Bioengineering

En værktøjskasse til neuralt implantatdesign til ikke-menneskelige primater

Published: February 9, 2024 doi: 10.3791/66167

Rachel Iritani¹, Tiphaine Belloir¹, Devon J. Griggs², Zachary Ip¹, Zada Anderson³, Azadeh Yazdan-Shahmorad^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

Dette papir skitserer automatiserede processer til ikke-menneskelig primat neurokirurgisk planlægning baseret på magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) scanninger. Disse teknikker bruger proceduremæssige trin i programmerings- og designplatforme til at understøtte tilpasset implantatdesign til NHP'er. Gyldigheden af hver komponent kan derefter bekræftes ved hjælp af tredimensionelle (3D) trykte anatomiske modeller i naturlig størrelse.

Abstract

Dette papir beskriver en intern metode til 3D-hjerne- og kraniemodellering fra magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) skræddersyet til neurokirurgisk planlægning af ikke-menneskelige primater (NHP). Denne automatiserede, beregningsmæssige softwarebaserede teknik giver en effektiv måde at udtrække hjerne- og kraniefunktioner fra MR-filer i modsætning til traditionelle manuelle ekstraktionsteknikker ved hjælp af billedbehandlingssoftware. Desuden giver proceduren en metode til at visualisere hjernen og kraniotomiseret kraniet sammen til intuitiv, virtuel kirurgisk planlægning. Dette genererer en drastisk reduktion i tid og ressourcer fra dem, der kræves af tidligere arbejde, som var afhængig af iterativ 3D-udskrivning. Kraniemodelleringsprocessen skaber et fodaftryk, der eksporteres til modelleringssoftware til at designe skræddersyede kraniekamre og hovedstolper til kirurgisk implantation. Skræddersyede kirurgiske implantater minimerer mellemrum mellem implantatet og kraniet, der kan introducere komplikationer, herunder infektion eller nedsat stabilitet. Ved at implementere disse prækirurgiske trin reduceres kirurgiske og eksperimentelle komplikationer. Disse teknikker kan tilpasses til andre kirurgiske processer, hvilket letter mere effektiv og effektiv eksperimentel planlægning for forskere og potentielt neurokirurger.

Introduction

Ikke-menneskelige primater (NHP'er) er uvurderlige modeller for translationel medicinsk forskning, fordi de evolutionært og adfærdsmæssigt ligner mennesker. NHP'er har fået særlig betydning i neural engineering prækliniske undersøgelser, fordi deres hjerner er yderst relevante modeller af neurale funktioner og dysfunktion¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸. Nogle kraftfulde hjernestimulerings- og registreringsteknikker, såsom optogenetik, calciumbilleddannelse og andre, serveres bedst med direkte adgang til hjernen gennem kranievinduer⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³. I NHP'er opnås kranievinduer ofte med et kammer og en kunstig dura for at beskytte hjernen og understøtte langsigtede eksperimenter⁸^,¹⁰^,¹²^,¹⁷^,¹⁸^,²⁴^,²⁵^,²⁶^,²⁷. Ligeledes ledsager hovedstolper ofte kamre for at stabilisere og justere hovedet under eksperimenter¹⁴^,¹⁵^,²⁵^,²⁶^,²⁸^,²⁹^,³⁰. Effektiviteten af disse komponenter er stærkt afhængig af, hvor godt de passer ind i kraniet. En tættere pasform til kraniet fremmer knogleintegration og kranial sundhed ved at mindske sandsynligheden for infektion, osteonekrose og implantat ustabilitet³¹. Konventionelle designmetoder, såsom manuel bøjning af hovedstolpen under operationen²⁵^,²⁹ og estimering af kraniets krumning ved at montere cirkler til koronale og sagittale skiver af magnetisk resonans (MR) scanninger⁹^,¹² kan introducere komplikationer på grund af unøjagtighed. Selv de mest præcise af disse skaber 1-2 mm mellemrum mellem implantatet og kraniet, hvilket giver plads til, at granuleringsvæv kan akkumuleres²⁹. Disse huller introducerer desuden vanskeligheder med at placere skruer i kirurgi⁹, hvilket kompromitterer implantatets stabilitet. Tilpassede implantater er for nylig blevet udviklet til at forbedre osseointegration og implantatets levetid⁹^,²⁹^,³⁰^,³². Yderligere omkostninger har ledsaget fremskridt inden for brugerdefineret implantatdesign på grund af afhængigheden af beregningsmodeller. De mest nøjagtige metoder kræver sofistikeret udstyr såsom computertomografi (CT) maskiner ud over MR Imaging (MRI) maskiner³⁰^,³²^,³³ og endda computer numerisk kontrol (CNC) fræsemaskiner til udvikling af implantatprototyper²⁵^,²⁹^,³²^,³⁴. At få adgang til både MR og CT, især til brug med NHP'er, er muligvis ikke muligt for laboratorier, der har brug for specialtilpassede implantater som kraniekamre og hovedstolper.

Som følge heraf er der behov i samfundet for billige, nøjagtige og ikke-invasive teknikker til neurokirurgisk og eksperimentel planlægning, der letter design og validering af implantater inden brug. Dette papir beskriver en metode til generering af virtuelle 3D-hjerne- og kranierepræsentationer fra MR-data til kraniotomiplaceringsplanlægning og design af brugerdefinerede kraniekamre og hovedstolper, der passer til kraniet. Denne strømlinede procedure giver et standardiseret design, der kan gavne eksperimentelle resultater og forsøgsdyrenes velfærd. Kun MR er nødvendig for denne modellering, fordi både knogle og blødt væv er afbildet i MR. I stedet for at bruge en CNC-fræsemaskine kan modeller 3D-printes billigt, selv når der kræves flere iterationer. Dette gør det også muligt at 3D-printe det endelige design i biokompatible metaller såsom titanium til implantation. Derudover beskriver vi fremstillingen af en kunstig dura, som placeres inde i kraniekammeret ved implantation. Disse komponenter kan valideres prækirurgisk ved at montere alle dele på en 3D-printet model af kraniet og hjernen i naturlig størrelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle procedurer, der involverer dyr, blev godkendt af Institute for Animal Care and Use Committee ved University of Washington. I alt fire voksne mandlige rhesus makaker (Macaca mulatta) blev anvendt i denne undersøgelse. På tidspunktet for MR-erhvervelsen var abe H 7 år, abe L var 6 år, abe C var 8,5 år, og abe B var 5,5 år. Aber H og L blev implanteret med brugerdefinerede kroniske kamre ved 9 år.

