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.
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.
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.
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 f…
The authors have nothing to disclose.
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.).
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 |