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Bioengineering

नॉनह्यूमन वानरों में न्यूरोसर्जिकल प्लानिंग के लिए एमआरआई-आधारित टूलबॉक्स

Published: July 17, 2020 doi: 10.3791/61098
Automatic Translation
1,2, 2,3, 1,2, 4, 5, 4, 4, 1,2,3
1Bioengineering Department, University of Washington, 2Washington National Primate Research Center, University of Washington, 3Electrical and Computer Engineering Department, University of Washington, 4Department of Ophthalmology, SUNY Downstate Health Sciences University, 5Radiology Department, University of Washington

Summary

नीचे उल्लिखित विधि का उद्देश्य त्रि-आयामी (3 डी) मुद्रण विधियों और एमआरआई डेटा निष्कर्षण के उपन्यास संयोजन का उपयोग करके अमानवीय रहनुमा (एनएचपी) न्यूरोसर्जरी की तैयारी के लिए एक व्यापक प्रोटोकॉल प्रदान करना है।

Abstract

इस पेपर में, हम सर्जिकल तैयारी के लिए एक विधि की रूपरेखा तैयार करते हैं जो पूरी तरह से चुंबकीय अनुनय इमेजिंग (एमआरआई) से निकाले गए डेटा का उपयोग करके एनएचपीएस में विभिन्न प्रकार के न्यूरोसर्जरी की व्यावहारिक योजना की अनुमति देता है। यह प्रोटोकॉल मस्तिष्क और खोपड़ी के शारीरिक रूप से सटीक शारीरिक मॉडल मुद्रित 3 डी की पीढ़ी के लिए अनुमति देता है, साथ ही मस्तिष्क के कुछ यांत्रिक गुणों को मॉडलिंग करने वाले मस्तिष्क के एक अग्रसंगित जेल मॉडल के लिए अनुमति देता है। इन मॉडलों को मस्तिष्क के मॉडल के लिए मस्तिष्क निष्कर्षण सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एमआरआई से निकाला जा सकता है, और खोपड़ी के मॉडल के लिए कस्टम कोड। तैयारी प्रोटोकॉल जेल मस्तिष्क मॉडल के लिए इंटरफेसिंग दिमाग, खोपड़ी और मोल्ड बनाने के लिए अत्याधुनिक 3डी प्रिंटिंग तकनीक का लाभ उठाता है। खोपड़ी और मस्तिष्क मॉडल कस्टम कोड में एक क्रेनियोटॉमी के अलावा के साथ खोपड़ी के अंदर मस्तिष्क के ऊतकों की कल्पना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, सीधे मस्तिष्क को शामिल सर्जरी के लिए बेहतर तैयारी के लिए अनुमति देता है । इन तरीकों के अनुप्रयोगों न्यूरोलॉजिकल उत्तेजना और रिकॉर्डिंग के साथ ही इंजेक्शन में शामिल सर्जरी के लिए डिज़ाइन कर रहे हैं, लेकिन प्रणाली की बहुमुखी प्रतिभा प्रोटोकॉल, निष्कर्षण तकनीकों के भविष्य के विस्तार के लिए अनुमति देता है, और सर्जरी के एक व्यापक दायरे के लिए मॉडल ।

Introduction

पशुओं के मॉडलों से लेकर मानव परीक्षणों तक चिकित्सा अनुसंधान की प्रगति में रहनुमा अनुसंधान एक निर्णायक कदम रहा है1,2. यह विशेष रूप से तंत्रिका विज्ञान और तंत्रिका इंजीनियरिंग के अध्ययन में है क्योंकि कृंतक दिमाग और अमानवीय वानरों (एनएचपी) 1,2,3के बीच एक बड़ी शारीरिक और शारीरिक विसंगति है। केमोजेनेटिक्स जैसी उभरती आनुवंशिक प्रौद्योगिकियों के साथ, ऑप्टोजेनेटिक्स, और कैल्शियम इमेजिंग जिसमें न्यूरॉन्स के आनुवंशिक संशोधन की आवश्यकता होती है, एनएचपी में तंत्रिका कार्य का अध्ययन करने वाले तंत्रिका इंजीनियरिंग अनुसंधान ने मस्तिष्क के कार्य2, 4, 5, 6, 7,8,9,10, 11,12,13,14,15, 16को समझने के लिए एक प्रीक्लिनिक मॉडल के रूप में विशेष ध्यान दिया है। अधिकांश एनएचपी तंत्रिका विज्ञान प्रयोगों में, हेड पोस्ट, उत्तेजना और रिकॉर्डिंग कक्ष, इलेक्ट्रोड सरणी औरऑप्टिकल विंडोज4, 5, 6, 7, 10,11,13, 14,15,17,18जैसे विभिन्न उपकरणों के प्रत्यारोपण के लिए न्यूरोसर्जिकल उपायों की आवश्यकता होती है।