1. Kraniet og hjerneisolering (figur 1)

Få en T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE) fil af kraniet og hjernen ved hjælp af en 3T MR-maskine. Brug følgende parametre til MR-erhvervelse³⁵: vendevinkel = 8°, gentagelsestid/ekkotid = 7,5/3,69 s, matrixstørrelse = 432 x 432 x 80, erhvervelsesvarighed = 103,7 s, Multispole, skivetykkelse = 1 mm, antal gennemsnit = 1.
Download mappen mærket supplemental_code (supplerende kodningsfil 1). Denne mappe skal indeholde følgende filer: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m³⁶, stl_write.m³⁷.
Føj MR-filen til mappen supplemental_code . I beregningssoftwaren skal du vælge mappen supplemental_code som filsti og køre brain_extract.m.
De følgende trin skitserer en halvautomatisk metode til isolering af kraniet og hjernen ved hjælp af MATLAB (figur 1), som er blevet aggregeret fra tidligere ekstraktionsteknikker³⁵. Kommandovinduet beder om de parametre, der er nødvendige for hjerne- og kranieisolering og kraniotomivisualisering. Når hvert svar er indtastet i kommandovinduet, skal du klikke på enter.
1. Kommandovinduet beder først om navnet på MPRAGE-filen. Indtast filnavnet (f.eks. MRIFile.dcm), og bekræft, at MR-scanningen vises korrekt (figur 1A).
2. For at isolere kraniet (figur 1B - D) skal du følge de detaljerede trin, der er beskrevet i kommandovinduet. Identificer en passende tærskelværdi, der adskiller kraniet fra omgivende væv uden at fjerne kraniemateriale (supplerende figur 1A). Bekræft en tærskelværdi ved at trykke på (y).
3. En lignende teknik bruges til at isolere hjernen (figur 1E - G). Når du bliver bedt om det i kommandovinduet, skal du indtaste en tærskel for hjernen. Evaluer det tal, der dukker op, og juster tærsklen, hvis det er nødvendigt. Sørg for, at hjernen er isoleret fra kraniet og det omgivende væv, og at intet hjernevæv fjernes i processen. Bekræft en tærskelværdi ved at trykke på (y).
4. Fortsæt til afsnittet af interesse.

2. Planlægning af kraniotomi (figur 2)

Når hjernen og kraniet er blevet ekstraheret, skal du indtaste koordinaterne for kraniotomien. Hvis koordinaterne endnu ikke er kendt, angives (n) for nej, hvorefter der vises et tal (supplerende figur 1B). Bestem kraniotomikoordinater ved at vælge en z-ramme (koronalplan) og vælge et punkt på den valgte z-ramme til kraniotomicentret.
1. Hvis koordinaterne er kendt, skal du angive dem med respektive x (sagittal), y (aksial) og z (koronal) værdier.
Indtast kraniotomiradius i millimeter (f.eks. 10 mm), og vælg ingen ydre radius.
Angiv, om der er behov for en skalabjælke til kraniet og hjernebillederne. Vægtbjælker hjælper med at bekræfte, at modellernes dimensioner er korrekte.
Gem hjerne- og kraniefiler som STL til 3D-udskrivning, hvis det ønskes (figur 1D, G).
Dernæst vises en figur med hjernen og kraniotomiseret kraniet. Dette kan bruges til at verificere adgangen til målrettede hjerneområder. Hjernen er repræsenteret i blåt og kraniet i lysegrå (figur 2B, E).
Vælg (n) for at fuldføre en SLT-størrelsesreduktion, som er en funktion, der vil blive brugt til fremtidige trin (se nedenfor).
Gentag afsnit 1 og 2 pr. kraniotomiiteration.

