31. Métodos de diseño convencionales, como doblar manualmente el poste de la cabeza durante la cirugía25,29 y la estimación de la curvatura del cráneo mediante el ajuste de círculos a cortes coronales y sagitales de resonancias magnéticas (RM)9,12 puede introducir complicaciones debido a la imprecisión. Incluso los más precisos crean espacios de 1-2 mm entre el implante y el cráneo, proporcionando espacio para que se acumule el tejido de granulación29. Estos huecos también dificultan la colocación de tornillos en la cirugía9, comprometiendo la estabilidad del implante. Más recientemente, se han desarrollado implantes personalizados para mejorar la osteointegración y la longevidad del implante9,29,30,32. Los costos adicionales han acompañado a los avances en el diseño de implantes personalizados debido a la dependencia de los modelos computacionales. Los métodos más precisos requieren equipos sofisticados, como máquinas de tomografía computarizada (TC), además de máquinas de imágenes por resonancia magnética (IRM)30,32,33 e incluso fresadoras de control numérico computarizado (CNC) para el desarrollo de prototipos de implantes25,29,32,34. Obtener acceso tanto a la resonancia magnética como a la tomografía computarizada, particularmente para su uso con NHP, puede no ser factible para los laboratorios que necesitan implantes personalizados, como cámaras craneales y postes de cabeza.

Como resultado, existe una necesidad en la comunidad de técnicas económicas, precisas y no invasivas de planificación neuroquirúrgica y experimental que faciliten el diseño y la validación de los implantes antes de su uso. Este artículo describe un método para generar representaciones virtuales en 3D del cerebro y el cráneo a partir de datos de RM para la planificación de la ubicación de la craneotomía y el diseño de cámaras craneales personalizadas y postes de cabeza que se ajusten al cráneo. Este procedimiento simplificado proporciona un diseño estandarizado que puede beneficiar los resultados experimentales y el bienestar de los animales de investigación. Solo se requiere una resonancia magnética para este modelado, ya que tanto el hueso como el tejido blando se representan en la resonancia magnética. En lugar de utilizar una fresadora CNC, los modelos se pueden imprimir en 3D de forma económica, incluso cuando se requieren varias iteraciones. Esto también permite que el diseño final se imprima en 3D en metales biocompatibles como el titanio para su implantación. Además, describimos la fabricación de una duramadre artificial, que se coloca dentro de la cámara craneal en el momento de la implantación. Estos componentes se pueden validar prequirúrgicamente colocando todas las piezas en un modelo impreso en 3D de tamaño real del cráneo y el cerebro.

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Protocol

Todos los procedimientos que involucran animales fueron aprobados por el Comité del Instituto para el Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Washington. En este estudio se utilizaron un total de cuatro macacos rhesus machos adultos (Macaca mulatta). En el momento de la adquisición de la resonancia magnética, el mono H tenía 7 años, el mono L 6 años, el mono C 8,5 años y el mono B 5,5 años. A los monos H y L se les implantaron cámaras crónicas personalizadas a los 9 años de edad.

1. Aislamiento del cráneo y el cerebro (Figura 1)

  1. Adquiera un archivo T1 de eco de gradiente preparado de magnetización rápida (MPRAGE) del cráneo y el cerebro utilizando una máquina de resonancia magnética 3T. Utilice los siguientes parámetros para la adquisición de RM35: ángulo de giro = 8°, tiempo de repetición/tiempo de eco = 7,5/3,69 s, tamaño de la matriz = 432 x 432 x 80, duración de la adquisición = 103,7 s, Multibobina, grosor de corte = 1 mm, número de promedios = 1.
  2. Descargue la carpeta etiquetada como supplemental_code (Archivo de codificación suplementario 1). Esta carpeta debe contener los siguientes archivos: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37.
  3. Agregue el archivo de resonancia magnética a la carpeta supplemental_code . En el software computacional, seleccione la carpeta supplemental_code como ruta de acceso del archivo y ejecute brain_extract.m.
  4. En los siguientes pasos se describe un método semiautomatizado de aislamiento de cráneo y cerebro mediante MATLAB (Figura 1), que se ha agregado a partir de técnicas de extracción anteriores35. La ventana de comandos solicitará los parámetros necesarios para el aislamiento del cerebro y el cráneo y la visualización de la craneotomía. Después de introducir cada respuesta en la ventana de comandos, haga clic en Intro.
    1. La ventana de comandos solicitará primero el nombre del archivo MPRAGE. Escriba el nombre del archivo (por ejemplo, MRIFile.dcm) y confirme que la resonancia magnética se muestre correctamente (Figura 1A).
    2. Para aislar el cráneo (Figura 1B - D), siga los pasos detallados que se describen en la ventana de comandos. Identificar un valor umbral adecuado que separe el cráneo del tejido circundante sin eliminar la materia del cráneo (Figura suplementaria 1A). Confirme un valor umbral pulsando (y).
    3. Se utiliza una técnica similar para aislar el cerebro (Figura 1E - G). Cuando se le solicite en la ventana de comandos, introduzca un umbral para el cerebro. Evalúe la figura que aparece y ajuste el umbral si es necesario. Asegúrese de que el cerebro esté aislado del cráneo y del tejido circundante y de que no se extirpe tejido cerebral en el proceso. Confirme un valor umbral pulsando (y).
    4. Continúe con la sección de interés.

2. Planificación de la ubicación de la craneotomía (Figura 2)

  1. Después de que se hayan extraído el cerebro y el cráneo, ingrese las coordenadas de la craneotomía. Si aún no se conocen las coordenadas, indique (n) para no y se mostrará una figura (Figura complementaria 1B). Determine las coordenadas de la craneotomía eligiendo un marco z (plano coronal) y seleccionando un punto en el marco z elegido para el centro de la craneotomía.
    1. Si se conocen las coordenadas, indíquelas con los respectivos valores x (sagital), y ( axial) y z (coronal).
  2. Introduzca el radio de la craneotomía en milímetros (por ejemplo, 10 mm) y no elija ningún radio exterior.
  3. Especifique si se necesita una barra de escala para las imágenes del cráneo y el cerebro. Las barras de escala ayudan a confirmar que las dimensiones de los modelos son correctas.
  4. Guarde los archivos de cerebro y cráneo como STL para imprimirlos en 3D si lo desea (Figura 1D, G).
  5. A continuación, se mostrará una figura con el cerebro y el cráneo craneotomizado. Esto se puede utilizar para verificar el acceso a áreas específicas del cerebro. El cerebro está representado en azul y el cráneo en gris claro (Figura 2B, E).
  6. Elija (n) para completar una reducción de tamaño SLT, que es una característica que se utilizará para pasos futuros (ver más abajo).
  7. Repita las secciones 1 y 2 por iteración de craneotomía.

