Eine MRT-basierte Toolbox für neurochirurgische Planung bei nichtmenschlichen Primaten
Summary
Die nachstehende Methode zielt darauf ab, ein umfassendes Protokoll für die Herstellung der nichtmenschlichen Primaten-Neurochirurgie (NHP) mit einer neuartigen Kombination aus dreidimensionalen (3D) Druckverfahren und MRT-Datenextraktion bereitzustellen.
Abstract
In diesem Beitrag skizzieren wir ein Verfahren zur chirurgischen Präparation, das die praktische Planung einer Vielzahl von Neurooperationen in NHPs ausschließlich anhand von Daten aus der Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht. Dieses Protokoll ermöglicht die Generierung von 3D-gedruckten anatomisch genauen physikalischen Modellen des Gehirns und des Schädels sowie eines Agarose-Gel-Modells des Gehirns, das einige der mechanischen Eigenschaften des Gehirns modelliert. Diese Modelle können aus der MRT mit Gehirnextraktionssoftware für das Modell des Gehirns extrahiert werden, und benutzerdefinierter Code für das Modell des Schädels. Das Vorbereitungsprotokoll nutzt modernste 3D-Drucktechnologie, um Schnittstellen gehirn, schädelund formt für Gel-Gehirnmodelle herzustellen. Die Schädel- und Hirnmodelle können verwendet werden, um Hirngewebe im Schädel mit der Zugabe einer Kraniotomie im benutzerdefinierten Code zu visualisieren, was eine bessere Vorbereitung für Operationen ermöglicht, die direkt das Gehirn betreffen. Die Anwendungen dieser Methoden sind für Operationen im Zusammenhang mit neurologischer Stimulation und Aufzeichnung sowie Injektion konzipiert, aber die Vielseitigkeit des Systems ermöglicht eine zukünftige Erweiterung des Protokolls, Extraktionstechniken und Modelle auf ein breiteres Spektrum von Operationen.
Introduction
Primatenforschung war ein entscheidender Schritt in der Entwicklung der medizinischen Forschung von Tiermodellen zu Studien am Menschen1,2. Dies gilt insbesondere für die Erforschung der Neurowissenschaften und der neuronalen Technik, da es eine große physiologische und anatomische Diskrepanz zwischen Nagetierhirnen und denen nichtmenschlicher Primaten (NHP)1,2,3gibt. Mit aufkommenden genetischen Technologien wie Chemogenetik, Optogenetik und Kalzium-Bildgebung, die genetische Modifikation von Neuronen erfordern, hat die neuronale Ingenieurforschung, die die neuronale Funktion in NHP untersucht, besondere Aufmerksamkeit als präklinisches Modell für das Verständnis der Gehirnfunktion2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. In den meisten Neurowissenschaftsexperimenten von NHP sind neurochirurgische Maßnahmen für die Implantation verschiedener Geräte wie Kopfpfosten, Stimulations- und Aufnahmekammern, Elektrodenarrays und optische Fenster4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Aktuelle NHP-Labore verwenden eine Vielzahl von Methoden, die oft ineffektive Praktiken einschließlich sedieren des Tieres, um die Beine eines Kopfpfostens passen und nähern die Krümmung des Schädels um die Craniotomie-Stelle. Andere Labore passen den Kopfpfosten in der Chirurgie in den Schädel oder verwenden fortschrittlichere Methoden, um die notwendigen Messungen für die Implantation zu gewinnen, wie die Analyse eines NHP-Gehirnatlas und Magnetresonanz-Scans, um zu versuchen, Schädelkrümmungen2,10,11,16zu schätzen. Neurosurgerien in NHPs beinhalten auch Flüssigkeitsinjektionen, und Labore haben oft keine Möglichkeit, die projizierte Injektionsposition im Gehirn zu visualisieren2,4,5,13,14 ausschließlich auf stereotaxic Messungen und Vergleich mit MR-Scans. Diese Methoden haben eine gewisse unvermeidbare Unsicherheit, da sie nicht in der Lage sind, die physikalische Verträglichkeit aller komplexen Komponenten des Implantats zu testen.
