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JoVE Journal Bioengineering
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Bioengineering

Eine Toolbox für das Design neuronaler Implantate für nichtmenschliche Primaten

Published: February 9, 2024 doi: 10.3791/66167
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 3, 1,2
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

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.

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Protocol

Alle Verfahren mit Tieren wurden vom Institute for Animal Care and Use Committee an der University of Washington genehmigt. Insgesamt wurden vier erwachsene männliche Rhesusaffen (Macaca mulatta) in dieser Studie verwendet. Zum Zeitpunkt der MRT-Aufnahme war Affe H 7 Jahre alt, Affe L 6 Jahre, Affe C 8,5 Jahre und Affe B 5,5 Jahre alt. Den Affen H und L wurden im Alter von 9 Jahren maßgeschneiderte chronische Kammern implantiert.

1. Schädel- und Gehirnisolierung (Abbildung 1)

  1. Erfassen Sie eine T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE)-Datei des Schädels und Gehirns mit einem 3T-MRT-Gerät. Verwenden Sie die folgenden Parameter für die MRT-Aufnahme35: Flip-Winkel = 8°, Wiederholzeit/Echozeit = 7,5/3,69 s, Matrixgröße = 432 x 432 x 80, Aufnahmedauer = 103,7 s, Multicoil, Schichtdicke = 1 mm, Anzahl der Mittelwerte = 1.
  2. Laden Sie den Ordner mit der Bezeichnung supplemental_code (Supplemental Coding File 1) herunter. Dieser Ordner sollte die folgenden Dateien enthalten: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37.
  3. Fügen Sie die MRT-Datei dem Ordner supplemental_code hinzu. Wählen Sie in der Computersoftware den Ordner supplemental_code als Dateipfad aus, und führen Sie brain_extract.m aus.
  4. Die folgenden Schritte skizzieren eine halbautomatische Methode zur Isolierung von Schädel und Gehirn unter Verwendung von MATLAB (Abbildung 1), die aus früheren Extraktionstechniken aggregiert wurde35. Das Befehlsfenster fordert zur Eingabe der Parameter auf, die für die Isolierung von Gehirn und Schädel und die Visualisierung der Kraniotomie erforderlich sind. Nachdem jede Antwort in das Befehlsfenster eingegeben wurde, klicken Sie auf die Eingabetaste.
    1. Im Befehlsfenster werden Sie zunächst zur Eingabe des Namens der MPRAGE-Datei aufgefordert. Geben Sie den Dateinamen ein (z. B. MRIFile.dcm) und vergewissern Sie sich, dass das MRT korrekt angezeigt wird (Abbildung 1A).
    2. Um den Schädel zu isolieren (Abbildung 1B - D), befolgen Sie die detaillierten Schritte, die im Befehlsfenster beschrieben sind. Identifizieren Sie einen geeigneten Schwellenwert, der den Schädel vom umgebenden Gewebe trennt, ohne Schädelmaterial zu eliminieren (Ergänzende Abbildung 1A). Bestätigen Sie einen Schwellenwert durch Drücken von (y).
    3. Eine ähnliche Technik wird verwendet, um das Gehirn zu isolieren (Abbildung 1E - G). Wenn Sie im Befehlsfenster dazu aufgefordert werden, geben Sie einen Schwellenwert für das Gehirn ein. Werten Sie die angezeigte Zahl aus und passen Sie den Schwellenwert bei Bedarf an. Stellen Sie sicher, dass das Gehirn vom Schädel und dem umgebenden Gewebe isoliert ist und dass dabei kein Hirngewebe entfernt wird. Bestätigen Sie einen Schwellenwert durch Drücken von (y).
    4. Fahren Sie mit dem Abschnitt von Interesse fort.

2. Kraniotomie-Standortplanung (Abbildung 2)

  1. Nachdem Gehirn und Schädel extrahiert wurden, geben Sie die Koordinaten der Kraniotomie ein. Wenn die Koordinaten noch nicht bekannt sind, geben Sie (n) für nein an, und es wird eine Abbildung angezeigt (Ergänzende Abbildung 1B). Bestimmen Sie die Kraniotomiekoordinaten, indem Sie einen Z-Frame (koronale Ebene) und einen Punkt auf dem gewählten Z-Frame für das Kraniotomiezentrum auswählen.
    1. Wenn die Koordinaten bekannt sind, geben Sie sie mit den jeweiligen x- (sagittal), y - (axial) und z-Werten (koronal) an.
  2. Geben Sie den Kraniotomieradius in Millimetern ein (z. B. 10 mm) und wählen Sie keinen äußeren Radius.
  3. Geben Sie an, ob ein Maßstabsbalken für die Schädel- und Gehirnbilder erforderlich ist. Maßstabsleisten helfen zu bestätigen, dass die Abmessungen der Modelle korrekt sind.
  4. Speichern Sie Gehirn- und Schädeldateien als STL für den 3D-Druck, falls gewünscht (Abbildung 1D, G).
  5. Als nächstes wird eine Figur mit dem Gehirn und dem kraniotomierten Schädel gezeigt. Damit kann der Zugang zu gezielten Hirnarealen verifiziert werden. Das Gehirn ist blau und der Schädel hellgrau dargestellt (Abbildung 2B, E).
  6. Wählen Sie (n) aus, um eine SLT-Größenverkleinerung abzuschließen, eine Funktion, die für zukünftige Schritte verwendet wird (siehe unten).
  7. Wiederholen Sie die Abschnitte 1 und 2 pro Kraniotomie-Iteration.