3. Diseño de la cámara craneal (Figura 3)

  1. Antes de comenzar el diseño de la cámara, confirme la ubicación de la craneotomía y el radio de la craneotomía utilizando el procedimiento de planificación de la ubicación de la craneotomía.
  2. Una vez que se haya completado el aislamiento del cráneo y el cerebro, el siguiente paso será ingresar las coordenadas finalizadas del centro de la craneotomía. Introduzca los valores x (sagital), y (axial) y z (coronal).
  3. A continuación, la ventana de comandos le pedirá que introduzca los radios interior y exterior, que determinan el área del cráneo con la que se trabajará para el diseño de la cámara. Elija un radio interior menor que el radio real de la craneotomía (p. ej., 5 mm para un radio de craneotomía de 10,0 mm) y un segundo radio exterior mayor que el radio planificado del faldón de la cámara (p. ej., 26 mm para un faldón de la cámara que tendrá un radio de 22 mm). Esto proporcionará una estructura de cráneo en forma de anillo como base para la cámara sobre la que se construirá.
    NOTA: Para diseñar una cámara con un radio de craneotomía de 10 mm, se eligió un radio interior de 5 mm. Esto proporciona una representación precisa del cráneo en el borde de la craneotomía mientras se mantiene un círculo lo suficientemente pequeño como para que el centro de la craneotomía se pueda identificar fácilmente cuando la representación del cráneo se exporta al software de diseño. Se extrajo un radio exterior de 26 mm para una cámara de 22 mm de radio para garantizar que se disponga de un área adicional del cráneo. Las dimensiones de la cámara se desarrollaron con las restricciones establecidas por las necesidades del experimento. Los radios utilizados en este paso estarán determinados por el tamaño de la craneotomía y el tamaño de la falda de la cámara, que depende del tamaño de los tornillos y del espacio disponible en el cráneo.
  4. Indique si se necesitan barras de escala para las imágenes del cráneo y el cerebro.
  5. Guarde los archivos de cerebro y cráneo si lo desea.
  6. Aparecerá una figura con el cerebro (en azul) y la región del cráneo (en gris) que se seleccionó (Figura 3A). A continuación, es necesario aplicar una reducción del tamaño STL en la región del cráneo seleccionada para facilitar el manejo del archivo en el software de diseño asistido por ordenador (CAD).
  7. Seleccione (y) para comenzar la reducción del tamaño de STL. La reducción de tamaño creará un archivo STL con un tamaño de archivo reducido que se puede importar fácilmente al software CAD para el diseño de hardware personalizado.
  8. Usando la figura con el cerebro y el cráneo superpuestos (Figura 3A), use el mouse para seleccionar puntos en la superficie del cráneo que se usarán para la reducción de archivos. Mantenga presionada la tecla Mayús para colocar más de un punto.
    1. Coloque puntos para cubrir la región de interés, que en este caso es la región del cráneo seleccionada. Coloque los puntos lo más juntos posible para garantizar una representación más precisa y exacta del cráneo (Figura complementaria 2). Algunos usuarios pueden preferir seleccionar ~ 20 puntos críticos y completar el resto del diseño de la cámara como práctica antes de seleccionar todos los puntos de interés para el producto final.
    2. Al seleccionar puntos, es mejor colocar tantos puntos en la región seleccionada como sea posible. En general, ~ 200 puntos representan bien la curvatura del cráneo. Coloque más puntos alrededor de los bordes de la región seleccionada para enfatizar el límite entre el cerebro y el cráneo.
      NOTA: Evite hacer clic en el botón Intro antes de terminar de colocar puntos en toda la región, ya que hará que el código progrese prematuramente y que se tenga que repetir el proceso de selección de puntos.
  9. Pulse Intro cuando termine de colocar los puntos en el cráneo seleccionado. Escriba el nombre de archivo reducido en la ventana de comandos.
  10. Importe el archivo en el software CAD para el diseño personalizado de la cámara. Comience abriendo el software CAD.
  11. Haga clic en Archivo > Abrir y seleccione el nombre de archivo de la reducción STL en el directorio.
    1. Antes de hacer clic en Abrir, haga clic en el botón Opciones y, en el menú Importar como , haga clic en Cuerpo de superficie. Haga clic en Aceptar y, a continuación, en Abrir.
  12. Una vez importado el STL, compruebe si hay pequeños agujeros en la superficie, indicados por líneas azules. Si hay orificios en la región del cráneo que cubrirá la cámara (Figura suplementaria 3), complete el procedimiento de fijación de orificios (Sección 6) en el paso 3.19.1.
  13. Vea la superficie del cráneo de la cámara en el software CAD como se muestra en la Figura 3B. Asegúrese de que los bordes del área seleccionada sean visibles en la representación del cráneo.
  14. Encuentre el contorno del círculo interior en el centro de la superficie importada para ubicar el centro de la craneotomía. Cree un plano alineado con el círculo interior haciendo clic en Insertar geometría de referencia > > plano. Utilice tres puntos distribuidos uniformemente a lo largo de la circunferencia del círculo interior como puntos de referencia para el plano.
  15. Crea un círculo correspondiente al círculo interior haciendo clic en el icono del círculo en la pestaña Boceto . Elija el plano del paso anterior como plano de referencia e identifique los puntos a lo largo del borde hasta que la vista preliminar del círculo proporcione una representación precisa del contorno del círculo interior. Es posible que haya que probar varias combinaciones diferentes de puntos para encontrar los que mejor se ajusten al círculo interior.
  16. Con el círculo como referencia, cree un punto en el centro del círculo haciendo clic en Insertar geometría de referencia > > punto y utilice la opción Centro de arco. Este punto representa el centro de la craneotomía.
  17. Como plano de referencia para futuras extrusiones, haga un segundo plano paralelo al plano inicial y desfasado 10 mm. Al elegir la dirección del desplazamiento, asegúrese de que la flecha apunte hacia arriba desde el objeto.
  18. Creación del anillo interior de la cámara (Figura 3C)
    1. Cree un eje que se extienda perpendicularmente tanto al plano de la craneotomía como al plano superior haciendo clic en Insertar > geometría de referencia > eje, resaltando la opción Punto y cara/plano , y utilizando el plano superior y el punto central de la craneotomía como referencias. Haz otro punto en la intersección de este eje y el plano superior.
    2. Seleccione Extruir saliente/base y el plano superior como superficie desde la que se va a extruir. Haga un boceto de la sección transversal del anillo interior creando dos círculos concéntricos con el punto del plano superior como punto central (por ejemplo, radios de 11,35 mm y 12,25 mm). Seleccione Hasta superficie en el menú de dirección y especifique la superficie importada como la superficie a la que desea extruir.
    3. Copie la superficie importada seleccionando Insertar > superficie > Mover/Copiar y eleve la superficie copiada a la altura del anillo interior y el faldón (por ejemplo, 3,5 mm). Utilice la opción Trasladar del menú Mover/Copiar y traslade la superficie a lo largo del eje perpendicular a ambos planos.
    4. Realice un corte circular extruido desde el plano superior hasta la superficie copiada. Comience haciendo clic en Corte extruido y seleccionando la superficie superior del anillo interior como punto de partida para el corte extruido. Complete la extrusión eligiendo la superficie copiada como punto final.
    5. Elimine la superficie importada original con la herramienta Insertar > operaciones > Eliminar/Mantener cuerpo . Con la herramienta Ocultar/Mostrar de la pestaña Vista , la superficie copiada se puede ocultar para ver el anillo interior y validar su diseño.
  19. Creación de faldón de cámara (Figura 3D)