3. Kraniekammerdesign (figur 3)

Før du starter kammerdesignet, skal du bekræfte placeringen af kraniotomien og kraniotomiradius ved hjælp af kraniotomiplaceringsplanlægningsproceduren.
Når kraniet og hjerneisoleringen er afsluttet, vil det næste trin være at indtaste de færdige koordinater for midten af kraniotomien. Indtast værdierne x (sagittal), y (aksial) og z (koronal).
Kommandovinduet vil derefter bede om indtastning af de indre og ydre radier, som bestemmer det område af kraniet, der skal arbejdes med til kammerdesign. Vælg en indvendig radius, der er mindre end den faktiske kraniotomiradius (f.eks. 5 mm for en kraniotomiradius på 10,0 mm) og en anden ydre radius, der er større end kammerskørtets planlagte radius (f.eks. 26 mm for et kammerskørt, der har en radius på 22 mm). Dette vil give en ringformet kraniestruktur som et fundament for kammeret, der skal bygges på.
BEMÆRK: Til design af et kammer med en kraniotomiradius på 10 mm blev der valgt en indvendig radius på 5 mm. Dette giver en nøjagtig repræsentation af kraniet ved kraniotomikanten, samtidig med at der opretholdes en lille nok cirkel til, at kraniotomicentret let kan identificeres, når kranierepræsentationen eksporteres til designsoftwaren. En ydre radius på 26 mm blev ekstraheret til et kammer med radius 22 mm for at sikre, at ekstra kranieareal er tilgængeligt. Kammerets dimensioner blev udviklet med begrænsninger fastlagt af eksperimentets behov. Radier, der anvendes på dette trin, bestemmes af kraniotomistørrelsen og størrelsen på kammerskørtet, som afhænger af skruestørrelser og ledig plads på kraniet.
Angiv, om der er behov for skalabjælker til kranie- og hjernebilleder.
Gem hjerne- og kraniefiler, hvis det ønskes.
En figur vil dukke op med hjernen (i blåt) og kranieområdet (i gråt), der blev valgt (figur 3A). En STL-størrelsesreduktion skal derefter anvendes på det valgte kranieområde for lettere håndtering af filen i CAD-softwaren (Computer-Aided Design).
Vælg (y) for at starte reduktionen af STL-størrelsen. Størrelsesreduktionen opretter en STL-fil med en reduceret filstørrelse, der let kan importeres til CAD-software til brugerdefineret hardwaredesign.
Brug figuren med den overlejrede hjerne og kraniet (figur 3A) til at vælge punkter på kranieoverfladen, der skal bruges til filreduktionen. Hold Skift-tasten nede for at placere mere end ét punkt.
1. Placer punkter for at dække interesseområdet, som i dette tilfælde er det valgte kranieområde. Placer punkterne så tæt på hinanden som muligt for at sikre en mere præcis og nøjagtig gengivelse af kraniet (supplerende figur 2). Nogle brugere foretrækker måske at vælge ~ 20 kritiske punkter og fuldføre resten af kammerdesignet som praksis, inden de vælger alle interessepunkter for det endelige produkt.
2. Når du vælger punkter, er det bedst at placere så mange punkter i det valgte område som muligt. Generelt repræsenterer ~ 200 point kraniets krumning godt. Placer flere punkter rundt om kanterne af det valgte område for at understrege grænsen mellem hjernen og kraniet.
  BEMÆRK: Undgå at klikke på enter-knappen, før du er færdig med at placere punkter i hele regionen, da det vil få koden til at skride frem for tidligt, og punktudvælgelsesprocessen skal gentages.
Tryk på enter , når du er færdig med at placere punkter på det valgte kranium. Skriv det reducerede filnavn i kommandovinduet.
Importer filen til CAD-software til brugerdefineret kammerdesign. Start med at åbne CAD-software.
Klik på Filer > Åbn , og vælg filnavnet på STL-reduktionen fra mappen.
1. Før du klikker på Åbn, skal du klikke på knappen Indstillinger og klikke på Overfladekrop i menuen Importer som. Klik på OK og derefter på Åbn.
Når STL er importeret, skal du kontrollere, om der er små huller på overfladen, angivet med blå linjer. Hvis der er huller i det område af kraniet, som kammeret skal dække (supplerende figur 3), skal du fuldføre fastgørelseshulsproceduren (afsnit 6) i trin 3.19.1.
Se kraniets overflade for kammeret i CAD-software som i figur 3B. Sørg for, at kanterne på det valgte område er synlige i kranierepræsentationen.
Find omridset af den indre cirkel i midten af den importerede overflade for at lokalisere midten af kraniotomien. Opret et plan, der er justeret i forhold til den indre cirkel, ved at klikke på Indsæt > referencegeometri > plan. Brug tre punkter jævnt fordelt langs omkredsen af den indre cirkel som referencepunkter for planet.
Opret en cirkel, der svarer til den indre cirkel, ved at klikke på cirkelikonet på fanen Skitse . Vælg planet fra det forrige trin som referenceplan, og identificer punkter langs kanten, indtil cirkeleksemplet giver en nøjagtig repræsentation af den indre cirkelkontur. Flere forskellige kombinationer af punkter skal muligvis testes for at finde dem, der passer bedst til den indre cirkel.
Med cirklen som reference skal du oprette et punkt midt i cirklen ved at klikke på Indsæt > referencegeometri > punkt og bruge indstillingen Arc Center. Dette punkt repræsenterer centrum af kraniotomien.
Som referenceplan for fremtidige ekstruderinger skal du lave et andet plan parallelt med det oprindelige plan og forskudt med 10 mm. Når du vælger forskydningsretningen, skal du sikre dig, at pilen peger opad fra objektet.
Oprettelse af indre ring af kammer (figur 3C)
1. Opret en akse, der strækker sig vinkelret gennem både kraniotomiplanet og det øverste plan, ved at klikke på Indsæt > referencegeometri > akse, fremhæve indstillingen Punkt og ansigt/plan og bruge det øverste plan og midtpunktet af kraniotomien som referencer. Lav et andet punkt ved skæringspunktet mellem denne akse og det øverste plan.
2. Vælg Ekstruderboss/base og det øverste plan som den overflade, hvorfra der skal ekstruderes. Lav en skitse af det indre ringtværsnit ved at oprette to koncentriske cirkler med punktet på det øverste plan som midtpunkt (f.eks. 11,35 mm og 12,25 mm radier). Vælg Op til overflade i menuen Retning, og angiv den importerede overflade som den overflade, der skal ekstruderes til.
3. Kopiér den importerede overflade ved at vælge Indsæt > overflade > Flyt/kopiér , og hæv den kopierede overflade til højden på den indre ring og nederdel (f.eks. 3,5 mm). Brug indstillingen Oversæt i menuen Flyt/kopiér , og oversæt overfladen langs aksen vinkelret på begge planer.
4. Udfør et cirkulært ekstruderet snit fra det øverste plan til den kopierede overflade. Start med at klikke på Ekstruderet snit og vælg den øverste overflade af den indre ring som udgangspunkt for det ekstruderede snit. Afslut ekstruderingen ved at vælge den kopierede overflade som slutpunkt.
5. Slet den oprindelige importerede overflade ved hjælp af værktøjet Indsæt > funktioner > Slet/behold brødtekst . Med værktøjet Skjul/vis under fanen Vis kan den kopierede overflade skjules for at se den indre ring og validere dens design.