वर्तमान एनएचपी प्रयोगशालाएं विभिन्न प्रकार के तरीकों का उपयोग करते हैं जिनमें अक्सर एक सिर पोस्ट के पैरों को फिट करने के लिए जानवर को अलग करने और क्रैनिओटॉमी साइट के चारों ओर खोपड़ी की वक्रता का अनुमानित सहित अप्रभावी प्रथाएं शामिल होती हैं। अन्य प्रयोगशालाएं सर्जरी में खोपड़ी के लिए हेड पोस्ट को फिट करती हैं या प्रत्यारोपण के लिए आवश्यक माप प्राप्त करने के अधिक उन्नत तरीकों को नियोजित करती हैं जैसे कि एनएचपी मस्तिष्क एटलस और चुंबकीय अनुनाद (एमआर) स्कैन का विश्लेषण करने के लिए खोपड़ी वक्रता का अनुमान लगाने की कोशिश2,10,11,16। एनएचपीएस में न्यूरोसर्जरी में तरल इंजेक्शन भी शामिल होते हैं, और प्रयोगशालाओं में अक्सर मस्तिष्क2,4,5,13,14 के भीतर अनुमानित इंजेक्शन स्थान की कल्पना करने का कोई तरीका नहीं होता हैजोपूरी तरह से स्टीरियोटैक्सिक माप और एमआर स्कैन की तुलना पर निर्भर करता है। इन तरीकों में प्रत्यारोपण के सभी जटिल घटकों की शारीरिक अनुकूलता का परीक्षण करने में असमर्थ होने से अपरिहार्य अनिश्चितता की एक डिग्री है।

इसलिए एनएचपीएस में न्यूरोसर्जिकल प्लानिंग के लिए सटीक नॉनइनेसिव मेथड की जरूरत है। यहां, हम इन जानवरों में प्रत्यारोपण और इंजेक्शन सर्जरी की तैयारी के लिए एक प्रोटोकॉल और कार्यप्रणाली प्रस्तुत करते हैं। पूरी प्रक्रिया एमआरआई स्कैन से उपजी है, जहां मस्तिष्क और खोपड़ी डेटा से निकाले जाते हैं ताकि तीन आयामी (3 डी) मॉडल बनाए जा सकें जो तब 3 डी मुद्रित हो सकते हैं। खोपड़ी और मस्तिष्क मॉडल को क्रैनिओटॉमी सर्जरी के साथ-साथ सटीकता के बढ़े हुए स्तर के साथ सिर पदों के लिए तैयार करने के लिए जोड़ा जा सकता है। मस्तिष्क मॉडल का उपयोग मस्तिष्क के शारीरिक रूप से सटीक जेल मॉडल की कास्टिंग के लिए एक मोल्ड बनाने के लिए भी किया जा सकता है। अकेले जेल मस्तिष्क और एक निकाले गए खोपड़ी के संयोजन में इंजेक्शन सर्जरी की एक किस्म के लिए तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। नीचे हम न्यूरोसर्जिकल तैयारी के लिए एमआरआई आधारित टूलबॉक्स के लिए आवश्यक प्रत्येक चरण का वर्णन करेंगे।

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Protocol

सभी पशु प्रक्रियाओं को यूनिवर्सिटी ऑफ वाशिंगटन इंस्टीट्यूट फॉर एनिमल केयर एंड यूज कमेटी ने मंजूरी दी थी । दो पुरुष रीसस मकाक (बंदर एच: 14.9 किलो और 7 साल पुराना, बंदर एल: 14.8 किलो और 6 साल पुराना) का इस्तेमाल किया गया।