    1. Haga que una segunda superficie copiada se desplace por debajo de la superficie existente por un grosor del faldón de la cámara (por ejemplo, -1,5 mm). En el menú Traslar , elija el eje perpendicular a los planos como punto de referencia y un valor de desplazamiento para crear la nueva superficie debajo de la inicial.
      NOTA: Dependiendo de la dirección predeterminada de la dirección de desplazamiento, es posible que el valor de desplazamiento deba establecerse como negativo para ir en la dirección correcta.
      1. Si hay orificios en la región que cubrirá la cámara, siga los pasos descritos en la sección 6 (fijación de orificios) antes de continuar con el resto del procedimiento de diseño de la cámara.
    2. Realice una extrusión desde el plano superior hasta la superficie inferior en la forma de la cámara. Comience seleccionando Extruir saliente/base y seleccionando el plano superior como plano de extrusión.
      1. Siga el paso 6.2 para manipular las extrusiones existentes del procedimiento del orificio de fijación.
    3. Dibuja la forma de la falda de la cámara en este plano. Haga que el círculo interior de la cámara sea un círculo del mismo tamaño que el radio más pequeño del anillo interior (por ejemplo, 11,35 mm), céntrelo alrededor del punto en el plano superior y haga que el límite exterior del faldón de la cámara utilice una combinación de arcos y líneas para maximizar el área del faldón. Extruya a la parte inferior de las dos superficies.
      NOTA: Si surge un error con la extrusión, es probable que el boceto sea más ancho que la superficie. En este caso, disminuya el tamaño del límite exterior del faldón.
    4. Extruya el corte desde el plano superior hasta la más alta de las dos superficies copiadas en la forma del contorno de la cámara.
      1. Consulte el paso 6.2 para obtener información adicional sobre las extrusiones sobrantes del procedimiento de fijación de orificios.
    5. Para mostrar el faldón de la cámara y el anillo interior, elimine las dos copias restantes de la superficie importada. El objeto resultante debe tener un aspecto similar al de la figura 3D.
    6. Durante el proceso de realización de la reducción STL y su importación, se refleja el modelo del cráneo. Para compensar esto, la falda resultante debe ser reflejada. En el menú Operaciones , haga clic en Simetría y simétrica la falda en el plano superior. Elimine el faldón original con la función Eliminar/Mantener cuerpo .
  20. Combinando la parte superior y el faldón de la cámara (Figura 3E)
    1. Abra el archivo STL de la parte superior de la cámara en el software utilizado para diseñar el faldón de la cámara. A continuación, inserte el faldón de la cámara como una pieza haciendo clic en Insertar > pieza, seleccionando el faldón personalizado en el menú y haciendo clic en cualquier parte de la pantalla para importar la pieza.
    2. Para alinear la parte superior y el faldón de la cámara, haga clic en Insertar > operaciones > Mover/Copiar. Seleccione el faldón de la cámara y haga clic en el botón Restricciones en la parte inferior del menú. Resalte el anillo interior del faldón y la superficie interior de la parte superior de la cámara como relaciones de posición concéntricas (Figura suplementaria 4A).
      1. Confirme que la parte superior del faldón esté alineada con la parte inferior de la parte superior de la cámara y, si es necesario, cambie la dirección de alineación de la relación de posición.
    3. Utilice Mover/Copiar para trasladar el faldón hacia abajo directamente debajo de la parte superior de la cámara. Esto requerirá varias iteraciones para encontrar la distancia correcta, de modo que la parte superior de la cámara no se extienda por debajo del faldón de la cámara y obstruya el faldón (Figura suplementaria 4B y Figura suplementaria 5).
    4. Gire la parte superior de la cámara para alinear los espacios entre las pestañas, de modo que una sea perpendicular y la otra paralela a la línea media del cerebro. Utilice la herramienta Rotar y el eje existente en el centro del objeto como eje de rotación. Ajuste los grados de rotación hasta que la parte superior de la cámara y el faldón estén en la orientación correcta entre sí.
    5. Conecte los objetos entre sí extruyendo desde la parte inferior de la parte superior de la cámara directamente hacia abajo, hacia el faldón. Utilice Extrusión/Base, seleccione la superficie inferior de la parte superior de la cámara y cree un boceto en esta superficie con los mismos radios interior y exterior que este anillo, utilizando el eje central como punto central. Elija Up To Body como dirección de extrusión e indique el faldón de la cámara.
    6. Realice un corte extruido de la superficie de la parte superior de la cámara que sostiene las lengüetas. Después de seleccionar esa superficie como plano de extrusión, dibuje un círculo con el mismo radio interior que el anillo interior. Salga del boceto y realice un corte extruido ciego que sobrepase la parte inferior del faldón de la cámara (por ejemplo, 10 mm).
    7. Agregue doce orificios para tornillos espaciados uniformemente alrededor de la falda de la cámara. Coloque los orificios de los tornillos de manera que estén espaciados uniformemente, pero también lo suficientemente separados como para que sean accesibles durante la cirugía, pero lo suficientemente cerca como para evitar una huella innecesariamente grande en la cámara.
    8. Utilice la herramienta Asistente para taladros para la colocación de orificios para tornillos. Elija los parámetros en el menú Especificación de agujero - Tipo . Los parámetros deben alinearse con los tornillos que se utilizarán durante la implantación quirúrgica (p. ej., Estándar: ANSI métrico, Tipo: Tornillo de cabeza plana - ANSI B18.6.7M, Tamaño: M2, Ajuste: Suelto, Diámetro mínimo: 3,20 mm, Diámetro máximo: 4,00 mm, Ángulo avellanado: 90 grados, Condición final: A través de todo).
    9. Haga clic en la pestaña Posiciones para comenzar a colocar agujeros. Para colocar un agujero, coloque el cursor sobre un plano de la cámara y haga clic con el botón derecho. Coloque los doce orificios para tornillos, asegurándose de que estén colocados de manera uniforme y accesibles.
    10. Si quedan obstrucciones dentro de un orificio de tornillo después de haberlo colocado (Figura suplementaria 6A), elija un plano diferente para colocar el orificio o siga los siguientes pasos para realizar un corte extruido hacia arriba a través del orificio.
      1. Comience el corte extruido hacia arriba creando un plano paralelo al plano restante, pero desplazado hacia abajo en 0,00001 mm para que el plano quede directamente debajo de la obstrucción.
      2. Realice el corte extruido con el plano creado en el último paso como referencia. Usando una combinación de arcos y líneas, dibuje la forma del área que debe eliminarse. Asegúrese de que el croquis contenga cualquier parte del plano que se encuentre dentro del radio exterior del orificio del tornillo (Figura complementaria 6B). Extrusión de corte de 1 mm hacia arriba.
    11. Después de colocar los orificios para tornillos, recorte el faldón para reducir los bordes afilados y minimizar el área innecesaria del faldón. Realice un corte extruido desde la superficie superior de la cámara hasta más allá del faldón de la cámara (por ejemplo, 30 mm). Haz la extrusión en una forma que alise los bordes ásperos y recorte el área exterior del faldón.
      1. Es posible que se necesiten cortes personalizados adicionales para eliminar todos los bordes afilados y el exceso de falda. Si no se pueden cortar áreas del faldón utilizando la superficie superior de la cámara como plano de referencia, cree un plano en ángulo y cree cortes extruidos adicionales utilizando este plano.
    12. Consulte la Figura 3F para ver una representación final del diseño de la cámara. Este diseño puede imprimirse en 3D y colocarse en un modelo de cerebro y cráneo craneotomizado si se desea (Figura 3G).