Oprettelse af kammerskørt (figur 3D)
1. Lav en anden kopieret overflade forskudt lavere end den eksisterende overflade med en tykkelse af kammerskørtet (f.eks. -1,5 mm). I menuen Oversæt skal du vælge aksen vinkelret på planerne som referencepunkt og en forskydningsværdi for at oprette den nye overflade under den oprindelige.
  BEMÆRK: Afhængigt af standardretningen for forskydningsretningen skal forskydningsværdien muligvis indstilles som negativ for at gå i den rigtige retning.
  1. Hvis der er huller i det område, som kammeret skal dække, skal du følge trinnene beskrevet i afsnit 6 (fastgørelse af huller), før du fortsætter med resten af kammerdesignproceduren.
2. Udfør en ekstrudering fra det øverste plan til den nedre overflade i form af kammeret. Start med at vælge Ekstrudering af boss/base og vælg det øverste plan som ekstruderingsplan.
  1. Følg trin 6.2 for håndtering af eksisterende ekstruderinger fra fastgørelseshulproceduren.
3. Skitse formen på kammerskørtet på dette plan. Gør kammerets indre cirkel til en cirkel af samme størrelse som den indre rings mindre radius (f.eks. 11,35 mm), centrer den omkring punktet på det øverste plan, og lav den ydre grænse af kammerskørtet ved hjælp af en kombination af buer og linjer for at maksimere skørtområdet. Ekstrudering til den nederste af de to overflader.
  BEMÆRK: Hvis der opstår en fejl med ekstruderingen, er det sandsynligt, at skitsen er bredere end overfladen. I dette tilfælde skal du reducere størrelsen på den ydre nederdelgrænse.
4. Ekstrudering skåret fra det øverste plan til den højeste af de to kopierede overflader i form af kammerets kontur.
  1. Se trin 6.2 for yderligere oplysninger om ekstruderinger, der er tilbage fra fastgørelseshulproceduren.
5. Hvis du vil have vist kammerskørtet og den indre ring, skal du slette begge resterende kopier af den importerede overflade. Det resulterende objekt skal ligne det i figur 3D.
6. Under processen med at foretage STL-reduktionen og importere den spejles kraniets model. For at kompensere for dette skal den resulterende nederdel spejles. I menuen Funktioner skal du klikke på Spejl og spejle nederdelen hen over det øverste plan. Slet den originale nederdel ved hjælp af funktionen Slet/behold brødtekst .
Kombination af kammertop og nederdel (Figur 3E)
1. Åbn kammerets øverste STL-fil i softwaren, der bruges til at designe kammerskørtet. Indsæt derefter kammernederdelen som en del ved at klikke på Indsæt > del, vælge den brugerdefinerede nederdel i menuen og klikke et vilkårligt sted på skærmen for at importere delen.
2. Hvis du vil justere kammertoppen og nederdelen, skal du klikke på Indsæt > funktioner > Flyt/kopiér. Vælg kammerskørtet, og klik på knappen Begrænsninger nederst i menuen. Fremhæv skørtets indre ring og kammertoppens indre overflade som koncentriske hjælpere (supplerende figur 4A).
  1. Bekræft, at toppen af nederdelen er justeret med bunden af kammertoppen, og skift makkerjusteringsretning, hvis det er nødvendigt.
3. Brug Flyt/kopier til at oversætte nederdelen nedad direkte under kammertoppen. Dette vil kræve flere iterationer for at finde den korrekte afstand, så kammertoppen ikke strækker sig under kammerskørtet og blokerer nederdelen (supplerende figur 4B og supplerende figur 5).
4. Drej kammertoppen for at justere mellemrummene mellem fanerne, så den ene er vinkelret og den anden er parallel med hjernens midterlinje. Brug rotationsværktøjet og den eksisterende akse i midten af objektet som rotationsakse. Juster rotationsgraderne, indtil kammertoppen og nederdelen er i den rigtige retning i forhold til hinanden.
5. Forbind genstande sammen ved ekstrudering fra bunden af kammertoppen direkte nedad mod skørtet. Brug ekstrudering af boss/base, vælg den nederste overflade af kammertoppen, og lav en skitse på denne overflade med de samme indre og ydre radier som denne ring med den centrale akse som midtpunkt. Vælg Up To Body som ekstruderingsretning, og angiv kammerskørtet.
6. Udfør et ekstruderet snit fra overfladen af kammertoppen, der holder tapperne. Når du har valgt denne overflade som ekstruderingsplanet, skal du skitsere en cirkel med samme indre radius som den indre ring. Afslut skitsen og udfør et blindekstruderet snit, der overgår bunden af kammerskørtet (f.eks. 10 mm).
7. Tilføj tolv skruehuller jævnt fordelt omkring kammerskørtet. Placer skruehullerne, så de er jævnt fordelt, men også langt nok fra hinanden, så de er tilgængelige under operationen, men tæt nok til at undgå et unødvendigt stort kammerfodaftryk.
8. Brug værktøjet Guiden Hul til placering af skruehuller. Vælg parametre i menuen Hulspecifikation - Type . Parametre skal stemme overens med de skruer, der skal bruges under kirurgisk implantation (f.eks. Standard: ANSI Metrisk, Type: Fladskrue - ANSI B18.6.7M, Størrelse: M2, Pasform: Løs, Mindste diameter: 3,20 mm, Maksimal diameter: 4,00 mm, Sænkningsvinkel: 90 grader, Sluttilstand: Gennem alle).
9. Klik på fanen Positioner for at begynde at placere huller. For at placere et hul skal du holde markøren over et plan på kammeret og højreklikke. Placer alle tolv skruehuller, og sørg for, at de er jævnt placeret og tilgængelige.
10. Hvis der stadig er forhindringer inde i et skruehul, efter at det er blevet placeret (supplerende figur 6A), skal du vælge et andet plan at placere hullet på eller bruge følgende trin til at udføre et opadgående ekstruderet snit gennem hullet.
  1. Start det opadgående ekstruderede snit ved at oprette et plan parallelt med det resterende plan, men forskudt nedad med 0,00001 mm, så planet er direkte under forhindringen.
  2. Udfør det ekstruderede snit med det plan, der blev oprettet i det sidste trin, som reference. Brug en kombination af buer og linjer til at skitsere formen på det område, der skal fjernes. Sørg for, at skitsen indeholder enhver del af planet, der ligger inden for skruehullets ydre radius (supplerende figur 6B). Ekstrudering skåret 1 mm opad.
11. Når du har placeret skruehullerne, skal du trimme nederdelen for at reducere skarpe kanter og minimere unødvendigt nederdelområde. Udfør et ekstruderet snit fra kammerets øverste overflade ned forbi kammerskørtet (f.eks. 30 mm). Lav ekstruderingen i en form, der udjævner eventuelle ru kanter og trimmer det ydre nederdelområde.
  1. Yderligere brugerdefinerede snit kan være nødvendige for at fjerne alle skarpe kanter og overskydende nederdel. Hvis områder af nederdelen ikke kan skæres ved hjælp af kammerets øverste overflade som referenceplan, skal du oprette et vinklet plan og skabe yderligere ekstruderede snit ved hjælp af dette plan.
12. Se figur 3F for en endelig repræsentation af kammerets design. Dette design kan 3D-printes og placeres på en modelhjerne og kraniotomiseret kranium, hvis det ønskes (figur 3G).

