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Bioingegneria

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

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

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

Abstract

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

Introduction

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

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

Protocol

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

Representative Results

Estos componentes se validaron previamente mediante una combinación de visualizaciones de resonancia magnética y modelos anatómicos impresos en 3D. Al comparar la visualización automatizada de la craneotomía con la craneotomía impresa en 3D y la resonancia magnética en la ubicación de la craneotomía, es evidente que la representación virtual de la craneotomía refleja con precisión la región del cerebro a la que se puede acceder con la ubicación de craneotomía especificada (…

Discussion

Este artículo describe un método sencillo y preciso de planificación neuroquirúrgica que no solo es beneficioso para el desarrollo de componentes utilizados para el implante de la ventana craneal de NHP, sino que también es transferible a otras áreas de investigación en neurociencia de NHP 13,15,25. En comparación con otros métodos actuales de planificación y diseño de implantes NHP 25,29,30, este procedimiento tiene …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

Materials

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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