4. Diseño del poste de la cabeza (Figura 4)

  1. Tenga en cuenta que la ubicación final del centro de craneotomía y el área máxima de faldón de la cámara serán necesarios para el diseño del poste de cabeza.
  2. Introduzca las coordenadas de craneotomía conocidas (valores x, y y z) en la ventana de comandos.
  3. Para el diseño del poste de cabeza, solo se requiere un radio para representar el área del cráneo que está disponible alrededor de la cámara. En este paso, introduzca el radio máximo de la cámara que se diseñó en la sección anterior (por ejemplo, 25 mm). A continuación, indique que no se necesita ningún radio exterior.
  4. Utilice la ventana de comandos para indicar si se necesitan barras de escala para confirmar las dimensiones.
  5. Al igual que en las secciones anteriores, guarde los archivos STL de cerebro y cráneo si es necesario para la impresión 3D.
    La siguiente figura que se muestra mostrará la región del cráneo que rodea la cámara para la creación de una huella de poste de cabecera. Extraiga esta región utilizando una reducción de tamaño STL para importarla al software de diseño.
  6. Seleccione (y) para indicar que se desea una reducción del tamaño STL. Seleccione puntos en la figura con el cerebro (en azul) y el cráneo (en gris) superpuestos. Asegúrese de que los puntos se seleccionen lo más cerca posible y se distribuyan uniformemente a través de la región gris del cráneo (Figura suplementaria 7A). Para obtener más detalles sobre el proceso de selección de puntos, consulte el paso 3.8.
  7. Presione enter después de completar la selección de puntos para cubrir la región de la calavera gris donde se asentará el poste de la cabeza. Indique un nombre de archivo para el archivo reducido descargado en la ventana de comandos.
  8. Importe el archivo reducido en el software CAD para diseñar la huella personalizada del poste de cabecera. Asegúrese de que el archivo se está importando como un cuerpo de superficie.
  9. Después de importar el archivo, compruebe si hay agujeros en la superficie indicados por líneas azules. Si hay agujeros en la región general que cubrirá el poste de cabecera, el procedimiento de los agujeros de fijación (sección 6) deberá completarse en el paso 4.11.
  10. El primer paso del diseño del poste de la cabeza es encontrar un plano en la superficie que se alinee con el plano axial de modo que cuando se combinen la parte superior e inferior del poste de la cabeza, la parte superior del poste de la cabeza sea perpendicular al cráneo (Figura suplementaria 7B, C). Si no se puede encontrar un plano que se alinee directamente con el plano axial en la superficie del cráneo, cree un nuevo plano utilizando un plano existente en la superficie y gírelo para alinearlo correctamente. Es útil tener un modelo físico de cráneo en 3D que se pueda utilizar para compararlo con la representación de cráneo virtual.
    1. Es posible que este paso deba modificarse varias veces para crear una parte superior del poste de la cabeza que sea directamente perpendicular al cráneo. Para cambiar el ángulo de la parte superior del poste de cabecera con respecto a la huella del poste de cabecera, modifique el plano utilizado en este paso. Es posible que haya que probar un par de planos para encontrar uno que se sitúe paralelo al plano axial.
  11. Utilice el plano encontrado o creado en el paso anterior para crear un plano paralelo a 3 mm por encima de la superficie que proporcionará una referencia para la orientación de la parte superior del poste de la cabecera.
    1. Complete el procedimiento de fijación de orificios descrito en la sección 6 con los huecos que surjan en la región del poste de cabecera.
  12. Creación de la parte inferior del poste de la cabeza (Figura 4C)
    1. Haga clic en Extruir saliente/base, seleccione el nuevo plano y cree un boceto de la huella del poste de cabecera utilizando una combinación de arcos y líneas. Haga que las patas del poste de cabecera sean de longitud similar y que los ángulos entre ellas sean congruentes (vea el ejemplo en la Figura 4A). Utilice arcos para conectar las patas del poste de cabecera para garantizar bordes suaves alrededor de la huella y extruir el boceto a la superficie importada.
      NOTA: El número de patas del poste dependerá del espacio disponible alrededor de la cámara. Sin embargo, el tija de cabeza debe tener un mínimo de tres patas para garantizar una estabilidad mecánica adecuada.
      1. Consulte el paso 6.2 para obtener instrucciones sobre cómo dibujar alrededor de las extrusiones existentes desde el procedimiento del orificio de fijación.
    2. En este punto, la superficie inferior del poste de la cabeza está disponible para confirmar que la superficie coincide con la curvatura del cráneo. Si desea imprimir en 3D para comprobar el ajuste, complete los siguientes cuatro pasos.
      1. Elimine el cuerpo de superficie importado. Simetría la huella a través del plano creado en el paso 4.10. En el menú Simetría , confirme que la casilla Fusionar sólidos no esté marcada.
      2. Para verificar que la huella coincide con la curvatura del cráneo, use Eliminar/Mantener cuerpo para eliminar la huella original, dejando solo la versión reflejada.
      3. Imprime en 3D el objeto como un STL y colócalo en el modelo de cráneo 3D para probar físicamente si coincide con la curvatura del cráneo.
      4. Para continuar con el diseño del poste de la cabeza, use la flecha Deshacer en la parte superior de la barra de herramientas para deshacer los dos pasos anteriores (duplicación y eliminación). Esto debería restaurar la huella original y el cuerpo de la superficie.
    3. Cree un punto en el centro de la superficie plana de la huella. Cree un eje utilizando este punto y el plano de referencia superior.
    4. Haga clic en la herramienta Mover/Copiar y cree una copia de la superficie importada elevada al grosor de la parte inferior del poste de cabecera (por ejemplo, 1,35 mm). Utilice el eje creado en este paso como referencia de traslación y compruebe que la casilla Copiar está activada para evitar que se modifique la superficie original.
