JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bio-ingénierie

İnsan Olmayan Primatlar için Nöral İmplant Tasarım Araç Kutusu

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

Bu makale, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) taramalarına dayalı insan dışı primat nöroşirürji planlaması için otomatik süreçleri özetlemektedir. Bu teknikler, NHP’ler için özelleştirilmiş implant tasarımını desteklemek için programlama ve tasarım platformlarındaki prosedürel adımları kullanır. Her bir bileşenin geçerliliği daha sonra üç boyutlu (3D) basılmış gerçek boyutlu anatomik modeller kullanılarak doğrulanabilir.

Abstract

Bu makale, insan dışı primat (NHP) beyin cerrahisi planlaması için uyarlanmış manyetik rezonans görüntülemeden (MRI) 3D beyin ve kafatası modellemesinin kurum içi bir yöntemini açıklamaktadır. Bu otomatik, hesaplamalı yazılım tabanlı teknik, görüntüleme yazılımı kullanan geleneksel manuel ekstraksiyon tekniklerinin aksine, MRI dosyalarından beyin ve kafatası özelliklerini çıkarmanın etkili bir yolunu sağlar. Ayrıca prosedür, sezgisel, sanal cerrahi planlama için beyin ve kraniyomize kafatasını birlikte görselleştirmek için bir yöntem sağlar. Bu, yinelemeli 3D baskıya dayanan geçmiş çalışmaların gerektirdiğinden zaman ve kaynaklarda ciddi bir azalma sağlar. Kafatası modelleme süreci, cerrahi implantasyon için özel olarak uyarlanmış kraniyal odalar ve başlıklar tasarlamak için modelleme yazılımına aktarılan bir ayak izi oluşturur. Kişiye özel cerrahi implantlar, implant ile kafatası arasında enfeksiyon veya stabilitenin azalması gibi komplikasyonlara neden olabilecek boşlukları en aza indirir. Bu cerrahi öncesi adımların uygulanmasıyla cerrahi ve deneysel komplikasyonlar azaltılır. Bu teknikler diğer cerrahi süreçler için uyarlanabilir, bu da araştırmacılar ve potansiyel olarak beyin cerrahları için daha verimli ve etkili deneysel planlamayı kolaylaştırır.

Introduction

İnsan olmayan primatlar (NHP’ler), translasyonel tıbbi araştırmalar için paha biçilmez modellerdir, çünkü evrimsel ve davranışsal olarak insanlara benzerler. NHP’ler, nöral mühendislik klinik öncesi çalışmalarda özel bir önem kazanmıştır, çünkü beyinleri nöral fonksiyon ve işlev bozukluğunun son derece ilgili modelleridir1,2,3,4,5,6,7,8. Optogenetik, kalsiyum görüntüleme ve diğerleri gibi bazı güçlü beyin stimülasyonu ve kayıt teknikleri, en iyi şekilde kafatası pencerelerinden beyne doğrudan erişimle sunulur9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. NHP’lerde, beyni korumak ve uzun süreli deneyleri desteklemek için genellikle bir oda ve yapay bir dura ile kraniyal pencereler elde edilir8,10,12,17,18,24,25,26,27. Benzer şekilde, baş direkleri, deneyler sırasında kafayı stabilize etmek ve hizalamak için genellikle odalara eşlik eder14,15,25,26,28,29,30. Bu bileşenlerin etkinliği büyük ölçüde kafatasına ne kadar iyi uyduklarına bağlıdır. Kafatasına daha yakın bir uyum, enfeksiyon, osteonekroz ve implant instabilitesi olasılığını azaltarak kemik entegrasyonunu ve kraniyal sağlığı destekler31. Ameliyat sırasında kafa direğinin manuel olarak bükülmesi gibi geleneksel tasarım yöntemleri25,29 ve manyetik rezonans (MR) taramalarının koronal ve sagital dilimlerine daireler uydurarak kafatası eğriliğini tahmin etmek9,12 belirsizlik nedeniyle komplikasyonlara neden olabilir. Bunlardan en hassas olanı bile implant ile kafatası arasında 1-2 mm’lik boşluklar oluşturarak granülasyon dokusunun birikmesi için alan sağlar29. Bu boşluklar ayrıca ameliyatta vida yerleştirmeyi zorlaştırır9, implantın stabilitesini tehlikeye atıyor. Osseointegrasyonu ve implant ömrünü iyileştirmek için özelleştirilmiş implantlar daha yakın zamanda geliştirilmiştir9,29,30,32. Ek maliyetler, hesaplama modellerine olan güven nedeniyle özel implant tasarımındaki gelişmelere eşlik etmiştir. En doğru yöntemler, MR Görüntüleme (MRI) makinelerine ek olarak bilgisayarlı tomografi (BT) makineleri gibi gelişmiş ekipmanlar gerektirir30,32,33 ve hatta implant prototipleri geliştirmek için bilgisayarlı sayısal kontrol (CNC) freze makineleri25,29,32,34. Özellikle NHP’lerle kullanım için hem MRI hem de BT’ye erişim sağlamak, kraniyal odalar ve başlıklar gibi özel olarak takılmış implantlara ihtiyaç duyan laboratuvarlar için uygun olmayabilir.