1. छवि अधिग्रहण

  1. बंदर को 3T एमआरआई स्कैनर में परिवहन करें और जानवर को एमआर-संगत स्टीरियोटैक्सिक फ्रेम(सामग्री की तालिका)में रखें।
  2. मानक T1 रिकॉर्ड (फ्लिप कोण = 8 डिग्री, पुनरावृत्ति समय/
    नोट: सफल खोपड़ी अलगाव के लिए, खोपड़ी और मस्तिष्क के बीच जुदाई को अधिकतम करने के लिए यहां लागू एमआरआई अधिग्रहण मापदंडों का उपयोग करें ।

2. मस्तिष्क निष्कर्षण

  1. मस्तिष्क निष्कर्षण के लिए एमआर इमेजिंग सॉफ्टवेयर में ओपन | का चयन करें खुली छवि। T1 त्वरित चुंबकीय तैयार रैपिड रेडिएंट इको (एमपीआरेज) स्कैन एक एमआर इमेजिंग सॉफ्टवेयर(सामग्री की तालिका)में चरण 1.2 में अधिग्रहीत लोड करें।
  2. मस्तिष्क निकालने के लिए, प्लगइन्स ड्रॉपडाउन मेनू के तहत एक्सट्रैक्ट ब्रेन (बेट)का चयन करें। 0.5− 0.7 के आसपास एक तीव्रता सीमा पर निकालें और सीमा ढाल मूल्य 0 करने के लिए सेट। बार-बार निष्कर्षण फ़ंक्शन का उपयोग लगातार कम तीव्रता वाले थ्रेसहोल्ड पर तब तक करें जब तक कि स्कैन में केवल कॉर्टिकल एनाटॉमी(चित्रा 1B)न हो।
    नोट: यह एक पुनरावर्तक प्रक्रिया है क्योंकि सॉफ्टवेयर एनएचपी दिमाग के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है और निष्कर्षण सटीक नहीं है
  3. रुचि के क्षेत्र (आरओआई) मेनू के तहत आरओआई के लिए थ्रेसहोल्ड का चयन करें और मस्तिष्क का बिटमैप बनाने के लिए सिकोड़ लपेटें और 3 डी के विकल्प का चयन करें। यह वॉल्यूम को ढाल से बाइनरी बिट्स में परिवर्तित कर देगा, जो भविष्य की मॉडल पीढ़ी की प्रक्रियाओं को सुव्यवस्थित करता है। आसपास के ऊतकों से मस्तिष्क को अलग करने के लिए एक सीमा (आमतौर पर लगभग 600) चुनें। यह सीमा ग्रे मैटर पर मंडराकर पाई जा सकती है। बिटमैप बनाने के लिए ओके चुनें।
  4. एक सतह बनाने के लिए, छवि मेनू के तहत बिल्ड सरफेस का चयन करें और चरण 2.3 में मस्तिष्क निकालने के लिए उपयोग की जाने वाली सीमा को इनपुट करें। फिर ओकेका चयन करें। परिणामस्वरूप सतह लक्षित शरीर रचना विज्ञान(चित्रा 1C)के उच्चतम गुणवत्ता प्रतिनिधित्व का उत्पादन करने के लिए दहलीज मूल्य को समायोजित करने के लिए एक संदर्भ के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है ।
  5. फ़ाइल टैब के तहत सेव या सेव के रूप मेंचुनें, और निकाले गए मस्तिष्क आरओआई को मस्तिष्क के मॉडल बनाने में उपयोग के लिए .nii या .nii.gz फ़ाइल के रूप में सहेजें।