3. Design der Schädelkammer (Abbildung 3)

  1. Bestätigen Sie vor Beginn des Kammerentwurfs die Lage der Kraniotomie und den Kraniotomieradius mit Hilfe des Kraniotomie-Standortplanungsverfahrens.
  2. Nachdem die Schädel- und Gehirnisolierung abgeschlossen ist, besteht der nächste Schritt darin, die endgültigen Koordinaten des Zentrums der Kraniotomie einzugeben. Geben Sie die Werte x (sagittal), y (axial) und z (koronal) ein.
  3. Das Befehlsfenster fordert als nächstes zur Eingabe der inneren und äußeren Radien auf, die den Bereich des Schädels bestimmen, mit dem für das Kammerdesign gearbeitet werden soll. Wählen Sie einen Innenradius, der kleiner als der tatsächliche Kraniotomieradius ist (z. B. 5 mm für einen Kraniotomieradius von 10,0 mm) und einen zweiten Außenradius, der größer als der geplante Radius des Kammerrocks ist (z. B. 26 mm für einen Kammerrock, der einen Radius von 22 mm hat). Dadurch entsteht eine ringförmige Schädelstruktur als Fundament für die Kammer, auf der gebaut werden soll.
    HINWEIS: Für die Konstruktion einer Kammer mit einem Kraniotomieradius von 10 mm wurde ein Innenradius von 5 mm gewählt. Dies bietet eine genaue Darstellung des Schädels am Kraniotomierand und behält gleichzeitig einen Kreis bei, der klein genug ist, dass das Kraniotomiezentrum leicht identifiziert werden kann, wenn die Schädeldarstellung in die Designsoftware exportiert wird. Für eine Kammer mit einem Radius von 22 mm wurde ein Außenradius von 26 mm extrahiert, um sicherzustellen, dass zusätzliche Schädelfläche zur Verfügung steht. Die Abmessungen der Kammer wurden mit Einschränkungen entwickelt, die durch die Bedürfnisse des Experiments festgelegt wurden. Die in diesem Schritt verwendeten Radien werden durch die Größe der Kraniotomie und die Größe des Kammerrocks bestimmt, die von der Schraubengröße und dem verfügbaren Platz am Schädel abhängt.
  4. Geben Sie an, ob Maßstabsbalken für Schädel- und Gehirnbilder benötigt werden.
  5. Speichern Sie Gehirn- und Schädeldateien, falls gewünscht.
  6. Es erscheint eine Abbildung mit dem Gehirn (in blau) und der ausgewählten Schädelregion (in grau) (Abbildung 3A). Eine STL-Größenverkleinerung muss dann auf die ausgewählte Schädelregion angewendet werden, um die Handhabung der Datei in der CAD-Software (Computer-Aided Design) zu erleichtern.
  7. Wählen Sie (y) aus, um mit der Verkleinerung der STL-Größe zu beginnen. Durch die Größenreduzierung wird eine STL-Datei mit einer reduzierten Dateigröße erstellt, die für ein benutzerdefiniertes Hardware-Design einfach in CAD-Software importiert werden kann.
  8. Verwenden Sie die Abbildung mit dem überlagerten Gehirn und Schädel (Abbildung 3A) und wählen Sie mit der Maus Punkte auf der Schädeloberfläche aus, die für die Dateiverkleinerung verwendet werden sollen. Halten Sie die Umschalttaste gedrückt, um mehr als einen Punkt zu platzieren.
    1. Platzieren Sie Punkte, um die Region von Interesse abzudecken, in diesem Fall die ausgewählte Schädelregion. Platzieren Sie die Punkte so nah wie möglich beieinander, um eine genauere und genauere Darstellung des Schädels zu gewährleisten (Ergänzende Abbildung 2). Einige Benutzer ziehen es möglicherweise vor, ~20 kritische Punkte auszuwählen und den Rest des Kammerdesigns als Übung abzuschließen, bevor sie alle Punkte von Interesse für das Endprodukt auswählen.
    2. Bei der Auswahl von Punkten ist es am besten, so viele Punkte wie möglich in der ausgewählten Region zu platzieren. Im Allgemeinen repräsentieren ~200 Punkte die Schädelkrümmung gut. Platzieren Sie weitere Punkte an den Rändern der ausgewählten Region, um die Grenze zwischen Gehirn und Schädel zu betonen.
      HINWEIS: Vermeiden Sie es, auf die Eingabetaste zu klicken, bevor Sie die Punkte in der Region platziert haben, da dies dazu führt, dass der Code vorzeitig fortschreitet und der Punktauswahlprozess wiederholt werden muss.
  9. Drücken Sie die Eingabetaste , wenn Sie mit dem Platzieren von Punkten auf dem ausgewählten Schädel fertig sind. Geben Sie den reduzierten Dateinamen in das Befehlsfenster ein.
  10. Importieren Sie die Datei in eine CAD-Software, um eine benutzerdefinierte Kammerkonstruktion zu erhalten. Öffnen Sie zunächst die CAD-Software.
  11. Klicken Sie auf Datei > Öffnen und wählen Sie den Dateinamen der STL-Verkleinerung aus dem Verzeichnis aus.
    1. Klicken Sie vor dem Klicken auf Öffnen auf die Schaltfläche Optionen , und klicken Sie im Menü Importieren als auf Flächenkörper. Klicken Sie auf OK und dann auf Öffnen.
  12. Überprüfen Sie nach dem Importieren der STL auf kleine Löcher auf der Oberfläche, die durch blaue Linien gekennzeichnet sind. Wenn sich im Bereich des Schädels Löcher befinden, die von der Kammer abgedeckt werden (Ergänzende Abbildung 3), führen Sie das Verfahren zum Befestigen der Löcher (Abschnitt 6) in Schritt 3.19.1 durch.
  13. Betrachten Sie die Schädeloberfläche für die Kammer in der CAD-Software wie in Abbildung 3B. Stellen Sie sicher, dass die Kanten des ausgewählten Bereichs in der Schädeldarstellung sichtbar sind.
  14. Suchen Sie den Umriss des inneren Kreises in der Mitte der importierten Oberfläche, um den Mittelpunkt der Kraniotomie zu lokalisieren. Erstellen Sie eine Ebene, die am inneren Kreis ausgerichtet ist, indem Sie auf Einfügen > Referenzgeometrie > Ebene klicken. Verwenden Sie drei Punkte, die gleichmäßig über den Umfang des inneren Kreises verteilt sind, als Referenzpunkte für die Ebene.
  15. Erstellen Sie einen Kreis, der dem inneren Kreis entspricht, indem Sie auf das Kreissymbol auf der Registerkarte Skizze klicken. Wählen Sie die Ebene aus dem vorherigen Schritt als Referenzebene aus, und identifizieren Sie Punkte entlang der Kante, bis die Kreisvorschau eine genaue Darstellung des inneren Kreisumrisses liefert. Möglicherweise müssen mehrere verschiedene Kombinationen von Punkten getestet werden, um diejenigen zu finden, die am besten zum inneren Kreis passen.
  16. Erstellen Sie mit dem Kreis als Referenz einen Punkt in der Mitte des Kreises, indem Sie auf > Referenzgeometrie einfügen > Punkt klicken und die Option Bogenmittelpunkt verwenden. Dieser Punkt stellt das Zentrum der Kraniotomie dar.
  17. Erstellen Sie als Referenzebene für zukünftige Extrusionen eine zweite Ebene parallel zur Anfangsebene und versetzen Sie sie um 10 mm. Achten Sie bei der Auswahl der Versatzrichtung darauf, dass der Pfeil vom Objekt nach oben zeigt.
  18. Erstellen des inneren Rings der Kammer (Abbildung 3C)
    1. Erstellen Sie eine Achse, die sich senkrecht sowohl durch die Kraniotomieebene als auch durch die obere Ebene erstreckt, indem Sie > Referenzgeometrie > Achse einfügen klicken, die Option Punkt und Fläche/Ebene markieren und die obere Ebene und den Mittelpunkt der Kraniotomie als Referenzen verwenden. Machen Sie einen weiteren Punkt am Schnittpunkt dieser Achse und der oberen Ebene.
    2. Wählen Sie Extrudieren Nabe/Basis und die obere Ebene als Fläche, von der aus extrudiert werden soll. Erstellen Sie eine Skizze des inneren Ringquerschnitts, indem Sie zwei konzentrische Kreise mit dem Punkt auf der oberen Ebene als Mittelpunkt erstellen (z. B. 11,35 mm und 12,25 mm Radien). Wählen Sie im Richtungsmenü Bis zu Fläche , und geben Sie die importierte Fläche als Fläche an, auf die extrudiert werden soll.
    3. Kopieren Sie die importierte Fläche, indem Sie > Fläche einfügen > Verschieben/Kopieren auswählen und die kopierte Fläche auf die Höhe des Innenrings und der Schürze anheben (z. B. 3,5 mm). Verwenden Sie die Option Verschieben im Menü Verschieben/Kopieren, und verschieben Sie die Fläche entlang der Achse senkrecht zu beiden Ebenen.
    4. Führen Sie einen kreisförmigen extrudierten Schnitt von der oberen Ebene zur kopierten Fläche durch. Klicken Sie zunächst auf Extrudierten Schnitt und wählen Sie die obere Fläche des Innenrings als Ausgangspunkt für den extrudierten Schnitt aus. Schließen Sie die Extrusion ab, indem Sie die kopierte Fläche als Endpunkt auswählen.
    5. Löschen Sie die ursprünglich importierte Fläche mit dem Werkzeug > Elemente einfügen > Körper löschen/beibehalten . Mit dem Werkzeug Ausblenden/Einblenden auf der Registerkarte Ansicht kann die kopierte Fläche ausgeblendet werden, um den inneren Ring anzuzeigen und seine Konstruktion zu überprüfen.