    5. Realice un corte extruido desde la superficie plana de la huella del poste de cabecera hasta la superficie copiada (elevada). Elimine la superficie original y su copia. La parte resultante se puede ver en la Figura 4B.
      1. Siga el paso 6.3 para las extrusiones existentes del procedimiento del orificio de fijación.
    6. Cree un nuevo plano paralelo al plano de referencia, pero desplazado hacia arriba o hacia abajo para flotar al menos 1 mm por encima de la parte inferior del poste de la cabeza. Para determinar la longitud de la traducción, utilice la herramienta Medir en la pestaña Evaluar . Haz una extrusión circular desde el nuevo plano hasta la parte inferior del poste de la cabeza para crear una plataforma donde se asentará la base de la parte superior del poste de la cabeza y asegúrate de que la plataforma esté centrada alrededor de la línea media del cráneo.
    7. Utilice la herramienta Empalme del menú Operaciones para suavizar la intersección entre la extrusión y la huella del poste de cabecera. Pruebe diferentes valores de radios utilizando el parámetro Asimétrico y elija los valores de radios más grandes posibles.
    8. En este punto, verifique la ubicación de la plataforma superior del poste de la cabeza imprimiendo en 3D la versión actual y probándola con un modelo de calavera.
    9. Coloque los orificios de los tornillos a lo largo de la parte inferior del poste de la cabeza utilizando la misma técnica que se utilizó para los orificios de los tornillos de la cámara (paso 3.20.7). Agregue un mínimo de tres orificios para tornillos en cada pata del poste de la cabeza. Asegúrese de que el punto central de cada orificio del tornillo esté al menos a 5 mm del centro del siguiente orificio y que los bordes de cada orificio estén al menos a 2,5 mm del borde de la pata.
      1. Para evitar los vasos sanguíneos que corren por debajo del cráneo y cerca de la línea media, confirme que los orificios de los tornillos no crucen la línea media y muévalos si es necesario. El producto debe tener un aspecto similar al diseño de la Figura 4C.
    10. Simetría de la pieza con la herramienta Simetría para compensar la simetría que se produce durante la importación de la superficie del cráneo. Utilice la parte superior de la base circular como plano de simetría.
    11. Elimine la pieza original con la función Eliminar/Mantener cuerpo para que solo quede la versión reflejada.
  13. Combinación de la parte superior e inferior del poste de la cabeza (Figura 4D)
    1. Importe la parte superior del poste de cabecera como una pieza desde el menú Insertar . Una vez que la pieza se haya resaltado en el menú, haga clic en cualquier parte de la pantalla para agregar la pieza.
    2. Usando la función Mover/Copiar , alinee el poste superior e inferior. Comience especificando la parte superior del poste de la cabeza como el cuerpo que se va a mover. A continuación, realice las tres relaciones de posición siguientes en el menú Restricciones :
      1. Asegúrese de que la superficie superior de la plataforma circular del poste de la cabeza y la superficie inferior de la parte superior del poste de la cabeza se hayan acoplado por coincidencia.
      2. Asegúrese de que las aristas contorneadas de las superficies del último par de relaciones de posición se hayan acoplado concéntricamente.
      3. Acopla una línea que vaya verticalmente a lo largo de la pata trasera del poste de la cabeza y una línea que vaya horizontalmente a lo largo de la parte posterior de la parte superior del poste de la cabeza (el lado plano) perpendicularmente. Asegúrese de que la cara curva de la parte superior esté orientada hacia adelante (anterior) y la cara plana esté más cerca de la pata trasera del poste de la cabeza (posterior).
      4. Confirme que cada conexión está en la dirección correcta y cambie las direcciones de acoplamiento en el menú si es necesario (consulte la Figura complementaria 8 para ver un ejemplo de relaciones de posición).
        NOTA: El procedimiento para combinar la parte inferior y superior del poste de cabeza personalizado utiliza una parte superior de poste de cabeza genérica que se diseñó con software CAD. Aquí, la parte superior está diseñada en base al poste de la cabeza del Instrumento Crist. El procedimiento de acoplamiento descrito anteriormente es específico para estas piezas y es posible que deba ajustarse si se utilizan diferentes piezas de acoplamiento.
    3. Asegúrese de que la parte superior e inferior del poste de cabeza combinados se parezca a la Figura 4D.
      1. Si la parte superior del poste de cabecera no está correctamente alineada, modifique el plano de referencia utilizado en el paso 4.11.

5. Fabricación de duramadre artificial 11 (Figura 5)

  1. Obtenga el molde de duramadre artificial (Figura 5B).
  2. Cree la mezcla de silicona dura artificial mezclando silicona KE1300-T y CAT-1300 en una proporción de 10:1.
  3. Vierta 1 ml de la mezcla en la superficie superior del cilindro en el centro del molde.
  4. Para evitar burbujas de aire, coloque el molde en una cámara de vacío durante unos 15 minutos.
  5. Agrega la segunda capa del molde, usando los postes a cada lado del cilindro para guiar la alineación de la pieza.
  6. Vierta 3-4 ml de mezcla de silicona en el molde y coloque la pieza acrílica transparente en la parte superior del molde (Figura 5A). Use una abrazadera en C para sujetar el molde.
  7. Compruebe si hay burbujas de aire en la ventana óptica y retírelas con una cámara de vacío según sea necesario.
  8. Cura la estructura resultante durante la noche a temperatura ambiente. Las burbujas de aire sobrantes se eliminan a través de la presión creada cuando el molde se sujeta antes del curado.
  9. Desmonte después del curado quitando cada pieza de moldura y quitando con cuidado la duramadre de silicona.