3. ब्रेन मॉडलिंग

  1. लोड डेटा | का चयन करें मेडिकल इमेज प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर(टेबल ऑफ मैटेरियल)में .nii या .nii.gz फाइल टाइप में सहेजे गए मस्तिष्क को जोड़ने और लोड करने के लिए फ़ाइलें चुनें।
  2. मॉड्यूल टूलबार में स्लाइसर ड्रॉप नीचे मेनू के लिए स्वागत पर मंडराना और सभी मॉड्यूल के लिए कदम। उस मेनू से संपादक कार्यक्षमता का चयन करें। पॉपअप चेतावनी पर ठीक क्लिक करें।
  3. संपादक मॉड्यूल मेनू से, थ्रेसहोल्ड इफेक्ट का चयन करें और थ्रेसहोल्ड रेंज स्लाइडर्स को समायोजित करें ताकि मस्तिष्क युक्त बिटमैप के हिस्से को तीनों स्लाइस में हाइलाइट किया जाए। बिटमैप लोड करते समय, दोनों स्लाइडर्स को 1 के मूल्य में समायोजित करना पूरे मस्तिष्क का चयन करता है। आवेदन का चयन करें।
  4. मॉडल निर्माता मॉड्यूल खोलें, और इनपुट वॉल्यूम ड्रॉपडाउन मेनू में चरण 3.3 में उत्पन्न बिटमैप फ़ाइल का चयन करें। मॉडल के तहत, नए मॉडल पदानुक्रम बनाएं। पदानुक्रम के लिए मॉडल का नाम निर्दिष्ट करने के बाद, मात्रा बनाने के लिए आवेदन का चयन करें।
  5. फाइल को .stl फॉर्मेट में सेव करें।
  6. मस्तिष्क मॉडल को और संशोधित करने के लिए, कंप्यूटर एडेड डिजाइन सॉफ्टवेयर(सामग्री की तालिका)में ग्राफिक्स बॉडी के रूप में .stl फ़ाइल लोड करें
    नोट: इसमें कुछ समय लग सकता है, क्योंकि आयातित जाल मस्तिष्क की सतहें अक्सर काफी जटिल होती हैं।
  7. एक बार फ़ाइल आयात हो जाने के बाद, स्क्रीन के बाईं ओर फीचर ट्री में ग्राफिक शरीर के बच्चों पर क्लिक करें और अनावश्यक ग्राफिक सुविधाओं को दबाएं जब तक कि केवल मस्तिष्क युक्त विशेषताएं फ़ाइल में शेष न हों। शेष फ़ाइल को आगे की हेराफेरी के लिए .prt के रूप में और 3 डी प्रिंटिंग के लिए .stl के रूप में सहेजें। शेष फ़ाइल को आगे की हेराफेरी के लिए .prt के रूप में और 3 डी प्रिंटिंग के लिए .stl के रूप में सहेजें।

