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Bioingegneria

Une boîte à outils de conception d’implants neuronaux pour les primates non humains

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

Cet article décrit les processus automatisés de planification neurochirurgicale des primates non humains basés sur l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Ces techniques utilisent des étapes procédurales dans les plateformes de programmation et de conception pour soutenir la conception d’implants personnalisés pour les PSN. La validité de chaque composant peut ensuite être confirmée à l’aide de modèles anatomiques grandeur nature imprimés en trois dimensions (3D).

Abstract

Cet article décrit une méthode interne de modélisation 3D du cerveau et du crâne à partir de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) adaptée à la planification neurochirurgicale des primates non humains (PNH). Cette technique logicielle automatisée et informatique offre un moyen efficace d’extraire les caractéristiques du cerveau et du crâne à partir de fichiers IRM, par opposition aux techniques d’extraction manuelle traditionnelles utilisant un logiciel d’imagerie. De plus, la procédure fournit une méthode pour visualiser le cerveau et le crâne craniotomisé ensemble pour une planification chirurgicale intuitive et virtuelle. Cela génère une réduction drastique du temps et des ressources par rapport à ceux requis par les travaux précédents, qui reposaient sur l’impression 3D itérative. Le processus de modélisation du crâne crée une empreinte qui est exportée dans un logiciel de modélisation pour concevoir des chambres crâniennes et des tenons de tête sur mesure pour l’implantation chirurgicale. Les implants chirurgicaux sur mesure minimisent les espaces entre l’implant et le crâne qui pourraient introduire des complications, notamment une infection ou une diminution de la stabilité. La mise en œuvre de ces étapes préopératoires permet de réduire les complications chirurgicales et expérimentales. Ces techniques peuvent être adaptées à d’autres processus chirurgicaux, ce qui facilite une planification expérimentale plus efficace pour les chercheurs et, éventuellement, les neurochirurgiens.

Introduction

Les primates non humains (PNH) sont des modèles inestimables pour la recherche médicale translationnelle car ils sont similaires aux humains sur le plan de l’évolution et du comportement. Les PSN ont acquis une importance particulière dans les études précliniques d’ingénierie neuronale car leur cerveau est un modèle très pertinent de la fonction et du dysfonctionnement neuronaux1,2,3,4,5,6,7,8. Certaines techniques puissantes de stimulation et d’enregistrement du cerveau, telles que l’optogénétique, l’imagerie calcique et autres, sont mieux servies par un accès direct au cerveau par les fenêtres crâniennes9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Dans les PSN, les fenêtres crâniennes sont souvent réalisées avec une chambre et une dure-mère artificielle pour protéger le cerveau et soutenir l’expérimentation à long terme8,10,12,17,18,24,25,26,27. De même, les poteaux de tête accompagnent souvent les chambres pour stabiliser et aligner la tête pendant les expériences14,15,25,26,28,29,30. L’efficacité de ces composants dépend fortement de leur capacité à s’insérer dans le crâne. Un ajustement plus proche du crâne favorise l’intégration osseuse et la santé crânienne en diminuant le risque d’infection, d’ostéonécrose et d’instabilité de l’implant31. Méthodes de conception conventionnelles, telles que le pliage manuel de la tige de tête pendant la chirurgie25,29 et estimer la courbure du crâne en ajustant des cercles à des tranches coronales et sagittales de résonance magnétique (IRM)9,12 peut introduire des complications dues à l’imprécision. Même les plus précis d’entre eux créent des espaces de 1 à 2 mm entre l’implant et le crâne, offrant un espace pour l’accumulation de tissu de granulation29. Ces lacunes introduisent en outre des difficultés de placement des vis en chirurgie9, compromettant la stabilité de l’implant. Des implants personnalisés ont été développés plus récemment pour améliorer l’ostéointégration et la longévité des implants9,29,30,32. Des coûts supplémentaires ont accompagné les progrès dans la conception d’implants personnalisés en raison de la dépendance aux modèles informatiques. Les méthodes les plus précises nécessitent des équipements sophistiqués tels que des appareils de tomodensitométrie (TDM) en plus des appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM)30,32,33 et même des fraiseuses à commande numérique par ordinateur (CNC) pour le développement de prototypes d’implants25,29,32,34. L’accès à l’IRM et à la TDM, en particulier pour les PSN, peut ne pas être possible pour les laboratoires qui ont besoin d’implants sur mesure comme les chambres crâniennes et les tenons de tête.

Par conséquent, il existe un besoin dans la communauté de techniques peu coûteuses, précises et non invasives de planification neurochirurgicale et expérimentale qui facilitent la conception et la validation des implants avant utilisation. Cet article décrit une méthode de génération de représentations virtuelles 3D du cerveau et du crâne à partir de données IRM pour la planification de l’emplacement de la craniotomie et la conception de chambres crâniennes et de poteaux de tête personnalisés qui s’adaptent au crâne. Cette procédure simplifiée fournit une conception standardisée qui peut bénéficier aux résultats expérimentaux et au bien-être des animaux de recherche. Seule l’IRM est nécessaire pour cette modélisation car les os et les tissus mous sont représentés à l’IRM. Au lieu d’utiliser une fraiseuse CNC, les modèles peuvent être imprimés en 3D à moindre coût, même lorsque plusieurs itérations sont nécessaires. Cela permet également d’imprimer en 3D la conception finale dans des métaux biocompatibles tels que le titane pour l’implantation. De plus, nous décrivons la fabrication d’une dure-mère artificielle, qui est placée à l’intérieur de la chambre crânienne lors de l’implantation. Ces composants peuvent être validés avant la chirurgie en ajustant toutes les pièces sur un modèle grandeur nature imprimé en 3D du crâne et du cerveau.

Protocol

Toutes les procédures impliquant des animaux ont été approuvées par le comité de l’Institute for Animal Care and Use de l’Université de Washington. Au total, quatre macaques rhésus mâles adultes (Macaca mulatta) ont été utilisés dans cette étude. Au moment de l’acquisition de l’IRM, le singe H avait 7 ans, le singe L 6 ans, le singe C 8,5 ans et le singe B 5,5 ans. Les singes H et L ont été implantés avec des chambres chroniques personnalisées à l’âge de 9 ans. <p class="jove_titl…

Representative Results

Ces composants ont été préalablement validés à l’aide d’une combinaison de visualisations IRM et de modèles anatomiques imprimés en 3D. En comparant la visualisation automatisée de la craniotomie à la craniotomie imprimée en 3D et à l’IRM à l’emplacement de la craniotomie, il est évident que la représentation virtuelle de la craniotomie reflète fidèlement la région du cerveau à laquelle on peut accéder avec l’emplacement de craniotomie spécifié (<strong clas…

Discussion

Cet article décrit une méthode simple et précise de planification neurochirurgicale qui est non seulement bénéfique pour le développement de composants utilisés pour l’implantation de fenêtres crâniennes de PSN, mais également transférable à d’autres domaines de la recherche en neurosciences des PSN 13,15,25. Par rapport à d’autres méthodes actuelles de planification et de conception d’implants de PSN 25,29…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous tenons à remercier Toni Haun, Keith Vogel et Shawn Fisher pour leur aide et leur soutien techniques. Ce travail a été soutenu par le Mary Gates Endowment (R.I.), le National Institute of Health NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), le Washington National Primate Research Center (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), le Center for Neurotechnology (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) et Weill Neurohub (Z. I.).

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
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Riferimenti

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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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