4. Design af hovedstolper (figur 4)

Bemærk, at den færdige kraniotomicenterplacering og kammerets maksimale nederdelareal kræves til hovedstolpedesignet.
Indtast de kendte kraniotomikoordinater (x-, y- og z-værdier) i kommandovinduet.
Til hovedstolpedesignet kræves kun en radius for at repræsentere det område på kraniet, der er tilgængeligt omkring kammeret. På dette trin skal du indtaste den maksimale radius for kammeret, der blev designet i det foregående afsnit (f.eks. 25 mm). Angiv derefter, at der ikke er behov for nogen ydre radius.
Brug kommandovinduet til at angive, om der er behov for skalasøjler for at bekræfte dimensioner.
I lighed med de foregående afsnit skal du gemme hjerne- og kranie-STL-filer, hvis det er nødvendigt til 3D-udskrivning.
Den næste figur, der vises, viser området af kraniet, der omgiver kammeret for oprettelsen af et hovedstolpefodaftryk. Udpak dette område ved hjælp af en STL-størrelsesreduktion, der skal importeres til designsoftware.
Vælg (y) for at angive, at der ønskes en reduktion af STL-størrelsen. Vælg punkter på figuren med hjernen (i blåt) og kraniet (i gråt) overlejret sammen. Sørg for, at punkterne vælges så tæt på hinanden som muligt og jævnt fordelt over det grå kranieområde (supplerende figur 7A). Du kan finde flere oplysninger om pointudvælgelsesprocessen i trin 3.8.
Tryk på enter , når du har gennemført punktvalg for at dække det grå kranieområde, hvor hovedposten skal sidde. Angiv et filnavn til den downloadede reducerede fil i kommandovinduet.
Importer den reducerede fil til CAD-software for at designe det brugerdefinerede hovedstolpefodaftryk. Sørg for, at filen importeres som en Surface Body.
Når du har importeret filen, skal du kontrollere, om der er huller i overfladen angivet med blå linjer. Hvis der er huller i det generelle område, som hovedstolpen dækker, skal fastgørelseshulproceduren (afsnit 6) udfyldes i trin 4.11.
Det første trin i hovedstolpens design er at finde et plan på overfladen, der flugter med det aksiale plan, så når hovedstolpens top og bund kombineres, er hovedstolpens top vinkelret på kraniet (supplerende figur 7B, C). Hvis et plan, der er direkte på linje med det aksiale plan, ikke kan findes på overfladen af kraniet, skal du oprette et nyt plan ved hjælp af et eksisterende plan på overfladen og rotere det for at justere det korrekt. Det er nyttigt at have en fysisk 3D-kraniemodel, der kan bruges til sammenligning med den virtuelle kranierepræsentation.
1. Dette trin skal muligvis ændres flere gange for at skabe en hovedstolpetop, der er direkte vinkelret på kraniet. Hvis du vil ændre vinklen på toppen af hovedstolpen i forhold til stolpens fodaftryk, skal du ændre det plan, der bruges i dette trin. Et par fly skal muligvis testes for at finde et, der sidder parallelt med det aksiale plan.
Brug det plan, der blev fundet eller oprettet i forrige trin, til at oprette et parallelt plan 3 mm over overfladen, der giver en reference til retningen af hovedstolpens top.
1. Fuldfør fastgørelseshulsproceduren beskrevet i afsnit 6 med huller i hovedstolpeområdet.
Oprettelse af hovedstolpebund (Figur 4C)
1. Klik på Ekstruder boss/base, vælg det nye plan, og opret en skitse af hovedstolpens fodaftryk ved hjælp af en kombination af buer og linjer. Gør hovedstolpebenene af samme længde og vinklerne mellem dem kongruente (se eksempel i figur 4A). Brug buer til at forbinde benene på hovedstolpen for at sikre glatte kanter omkring fodaftrykket og ekstrudere skitsen til importeret overflade.
  BEMÆRK: Antallet af hovedstolpeben afhænger af den tilgængelige plads omkring kammeret. Hovedstolpen skal dog have mindst tre ben for at sikre korrekt mekanisk stabilitet.
  1. Se trin 6.2 for instruktioner om, hvordan man trækker rundt om de eksisterende ekstruderinger fra fastgørelseshulproceduren.
2. På dette tidspunkt er den nederste overflade af hovedstolpen tilgængelig for at bekræfte, at overfladen matcher kraniets krumning. Hvis der ønskes 3D-udskrivning for at kontrollere pasformen, skal du udføre følgende fire trin.
  1. Slet den importerede overfladekrop. Spejl fodaftrykket på tværs af det plan, der blev oprettet i trin 4.10. I menuen Spejl skal du bekræfte, at afkrydsningsfeltet Flet faste stoffer ikke er markeret.
  2. For at kontrollere, at fodaftrykket matcher kraniets krumning, skal du bruge Slet/behold brødtekst til at slette det originale fodaftryk, så kun den spejlede version er tilbage.
  3. 3D-print objektet som en STL og placer det på 3D Skull-modellen for fysisk at teste, om det matcher kraniekrumningen.
  4. Hvis du vil fortsætte med headpost-designet, skal du bruge pilen Fortryd øverst på værktøjslinjen til at fortryde de to foregående trin (spejling og sletning). Dette skal gendanne det oprindelige fodaftryk og overfladelegemet.
3. Opret et punkt i midten af den flade overflade på fodaftrykket. Opret en akse ved hjælp af dette punkt og det øverste referenceplan.
4. Klik på værktøjet Flyt/kopiér , og opret en kopi af den importerede overflade hævet til tykkelsen af hovedstolpens bund (f.eks. 1,35 mm). Brug aksen i dette trin som oversættelsesreference, og kontroller, at feltet Kopier er markeret for at forhindre, at den oprindelige overflade ændres.
5. Udfør et ekstruderet snit fra den flade overflade af hovedstolpens fodaftryk til den kopierede (hævede) overflade. Slet den oprindelige overflade og dens kopi. Den resulterende del kan ses i figur 4B.
  1. Følg trin 6.3 for eksisterende ekstruderinger fra fastgørelseshulproceduren.
6. Opret et nyt plan parallelt med referenceplanet, men oversat opad eller nedad for at svæve mindst 1 mm over bunden af hovedstolpen. Hvis du vil bestemme længden af oversættelsen , skal du bruge måleværktøjet under fanen Evaluer . Lav en cirkulær ekstrudering fra det nye plan til hovedstolpens bund for at skabe en platform, hvor bunden af hovedstolpetoppen vil sidde og sikre, at platformen er centreret omkring kraniets midterlinje.
7. Brug filetværktøjet i menuen Funktioner til at udjævne skæringspunktet mellem ekstruderingen og hovedstolpens fodaftryk. Test forskellige radiiværdier ved hjælp af parameteren Asymmetric , og vælg de størst mulige radiiværdier.
8. På dette tidspunkt skal du kontrollere placeringen af hovedstolpens øverste platform ved at 3D-udskrive den aktuelle version og teste den mod en kraniemodel.
9. Placer skruehuller langs hovedstolpens bund ved hjælp af samme teknik som blev brugt til kammerskruehullerne (trin 3.20.7). Tilføj mindst tre skruehuller på hvert hovedstolpeben. Sørg for, at midtpunktet af hvert skruehul er mindst 5 mm fra midten af det næste hul, og kanterne på hvert hul er mindst 2,5 mm væk fra kanten af benet.
  1. For at undgå blodkar, der løber under kraniet og nær midterlinjen, skal du kontrollere, at skruehuller ikke krydser midterlinjen og skifte dem om nødvendigt. Produktet skal ligne designet i figur 4C.
10. Spejl delen ved hjælp af spejlingsværktøjet for at kompensere for den spejling, der opstår under importen af kraniets overflade. Brug toppen af den cirkulære base som spejlplan.
11. Slet den originale del ved hjælp af funktionen Slet/behold brødtekst , så kun den spejlede version er tilbage.
Kombination af hovedstolpens top og bund (figur 4D)
1. Importer toppen af hovedstolpen som en del fra menuen Indsæt . Når delen er fremhævet i menuen, skal du klikke et vilkårligt sted på skærmen for at tilføje delen.
2. Brug funktionen Flyt / kopier til at justere hovedstolpen øverst og nederst. Start med at angive toppen af hovedstolpen som den krop, der skal flyttes. Lav derefter følgende tre hjælpere i menuen Begrænsninger :
  1. Sørg for, at den øverste overflade af den cirkulære hovedstolpeplatform og den nederste overflade af hovedstolpens top parrede tilfældigt.
  2. Sørg for, at de skitserede kanter af overfladerne i det sidste makkerpar parrede sig koncentrisk.
  3. Sæt en linje sammen, der går lodret langs hovedstolpens bageste ben, og en linje, der løber vandret langs bagsiden af hovedstolpens top (den flade side) vinkelret. Sørg for, at den buede overflade på toppen vender fremad (forreste), og at den flade flade overflade vender tættere på hovedstolpens bagben (bageste).
  4. Bekræft, at hver forbindelse er i den rigtige retning, og skift parringsretningen i menuen, hvis det er nødvendigt (se supplerende figur 8 for et eksempel på hjælpere).
    BEMÆRK: Proceduren til kombination af den brugerdefinerede hovedstolpe bund og top bruger en generisk headpost top, der blev designet ved hjælp af CAD-software. Her er den øverste del designet baseret på Crist Instruments hovedpost. Den parringsprocedure, der er skitseret ovenfor, er specifik for disse dele og skal muligvis justeres, hvis der anvendes forskellige parringsdele.
3. Sørg for, at den kombinerede hovedstolpe øverst og nederst ligner figur 4D.
  1. Hvis toppen af hovedstolpen ikke er justeret korrekt, skal du ændre referenceplanet i trin 4.11.