4. ब्रेन मोल्डिंग

  1. .prt फाइल खोलकर निकाले गए ब्रेन मॉडल को सेक्शन 3 से कंप्यूटर एडेड डिजाइन सॉफ्टवेयर में लोड करें। डालने मेनू के सुविधाओं अनुभाग के तहत, जाल शरीर में परिवर्तित काचयन करें । मस्तिष्क के ग्राफिक शरीर का चयन करें और इसे परिवर्तितकरें।
  2. पूर्ण मस्तिष्क का एक दाएं और बाएं मोल्ड बनाना
    1. स्केच बटन पर क्लिक करें और स्केच विमान के रूप में शीर्ष विमान का चयन करें। एक आयत तैयार करें जिसमें मस्तिष्क के दाएं या बाएं गोलार्द्ध की संपूर्णता हो। स्केच में जबकि एक्सट्रूड बॉस/बेस फीचर का चयन करें और मस्तिष्क के शीर्ष भाग को नियंत्रित करने के लिए एक घन आयत को बाहर निकालें।
      नोट: पूरे गोलार्द्ध को नियंत्रित करने के लिए घन को दो दिशाओं में बाहर निकालना पड़ सकता है। इसका कारण यह है कि शून्य बिंदु, जहां एक्सट्रूज़न का विमान स्थित है, मस्तिष्क मॉडल के अंदर गिर सकता है। दोनों दिशाओं में बाहर निकालना सुनिश्चित करता है कि मोल्ड ब्याज की पूरी मात्रा को शामिल करेगा।
    2. 'डालने' मेनू के सुविधा अनुभाग के तहत, जाल शरीर में परिवर्तित काचयन करें। सॉलिड बॉडी फोल्डर में निकाले गए क्यूब का चयन करें और इसे परिवर्तित करें। नकारात्मक स्थान बनाने के लिए, कंबाइन फीचर का उपयोग करके और घटाना विकल्प का चयन करते हुए नए निकाले गए घन से मस्तिष्क के मॉडल को घटाएं।
    3. मस्तिष्क के अन्य गोलार्द्ध (बाएं या दाएं) के लिए चरण 4.2.1 और 4.2.2 दोहराएं और परिणामस्वरूप फ़ाइलों को 3डी प्रिंटिंग के लिए .stl और आगे हेरफेर के लिए .prt के रूप में सहेजें।
  3. मस्तिष्क के ऊपरी आधे हिस्से का एक दाएं और बाएं मोल्ड बनाना।
    1. शीर्ष विमान में एक स्केच बनाएं और मस्तिष्क के दाएं या बाएं गोलार्द्ध की संपूर्णता युक्त आयत बनाएं। स्केच में जबकि एक्सट्रूड बॉस/बेस फीचर का चयन करें और चयनित प्लेन फीचर से ऑफसेट के साथ बाहर निकालें । एक दूरी तक बाहर निकालने की भरपाई करें जहां मस्तिष्क शरीर रचना विज्ञान में कोई ओवरहैंगिंग आकृति नहीं है, बस ऊपरी शरीर रचना विज्ञान पर कब्जा कर रहा है। 'डालने' मेनू के सुविधा अनुभाग के तहत, जाल शरीर में परिवर्तित काचयन करें। सॉलिड बॉडी फोल्डर में निकाले गए क्यूब का चयन करें और इसे परिवर्तित करें।
    2. नकारात्मक स्थान बनाने के लिए, कंबाइन फीचर का उपयोग करके और घटाना विकल्प का चयन करते हुए नए निकाले गए घन से मस्तिष्क के मॉडल को घटाएं।
    3. मोल्ड के पृष्ठीय पक्ष पर एक स्केच प्लेन बनाएं और कन्वर्ट एंटिटीज का चयन करें और फिर चरण 4.3.1 से स्केच का चयन करें।
    4. स्केच में रहते हुए एक्सट्रूड बॉस/बेस फीचर का चयन करें और, चयनित अंधे एक्सट्रूड विकल्प के साथ, मोल्ड में घटाए गए मस्तिष्क शरीर रचना को पूरी तरह से संलग्न करने के लिए ठोस शरीर को लगभग 5 मिमी बाहर निकाला।
    5. मस्तिष्क के अन्य गोलार्द्ध (बाएं या दाएं) के लिए चरण 4.3.1−4.3.4 दोहराएं और परिणामस्वरूप फाइलों को 3डी प्रिंटिंग के लिए .stl और आगे हेरफेर के लिए .prt के रूप में सहेजें।
  4. क्यूब के आयामों और स्थान को बदलकर और एक ही प्रोटोकॉल (चरण 4.1 और 4.2) का पालन करके, ऐसे मोल्ड बनाएं जिनमें मस्तिष्क के विभिन्न हिस्से होते हैं।
  5. 3डी प्रिंटिंग के लिए, ~ 70% इनफिल घनत्व का उपयोग करें और मोल्डिंग सामग्री के रिसाव को कम करने के लिए प्रिंट के बाहरी खोल की मोटाई बढ़ाएं। यदि प्रिंट में अंतराल या दोष हैं, तो उन्हें नेल पॉलिश या किसी अन्य बाध्यकारी एजेंट का उपयोग करके भरें।