  19. Erstellen eines Kammerrandes (Abbildung 3D)
    1. Machen Sie eine zweite kopierte Fläche, die um eine Dicke der Kammerschürze (z. B. -1,5 mm) niedriger als die vorhandene Oberfläche versetzt ist. Wählen Sie im Menü Verschieben die Achse senkrecht zu den Ebenen als Bezugspunkt und einen Versatzwert, um die neue Fläche unterhalb der ursprünglichen Fläche zu erzeugen.
      HINWEIS: Abhängig von der Standardrichtung der Versatzrichtung muss der Versatzwert möglicherweise negativ eingestellt werden, um in die richtige Richtung zu gehen.
      1. Wenn sich in dem Bereich, den die Kammer abdeckt, Löcher befinden, befolgen Sie die in Abschnitt 6 (Befestigungslöcher) beschriebenen Schritte, bevor Sie mit dem Rest des Kammerentwurfsverfahrens fortfahren.
    2. Führen Sie eine Extrusion von der oberen Ebene zur unteren Oberfläche in Form der Kammer durch. Wählen Sie zunächst Nabe/Basis extrudieren und wählen Sie die obere Ebene als Extrusionsebene aus.
      1. Befolgen Sie Schritt 6.2 für die Handhabung vorhandener Extrusionen aus dem Befestigungslochverfahren.
    3. Skizzieren Sie die Form der Kammerschürze auf dieser Ebene. Machen Sie den inneren Kreis der Kammer zu einem Kreis mit der gleichen Größe wie der kleinere Radius des inneren Rings (z. B. 11,35 mm), zentrieren Sie ihn um den Punkt auf der oberen Ebene und machen Sie die äußere Begrenzung der Kammerschürze mit einer Kombination aus Bögen und Linien, um die Schürzenfläche zu maximieren. Extrudieren Sie auf die untere der beiden Flächen.
      HINWEIS: Wenn bei der Extrusion ein Fehler auftritt, ist die Skizze wahrscheinlich breiter als die Oberfläche. Verringern Sie in diesem Fall die Größe der äußeren Schürzenbegrenzung.
    4. Extrudieren Sie von der oberen Ebene zur höheren der beiden kopierten Flächen in Form des Kammerumrisses.
      1. Siehe Schritt 6.2 für zusätzliche Informationen zu Extrusionen, die vom Verfahren zum Fixieren von Löchern übrig bleiben.
    5. Um die Kammerschürze und den Innenring freizulegen, löschen Sie die beiden verbleibenden Kopien der importierten Fläche. Das resultierende Objekt sollte ähnlich wie in Abbildung 3D aussehen.
    6. Während des Prozesses der STL-Verkleinerung und des Imports wird das Modell des Schädels gespiegelt. Um dies zu kompensieren, muss die resultierende Schürze gespiegelt werden. Klicken Sie im Menü Features auf Spiegeln und spiegeln Sie die Schürze über die obere Ebene. Löschen Sie den Originalrock mit der Funktion "Körper löschen/beibehalten ".
  20. Die Kombination von Kammeroberteil und Schürze (Abbildung 3E)
    1. Öffnen Sie die STL-Datei für den Kammerdeckel in der Software, die zum Entwerfen des Kammerrocks verwendet wurde. Fügen Sie dann die Kammerschürze als Teil ein, indem Sie auf > Teil einfügen klicken, die benutzerdefinierte Schürze im Menü auswählen und auf eine beliebige Stelle auf dem Bildschirm klicken, um das Teil zu importieren.
    2. Um die Ober- und Unterseite der Kammer auszurichten, klicken Sie auf > Features einfügen > Verschieben/Kopieren. Wählen Sie den Kammerrock aus und klicken Sie unten im Menü auf die Schaltfläche Beschränkungen . Markieren Sie den Innenring der Schürze und die Innenfläche der Kammeroberseite als konzentrische Verknüpfungen (Ergänzende Abbildung 4A).
      1. Vergewissern Sie sich, dass die Oberseite der Schürze mit der Unterseite der Kammeroberseite ausgerichtet ist, und ändern Sie bei Bedarf die Ausrichtung der Verbindung.
    3. Verwenden Sie Verschieben/Kopieren , um die Schürze direkt unter der Kammeroberseite nach unten zu verschieben. Dies erfordert mehrere Iterationen, um den richtigen Abstand zu finden, damit die Kammeroberseite nicht unter die Kammerschürze ragt und die Schürze blockiert (Ergänzende Abbildung 4B und Ergänzende Abbildung 5).
    4. Drehen Sie die Kammeroberseite, um die Lücken zwischen den Laschen so auszurichten, dass eine senkrecht und eine parallel zur Mittellinie des Gehirns verläuft. Verwenden Sie das Drehwerkzeug und die vorhandene Achse in der Mitte des Objekts als Drehachse. Passen Sie die Rotationsgrade an, bis sich die Kammeroberseite und der Schürzen in der richtigen Ausrichtung zueinander befinden.
    5. Verbinden Sie Objekte miteinander, indem Sie von der Unterseite der Kammeroberseite direkt nach unten in Richtung Schürze extrudieren. Verwenden Sie Nabe/Basis extrudieren, wählen Sie die untere Fläche der Kammeroberseite aus, und erstellen Sie auf dieser Fläche eine Skizze mit den gleichen Innen- und Außenradien wie dieser Ring, wobei Sie die Mittelachse als Mittelpunkt verwenden. Wählen Sie Bis zum Körper als Extrusionsrichtung und geben Sie den Kammerrand an.
    6. Führen Sie einen extrudierten Schnitt von der Oberfläche der Kammeroberseite durch, die die Laschen hält. Nachdem Sie diese Fläche als Extrusionsebene ausgewählt haben, skizzieren Sie einen Kreis mit dem gleichen Innenradius wie der Innenring. Verlassen Sie die Skizze und führen Sie einen Blind-Strangpressschnitt durch, der über die Unterseite der Kammerschürze hinausragt (z. B. 10 mm).
    7. Fügen Sie zwölf Schraubenlöcher hinzu, die gleichmäßig um die Kammerschürze verteilt sind. Platzieren Sie die Schraubenlöcher so, dass sie gleichmäßig, aber auch weit genug voneinander entfernt sind, dass sie während der Operation zugänglich sind, aber nah genug, um eine unnötig große Platzfläche der Kammer zu vermeiden.
    8. Verwenden Sie den Bohrungsassistenten zum Platzieren von Schraublöchern. Wählen Sie Parameter im Menü Bohrungsspezifikation - Typ . Die Parameter sollten mit den Schrauben übereinstimmen, die während der chirurgischen Implantation verwendet werden (z. B. Standard: ANSI metrisch, Typ: Flachkopfschraube - ANSI B18.6.7M, Größe: M2, Passform: Lose, Mindestdurchmesser: 3,20 mm, Maximaler Durchmesser: 4,00 mm, Senkwinkel: 90 Grad, Endbedingung: Durch alle).
    9. Klicken Sie auf die Registerkarte Positionen , um mit dem Platzieren von Bohrungen zu beginnen. Um ein Loch zu platzieren, bewegen Sie den Mauszeiger über eine Ebene in der Kammer und klicken Sie mit der rechten Maustaste. Platzieren Sie alle zwölf Schraubenlöcher und stellen Sie sicher, dass sie gleichmäßig platziert und zugänglich sind.
    10. Wenn nach dem Platzieren Hindernisse in einem Schraubenloch verbleiben (Ergänzende Abbildung 6A), wählen Sie eine andere Ebene, auf der das Loch platziert werden soll, oder führen Sie die folgenden Schritte aus, um einen nach oben extrudierten Schnitt durch das Loch durchzuführen.
      1. Beginnen Sie den extrudierten Schnitt nach oben, indem Sie eine Ebene erstellen, die parallel zur verbleibenden Ebene verläuft, aber um 0,00001 mm nach unten versetzt ist, so dass sich die Ebene direkt unter dem Hindernis befindet.
      2. Führen Sie den extrudierten Schnitt mit der im letzten Schritt erstellten Ebene als Referenz durch. Skizzieren Sie mit einer Kombination aus Bögen und Linien die Form des Bereichs, der entfernt werden muss. Stellen Sie sicher, dass die Skizze einen Teil der Ebene enthält, der sich innerhalb des äußeren Radius des Schraubenlochs befindet (Ergänzende Abbildung 6B). Extrusionsschnitt 1 mm nach oben.
    11. Schneiden Sie nach dem Platzieren der Schraubenlöcher die Schürze ab, um scharfe Kanten zu reduzieren und unnötige Schürzenbereiche zu minimieren. Führen Sie einen extrudierten Schnitt von der Oberseite der Kammer nach unten über den Kammerrand hinaus durch (z. B. 30 mm). Machen Sie die Extrusion in einer Form, die raue Kanten glättet, und schneiden Sie den äußeren Schürzenbereich ab.
      1. Zusätzliche benutzerdefinierte Schnitte können erforderlich sein, um alle scharfen Kanten und überschüssigen Schürzen zu entfernen. Wenn Bereiche der Schürze nicht mit der Oberseite der Kammer als Referenzebene geschnitten werden können, erstellen Sie eine abgewinkelte Ebene und erstellen Sie mit dieser Ebene zusätzliche extrudierte Schnitte.
    12. Siehe Abbildung 3F für eine endgültige Darstellung des Kammerdesigns. Dieses Design kann 3D-gedruckt und auf Wunsch auf einem Modellgehirn und einem kraniotomierten Schädel platziert werden (Abbildung 3G).