5. Kunstig dura fabrikation ¹¹ (figur 5)

Få den kunstige dura-form (figur 5B).
Opret den kunstige dura silikoneblanding ved at blande silikone KE1300-T og CAT-1300 i forholdet 10: 1.
Hæld 1 ml af blandingen på cylinderens øverste overflade i midten af formen.
For at forhindre luftbobler skal du placere formen i et vakuumkammer i ca. 15 minutter.
Tilsæt det andet lag af formen ved hjælp af stolperne på hver side af cylinderen til at styre justeringen af stykket.
Hæld 3-4 ml silikoneblanding i formen og læg det klare akrylstykke på toppen af formen (figur 5A). Brug en C-klemme til at klemme formen sammen.
Kontroller for luftbobler i det optiske vindue, og fjern dem om nødvendigt med et vakuumkammer.
Hærd den resulterende struktur natten over ved stuetemperatur. Resterende luftbobler fjernes gennem det tryk, der skabes, når formen bliver fastspændt inden hærdning.
Demonter efter hærdning ved at fjerne hver støbedel og forsigtigt fjerne silikone dura.

6. Procedure for fastgørelse af huller

Udfør fastgørelseshulproceduren, hvis der er fundet huller på kranierepræsentationen (angivet med blå linjer i CAD-software). Udfør følgende trin, når de nederste overflader (de overflader, der afslutter ekstruderingen) er oprettet. For kammeret følger dette trin 3.19. For headpost skal du starte denne procedure, når trin 4.12 er fuldført.
1. Skjul eventuelle overflader eller ekstruderinger udover den nedre overflade, så den nederste overflade kan visualiseres uafhængigt.
2. Brug Indsæt > overflade > Planar til at skabe en plan overflade på hver flade, der er i kontakt med mellemrummet, samt over mellemrummet, hvis det er relevant. Hvis du vil angive en overflade, skal du markere hver kant som en afgrænsningsenhed.
3. Lav plane overflader, indtil hvert hul er omgivet, herunder hjørner af huller og kanter af linjer.
4. Klik på Indsæt > Surface > Strik , og vælg alle plane overflader, der omgiver mellemrummet. Se supplerende figur 9A for et billede af de strikkede overflader.
5. Opret en referenceakse i hvert punkt langs kanten af den strikkede overflade ved at vælge Punkt og flade/plan som referencetype og vælge et punkt på kanten af overfladen og det øverste plan. Gentag for hvert punkt på kanten af den strikkede overflade (supplerende figur 9B).
6. Opret et punkt i skæringspunktet mellem hver akse omkring den strikkede overflade med det øverste referenceplan. Vælg Skæringspunkt som referencetype, og vælg en akse og det øverste plan. Sørg for, at der oprettes et punkt, der svarer til hver akse.
7. Lav en skitse, der forbinder hvert referencepunkt i det foregående trin. Vælg Op til overflade som retning, og vælg den strikkede overflade som den overflade, der skal ekstruderes til.
8. Gentag trin 6.1.2-6.1.7 for alle huller i området, som kammeret eller hovedstolpen skal dække (se supplerende figur 9C for slutresultatet af fastgørelseshulsproceduren).
Når ekstruderingen udføres fra det øverste referenceplan til den laveste overflade (trin 3.19.2 eller trin 4.12.1), skal du sikre dig, at kammerets/stolpens omrids er tegnet rundt om de eksisterende ekstruderinger.
Når der udføres ekstruderede snit fra det øverste plan til den højeste af de to overflader (trin 3.19.4 eller trin 4.12.5), skal du ligeledes udføre det ekstruderede hovedsnit adskilt fra de ekstruderinger, der er resultatet af fastgørelseshulproceduren (supplerende figur 10A).
1. For at udføre ekstruderede snit fra fastgørelse af huller ekstruderes den øverste overflade af de eksisterende ekstruderinger til et plan på den hævede overflade, der giver en glat topoverflade til kammeret eller hovedstolpen (supplerende figur 10B). Hvis det ekstruderede snit skaber en stiv overflade, skal du bruge et andet plan eller udføre efterfølgende ekstruderinger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Disse komponenter blev tidligere valideret ved hjælp af en kombination af MR-visualiseringer og 3D-printede anatomiske modeller. Ved at sammenligne den automatiserede kraniotomivisualisering med den 3D-printede kraniotomi og MR på placeringen af kraniotomien er det tydeligt, at den virtuelle kraniotomirepræsentation nøjagtigt afspejler det område af hjernen, der kan tilgås med den specificerede kraniotomiplacering (figur 2A-F). Derudover blev nøjagtigheden af den automatiserede kraniotomivisualisering yderligere evalueret ved at sammenligne den virtuelle repræsentation med eksisterende kraniotomier fra implantationsoperationer (figur 2E, G). Den 3D-printede model, automatiseret visualisering, MR og faktisk kraniotomi fremhæver det samme område og viser de store sulci på samme sted og med proportional konsistens. Processen med hjerne- og kranieisolering og efterfølgende kraniotomivisualisering tager under 15 minutter at gennemføre, hvilket gør det muligt at teste flere steder på under 1 time.

Effekten af hjerneisolationsproceduren blev bekræftet ved at sammenligne den virtuelle kraniotomi med MR-repræsentationen af kraniotomiens placering (figur 2B, C, E, F). Lighederne indikerede, at hjerneisoleringsproceduren har evnen til at repræsentere den korrekte størrelse, placering og form af anatomiske strukturer på hjernen, der målrettes, såsom sulci.