5. खोपड़ी मॉडलिंग

  1. एक DICOM फ़ाइल के रूप में मैट्रिक्स हेरफेर सॉफ्टवेयर में चरण 1.2 से त्वरित एमपीआरेज एमआरआई आयात करें। DICOM फाइल अलग-अलग 2D फ्रेम में हो सकती है। यदि ऐसा है, तो सभी फ्रेम को 3 डी मैट्रिक्स में मिलाएं। सुनिश्चित करें कि मैट्रिक्स के प्रत्येक 2D फ्रेम एक कोरोनल टुकड़ा प्रदर्शित कर रहा है।
  2. व्यक्तिगत पिक्सेल मूल्यों के लिए ऑपरेटर से अधिक का उपयोग करके 3डी मैट्रिक्स को थ्रेसहोल्ड करके बाइनरी मास्क बनाएं। दहलीज को इस तरह समायोजित करें कि खोपड़ी शरीर रचना विज्ञान को मास्क द्वारा कैप्चर किया जा रहा है (पूरक कोडिंग फ़ाइल कैलिब्रेटमास्कदेखें)।
    नोट: मुखौटा चार अलग परतों में शामिल होंगे । बाहर से, उन्हें "बाहर", "मांसपेशी", "खोपड़ी", और "मस्तिष्क" के रूप में संदर्भित किया जाएगा। इस स्तर पर, "बाहर" और "खोपड़ी" मुखौटा में 0 है, और "मांसपेशी" और "मस्तिष्क" 1 हैं ।
  3. "मांसपेशी" परत को हटाने के लिए, प्रत्येक फ्रेम को 3 डी मास्क से अलग से इटेरेटिव रूप से मास्क (यानी, 3D_Mask (:,:,1)) से 2डी स्लाइस हथियाने के लिए अलग से संसाधित करें।
    1. प्रत्येक फ्रेम के लिए, "बीज" के रूप में "बाहर" परत में फ्रेम के कोनों से 0 पिक्सेल का चयन करें । फिर पड़ोसी 0 की खोज करें जब तक कि आप 1 पिक्सेल का सामना नहीं करते। खोज जारी रखें जब तक कि कोई और 0 नहीं मिल सकता है। सभी कनेक्टेड 0 को 1 में परिवर्तित करें। यह मैटलैब फ़ंक्शन "एमफिल" का उपयोग करके किया जाता है, जिसमें इनपुट और आउटपुट [MASK2] = imfill (MASK1, स्थानों, कनेक्टिविटी) के साथ किया जाता है, जहां मास्क 1 आपका मूल मुखौटा है, और मास्क2 मास्क में भरा हुआ है (पूरक कोडिंग फाइल FillExteriorदेखें)।
  4. कुछ खोपड़ी जानकारी हटाने के दौरान खो जाएगा। जानकारी हानि को कम करने के लिए, डेटा के तीनों आयामों में चरण 5.3 करें, और उन्हें अलग रखें।
    नोट: अब दोनों "बाहर" और "मांसपेशी" 1 हैं, और "बाहर" के रूप में माना जाएगा । मुखौटा में अब तीन अलग-अलग परतें होती हैं, "बाहर", "खोपड़ी", और "मस्तिष्क"। "बाहर" और "मस्तिष्क" 1 है, और "खोपड़ी" 0 है ।
  5. ~ ऑपरेटर (यानी, MASK2 = ~ MASK1) का उपयोग कर मुखौटा के मूल्यों को उलटें। अब "खोपड़ी" 1 है और "बाहर" और "मस्तिष्क" 0 है ।
  6. 1 है कि प्रत्येक मुखौटा में एक दूसरे को छू रहे है "वस्तुओं" माना जा सकता है । प्रत्येक मुखौटा में सभी वस्तुओं का एक सूचकांक बनाएं मैटलैब फ़ंक्शन "बीडब्ल्यूकोनकॉम", इनपुट और आउटपुट [सीसी] = बीडब्ल्यूकोनकॉम (मास्क) के साथ, जहां मास्क 3 डी मास्क मैट्रिक्स है, और सीसी एक संरचनात्मक वस्तु है जिसमें प्रत्येक वस्तु के लिए सूचकांक मूल्य, वस्तुओं की संख्या और मैट्रिक्स का आकार शामिल है। प्रत्येक मास्क के लिए, 0 के लिए छोटी वस्तुओं के मूल्यों की स्थापना के द्वारा सबसे अधिक स्वर युक्त एक के अलावा सभी वस्तुओं को हटा दें (पूरक कोडिंग फ़ाइल RemoveNoiseदेखें)।
  7. प्रत्येक पास से बनाए गए मास्क को एक साथ जोड़ें (पूरक कोडिंग फ़ाइल मर्जमास्कदेखें)।
  8. एक सुसंगत संकल्प करने के लिए मस्तिष्क पैमाने पर।
    1. DICOM हेडर से, प्रत्येक पिक्सेल के आयामों के लिए एमआरआई के प्रत्येक फ्रेम के बीच कदम आकार की तुलना करें।
    2. यदि ये मान अलग-अलग हैं, तो प्रत्येक स्वरल के लिए स्टेप साइज और पिक्सेल साइज के बीच रिज़ॉल्यूशन में अंतर की भरपाई के लिए स्केल फैक्टर को परिभाषित करें। उदाहरण के लिए, यदि प्रत्येक फ्रेम 1 मिमी के अलावा है, और पिक्सेल आयाम 0.33 मिमी x 0.33 मिमी है, तो स्केल फैक्टर 3 होगा।
    3. स्केल फैक्टर द्वारा परिभाषित कारक द्वारा परिभाषित कारक द्वारा मुखौटा का सबसे कम संकल्प आयाम बड़ा होने तक 3 डी मास्क में अतिरिक्त खाली स्वर जोड़ें (पूरक कोडिंग फ़ाइल "ScaleMask"देखें)।
    4. मुखौटा नई जगह भरता है जब तक मुखौटा में Linearly interpolate मूल्यों।
    5. 3डी प्रिंटिंग के लिए .stl फ़ाइल या इसी तरह के फाइलटाइप के रूप में खोपड़ी का निर्यात करें।