4. Kopfpfosten-Design (Abbildung 4)

  1. Beachten Sie, dass die endgültige Position des Kraniotomiezentrums und die maximale Schürzenfläche der Kammer für das Kopfpfostendesign erforderlich sind.
  2. Geben Sie die bekannten Kraniotomiekoordinaten (x-, y- und z-Werte) in das Befehlsfenster ein.
  3. Für das Kopfpfostendesign ist nur ein Radius erforderlich, um den Bereich auf dem Schädel darzustellen, der um die Kammer herum verfügbar ist. Geben Sie in diesem Schritt den maximalen Radius der Kammer ein, der im vorherigen Abschnitt entworfen wurde (z. B. 25 mm). Geben Sie als Nächstes an, dass kein äußerer Radius benötigt wird.
  4. Verwenden Sie das Befehlsfenster, um anzugeben, ob Maßstabsleisten zum Bestätigen von Bemaßungen benötigt werden.
  5. Speichern Sie ähnlich wie in den vorherigen Abschnitten bei Bedarf Gehirn- und Schädel-STL-Dateien für den 3D-Druck.
    Die nächste Abbildung, die angezeigt wird, zeigt den Bereich des Schädels, der die Kammer umgibt, um einen Kopfpfosten-Fußabdruck zu erstellen. Extrahieren Sie diesen Bereich mit einer STL-Größenverkleinerung, um sie in die Konstruktionssoftware zu importieren.
  6. Wählen Sie (y) aus, um anzugeben, dass eine Verkleinerung der STL-Größe gewünscht ist. Wählen Sie Punkte auf der Figur aus, bei denen das Gehirn (in blau) und der Schädel (in grau) überlagert sind. Achten Sie darauf, dass die Punkte so nah wie möglich beieinander und gleichmäßig über den grauen Schädelbereich verteilt sind (Ergänzende Abbildung 7A). Weitere Einzelheiten zum Punktauswahlprozess finden Sie in Schritt 3.8.
  7. Drücken Sie die Eingabetaste , nachdem Sie die Punktauswahl abgeschlossen haben, um den grauen Schädelbereich abzudecken, in dem der Kopfpfosten sitzen wird. Geben Sie im Befehlsfenster einen Dateinamen für die heruntergeladene reduzierte Datei an.
  8. Importieren Sie die reduzierte Datei in die CAD-Software, um die benutzerdefinierte Kopfpfostengrundfläche zu entwerfen. Stellen Sie sicher, dass die Datei als Flächenkörper importiert wird.
  9. Suchen Sie nach dem Importieren der Datei nach Löchern in der Oberfläche, die durch blaue Linien gekennzeichnet sind. Wenn es im allgemeinen Bereich Löcher gibt, die der Kopfpfosten abdecken wird, muss das Verfahren zum Befestigen von Löchern (Abschnitt 6) in Schritt 4.11 abgeschlossen werden.
  10. Der erste Schritt des Kopfpfostendesigns besteht darin, eine Ebene auf der Oberfläche zu finden, die sich an der axialen Ebene ausrichtet, so dass bei der Kombination von Kopfpfostenober- und -unterseite die Kopfpfostenoberseite senkrecht zum Schädel steht (Ergänzende Abbildung 7B, C). Wenn auf der Oberfläche des Schädels keine Ebene gefunden werden kann, die direkt an der Achsenebene ausgerichtet ist, erstellen Sie eine neue Ebene, indem Sie eine vorhandene Ebene auf der Oberfläche verwenden und sie drehen, um sie richtig auszurichten. Es ist hilfreich, ein physisches 3D-Schädelmodell zu haben, das zum Vergleich mit der virtuellen Schädeldarstellung verwendet werden kann.
    1. Dieser Schritt muss möglicherweise mehrmals modifiziert werden, um eine Kopfpfostenspitze zu schaffen, die direkt senkrecht zum Schädel steht. Um den Winkel der Kopfpfostenoberseite in Bezug auf die Kopfpfostengrundfläche zu ändern, ändern Sie die in diesem Schritt verwendete Ebene. Möglicherweise müssen einige Ebenen getestet werden, um eine zu finden, die parallel zur Axialebene sitzt.
  11. Verwenden Sie die im vorherigen Schritt gefundene oder erstellte Ebene, um eine parallele Ebene 3 mm über der Oberfläche zu erstellen, die eine Referenz für die Ausrichtung der Kopfpfostenoberseite darstellt.
    1. Führen Sie das in Abschnitt 6 beschriebene Verfahren zur Befestigung von Löchern mit Lücken im Kopfpfostenbereich durch.
  12. Erstellen des Kopfpfostenbodens (Abbildung 4C)
    1. Klicken Sie auf Nabe/Basis extrudieren, wählen Sie die neue Ebene aus, und erstellen Sie eine Skizze des Kopfpfosten-Grundrisses mit einer Kombination aus Bögen und Linien. Machen Sie Kopfpfostenbeine ähnlicher Länge und die Winkel zwischen ihnen kongruent (siehe Beispiel in Abbildung 4A). Verwenden Sie Bögen, um die Beine des Kopfpfostens zu verbinden, um glatte Kanten um den Grundriss herum zu gewährleisten, und extrudieren Sie die Skizze auf die importierte Oberfläche.
      Anmerkungen: Die Anzahl der Kopfpfostenbeine hängt vom verfügbaren Platz um die Kammer ab. Die Kopfstütze sollte jedoch mindestens drei Beine haben, um eine angemessene mechanische Stabilität zu gewährleisten.
      1. In Schritt 6.2 finden Sie Anweisungen zum Umziehen der vorhandenen Strangpressprofile aus dem Befestigungslochverfahren.
    2. An dieser Stelle steht die Unterseite der Kopfstütze zur Verfügung, um zu bestätigen, dass die Oberfläche mit der Krümmung des Schädels übereinstimmt. Wenn 3D-Druck gewünscht wird, um die Passform zu überprüfen, führen Sie die folgenden vier Schritte aus.
      1. Löschen Sie den importierten Flächenkörper. Spiegeln Sie den Footprint über die Ebene, die in Schritt 4.10 erstellt wurde. Vergewissern Sie sich im Menü Spiegeln , dass das Kontrollkästchen Volumenkörper zusammenführen deaktiviert ist.
      2. Um zu überprüfen, ob der Footprint mit der Krümmung des Schädels übereinstimmt, verwenden Sie den Delete/Keep Body , um den ursprünglichen Footprint zu löschen, sodass nur die gespiegelte Version übrig bleibt.