6. Procedimiento de fijación de agujeros

  1. Realice el procedimiento de fijación de agujeros si se han encontrado agujeros en la representación del cráneo (indicados por líneas azules en el software CAD). Complete los siguientes pasos después de que se hayan creado las superficies inferiores (las superficies que finalizarán las extrusiones). Para la cámara, esto sigue el paso 3.19. Para el poste principal, inicie este procedimiento después de que se haya completado el paso 4.12.
    1. Oculte cualquier superficie o extrusión además de la superficie inferior para que la superficie inferior se pueda visualizar de forma independiente.
    2. Utilice Insertar > superficie > Planar para crear una superficie plana en cada cara que esté en contacto con el hueco, así como sobre el hueco si procede. Para especificar una superficie, seleccione cada arista como entidad delimitadora.
    3. Cree superficies planas hasta que cada hueco esté rodeado, incluidas las esquinas de los huecos y los bordes de las líneas.
    4. Haga clic en Insertar > superficie > tejer y seleccione todas las superficies planas que rodean el hueco. Consulte la Figura suplementaria 9A para obtener una imagen de las superficies tejidas.
    5. Cree un eje de referencia en cada punto a lo largo del borde de la superficie tejida eligiendo Punto y Cara/Plano como tipo de referencia y seleccionando un punto en el borde de la superficie y el plano superior. Repita para cada punto en el borde de la superficie tejida (Figura suplementaria 9B).
    6. Cree un punto en la intersección de cada eje alrededor de la superficie tejida con el plano de referencia superior. Elija Intersección como tipo de referencia y seleccione un eje y el plano superior. Asegúrese de crear un punto que corresponda a cada eje.
    7. Realice un boceto que conecte cada punto de referencia realizado en el paso anterior. Elija Subir a la superficie para la dirección y seleccione la superficie tejida como la superficie a la que se va a extruir.
    8. Repita los pasos 6.1.2 a 6.1.7 para todos los huecos de la región que cubrirá la cámara o el poste de cabecera (véase la Figura suplementaria 9C para ver el resultado final del procedimiento de fijación de los orificios).
  2. Al realizar la extrusión desde el plano de referencia superior hasta la superficie más baja (Paso 3.19.2 o Paso 4.12.1), asegúrese de que el contorno de la cámara/poste de cabecera se dibuje alrededor de las extrusiones existentes.
  3. De manera similar, al realizar los cortes extruidos desde el plano superior hasta la más alta de las dos superficies (paso 3.19.4 o paso 4.12.5), realice el corte extruido principal por separado de las extrusiones que resultaron del procedimiento de orificios de fijación (Figura suplementaria 10A).
    1. Para realizar cortes extruidos a partir de orificios de fijación, extruya la superficie superior de las extrusiones existentes a un plano en la superficie elevada que proporcione una superficie superior lisa para la cámara o el poste de cabecera (Figura suplementaria 10B). Si el corte extruido crea una superficie rígida, utilice un plano diferente o realice extrusiones posteriores.

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Representative Results

Estos componentes se validaron previamente mediante una combinación de visualizaciones de resonancia magnética y modelos anatómicos impresos en 3D. Al comparar la visualización automatizada de la craneotomía con la craneotomía impresa en 3D y la resonancia magnética en la ubicación de la craneotomía, es evidente que la representación virtual de la craneotomía refleja con precisión la región del cerebro a la que se puede acceder con la ubicación de craneotomía especificada (Figura 2A-F). Además, se evaluó aún más la precisión de la visualización automatizada de la craneotomía comparando la representación virtual con las craneotomías existentes de las cirugías de implantación (Figura 2E, G). El modelo impreso en 3D, la visualización automatizada, la resonancia magnética y la craneotomía real resaltan la misma región, mostrando los surcos principales en el mismo lugar y con consistencia proporcional. El proceso de aislamiento del cerebro y el cráneo y la posterior visualización de la craneotomía tarda menos de 15 minutos en completarse, lo que permite probar varias ubicaciones en menos de 1 hora.

La eficacia del procedimiento de aislamiento cerebral se confirmó comparando la craneotomía virtual con la representación de la localización de la craneotomía en la RM (Figura 2B, C, E, F). Las similitudes indicaron que el procedimiento de aislamiento cerebral tiene la capacidad de representar el tamaño, la ubicación y la forma correctos de las estructuras anatómicas en el cerebro que están siendo atacadas, como los surcos.

El cerebro y el cráneo impresos en 3D combinados se utilizaron como un modelo anatómicamente preciso para validar los diseños de la cámara y el poste de la cabeza. Antes de invertir en piezas de titanio, la cámara y el poste de la cabeza se imprimían en 3D en plástico. Se confirmó que los implantes encajaban en el cráneo y que no se superponían entre sí ni obstruían marcadores anatómicos importantes. El proceso de diseño de la cámara y el poste de la cabeza produjo componentes que coincidían con la curvatura del cráneo (Figura 3G, I, Figura 4E, Figura 6, Figura 7). También se confirmó que la duramadre artificial encajaba adyacente a las paredes internas de la cámara con un espacio menor para tener en cuenta los ajustes realizados durante la implantación. Se implantaron cámaras personalizadas en dos macacos. Contrariamente a los métodos anteriores de diseño de cámaras9, todos los tornillos que se intentaban insertar se podían atornillar. Esto se debe a la reducción drástica de los espacios entre la cámara y el cráneo con el ajuste personalizado en comparación con la cámara diseñada a partir de las aproximaciones de curvatura de la RM9 (Figura 6A-F). Una cámara a medida se ha implantado durante más de 2 años y la otra un año y medio. Con un mantenimiento adecuado, no ha habido pérdida de tornillos, infección o problemas de estabilidad que hayan surgido debido a estos implantes (Figura 3I).

Los procesos personalizados de diseño de la cámara y el poste de la cabeza evitan la necesidad de ajustes manuales durante la cirugía, lo que de otro modo podría agregar horas a la duración de la cirugía. Estas técnicas también disminuyen los espacios de 1-2 mm que resultan de las aproximaciones de curvatura29, lo que fomenta una mejor salud del implante y mejora los resultados experimentales. Los refinamientos evitan complicaciones con el implante y prolongan la longevidad del implante, por lo que también mejoran el bienestar animal.