Den kombinerede 3D-printede hjerne og kranium blev brugt som en anatomisk nøjagtig model til at validere kammer- og hovedstolpedesign. Før der blev investeret i titaniumdele, blev kammeret og hovedstolpen 3D-printet i plast. Det blev bekræftet, at implantaterne passede ind i kraniet, og at de ikke overlappede hinanden eller blokerede vigtige anatomiske markører. Kammer- og hovedstolpedesignprocessen producerede komponenter, der matchede kraniets krumning (figur 3G, I, figur 4E, figur 6, figur 7). Den kunstige dura blev også bekræftet at passe ved siden af kammerets indre vægge med et mindre hul for at tage højde for justeringer foretaget under implantationen. Brugerdefinerede kamre blev implanteret i to makakaber. I modsætning til tidligere kammerdesignmetoder⁹ kunne hver skrue, der blev forsøgt indsat, skrues ind. Dette skyldes den drastiske reduktion af mellemrum mellem kammeret og kraniet med den brugerdefinerede pasform sammenlignet med kammeret designet ud fra MR-krumningstilnærmelser⁹ (figur 6A-F). Det ene specialtilpassede kammer er blevet implanteret i over 2 år, og det andet halvandet år. Ved korrekt vedligeholdelse har der ikke været noget skruetab, infektion eller stabilitetsproblemer, der er opstået på grund af disse implantater (figur 3I).

De brugerdefinerede hovedstolpe- og kammerdesignprocesser forhindrer behovet for manuelle justeringer under operationen, hvilket ellers kunne tilføje timer til operationens varighed. Disse teknikker reducerer også de 1-2 mm mellemrum, der skyldes krumningstilnærmelser²⁹, hvilket fremmer bedre implantatsundhed og forbedrer eksperimentelle resultater. Forbedringerne forhindrer komplikationer med implantatet og forlænger implantatets levetid, hvilket også forbedrer dyrevelfærden.

Figur 1: Hjerne- og kranieisolering. (A) Lagdelt magnetisk resonansbillede (MRI) koronale skiver. (B) Lagdelt binær maske fra kranietærskel. (C) Lagdelte skiver af det isolerede kranium fra en omvendt binær maske. (D) Rekonstrueret 3D-kranium. (E) Lagdelt binær maske fra hjernetærskel. (F) Lagdelte MR-skiver af isoleret hjerne. (G) Rekonstrueret 3D-hjerne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2: Kraniotomi planlægning. (A) Kraniotomi visualisering med 3D printet hjerne og kranium model for Monkey B. (B) Kraniotomi visualisering i beregningssoftware til Monkey B. (C) Kraniotomi visualisering i magnetisk resonans (MR) billede for Monkey B. (D) Kraniotomi visualisering med 3D printet hjerne og kranium model for Monkey H. (E) Kraniotomi visualisering i beregningssoftware til Monkey H. (F) Kraniotomi visualisering i magnetisk resonans (MR) billede for Monkey H. (G) Billede af kraniotomi i Monkey H. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3: Design af kammerimplantat. (A) Kranieregion (grå), der bruges til reduktion af STL-opløsning. (B) Reduktion af kraniets STL-opløsning i SOLIDWORKS. (C) Kammerets indre ring, fremhævet. (d) Design af kammerskørt i SOLIDWORKS. (E) Forbindelseskammerskørt og top. F) Afdeling STL i SOLIDWORKS. (G) 3D-printet hjerne, kranium og kammer. (H) Titanium kammer. (I) Implanteret kammer i Monkey H. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 4: Design af hovedstolpe. (A) Hovedstolpens nederste omrids på reduktion af kraniets STL-opløsning. (B) Måltilpasset fodaftryk på hovedstolpen. (C) Hovedstolpe nederst. (D) Udformning af hovedstolper i SOLIDWORKS. (E) 3D-printet hovedpost på kraniet. (F) Hovedstolpe af titanium. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 5: Kunstig dura fabrikation. (A) Fastspænding af silikoneblanding ved hjælp af form. b) kunstig dura. Denne figur er blevet tilpasset med tilladelse fra Griggs et ^al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 6: Specialtilpasset versus kraniekrumningstilpasningskammer. Kammer designet ud fra MR-krumningsestimater på kranium⁹ fra et (A) forreste billede, (B) set fra siden og (C) bagfra. Specialdesignet kammer set fra en (D) forreste visning, (E) set fra siden og (F) bagfra. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 7: Kammer, hovedstolpe og kunstig dura på overlejret hjerne og kranium Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende figur 1: Tærskelværdi og kraniotomi lokaliseringsplanlægning. (A) Eksempel på binær maske med en passende tærskel. (B) Koronal skive på MR til identifikation af kraniotomiplacering. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 2: Proces med STL-filreduktion i MATLAB til kammerdesign. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 3: Visuel repræsentation af et hul i kraniet STL-opløsningsreduktion. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 4: Skærmbilleder af software til kammerskørter. (A) Den indre ring af kammerskørtet og den indvendige overflade af kammertoppen som koncentriske hjælpere. (B) Oversættelse af kammerskørt nedad. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 5: Kammerskørt og kammertop med og uden overlapning. (A) Undersynseksempel på overlapning mellem kammerskørtet og kammertoppen (Ændrer kammerskørtets nederste overflade). (B) Eksempel på ingen overlapning mellem kammerskørt og kammertop. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 6: Planer, der blokerer skruehuller og eliminerer forhindringer. (A) Eksempel på planer, der blokerer skruehullerne efter placering af skruehuller. (B) Omrids af ekstruderet snit for at fjerne overflader inde i skruehuller. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 7: Valg af punkt og kraniets aksiale plan. (A) Valg af punkt til design af hovedstolper. (B) Øvre billede af planet parallelt med kraniets aksiale plan. (C) Set fra siden af planet parallelt med kraniets aksiale plan. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 8: Eksempel på hjælpere. (A) Førstestyrmand - Oversiden af den cirkulære hovedstolpeplatform og den nederste overflade af hovedstolpens top som koncentriske hjælpere. (B) Andenstyrmand - Kant af den øverste overflade af cirkulær hovedstolpeplatform og kanten af den nederste overflade af hovedstolpens top som koncentriske hjælpere. (C) Tredjestyrmand - En linje, der går lodret langs hovedstolpens bageste ben og en linje, der løber vandret langs bagsiden af hovedstolpens top som vinkelrette makker. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 9: Procedure for fastgørelse af huller. (A) Strikkede overflader, der omgiver hullet i den importerede overflade. (B) Akse på hvert punkt ved kanten af den strikkede overflade. (C) Slutresultat af fastgørelseshulsproceduren. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 10: Udførelse af ekstruderet snit. (A) Ekstruderet snit omgivende ekstrudering fra fastgørelseshulsprocedure. B) Eksempel ekstruderet skåret til et plan på kammerets øverste overflade. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende kodningsfil 1: Kodningsfiler til protokollen. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dette papir skitserer en ligetil og præcis metode til neurokirurgisk planlægning, der ikke kun er gavnlig for udviklingen af komponenter, der anvendes til NHP kranial vinduesimplantation, men også kan overføres til andre områder af NHP neurovidenskabelig forskning 13,15,25. I sammenligning med andre nuværende metoder til NHP-implantatplanlægning og design 25,29,30 har denne procedure potentialet til at blive vedtaget af flere neurovidenskabslaboratorier, fordi den er enkel og økonomisk. Mens CT almindeligvis anvendes til kraniemodellering^32,38, giver denne protokol tilstrækkelige modelleringsdetaljer for både hjernen og kraniet ved kun at bruge MR-scanninger. Eksisterende metoder kræver både MR- og CT-scanninger til hjerne- og kranieisolering 30,32,33, mens denne metode eliminerer yderligere omkostninger og udfordringer ved CT-billeddannelse. En yderligere fordel er, at denne model ikke kræver justering af MR- og CT-scanninger, hvilket sparer betydelig tid og forhindrer problemer forbundet med dårlig justering³⁹. Generering af både hjerne- og kraniemodeller fra en enkelt billedfil producerer meget kompatible modeller, der let kombineres til kraniotomivisualisering. Denne funktion er især nyttig til iterative kraniotomitestprocesser, fordi i stedet for at kombinere og justere filer fra separate programmer ^30,33, genereres begge modeller i en software fra en enkelt inputfil og vises automatisk inden for få sekunder. Dette giver mulighed for effektiv bekræftelse af hjerne- og kraniemodelleringsnøjagtighed og sikrer, at implantater matcher kraniets krumning in vivo. Dette eliminerer også iterativ 3D-udskrivning af kraniet, der tidligere var nødvendigt for at bestemme den optimale kraniotomiplacering³⁵, hvilket sparer snesevis af timers udskrivning pr. iteration. Vores softwarebaserede teknik tager til sammenligning omkring 10-15 minutter at generere hver kraniotomiterirering.