      3. Drucken Sie das Objekt als STL in 3D und platzieren Sie es auf dem 3D-Schädelmodell, um physisch zu testen, ob es mit der Schädelkrümmung übereinstimmt.
      4. Um mit dem Kopfpfostendesign fortzufahren, verwenden Sie den Pfeil Rückgängig oben in der Symbolleiste, um die beiden vorherigen Schritte (Spiegeln und Löschen) rückgängig zu machen. Dadurch sollten die ursprüngliche Grundfläche und der ursprüngliche Oberflächenkörper wiederhergestellt werden.
    3. Erstellen Sie einen Punkt in der Mitte der flachen Fläche auf der Grundfläche. Erstellen Sie eine Achse mit diesem Punkt und der oberen Referenzebene.
    4. Klicken Sie auf das Verschieben/Kopieren-Werkzeug und erstellen Sie eine Kopie der importierten Fläche, die auf die Dicke des Kopfpfostenbodens angehoben ist (z. B. 1,35 mm). Verwenden Sie die in diesem Schritt erstellte Achse als Translationsreferenz, und stellen Sie sicher, dass das Kontrollkästchen Kopieren aktiviert ist, um zu verhindern, dass die ursprüngliche Fläche geändert wird.
    5. Führen Sie einen extrudierten Schnitt von der flachen Oberfläche des Kopfpfostengrundrisses zur kopierten (erhabenen) Fläche durch. Löschen Sie die ursprüngliche Fläche und ihre Kopie. Das resultierende Teil ist in Abbildung 4B zu sehen.
      1. Befolgen Sie Schritt 6.3 für vorhandene Extrusionen aus dem Befestigungslochverfahren.
    6. Erstellen Sie eine neue Ebene, die parallel zur Referenzebene verläuft, aber nach oben oder unten verschoben wird, um mindestens 1 mm über der Unterseite der Kopfstütze zu schweben. Um die Länge der Übersetzung zu bestimmen, verwenden Sie das Werkzeug Messen auf der Registerkarte Auswerten . Machen Sie eine kreisförmige Extrusion von der neuen Ebene bis zum Boden der Kopfpfosten, um eine Plattform zu schaffen, auf der die Basis der Kopfpfostenoberseite sitzt, und stellen Sie sicher, dass die Plattform um die Mittellinie des Schädels zentriert ist.
    7. Verwenden Sie das Verrundungswerkzeug im Menü KEs , um den Schnittpunkt zwischen der Extrusion und der Kopfpfostengrundfläche zu glätten. Testen Sie verschiedene Radienwerte mit dem Parameter Asymmetrisch und wählen Sie die größtmöglichen Radienwerte.
    8. Überprüfen Sie an dieser Stelle die Platzierung der oberen Plattform der Kopfpfosten, indem Sie die aktuelle Version in 3D drucken und mit einem Schädelmodell vergleichen.
    9. Schraubenlöcher entlang des Kopfpfostenbodens mit der gleichen Technik wie für die Kammerschraubenlöcher (Schritt 3.20.7) anbringen. Fügen Sie mindestens drei Schraubenlöcher an jedem Kopfpfostenbein hinzu. Stellen Sie sicher, dass der Mittelpunkt jedes Schraubenlochs mindestens 5 mm von der Mitte des nächsten Lochs entfernt ist und die Kanten jedes Lochs mindestens 2,5 mm von der Kante des Beins entfernt sind.
      1. Um Blutgefäße zu vermeiden, die unter dem Schädel und in der Nähe der Mittellinie verlaufen, vergewissern Sie sich, dass die Schraubenlöcher die Mittellinie nicht kreuzen, und verschieben Sie sie bei Bedarf. Das Produkt sollte dem Design in Abbildung 4C ähneln.
    10. Spiegeln Sie das Teil mit dem Spiegelwerkzeug, um die Spiegelung zu kompensieren, die beim Importieren der Schädeloberfläche auftritt. Verwenden Sie die Oberseite der kreisförmigen Basis als Spiegelebene.
    11. Löschen Sie das Originalteil mit der Funktion Körper löschen/beibehalten , sodass nur die gespiegelte Version übrig bleibt.
  13. Kombinieren der Kopfpfostenober- und -unterseite (Abbildung 4D)
    1. Importieren Sie die Kopfpfostenoberseite als Teil aus dem Menü Einfügen . Nachdem das Teil im Menü markiert wurde, klicken Sie auf eine beliebige Stelle auf dem Bildschirm, um das Teil hinzuzufügen.
    2. Richten Sie mit der Funktion Verschieben/Kopieren den Kopfpfosten oben und unten aus. Geben Sie zunächst die Kopfpfostenoberseite als zu bewegenden Körper an. Erstellen Sie dann die folgenden drei Verknüpfungen im Menü "Beschränkungen ":
      1. Stellen Sie sicher, dass die Oberseite der kreisförmigen Kopfpfostenplattform und die Unterseite der Kopfpfostenoberseite zufällig zusammenpassen.
      2. Stellen Sie sicher, dass die umrissenen Kanten der Flächen im letzten Verknüpfungspaar konzentrisch verbunden sind.
      3. Verbinden Sie eine Linie, die vertikal entlang des hinteren Beins des Kopfpfostens verläuft, und eine Linie, die horizontal entlang der Rückseite des Kopfpfostenoberteils (der flachen Seite) senkrecht verläuft. Stellen Sie sicher, dass die gekrümmte Fläche des Oberteils nach vorne (anterior) und die flache Fläche näher zum hinteren Bein des Kopfpfostens (posterior) zeigt.
      4. Vergewissern Sie sich, dass jede Verbindung in die richtige Richtung verläuft, und wechseln Sie bei Bedarf die Steckrichtung im Menü (siehe Ergänzende Abbildung 8 für ein Beispiel für Verknüpfungen).
        HINWEIS: Das Verfahren zum Kombinieren der benutzerdefinierten Kopfstütze unten und oben verwendet eine generische Kopfpfostenplatte, die mit CAD-Software entworfen wurde. Hier ist der obere Teil in Anlehnung an den Kopfpfosten des Crist Instruments gestaltet. Das oben beschriebene Steckverfahren ist spezifisch für diese Teile und muss möglicherweise angepasst werden, wenn unterschiedliche Gegenteile verwendet werden.
    3. Stellen Sie sicher, dass die kombinierte Kopfstütze oben und unten wie in Abbildung 4D aussieht.
      1. Wenn die Kopfpfostenoberseite nicht richtig ausgerichtet ist, ändern Sie die in Schritt 4.11 verwendete Referenzebene.