Figure 1
Figura 1: Aislamiento del cerebro y el cráneo. (A) Cortes coronales de imagen de resonancia magnética (IRM) en capas. (B) Máscara binaria en capas del umbral del cráneo. (C) Rebanadas en capas del cráneo aislado de una máscara binaria invertida. (D) Cráneo 3D reconstruido. (E) Máscara binaria en capas del umbral cerebral. (F) Cortes de resonancia magnética en capas de cerebro aislado. (G) Cerebro 3D reconstruido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Planificación de la craneotomía. (A) Visualización de craneotomía con modelo de cerebro y cráneo impreso en 3D para Monkey B. (B) Visualización de craneotomía en software computacional para Monkey B. (C) Visualización de craneotomía en imagen de resonancia magnética (RM) para Monkey B. (D) Visualización de craneotomía con modelo de cerebro y cráneo impreso en 3D para Monkey H. (E) Visualización de craneotomía en software computacional para Monkey H. (F) Visualización de craneotomía en imagen de resonancia magnética (RM) para Monkey H. (G) Imagen de craneotomía en Monkey H. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Diseño del implante de cámara. (A) Región del cráneo (gris) utilizada para la reducción de la resolución STL. (B) Reducción de la resolución STL del cráneo en SOLIDWORKS. (C) Anillo interior de la cámara, resaltado. (d) Diseño de faldón de cámara en SOLIDWORKS. (E) Falda y parte superior de la cámara de conexión. (F) STL de cámara en SOLIDWORKS. (G) Cerebro, cráneo y cámara impresos en 3D. (H) Cámara de titanio. (I) Cámara implantada en Monkey H. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Diseño del poste de la cabeza. (A) Contorno inferior del poste de la cabeza en la reducción de la resolución STL del cráneo. (B) Huella de poste de cabeza a medida. (C) Parte inferior del poste de la cabeza. (D) Diseño de postes de cabecera en SOLIDWORKS. (E) Poste impreso en 3D en el cráneo. (F) Poste de titanio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Fabricación de duramadre artificial. (A) Sujeción de la mezcla de silicona mediante molde. (b) Duramadre artificial. Esta figura ha sido adaptada con permiso de Griggs et al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Cámara de ajuste a medida frente a la cámara de ajuste de curvatura del cráneo. Cámara diseñada a partir de estimaciones de curvatura de resonancia magnética en el cráneo9 desde una vista (A) anterior, (B) vista lateral y (C) vista posterior. Cámara diseñada a medida desde una vista (D) anterior, (E) vista lateral y (F) vista posterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Cámara, poste de cabeza y duramadre artificial en el cerebro y el cráneo superpuestos Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura complementaria 1: Planificación de la localización de la craneotomía y de los umbrales. (A) Ejemplo de máscara binaria con un umbral adecuado. (B) Corte coronal en la resonancia magnética para identificar la ubicación de la craneotomía. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura complementaria 2: Proceso de reducción de archivos STL en MATLAB para el diseño de cámaras. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 3: Representación visual de un agujero en el cráneo Reducción de la resolución STL. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura complementaria 4: Capturas de pantalla del software de faldón de cámara. (A) Anillo interior de la falda de la cámara y la superficie interior de la parte superior de la cámara como relaciones de posición concéntricas. (B) Traslación del faldón de la cámara hacia abajo. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 5: Faldón de la cámara y parte superior de la cámara con y sin superposición. (A) Ejemplo de vista inferior de superposición entre el faldón de la cámara y la parte superior de la cámara (Modifica la superficie inferior del faldón de la cámara). (B) Ejemplo de no superposición entre el faldón de la cámara y la parte superior de la cámara. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 6: Planos que obstruyen los orificios de los tornillos y eliminación de la obstrucción. (A) Ejemplo de planos que obstruyen los orificios de los tornillos después de la colocación de los orificios de los tornillos. (B) Contorno del corte extruido para eliminar las superficies dentro de los orificios de los tornillos. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura complementaria 7: Selección del punto y plano axial del cráneo. (A) Selección de puntos para el diseño de la cabecera. (B) Vista superior del plano paralelo al plano axial del cráneo. (C) Vista lateral del plano paralelo al plano axial del cráneo. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura complementaria 8: Ejemplo de mates. (A) Primer oficial - Superficie superior de la plataforma circular del poste de cabecera y la superficie inferior de la parte superior del poste de cabecera como relaciones de posición concéntricas. (B) Segundo oficial - Borde de la superficie superior de la plataforma circular del poste de cabecera y borde de la superficie inferior de la parte superior del poste de cabecera como relaciones de posición concéntricas. (C) Tercer oficial - Una línea que va verticalmente a lo largo de la pata trasera del poste de la cabeza y una línea que corre horizontalmente a lo largo de la parte posterior de la parte superior del poste de la cabeza como relaciones de posición perpendiculares. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura complementaria 9: Procedimiento de fijación de agujeros. (A) Superficies tejidas que rodean el espacio en la superficie importada. (B) Eje en cada punto en el borde de la superficie tejida. (C) Resultado final del procedimiento de fijación de orificios. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura complementaria 10: Realización del corte extruido. (A) Extrusión extruida que rodea el corte del procedimiento de fijación de orificios. (B) Ejemplo de corte extruido a un plano en la superficie superior de la parte inferior de la cámara. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo de codificación suplementario 1: Archivos de codificación para el protocolo. Haga clic aquí para descargar este archivo.

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Discussion

Este artículo describe un método sencillo y preciso de planificación neuroquirúrgica que no solo es beneficioso para el desarrollo de componentes utilizados para el implante de la ventana craneal de NHP, sino que también es transferible a otras áreas de investigación en neurociencia de NHP 13,15,25. En comparación con otros métodos actuales de planificación y diseño de implantes NHP 25,29,30, este procedimiento tiene el potencial de ser adoptado por más laboratorios de neurociencia, ya que es simple y económico. Si bien la TC se usa comúnmente para modelar el cráneo32,38, este protocolo proporciona suficientes detalles de modelado tanto para el cerebro como para el cráneo utilizando solo resonancias magnéticas. Los métodos existentes requieren tanto resonancias magnéticas como tomografías computarizadas para el aislamiento del cerebro y el cráneo 30,32,33, mientras que este método elimina los costos adicionales y los desafíos de las imágenes por TC. Un beneficio adicional es que este modelo no requiere la alineación de resonancias magnéticas y tomografías computarizadas, lo que ahorra un tiempo significativo y evita problemas asociados con una alineación deficiente39. La generación de modelos de cerebro y cráneo a partir de un único archivo de imágenes produce modelos altamente compatibles que se combinan fácilmente para la visualización de craneotomías. Esta característica es particularmente útil para los procesos iterativos de pruebas de craneotomía porque en lugar de combinar y alinear archivos de programas separados30,33, ambos modelos se generan en un software a partir de un solo archivo de entrada y se muestran automáticamente en cuestión de segundos. Esto permite una confirmación eficiente de la precisión del modelado del cerebro y el cráneo y garantiza que los implantes coincidan con la curvatura del cráneo in vivo. Esto también elimina la impresión 3D iterativa del cráneo que antes se requería para determinar la ubicación óptima de la craneotomía35, lo que ahorra decenas de horas de impresión por iteración. Nuestra técnica basada en software, en comparación, tarda entre 10 y 15 minutos en generar cada iteración de craneotomía.

