Eine Toolbox für das Design neuronaler Implantate für nichtmenschliche Primaten
Summary
In diesem Artikel werden automatisierte Prozesse für die neurochirurgische Planung von nichtmenschlichen Primaten auf der Grundlage von Magnetresonanztomographie (MRT)-Scans beschrieben. Diese Techniken verwenden Verfahrensschritte in Programmier- und Designplattformen, um ein maßgeschneidertes Implantatdesign für NHPs zu unterstützen. Die Gültigkeit jeder Komponente kann dann anhand von dreidimensionalen (3D) gedruckten lebensgroßen anatomischen Modellen bestätigt werden.
Abstract
In diesem Artikel wird eine interne Methode zur 3D-Modellierung von Gehirn und Schädel aus der Magnetresonanztomographie (MRT) beschrieben, die auf die neurochirurgische Planung nichtmenschlicher Primaten (NHP) zugeschnitten ist. Diese automatisierte, auf Computersoftware basierende Technik bietet eine effiziente Möglichkeit, Gehirn- und Schädelmerkmale aus MRT-Dateien zu extrahieren, im Gegensatz zu herkömmlichen manuellen Extraktionstechniken mit Bildgebungssoftware. Darüber hinaus bietet das Verfahren eine Methode zur Visualisierung des Gehirns und des kraniotomierten Schädels zusammen für eine intuitive, virtuelle Operationsplanung. Dies führt zu einer drastischen Reduzierung von Zeit und Ressourcen gegenüber früheren Arbeiten, die auf iterativem 3D-Druck beruhten. Der Prozess der Schädelmodellierung erstellt einen Fußabdruck, der in eine Modellierungssoftware exportiert wird, um passgenaue Schädelkammern und Kopfpfosten für die chirurgische Implantation zu entwerfen. Passgenaue chirurgische Implantate minimieren Lücken zwischen dem Implantat und dem Schädel, die zu Komplikationen führen können, einschließlich Infektionen oder verminderter Stabilität. Durch die Implementierung dieser präoperativen Schritte werden chirurgische und experimentelle Komplikationen reduziert. Diese Techniken können für andere chirurgische Prozesse angepasst werden, was Forschern und möglicherweise Neurochirurgen eine effizientere und effektivere experimentelle Planung ermöglicht.
Introduction
Nichtmenschliche Primaten (NHPs) sind unschätzbare Modelle für die translationale medizinische Forschung, da sie dem Menschen evolutionär und verhaltensmäßig ähnlich sind. NHPs haben in präklinischen Studien des Neural Engineering besondere Bedeutung erlangt, da ihre Gehirne hochrelevante Modelle für neuronale Funktionen und Dysfunktionen sind1,2,3,4,5,6,7,8. Einige leistungsstarke Hirnstimulations- und Aufzeichnungstechniken wie Optogenetik, Kalziumbildgebung und andere sind am besten mit direktem Zugang zum Gehirn durch Schädelfenster bedient9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Bei NHPs werden Schädelfenster oft mit einer Kammer und einer künstlichen Dura erreicht, um das Gehirn zu schützen und langfristige Experimente zu unterstützen8,10,12,17,18,24,25,26,27. Ebenso begleiten Kopfpfosten oft Kammern, um den Kopf während der Experimente zu stabilisieren und auszurichten14,15,25,26,28,29,30. Die Wirksamkeit dieser Komponenten hängt stark davon ab, wie gut sie in den Schädel passen. Eine engere Passform am Schädel fördert die Knochenintegration und die Schädelgesundheit, indem sie die Wahrscheinlichkeit von Infektionen, Osteonekrose und Implantatinstabilität verringert31. Konventionelle Konstruktionsmethoden, wie z. B. manuelles Biegen des Kopfpfostens während der Operation25,29 und Schätzung der Schädelkrümmung durch Anpassung von Kreisen an koronale und sagittale Schichten von Magnetresonanz-Scans (MR)9,12 kann Komplikationen aufgrund von Ungenauigkeiten verursachen. Selbst die präzisesten von ihnen erzeugen 1-2 mm Lücken zwischen dem Implantat und dem Schädel und bieten Platz für die Ansammlung von Granulationsgewebe29. Diese Lücken führen zusätzlich zu Schwierigkeiten beim Platzieren von Schrauben in der Chirurgie9, wodurch die Stabilität des Implantats beeinträchtigt wird. In jüngerer Zeit wurden maßgeschneiderte Implantate entwickelt, um die Osseointegration und die Langlebigkeit der Implantate zu verbessern9,29,30,32. Zusätzliche Kosten sind mit den Fortschritten im kundenspezifischen Implantatdesign einhergegangen, da man sich auf Computermodelle verlässt. Die genauesten Methoden erfordern hochentwickelte Geräte wie Computertomographen (CT) zusätzlich zu MRT-Geräten30,32,33 und sogar CNC-Fräsmaschinen (Computer Numerical Control) für die Entwicklung von Implantatprototypen25,29,32,34. Der Zugang zu MRT und CT, insbesondere für die Verwendung mit NHPs, ist für Labore, die maßgeschneiderte Implantate wie Schädelkammern und Kopfstützen benötigen, möglicherweise nicht praktikabel.
Infolgedessen besteht in der Gemeinschaft ein Bedarf an kostengünstigen, genauen und nicht-invasiven Techniken der neurochirurgischen und experimentellen Planung, die das Design und die Validierung von Implantaten vor der Verwendung erleichtern. Dieses Papier beschreibt eine Methode zur Generierung virtueller 3D-Gehirn- und Schädeldarstellungen aus MR-Daten für die Kraniotomie-Standortplanung und das Design von benutzerdefinierten Schädelkammern und Kopfpfosten, die zum Schädel passen. Dieses optimierte Verfahren bietet ein standardisiertes Design, das den Versuchsergebnissen und dem Wohlergehen der Versuchstiere zugute kommen kann. Für diese Modellierung ist nur MRT erforderlich, da sowohl Knochen als auch Weichgewebe in der MRT dargestellt werden. Anstatt eine CNC-Fräse zu verwenden, können Modelle kostengünstig in 3D gedruckt werden, selbst wenn mehrere Iterationen erforderlich sind. Dies ermöglicht auch den 3D-Druck des endgültigen Designs in biokompatiblen Metallen wie Titan für die Implantation. Zusätzlich beschreiben wir die Herstellung einer künstlichen Dura, die bei der Implantation in die Schädelkammer eingebracht wird. Diese Komponenten können präoperativ validiert werden, indem alle Teile auf ein lebensgroßes, 3D-gedrucktes Modell des Schädels und des Gehirns montiert werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Papier skizziert eine einfache und präzise Methode der neurochirurgischen Planung, die nicht nur für die Entwicklung von Komponenten für die NHP-Schädelfensterimplantation von Vorteil ist, sondern auch auf andere Bereiche der NHP-neurowissenschaftlichen Forschung übertragbar ist 13,15,25. Im Vergleich zu anderen aktuellen Methoden der NHP-Implantatplanung und -design 25,29,30 hat dieses Verfahren das Potenzial, von m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir möchten uns bei Toni Haun, Keith Vogel und Shawn Fisher für ihre technische Hilfe und Unterstützung bedanken. Diese Arbeit wurde unterstützt von der University of Washington Mary Gates Endowment (R.I.), dem National Institute of Health NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y.), dem Washington National Primate Research Center (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), dem Center for Neurotechnology (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) und 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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