5. Herstellung künstlicher Dura 11 (Abbildung 5)

  1. Besorgen Sie sich die künstliche Duraform (Abbildung 5B).
  2. Stellen Sie die künstliche Dura-Silikonmischung her, indem Sie Silikon KE1300-T und CAT-1300 im Verhältnis 10:1 mischen.
  3. Gießen Sie 1 ml der Mischung auf die Oberseite des Zylinders in der Mitte der Form.
  4. Um Luftblasen zu vermeiden, stellen Sie die Form für ca. 15 min in eine Vakuumkammer.
  5. Fügen Sie die zweite Schicht der Form hinzu und verwenden Sie die Pfosten auf beiden Seiten des Zylinders, um die Ausrichtung des Teils zu steuern.
  6. Gießen Sie 3-4 ml Silikonmischung in die Form und legen Sie das klare Acrylstück auf die Oberseite der Form (Abbildung 5A). Verwenden Sie eine C-Klemme, um die Form zusammenzuklemmen.
  7. Überprüfen Sie das optische Fenster auf Luftblasen und entfernen Sie diese bei Bedarf mit einer Vakuumkammer.
  8. Härten Sie die resultierende Struktur über Nacht bei Raumtemperatur aus. Übrig gebliebene Luftblasen werden durch den Druck entfernt, der entsteht, wenn die Form vor dem Aushärten eingespannt wird.
  9. Nach dem Aushärten zerlegen, indem Sie jedes Formteil entfernen und die Silikondura vorsichtig entfernen.

6. Verfahren zum Befestigen von Löchern

  1. Führen Sie das Verfahren zum Fixieren von Löchern durch, wenn Löcher in der Schädeldarstellung gefunden wurden (in der CAD-Software durch blaue Linien gekennzeichnet). Führen Sie die folgenden Schritte aus, nachdem die unteren Flächen (die Flächen, die die Extrusionen beenden) erstellt wurden. Für die Kammer folgt dies Schritt 3.19. Für den Kopfpfosten starten Sie dieses Verfahren, nachdem Schritt 4.12 abgeschlossen ist.
    1. Blenden Sie alle Flächen oder Extrusionen neben der Unterseite aus, damit die untere Fläche unabhängig visualisiert werden kann.
    2. Verwenden Sie > Fläche einfügen > Planar , um auf jeder Fläche, die mit dem Spalt in Kontakt kommt, sowie ggf. über dem Spalt eine planare Fläche zu erstellen. Um eine Fläche anzugeben, wählen Sie jede Kante als Begrenzungselement aus.
    3. Erstellen Sie planare Flächen, bis jede Lücke umrandet ist, einschließlich Ecken von Lücken und Kanten von Linien.
    4. Klicken Sie auf > Fläche einfügen > Stricken , und wählen Sie alle planaren Flächen aus, die die Lücke umgeben. Siehe Ergänzende Abbildung 9A für eine Visualisierung der gestrickten Oberflächen.
    5. Erstellen Sie eine Referenzachse an jedem Punkt entlang der Kante der gestrickten Fläche, indem Sie Punkt und Fläche/Ebene als Referenztyp wählen und einen Punkt an der Kante der Fläche und der oberen Ebene auswählen. Wiederholen Sie dies für jeden Punkt am Rand der Strickfläche (Ergänzende Abbildung 9B).
    6. Erstellen Sie einen Punkt am Schnittpunkt jeder Achse um die gestrickte Fläche mit der oberen Referenzebene. Wählen Sie Schnittpunkt als Referenztyp und wählen Sie eine Achse und die obere Ebene aus. Stellen Sie sicher, dass ein Punkt erstellt wird, der jeder Achse entspricht.
    7. Erstellen Sie eine Skizze, die jeden im vorherigen Schritt erstellten Referenzpunkt verbindet. Wählen Sie Bis zur Fläche als Richtung und wählen Sie die gestrickte Fläche als Fläche aus, auf die extrudiert werden soll.
    8. Wiederholen Sie die Schritte 6.1.2 bis 6.1.7 für alle Lücken in dem Bereich, den die Kammer oder der Kopfpfosten abdecken wird (siehe Ergänzende Abbildung 9C für das Endergebnis des Verfahrens zur Befestigung der Löcher).
  2. Wenn Sie die Extrusion von der oberen Referenzebene zur untersten Fläche (Schritt 3.19.2 oder Schritt 4.12.1) durchführen, stellen Sie sicher, dass der Umriss der Kammer/des Kopfpfostens um die vorhandenen Extrusionen gezogen wird.
  3. Wenn Sie die extrudierten Schnitte von der oberen Ebene zur höheren der beiden Flächen (Schritt 3.19.4 oder Schritt 4.12.5) durchführen, führen Sie den extrudierten Hauptschnitt getrennt von den Extrusionen durch, die sich aus dem Verfahren zum Fixieren der Löcher ergeben haben (Ergänzende Abbildung 10A).
    1. Um extrudierte Schnitte aus Befestigungslöchern durchzuführen, extrudieren Sie die oberste Oberfläche der vorhandenen Extrusionen auf eine Ebene auf der erhöhten Oberfläche, die eine glatte Oberfläche für die Kammer oder den Kopfpfosten bietet (Ergänzende Abbildung 10B). Wenn der extrudierte Schnitt eine starre Oberfläche erzeugt, verwenden Sie eine andere Ebene oder führen Sie nachfolgende Extrusionen durch.

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Representative Results

Diese Komponenten wurden zuvor mit einer Kombination aus MRT-Visualisierungen und 3D-gedruckten anatomischen Modellen validiert. Durch den Vergleich der automatisierten Kraniotomie-Visualisierung mit der 3D-gedruckten Kraniotomie und dem MRT am Ort der Kraniotomie wird deutlich, dass die virtuelle Kraniotomie-Darstellung die Region des Gehirns, auf die mit der angegebenen Kraniotomiestelle zugegriffen werden kann, genau widerspiegelt (Abbildung 2A-F). Zusätzlich wurde die Genauigkeit der automatisierten Kraniotomie-Visualisierung weiter bewertet, indem die virtuelle Darstellung mit bestehenden Kraniotomien aus Implantationsoperationen verglichen wurde (Abbildung 2E,G). Das 3D-gedruckte Modell, die automatisierte Visualisierung, die MRT und die tatsächliche Kraniotomie heben dieselbe Region hervor und zeigen die wichtigsten Sulci an derselben Stelle und mit proportionaler Konsistenz. Der Prozess der Isolierung von Gehirn und Schädel und der anschließenden Visualisierung der Kraniotomie dauert weniger als 15 Minuten, so dass mehrere Stellen in weniger als 1 Stunde getestet werden können.