6. 3 डी खोपड़ी मॉडल में क्रैनिओटॉमी निर्माण

  1. चरण 5.1 से एमआरआई फ़ाइल का उपयोग करना, मैन्युअल रूप से मकाक मस्तिष्क एटलस (जैसे, केंद्रीय सल्कस)19में पाए जाने वाले शारीरिक स्थलों से क्रैनियोटॉमी के अनुमानित स्थान की पहचान करें।
    1. 3डी मैट्रिक्स का एक व्यक्तिगत टुकड़ा देखें (चरण 5.3 के समान)।
    2. मैन्युअल रूप से 3 डी मैट्रिक्स के माध्यम से आगे या पीछे स्कैन करें जब तक कि पहचानने योग्य शारीरिक स्थल स्थित न हों।
    3. जेड समन्वय के रूप में फ्रेम नंबर सहेजें (यानी, 3D_Mask (:,:,z)
    4. क्रैनियोटॉमी के लिए इस फ्रेम पर एक बिंदु के एक्स और वाई निर्देशांक को बचाने के लिए डेटा चयन उपकरण का उपयोग करें, जो मैटलैब फ़ंक्शन "getpts" का उपयोग करने पर केंद्रित है, इनपुट और आउटपुट [x,y] = getpts के साथ। "getpts" एक यूजर इंटरफेस खोलता है, वांछित फ्रेम पर क्लिक करें (पूरक कोडिंग फ़ाइल कांपिका देखें)।
  2. DICOM हेडर में जानकारी का उपयोग करके इच्छित क्रेनियोटॉमी के त्रिज्या को मिमी से स्वरों में परिवर्तित करें।
  3. एक सेंटरपॉइंट के रूप में चरण 6.1 में निर्दिष्ट बिंदु का उपयोग करके, पूरक कोडिंग फाइल क्रैनिओटॉमीका उपयोग करके स्टेप 5.8.4 से मुखौटा में 6.2 से शून्य तक परिभाषित त्रिज्या के भीतर सभी स्वर सेट करें, जहां इनपुट और आउटपुट [क्रैनिओटॉमीमास्क] = क्रैनियोटॉमी (मुखौटा, एक्स, वाई, जेड, त्रिज्या, एक्स, वाई, जेड, संकल्प) जहां क्रैनिटोमीमास्क एक 3डी मैट्रिक्स है जिसमें क्रैनिओटॉमी हटाया गया है, मुखौटा प्रारंभिक 3डी मैट्रिक्स है, एक्स, वाई, जेड क्रैनिओटॉमी का केंद्र बिंदु है, त्रिज्या क्रैनिओटॉमी का त्रिज्या है, एक्स, वाई, जेड 3डी मैट्रिक्स के ग्रिड वैक्टर हैं, और संकल्प आपके त्रिज्या को चरण 6.00 में परिभाषित किया गया है। 2 (पूरक कोडिंग फ़ाइल क्रैनिओटॉमीदेखें)।
  4. कई क्रैनिओटॉमी के लिए, प्रत्येक अद्वितीय क्रेनियोटॉमी के लिए चरण 6.1−6.3 दोहराएं।
  5. 3डी प्रिंटिंग के लिए .stl फ़ाइल या इसी तरह के फाइलटाइप के रूप में खोपड़ी का निर्यात करें।