Sonuç olarak, toplumda, kullanımdan önce implantların tasarımını ve doğrulanmasını kolaylaştıran ucuz, doğru ve invaziv olmayan beyin cerrahisi ve deneysel planlama tekniklerine ihtiyaç vardır. Bu makale, kraniyotomi konum planlaması ve kafatasına uyan özel kafatası odalarının ve kafa direklerinin tasarımı için MR verilerinden sanal 3D beyin ve kafatası temsilleri üretme yöntemini açıklamaktadır. Bu kolaylaştırılmış prosedür, deneysel sonuçlara ve araştırma hayvanlarının refahına fayda sağlayabilecek standart bir tasarım sağlar. Bu modelleme için sadece MR gereklidir çünkü MRG’de hem kemik hem de yumuşak doku tasvir edilir. Bir CNC freze makinesi kullanmak yerine, birden fazla yineleme gerektiğinde bile modeller ucuza 3D basılabilir. Bu aynı zamanda nihai tasarımın implantasyon için titanyum gibi biyouyumlu metallerde 3D olarak basılmasına izin verir. Ek olarak, implantasyon üzerine kraniyal odacığın içine yerleştirilen yapay bir duranın imalatını tarif ediyoruz. Bu bileşenler, tüm parçaları kafatası ve beynin gerçek boyutlu, 3D baskılı bir modeline yerleştirerek cerrahi öncesi olarak doğrulanabilir.

Protocol

Hayvanları içeren tüm prosedürler, Washington Üniversitesi’ndeki Hayvan Bakımı ve Kullanımı Enstitüsü Komitesi tarafından onaylandı. Bu çalışmada toplam dört yetişkin erkek rhesus makağı (Macaca mulatta) kullanılmıştır. MRG alımı sırasında H maymunu 7 yaşında, L maymunu 6 yaşında, C maymunu 8.5 yaşında ve B maymunu 5.5 yaşındaydı. Maymunlar H ve L’ye 9 yaşında özel kronik odacıklar yerleştirildi. 1. Kafatası ve beyin izolasyonu (<strong…

Representative Results

Bu bileşenler daha önce MRI görselleştirmeleri ve 3D baskılı anatomik modellerin bir kombinasyonu kullanılarak doğrulandı. Otomatik kraniyotomi görselleştirmesini 3D baskılı kraniotomi ve kraniotomi yerindeki MRG ile karşılaştırarak, sanal kraniotomi temsilinin, beynin belirtilen kraniyotomi konumu ile erişilebilen bölgesini doğru bir şekilde yansıttığı açıktır (Şekil 2A-F). Ek olarak, otomatik kr…

Discussion

Bu makale, yalnızca NHP kraniyal pencere implantasyonu için kullanılan bileşenlerin geliştirilmesi için faydalı olmakla kalmayıp, aynı zamanda NHP sinirbilim araştırmalarının diğer alanlarına da aktarılabilen basit ve kesin bir beyin cerrahisi planlama yöntemini özetlemektedir 13,15,25. NHP implant planlama ve tasarımınındiğer mevcut yöntemleriyle karşılaştırıldığında 25,29,30</su…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Teknik yardım ve destekleri için Toni Haun, Keith Vogel ve Shawn Fisher’a teşekkür ederiz. Bu çalışma Washington Üniversitesi Mary Gates Vakfı (R.I.), Ulusal Sağlık Enstitüsü NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), Washington Ulusal Primat Araştırma Merkezi (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), Nöroteknoloji Merkezi (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) ve Weill Neurohub (Z. I.) tarafından desteklenmiştir.

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
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. , (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. 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. . 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).

Tags

Neural ImplantBrain ModelingSkull ModelingNonhuman PrimatesNeurosurgical Planning3D Modeling3D PrintingCustom ImplantsCranial ChambersHead PostsMagnetic Resonance ImagingComputational SoftwareSurgical Complications
check_url/fr/66167?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image