Die Wirksamkeit des Gehirnisolationsverfahrens wurde durch den Vergleich der virtuellen Kraniotomie mit der MRT-Darstellung der Kraniotomiestelle bestätigt (Abbildung 2B, C, E, F). Die Ähnlichkeiten deuteten darauf hin, dass das Verfahren zur Isolierung des Gehirns in der Lage ist, die richtige Größe, Lage und Form der anatomischen Strukturen im Gehirn darzustellen, auf die abgezielt wird, wie z. B. die Sulci.

Das kombinierte 3D-gedruckte Gehirn und der Schädel wurden als anatomisch genaues Modell verwendet, um die Kammer- und Kopfpfostendesigns zu validieren. Vor der Investition in Titanteile wurden die Kammer und die Kopfstütze in Kunststoff 3D-gedruckt. Es wurde bestätigt, dass die Implantate in den Schädel passen und dass sie sich nicht überlappen oder wichtige anatomische Marker blockieren. Der Designprozess der Kammer und des Kopfpfostens erzeugte Komponenten, die der Krümmung des Schädels entsprachen (Abbildung 3G, I, Abbildung 4E, Abbildung 6, Abbildung 7). Es wurde auch bestätigt, dass die künstliche Dura mit einem kleinen Spalt an die Innenwände der Kammer angrenzt, um Anpassungen während der Implantation zu berücksichtigen. Zwei Makaken wurden maßgeschneiderte Kammern implantiert. Im Gegensatz zu früheren Kammerkonstruktionsmethoden9 konnte jede Schraube, die eingeführt werden sollte, eingeschraubt werden. Dies ist auf die drastische Reduzierung der Lücken zwischen der Kammer und dem Schädel mit der maßgeschneiderten Passform im Vergleich zu der Kammer zurückzuführen, die aus MRT-Krümmungsnäherungen9 entworfen wurde (Abbildung 6A-F). Eine passgenaue Kammer wurde über 2 Jahre lang implantiert, die andere anderthalb Jahre. Bei ordnungsgemäßer Wartung gab es keine Schraubenverluste, Infektionen oder Stabilitätsprobleme, die aufgrund dieser Implantate aufgetreten sind (Abbildung 3I).

Die kundenspezifischen Kopfpfosten- und Kammerdesignprozesse verhindern die Notwendigkeit manueller Anpassungen während der Operation, die sonst die Operationsdauer um Stunden verlängern könnten. Diese Techniken verringern auch die 1-2 mm Lücken, die sich aus Krümmungsnäherungen29 ergeben, was eine bessere Implantatgesundheit fördert und die experimentellen Ergebnisse verbessert. Die Verfeinerungen verhindern Komplikationen mit dem Implantat und verlängern die Langlebigkeit des Implantats, wodurch auch das Tierwohl verbessert wird.

Figure 1
Abbildung 1: Isolierung von Gehirn und Schädel. (A) Schichtige Magnetresonanztomographie (MRT) koronale Schnitte. (B) Mehrschichtige binäre Maske aus Schädelschwellen. (C) Schichtschnitte des isolierten Schädels aus einer umgekehrten binären Maske. (D) Rekonstruierter 3D-Schädel. (E) Mehrschichtige binäre Maske aus Gehirnschwellen. (F) Mehrschichtige MRT-Schnitte des isolierten Gehirns. (G) Rekonstruiertes 3D-Gehirn. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Kraniotomie-Planung. (A) Kraniotomie-Visualisierung mit 3D-gedrucktem Gehirn- und Schädelmodell für Affe B. (B) Kraniotomie-Visualisierung in Computersoftware für Affe B. (C) Kraniotomie-Visualisierung im Magnetresonanzbild (MR) für Affe B. (D) Kraniotomie-Visualisierung mit 3D-gedrucktem Gehirn- und Schädelmodell für Affe H. (E) Kraniotomie-Visualisierung in Computersoftware für Affe H. (F) Kraniotomie-Visualisierung im Magnetresonanzbild (MR) für Affe H. (G) Bild der Kraniotomie bei Affe H. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Design des Kammerimplantats. (A) Schädelregion (grau) für die Reduzierung der STL-Auflösung. (B) Reduzierung der Auflösung von Skull STL in SOLIDWORKS. (C) Kammerinnenring, hervorgehoben. (D) Konstruktion des Kammerrohkreises in SOLIDWORKS. (E) Verbindung von Kammerschürze und Oberteil. (F) Kammer-STL in SOLIDWORKS. (G) 3D-gedrucktes Gehirn, Schädel und Kammer. (H) Titankammer. (I) Implantierte Kammer in Affe H. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Kopfpfosten-Design. (A) Kopfpfosten-Unterumriss auf Schädel-STL-Auflösungsreduzierung. (B) Passgenaue Kopfpfosten-Grundfläche. (C) Kopfpfosten-Boden. (D) Kopfpfostenkonstruktion in SOLIDWORKS. (E) 3D-gedruckte Kopfstütze auf dem Schädel. (F) Titan-Kopfstütze. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Herstellung künstlicher Dura. (A) Einspannen der Silikonmischung mit einer Form. (B) Künstliche Dura. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Griggs et al.11 angepasst. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Passungskammer im Vergleich zur Schädelkrümmung. Die Kammer wurde anhand von MRT-Krümmungsschätzungen an Schädel9 aus einer (A) Vorderansicht, (B) Seitenansicht und (C) Hinteransicht entworfen. Maßgeschneiderte Kammer aus einer (D) Vorderansicht, (E) Seitenansicht und (F) Hinteransicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Kammer, Kopfpfosten und künstliche Dura auf überlagertem Gehirn und Schädel Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Abbildung 1: Schwellenwert- und Kraniotomie-Standortplanung. (A) Beispiel für eine binäre Maske mit einem geeigneten Schwellenwert. (B) Koronaler Schnitt im MRT zur Identifizierung der Kraniotomie. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 2: Prozess der STL-Dateireduzierung in MATLAB für das Kammerdesign. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 3: Visuelle Darstellung eines Lochs im Schädel STL-Auflösungsreduzierung. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 4: Screenshots der Kammerschürzensoftware. (A) Innenring der Kammerschürze und die Innenfläche der Kammeroberseite als konzentrische Paare. (B) Kammerschürze nach unten verschieben. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 5: Kammerschürze und Kammeroberteil mit und ohne Überlappung. (A) Unterbaubeispiel für eine Überlappung zwischen dem Kammerrand und dem Kammerdeckel (Ändert die Unterseite des Kammerrands). (B) Beispiel für keine Überlappung zwischen Kammerschürze und Kammeroberseite. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 6: Ebenen, die Schraubenlöcher blockieren, und Beseitigung von Hindernissen. (A) Beispiel für Ebenen, die die Schraubenlöcher nach dem Platzieren von Schraubenlöchern blockieren. (B) Umriss des extrudierten Schnitts, um Oberflächen innerhalb von Schraubenlöchern zu entfernen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 7: Punktauswahl und die Achsenebene des Schädels. (ein) Punktauswahl für die Kopfpfostenkonstruktion. (B) Obere Ansicht der Ebene, die parallel zur axialen Ebene des Schädels verläuft. (C) Seitenansicht der Ebene parallel zur axialen Ebene des Schädels. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 8: Beispiel für Verknüpfungen. (A) Erstes Paar - Oberseite der kreisförmigen Kopfpfostenplattform und die Unterseite der Kopfpfostenoberseite als konzentrische Verbindungen. (B) Zweites Paar - Kante der Oberseite der kreisförmigen Kopfpfostenplattform und Kante der Unterseite der Kopfpfostenoberseite als konzentrische Verbindungen. (C) Drittes Matt - Eine Linie, die vertikal entlang des hinteren Schenkels des Kopfpfostens verläuft, und eine Linie, die horizontal entlang der Rückseite des Kopfpfostenoberteils verläuft, als senkrechte Matten. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 9: Verfahren zum Befestigen von Löchern. (A) Gestrickte Flächen, die den Spalt in der importierten Fläche umgeben. (B) Achse an jedem Punkt am Rand der gestrickten Oberfläche. (C) Endergebnis des Verfahrens zur Befestigung von Löchern. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 10: Ausführen des extrudierten Schnitts. (A) Extrudierter Schnitt, der die Extrusionen aus dem Verfahren zur Fixierung von Löchern umgibt. (B) Beispiel extrudierter Schnitt zu einer Ebene auf der Oberseite des Kammerbodens. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Codierungsdatei 1: Codierungsdateien für das Protokoll. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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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 mehr neurowissenschaftlichen Labors übernommen zu werden, da es einfach und wirtschaftlich ist. Während die CT häufig für die Schädelmodellierung verwendet wird32,38, bietet dieses Protokoll ausreichende Modellierungsdetails sowohl für das Gehirn als auch für den Schädel, wobei nur MRT-Scans verwendet werden. Bestehende Methoden erfordern sowohl MRT- als auch CT-Scans für die Isolierung von Gehirn und Schädel 30,32,33, während diese Methode zusätzliche Kosten und Herausforderungen der CT-Bildgebung eliminiert. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass dieses Modell keine Ausrichtung von MRT- und CT-Scans erfordert, was viel Zeit spart und Probleme im Zusammenhang mit einer schlechten Ausrichtung vermeidet39. Die Generierung von Gehirn- und Schädelmodellen aus einer einzigen Bildgebungsdatei erzeugt hochkompatible Modelle, die für die Visualisierung der Kraniotomie leicht kombiniert werden können. Diese Funktion ist besonders nützlich für iterative Kraniotomie-Testprozesse, da beide Modelle nicht aus separaten Programmen kombiniert und ausgerichtet werden30,33, sondern in einer Software aus einer einzigen Eingabedatei generiert und innerhalb von Sekunden automatisch angezeigt werden. Dies ermöglicht eine effiziente Bestätigung der Genauigkeit der Gehirn- und Schädelmodellierung und stellt sicher, dass die Implantate in vivo der Schädelkrümmung entsprechen. Dadurch entfällt auch der iterative 3D-Druck des Schädels, der zuvor für die Bestimmung der optimalen Kraniotomieposition35 erforderlich war, wodurch Dutzende von Druckstunden pro Iteration eingespart werden. Unsere softwarebasierte Technik benötigt im Vergleich dazu etwa 10-15 Minuten, um jede Kraniotomie-Iteration zu generieren.

