本文概述了基于磁共振成像 (MRI) 扫描的非人灵长类动物神经外科计划的自动化流程。这些技术在编程和设计平台中使用程序步骤来支持非人灵长类的定制植入物设计。然后可以使用三维 (3D) 打印的真人大小的解剖模型来确认每个组件的有效性。
本文介绍了一种为非人灵长类动物 (NHP) 神经外科计划量身定制的磁共振成像 (MRI) 3D 大脑和颅骨建模的内部方法。这种基于计算软件的自动化技术提供了一种从 MRI 文件中提取大脑和颅骨特征的有效方法,而不是使用成像软件的传统手动提取技术。此外,该手术提供了一种将大脑和开颅颅骨可视化的方法,以实现直观的虚拟手术计划。与过去的工作相比,这大大减少了时间和资源,而过去的工作依赖于迭代3D打印。颅骨建模过程会创建一个足迹,该足迹被导出到建模软件中,以设计用于手术植入的定制颅室和头柱。定制的外科植入物可最大限度地减少植入物和颅骨之间的间隙,这些间隙可能会引起并发症,包括感染或稳定性下降。通过实施这些术前步骤,可以减少手术和实验并发症。这些技术可以适用于其他手术过程,为研究人员和潜在的神经外科医生提供更有效的实验计划。
非人灵长类动物 (NHP) 是转化医学研究的宝贵模型,因为它们在进化和行为上与人类相似。非人灵长类在神经工程临床前研究中变得尤为重要,因为它们的大脑是神经功能和功能障碍的高度相关模型1,2,3,4,5,6,7,8.一些强大的脑刺激和记录技术,如光遗传学、钙成像等,最好通过颅窗直接进入大脑9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23.在非人灵长类中,颅窗通常通过腔室和人工硬脑膜来实现,以保护大脑并支持长期实验8,10,12,17,18,24,25,26,27.同样,在实验过程中,头柱通常伴随着腔室以稳定和对齐头部14,15,25,26,28,29,30.这些成分的有效性很大程度上取决于它们与颅骨的配合程度。更贴合颅骨可降低感染、骨坏死和植入物不稳定的可能性,从而促进骨整合和颅骨健康31.传统的设计方法,例如在手术过程中手动弯曲头柱25,29 通过将圆拟合到磁共振 (MR) 扫描的冠状和矢状切片来估计颅骨曲率9,12 由于不精确,可能会引入并发症。即使是最精确的,也会在植入物和颅骨之间产生 1-2 毫米的间隙,为肉芽组织积累提供空间29.这些间隙还增加了在手术中放置螺钉的困难9,影响植入物的稳定性。最近开发了定制的植入物,以改善骨整合和植入物寿命9,29,30,32.由于对计算模型的依赖,定制植入物设计的进步也带来了额外的成本。最准确的方法需要复杂的设备,例如计算机断层扫描 (CT) 机器以及 MR 成像 (MRI) 机器30,32,33 甚至还有用于开发植入物原型的计算机数控 (CNC) 铣床25,29,32,34.对于需要定制植入物(如颅室和头柱)的实验室来说,同时获得 MRI 和 CT,特别是用于非人灵长类,可能并不可行。
因此,社区需要廉价、准确和非侵入性的神经外科和实验计划技术,以促进植入物的使用前设计和验证。本文描述了一种从 MR 数据生成虚拟 3D 大脑和颅骨表示的方法,用于开颅手术位置规划和设计适合颅骨的定制颅室和头柱。这种简化的程序提供了一个标准化的设计,可以有益于实验结果和研究动物的福利。此建模只需要 MRI,因为 MRI 中描绘了骨骼和软组织。与使用CNC铣床不同,即使需要多次迭代,也可以以低廉的价格进行3D打印模型。这也允许最终设计在生物相容性金属(如钛)中进行3D打印,以便植入。此外,我们还描述了人工硬脑膜的制造,该硬脑膜在植入时放置在颅腔内。这些组件可以通过将所有部件安装到真人大小的头骨和大脑3D打印模型上来进行手术前验证。
本文概述了一种简单而精确的神经外科计划方法,该方法不仅有利于开发用于 NHP 颅窗植入的组件,而且可转移到 NHP 神经科学研究的其他领域 13,15,25。与目前其他非人灵长类植入物规划和设计方法相比 25,29,30,该程序有可能被更多的神经科学实验室采用,因为它简单且经济。</su…
The authors have nothing to disclose.
我们要感谢 Toni Haun、Keith Vogel 和 Shawn Fisher 的技术帮助和支持。这项工作得到了华盛顿大学玛丽盖茨基金会(RI),美国国立卫生研究院NIH 5R01NS116464(T.B.,A.Y.),NIH R01 NS119395(D.J.G.,A.Y),华盛顿国家灵长类动物研究中心(WaNPRC,NIH P51 OD010425,U42 OD011123),神经技术中心(EEC-1028725,Z.A.,D.J.G.)和威尔神经中心(ZI)的支持。
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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 |