Identifikation af implantatets placering i forhold til de frontale, parietale og temporale kranieregioner samt andre kraniefunktioner har enorme fordele for kirurgisk og eksperimentel planlægning. Denne funktion udnyttes til at specialdesigne hovedstolpens fodaftryk med hensyn til kammerets fodaftryk. For enhver NHP-neurovidenskabsforskning kan denne rumlige modelleringsfunktion tilpasses til at designe komponenter fra anatomiske planer, MR-koordinater, anatomiske træk ved hjernen og kraniet og med hensyn til eksisterende implantater. Ved at gøre dette reduceres muligheden for uforudsete problemer under eller efter implantation drastisk. Denne procedure har også evnen til at skabe implantater, der spænder over flere hjerneområder fra forskellige planer, samtidig med at der opretholdes en tæt pasform til kraniet.

Den metode, der fremhæves her, skaber et cirkulært kammer og gør det muligt at designe en hovedstolpe omkring kammeret. Imidlertid har proceduren her potentialet til at rumme andre former gennem ændring af sektionen Chamber Skirt Design. Det samme gælder for hovedstolpens design - proceduren gør det muligt at oprette forskellige antal ben og andre brugerdefinerede former, hvor formen primært afhænger af den tilgængelige plads omkring kammeret. Formen på kraniet STL-reduktion, som i øjeblikket er en ring til kammerdesignet, kunne ændres yderligere for at skabe forskellige kranie-STL-reduktionsformer, der er skræddersyet til behovet for bestemte kammer- eller hovedstolpedesign, hvilket letter mere effektiv tilpasning.

Selvom denne proces effektivt skaber tilpassede implantater, er der trin, der kan forbedres for mere effektiv produktion. Som nævnt før er justering af toppen af hovedstolpen vinkelret på kraniet en iterativ proces med den skitserede metode i dette papir på grund af vanskeligheden ved at identificere kranieorienteringen i designsoftwaren. For at strømline processen med at placere hovedstolpens top på den nederste del kunne yderligere markører placeres på den virtuelle kranierepræsentation for at indikere aksiale, sagittale og koronale planer. Protokollen har også potentiale til at blive yderligere automatiseret for øget brugervenlighed. Mens kraniet STL-reduktionsmetoden, der diskuteres i denne protokol, er effektiv til design af implantater, kan den gøres hurtigere og mere i overensstemmelse med yderligere automatisering. Vores valideringsprocedure kræver 3D-print af kraniet og implantatprototyper for at verificere, at implantaterne matchede kraniets krumning. Dette trin kan potentielt elimineres ved at skabe en metode til virtuel 3D-visualisering, der kombinerer hjernen, kraniet, kammeret, hovedstolpen og kunstig dura sammen.

Vores platform giver en helt virtuel proces med kraniotomiplanlægning og brugerdefineret implantatdesign. De endelige designs kan 3D-printes og verificeres på en fysisk model³⁵ i naturlig størrelse. I modsætning til eksisterende metoder kræver vores protokol ikke dyre produktiterationer eller adgang til dyre maskiner som CNC-fræsemaskiner ^29,34. I lighed med andre eksisterende metoder til implantatdesign 9,12,29,30,32,33,40 er denne metode helt afhængig af en billeddannelsesmodalitet for nøjagtigt at skildre anatomiske strukturer. Enhver unøjagtighed til stede i MR-scanningen eller ændringer i hjerne- eller kranieanatomi mellem MR og kirurgi kan kompromittere implantatets effektivitet. Derfor er korrekt planlægning for MR-erhvervelse afgørende for at optimere implantatdesign.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi vil gerne takke Toni Haun, Keith Vogel og Shawn Fisher for deres tekniske hjælp og support. Dette arbejde blev støttet af University of Washington Mary Gates Endowment (R.I.), National Institute of Health NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y.), Washington National Primate Research Center (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), Center for Neurotechnology (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) og 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

Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
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).
Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
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).
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).
Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034 (2018).
Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
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).
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).
Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239 (2021).
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).
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).
Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183 (2022).
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).
Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866 (2023).
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).
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).
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).
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).
Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435 (2022).
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).
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).
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).
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).
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).
Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899 (2023).
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).
Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521 (2021).
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).
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).
Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098 (2020).
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).
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).
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).
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).
Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).

Bioengineering

En værktøjskasse til neuralt implantatdesign til ikke-menneskelige primater

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.