Die Identifizierung der Implantatposition relativ zu den frontalen, parietalen und temporalen Schädelregionen sowie anderen Schädelmerkmalen hat immense Vorteile für die chirurgische und experimentelle Planung. Diese Funktion wird genutzt, um die Grundfläche der Kopfstütze in Bezug auf die Grundfläche der Kammer individuell zu gestalten. Für jede neurowissenschaftliche NHP-Forschung kann diese räumliche Modellierungsfunktion angepasst werden, um Komponenten aus anatomischen Ebenen, MRT-Koordinaten, anatomischen Merkmalen des Gehirns und des Schädels sowie in Bezug auf vorhandene Implantate zu entwerfen. Auf diese Weise wird die Möglichkeit unvorhergesehener Probleme während oder nach der Implantation drastisch reduziert. Dieses Verfahren hat auch die Fähigkeit, Implantate herzustellen, die mehrere Gehirnbereiche aus verschiedenen Ebenen überspannen und gleichzeitig einen festen Sitz am Schädel beibehalten.

Die hier vorgestellte Methode erzeugt eine kreisförmige Kammer und ermöglicht es, einen Kopfpfosten um die Kammer herum zu entwerfen. Das Verfahren hier hat jedoch das Potenzial, durch die Modifikation des Abschnitts Kammerschürzendesign andere Formen unterzubringen. Gleiches gilt für das Kopfpfostendesign – das Verfahren ermöglicht die Erstellung unterschiedlicher Beinzahlen und anderer kundenspezifischer Formen, wobei die Form in erster Linie vom verfügbaren Platz um die Kammer abhängt. Die Form der Schädel-STL-Reduktion, die derzeit ein Ring für das Kammerdesign ist, könnte weiter modifiziert werden, um verschiedene Schädel-STL-Reduktionsformen zu schaffen, die auf die Bedürfnisse bestimmter Kammer- oder Kopfpfostendesigns zugeschnitten sind und eine effizientere Anpassung ermöglichen.

Obwohl dieser Prozess effektiv maßgeschneiderte Implantate herstellt, gibt es Schritte, die für eine effizientere Produktion verbessert werden können. Wie bereits erwähnt, ist die Ausrichtung der Oberseite des Kopfpfostens senkrecht zum Schädel ein iterativer Prozess mit der in diesem Artikel beschriebenen Methode, da es schwierig ist, die Schädelausrichtung in der Designsoftware zu identifizieren. Um den Prozess der Positionierung der Kopfpfostenoberseite auf dem unteren Teil zu rationalisieren, könnten zusätzliche Markierungen auf der virtuellen Schädeldarstellung platziert werden, um axiale, sagittale und koronale Ebenen anzuzeigen. Das Protokoll hat auch das Potenzial, weiter automatisiert zu werden, um die Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen. Während die in diesem Protokoll besprochene Methode zur STL-Reduktion des Schädels für das Design von Implantaten effektiv ist, könnte sie durch weitere Automatisierung schneller und konsistenter gemacht werden. Unser Validierungsverfahren erfordert den 3D-Druck des Schädels und der Implantatprototypen, um zu überprüfen, ob die Implantate mit der Krümmung des Schädels übereinstimmen. Dieser Schritt könnte möglicherweise eliminiert werden, indem eine Methode der virtuellen 3D-Visualisierung entwickelt wird, die Gehirn, Schädel, Kammer, Kopfpfosten und künstliche Dura miteinander kombiniert.

Unsere Plattform bietet einen vollständig virtuellen Prozess der Kraniotomieplanung und des individuellen Implantatdesigns. Die endgültigen Entwürfe können in 3D gedruckt und an einem lebensgroßen physischen Modell35 verifiziert werden. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden erfordert unser Protokoll keine kostspieligen Produktiterationen oder den Zugang zu teuren Maschinen wie CNC-Fräsmaschinen29,34. Ähnlich wie andere bestehende Methoden des Implantatdesigns 9,12,29,30,32,33,40 stützt sich diese Methode vollständig auf eine bildgebende Modalität, um anatomische Strukturen genau darzustellen. Jede Ungenauigkeit im MRT-Scan oder Veränderungen in der Gehirn- oder Schädelanatomie zwischen MRT und Operation können die Wirksamkeit des Implantats beeinträchtigen. Daher ist eine ordnungsgemäße Planung der MRT-Erfassung für die Optimierung des Implantatdesigns unerlässlich.

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Disclosures

Nichts zu verraten.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Eine Toolbox für das Design neuronaler Implantate für nichtmenschliche Primaten
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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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