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생체공학

Uma caixa de ferramentas de design de implante neural para primatas não 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 artigo descreve processos automatizados para planejamento neurocirúrgico de primatas não humanos com base em exames de ressonância magnética (RM). Essas técnicas usam etapas processuais em plataformas de programação e projeto para apoiar o projeto de implantes personalizados para NHPs. A validade de cada componente pode então ser confirmada usando modelos anatômicos tridimensionais (3D) impressos em tamanho real.

Abstract

Este artigo descreve um método interno de modelagem 3D do cérebro e crânio a partir de imagens de ressonância magnética (RM) adaptado para o planejamento neurocirúrgico de primatas não humanos (NHP). Esta técnica automatizada baseada em software computacional fornece uma maneira eficiente de extrair características do cérebro e do crânio de arquivos de ressonância magnética, em oposição às técnicas tradicionais de extração manual usando software de imagem. Além disso, o procedimento fornece um método para visualizar o cérebro e o crânio craniotomizado juntos para um planejamento cirúrgico virtual intuitivo. Isso gera uma redução drástica de tempo e recursos em relação aos exigidos por trabalhos anteriores, que dependiam da impressão 3D iterativa. O processo de modelagem do crânio cria uma pegada que é exportada para um software de modelagem para projetar câmaras cranianas e cabeçotes personalizados para implantação cirúrgica. Os implantes cirúrgicos personalizados minimizam as lacunas entre o implante e o crânio que podem apresentar complicações, incluindo infecção ou diminuição da estabilidade. Com a implementação dessas etapas pré-cirúrgicas, as complicações cirúrgicas e experimentais são reduzidas. Essas técnicas podem ser adaptadas para outros processos cirúrgicos, facilitando um planejamento experimental mais eficiente e eficaz para pesquisadores e, potencialmente, neurocirurgiões.

Introduction

Primatas não humanos (NHPs) são modelos inestimáveis para a pesquisa médica translacional porque são evolutiva e comportamentalmente semelhantes aos humanos. Os NHPs ganharam particular importância em estudos pré-clínicos de engenharia neural porque seus cérebros são modelos altamente relevantes de função neural e disfunção1,2,3,4,5,6,7,8. Algumas poderosas técnicas de estimulação e gravação cerebral, como optogenética, imagem de cálcio e outras, são melhor servidas com acesso direto ao cérebro através de janelas cranianas9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Em NHPs, as janelas cranianas são frequentemente alcançadas com uma câmara e uma dura-máter artificial para proteger o cérebro e apoiar a experimentação a longo prazo8,10,12,17,18,24,25,26,27. Da mesma forma, os headposts geralmente acompanham as câmaras para estabilizar e alinhar a cabeça durante os experimentos14,15,25,26,28,29,30. A eficácia desses componentes depende muito de quão bem eles se encaixam no crânio. Um ajuste mais próximo ao crânio promove a integração óssea e a saúde craniana, diminuindo a probabilidade de infecção, osteonecrose e instabilidade do implante31. Métodos convencionais de design, como dobrar manualmente o poste da cabeça durante a cirurgia25,29 e estimar a curvatura craniana por meio do ajuste de círculos em cortes coronais e sagitais de ressonância magnética (RM)9,12 pode introduzir complicações devido à imprecisão. Mesmo o mais preciso deles cria lacunas de 1 a 2 mm entre o implante e o crânio, proporcionando espaço para o acúmulo de tecido de granulação29. Essas falhas também dificultam a colocação de parafusos na cirurgia9, comprometendo a estabilidade do implante. Implantes personalizados têm sido desenvolvidos mais recentemente para melhorar a osseointegração e a longevidade do implante9,29,30,32. Custos adicionais acompanharam os avanços no projeto de implantes personalizados devido à dependência de modelos computacionais. Os métodos mais precisos requerem equipamentos sofisticados, como tomógrafos computadorizados (TC), além de aparelhos de RM30,32,33 e até fresadoras de controle numérico computadorizado (CNC) para desenvolvimento de protótipos de implantes25,29,32,34. Obter acesso à RNM e à TC, particularmente para uso com NHPs, pode não ser viável para laboratórios que precisam de implantes personalizados, como câmaras cranianas e cabeceiras.

Como resultado, há uma necessidade na comunidade de técnicas baratas, precisas e não invasivas de planejamento neurocirúrgico e experimental que facilitem o projeto e a validação dos implantes antes do uso. Este artigo descreve um método de geração de representações virtuais 3D do cérebro e do crânio a partir de dados de RM para o planejamento da localização de craniotomias e o projeto de câmaras cranianas personalizadas e cabeceiras que se ajustam ao crânio. Este procedimento simplificado fornece um desenho padronizado que pode beneficiar os resultados experimentais e o bem-estar dos animais de pesquisa. Apenas a RM é necessária para essa modelagem, pois tanto o osso quanto os tecidos moles são representados na RM. Em vez de usar uma fresadora CNC, os modelos podem ser impressos em 3D de forma barata, mesmo quando várias iterações são necessárias. Isso também permite que o projeto final seja impresso em 3D em metais biocompatíveis, como titânio, para implantação. Além disso, descrevemos a fabricação de uma dura-máter artificial, que é colocada dentro da câmara craniana no momento da implantação. Esses componentes podem ser validados pré-cirurgicamente, encaixando todas as peças em um modelo impresso em 3D em tamanho real do crânio e do cérebro.

Protocol

Todos os procedimentos envolvendo animais foram aprovados pelo Comitê do Institute for Animal Care and Use da Universidade de Washington. Foram utilizados quatro macacos rhesus (Macaca mulatta) machos adultos. No momento da aquisição da ressonância magnética, o macaco H tinha 7 anos, o macaco L 6 anos, o macaco C 8,5 anos e o macaco B 5,5 anos. Os macacos H e L foram implantados com câmaras crônicas personalizadas aos 9 anos de idade. 1. Isolamento craniano e cerebral (<s…

Representative Results

Esses componentes foram previamente validados usando uma combinação de visualizações de RM e modelos anatômicos impressos em 3D. Comparando-se a visualização da craniotomia automatizada com a craniotomia impressa em 3D e a RM no local da craniotomia, fica evidente que a representação da craniotomia virtual reflete com precisão a região do cérebro que pode ser acessada com o local especificado da craniotomia (Figura 2A-F</s…

Discussion

Este artigo descreve um método simples e preciso de planejamento neurocirúrgico que não só é benéfico para o desenvolvimento de componentes usados para o implante de janela craniana do NHP, mas também transferível para outras áreas de pesquisa em neurociência do NHP 13,15,25. Em comparação com outros métodos atuais de planejamento e desenho de implantes de PNH 25,29,30, esse procedimento tem potencial para ser adota…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gostaríamos de agradecer a Toni Haun, Keith Vogel e Shawn Fisher por sua ajuda técnica e apoio. Este trabalho foi apoiado pela 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.) e 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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References

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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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