La identificación de la ubicación del implante en relación con las regiones frontal, parietal y temporal del cráneo, así como otras características del cráneo, tiene inmensos beneficios para la planificación quirúrgica y experimental. Esta característica se aprovecha para diseñar a medida la huella del poste de cabecera con respecto a la huella de la cámara. Para cualquier investigación en neurociencia de NHP, esta característica de modelado espacial se puede adaptar para diseñar componentes a partir de planos anatómicos, coordenadas de resonancia magnética, características anatómicas del cerebro y el cráneo, y con respecto a los implantes existentes. De este modo, se reduce drásticamente la posibilidad de que surjan imprevistos durante o después de la implantación. Este procedimiento también tiene la capacidad de crear implantes que abarcan múltiples áreas del cerebro desde diferentes planos mientras se mantiene un ajuste firme al cráneo.

El método resaltado aquí crea una cámara circular y permite diseñar un poste de cabecera alrededor de la cámara. Sin embargo, el procedimiento aquí tiene el potencial de acomodar otras formas a través de la modificación de la sección de diseño de faldón de cámara. Lo mismo ocurre con el diseño del poste de la cabeza: el procedimiento permite crear diferentes números de patas y otras formas personalizadas, y la forma depende principalmente del espacio disponible alrededor de la cámara. La forma de la reducción STL del cráneo, que actualmente es un anillo para el diseño de la cámara, podría modificarse aún más para crear diferentes formas de reducción STL del cráneo adaptadas a la necesidad de diseños particulares de cámara o poste de cabeza, lo que facilita una adaptación más eficiente.

Aunque este proceso crea implantes personalizados de manera efectiva, hay pasos que se pueden mejorar para una producción más eficiente. Como se mencionó anteriormente, alinear la parte superior del poste de la cabeza perpendicular al cráneo es un proceso iterativo con el método descrito en este artículo debido a la dificultad de identificar la orientación del cráneo en el software de diseño. Para agilizar el proceso de posicionamiento de la parte superior del poste de la cabeza en la parte inferior, se podrían colocar marcadores adicionales en la representación virtual del cráneo para indicar los planos axial, sagital y coronal. El protocolo también tiene el potencial de automatizarse aún más para una mayor facilidad de uso. Si bien el método de reducción de STL del cráneo discutido en este protocolo es efectivo para el diseño de implantes, podría hacerse más rápido y más consistente con una mayor automatización. Nuestro procedimiento de validación requiere la impresión en 3D del cráneo y los prototipos de implantes para verificar que los implantes coincidan con la curvatura del cráneo. Este paso podría eliminarse mediante la creación de un método de visualización virtual en 3D que combine el cerebro, el cráneo, la cámara, el poste de la cabeza y la duramadre artificial.

Nuestra plataforma proporciona un proceso completamente virtual de planificación de craneotomías y diseño de implantes personalizados. Los diseños finales pueden imprimirse en 3D y verificarse en un modelo físico a tamaño real35. Contrariamente a los métodos existentes, nuestro protocolo no requiere costosas iteraciones de productos ni acceso a maquinaria costosa como fresadoras CNC29,34. Al igual que otros métodos existentes de diseño de implantes 9,12,29,30,32,33,40, este método se basa completamente en una modalidad de imagen para representar con precisión las estructuras anatómicas. Cualquier imprecisión presente en la resonancia magnética o los cambios en la anatomía del cerebro o el cráneo entre la resonancia magnética y la cirugía pueden comprometer la eficacia del implante. Por lo tanto, la planificación adecuada para la adquisición de resonancias magnéticas es esencial para optimizar el diseño del implante.

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Disclosures

Nada que revelar.

Acknowledgments

Nos gustaría agradecer a Toni Haun, Keith Vogel y Shawn Fisher por su ayuda técnica y apoyo. Este trabajo contó con el apoyo de la Fundación Mary Gates de la Universidad de Washington (Rhode Island), el Instituto Nacional de Salud NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y.), el Centro Nacional de Investigación de Primates de Washington (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), el Centro de Neurotecnología (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) y Weill Neurohub (Z. I.).

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

  1. Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
  2. Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates. STAR Protocols. 4 (3), 102496 (2023).
  3. Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
  4. Zhou, J., et al. Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates. 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).
  5. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke. 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034 (2018).
  7. Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  8. Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  10. Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
  11. Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  12. Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
  13. Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239 (2021).
  14. Hacking, S. A., et al. Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).
  15. Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level. Nature Communications. 10 (1), 2642 (2019).
  16. Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183 (2022).
  17. Griggs, D. J., Khateeb, K., Zhou, J., Liu, T., Wang, R., Yazdan-Shahmorad, A. Multi-modal artificial dura for simultaneous large-scale optical access and large-scale electrophysiology in nonhuman primate cortex. Journal of Neural Engineering. 18 (5), 055006 (2021).
  18. Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866 (2023).
  19. Khateeb, K., et al. A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).
  20. Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , Humana. New York, NY. (2023).
  21. Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Convection enhanced delivery of optogenetic adeno-associated viral vector to the cortex of Rhesus Macaque under guidance of online MRI images. Journal of Visualized Experiments. (147), e59232 (2019).
  22. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
  23. Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435 (2022).
  24. Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey. Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).
  25. Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. C. A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys. Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).
  26. Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex. iScience. 25 (5), 104285 (2022).
  27. Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O'Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).
  28. Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).
  29. Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899 (2023).
  30. Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. 3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).
  31. Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521 (2021).
  32. Basso, M. A., et al. Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys). NeuroImage. 228, 117667 (2021).
  33. Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls. eNeuro. 9 (3), (2022).
  34. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  35. Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098 (2020).
  36. Safari, A. H. Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks. , Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing (2018).
  37. Lohsen, G. stlwrite - Write binary or ascii STL file. , Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file (2023).
  38. Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
  39. Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  40. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).

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Este mes en JoVE número 204
Una caja de herramientas de diseño de implantes neurales para primates no humanos
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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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