Daher ist eine genaue nichtinvasive Methode für die neurochirurgische Planung in NHPs erforderlich. Hier stellen wir ein Protokoll und eine Methodik zur Vorbereitung von Implantations- und Injektionsoperationen bei diesen Tieren vor. Der gesamte Prozess stammt aus MRT-Scans, bei denen Gehirn und Schädel aus den Daten extrahiert werden, um dreidimensionale (3D) Modelle zu erstellen, die dann 3D-gedruckt werden können. Die Schädel- und Hirnmodelle können kombiniert werden, um sich auf Craniotomieoperationen sowie Kopfpfosten mit erhöhter Genauigkeit vorzubereiten. Das Gehirnmodell kann auch verwendet werden, um eine Form für das Gießen eines anatomisch genauen Gelmodells des Gehirns zu erstellen. Das Gel-Gehirn allein und in Kombination mit einem extrahierten Schädel kann verwendet werden, um für eine Vielzahl von Injektionsoperationen vorzubereiten. Im Folgenden beschreiben wir jeden der Schritte, die für die MRT-basierte Toolbox für die neurochirurgische Präparation erforderlich sind.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieser Artikel beschreibt eine Toolbox zur Vorbereitung von Neurosurgerien in NHPs unter Verwendung von physikalischen und CAD-Modellen der Schädel- und Hirnanatomie, die aus MR-Scans extrahiert wurden.
Während die extrahierten und 3D-gedruckten Schädel- und Hirnmodelle speziell für die Vorbereitung von Craniotomieoperationen und Kopfpfostenimplantationen entwickelt wurden, eignet sich die Methodik für mehrere andere Anwendungen. Wie bereits beschrieben, ermöglicht das physikalische Mode…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieses Projekt wurde vom Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development der National Institutes of Health unter der Award-Nummer K12HD073945, dem Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), dem Center for Neurotechnology (CNT, einem National Science Foundation Engineering Research Center unter Grant EEC-1028725) und der University of Washington Royalty Research Funds unterstützt. Die Finanzierung der Macknik- und Martinez-Conde-Labore für dieses Projekt erfolgte durch einen BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887 sowie NSF Awards 1523614 & 1829474 und SUNY Empire Innovator Scholarships an jeden Professor. Wir danken Karam Khateeb für seine Hilfe bei der Agarose-Vorbereitung und Toni J Huan für die technische Hilfe.
Materials
| 3D Printing Software (GrabCAD Print) | Stratasys | Version 1.36 | Used for High quality 3D printing |
| 3D Printing Software (Simplify 3D) | Simplify3D | Version 4.1 | Used for PLA 3D printing |
| Agarose | Benchmark Scientific | A1700 | Used for making gel brains |
| Black Nail Polish | L.A. Colors | CNP637 | Used for gel molding |
| Cannula (ID 320 um, OD 432 um) | Polymicro Technologies | 1068150627 | Used to inject dye into gel brain |
| Cannula (ID 450 um, OD 666 um) | Polymicro Technologies | 1068150625 | Used to inject dye into gel brain |
| Catheter Connector | B Braun | PCC2000 | Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50 |
| Dremel 3D Digilab 3D45 printer | Dremel | F0133D45AA | Used for prototyping in PLA |
| ECOWORKS | Stratasys | 300-00104 | Used to dissolve QSR support structures |
| Erlymeyer flask | Pyrex | 4980 | Used for gel molding |
| Ethyl cyanoacrylate | The Original Super Glue Corp. | 15187 | Used to make combined cannula |
| Graduated cylinder | 3023 | Used for gel molding | |
| HATCHBOX PLA 3D Printer Filament | HATCHBOX | 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK | 1kg Spool, 1.75mm, Red/Black |
| Locust Bean Gum | Modernist Pantry | 1018 | Gumming agent for gel brain mixtures |
| MATLAB | MathWorks | R2019b | Used for skull extraction |
| McCormick Yellow Food Color | McCormick | Used for dye injection | |
| Microwave | Panasonic | NN-SD975S | Used for agarose curing |
| MR Imaging Software (3D Slicer) | 3D Slicer | Version 4.10.2 | Used for 3D model generation |
| MR Imaging Software (Mango with BET plugin) | Reasearch Imaging Institute | Version 4.1 | Used for brain extraction |
| Philips Acheiva MRI System | Philips | 4522 991 19391 | Used to image non-human primates |
| Phosphate Buffered Solution | Gibco | 70011-044 | 10X diluted with DI water to 1X |
| Pump | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Pump driver | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Refrigerator | General Electric | Used to preserve agarose gel | |
| Scientific Spatula | VWR | 82027-494 | Used to extract gel molds |
| SolidWorks | Dassault Systemes | 2019 | |
| Stratasys ABS-M30 filament | Stratasys | 333-60304 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys F170 3D printer | Stratasys | 123-10000 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys QSR support | Stratasys | 333-63500 | Used to create supports with ABS model |
| Syringe | SGE | SGE250TLL | Used for dye injection |
Riferimenti
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