7.3D प्रिंटिंग

नोट: भौतिक प्रोटोटाइप(सामग्रीकी तालिका) के लिए दो प्रकार के 3डी प्रिंटर का उपयोग किया जाता है। निम्नलिखित विनिर्देशों के लिए, सभी 3डी प्रिंटर और प्रिंटिंग सॉफ्टवेयर सेटिंग्स को तब तक डिफ़ॉल्ट किया जाना चाहिए जब तक कि अन्यथा उल्लेख न किया जाए।

  1. प्रोटोटाइप और मोल्डों को मुद्रित करने के लिए, एक मानक पीएलए प्रिंटर(सामग्री की तालिका) काउपयोग करें और निम्नलिखित प्रिंटर और सॉफ्टवेयर सेटिंग्स के साथ जी-कोड बनाएं: आंतरिक घनत्व और जीटी;50% (यह मोल्डों के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि उन्हें तरल पकड़ना चाहिए), तेज शहद आंतरिक भरने पैटर्न, रेक्टिलियर बाहरी पैटर्न भरें, प्लेट तापमान = 50 डिग्री सेल्सियस, और एक्सट्रूडर तापमान = 230 डिग्री सेल्सियस।
  2. मस्तिष्क और खोपड़ी के उच्च निष्ठा मॉडलों को मुद्रित करने के लिए एक औद्योगिक ग्रेड प्रिंटर का उपयोग मॉडल के लिए एक्रिलोनिट्रिल ब्यूटाडीन स्टायरीन स्टाइरीन (एबीएस) का संयुक्त प्रिंट बनाने के लिए और एक भंग समर्थन सामग्री(सामग्री की तालिका) काउपयोग करें। फिर जी-कोड बनाएं और निम्नलिखित प्रिंटर सेटिंग्स के साथ: शैली विरल भरें - उच्च घनत्व। अन्य सभी सेटिंग अपने आप उपयुक्त डिफ़ॉल्ट सेटिंग में सेट हो जाएंगी।
    1. ~ 12 घंटे के लिए समर्थन सॉल्वेंट(सामग्री की तालिका)में मॉडल को भंग करें।
  3. उपयुक्त प्रिंटर सेटिंग्स को लागू करने के बाद, स्टार्ट दबाएं और यह सुनिश्चित करने के लिए प्रिंट की पहली परत देखें कि आधार परत साफ है और यहां तक कि।
  4. मोल्डों को प्रिंट करने के बाद, सख्त सील की गारंटी देने के लिए नेल पॉलिश(सामग्री की तालिका) केसाथ किसी भी दृश्यमान छेद को पैच करें।
    नोट: 3 डी मुद्रित मस्तिष्क और खोपड़ी मॉडल खोपड़ी के खुले नीचे में मस्तिष्क मॉडल डालने के द्वारा संयुक्त किया जा सकता है । आंख शरीर रचना विज्ञान को हटाने महत्वपूर्ण जानकारी खोने के बिना मस्तिष्क मॉडल के प्लेसमेंट को कम कर सकते हैं। जब खोपड़ी के अंदर रखा जाता है, तो मस्तिष्क स्वाभाविक रूप से शारीरिक रूप से सही स्थिति के अनुरूप होता है।

8. एग्जीग्न की तैयारी

  1. आगर पाउडर(सामग्री की मेज)और टिड्डी बीन गम पाउडर(सामग्री की मेज)को द्रव्यमान द्वारा 1:4 अनुपात में मिलाएं।
  2. एक एर्लेनमेयर फ्लास्क में 0.6% एकाग्रता समाधान के लिए पाउडर मिश्रण को 1x फॉस्फेट बफर्ड सॉल्यूशन(सामग्री की तालिका)के साथ मिलाएं।
    नोट: अन्य प्रयोगशालाओं द्वारा उपयोग की जाने वाली सांद्रता 0.5%-0.6%20, 21की सीमा में आती है।
  3. माइक्रोवेव को अधिकतम शक्ति के लिए सेट करें और 2 मिनट के लिए माइक्रोवेव में समाधान युक्त फ्लास्क रखें।
  4. समाधान का निरीक्षण करें। जब समाधान बुलबुला शुरू होता है, तो माइक्रोवेव और टाइमर को रोकें, फ्लास्क को हटा दें, और सख्ती से घूमता है। फ्लास्क को माइक्रोवेव में वापस सेट करें और माइक्रोवेव और टाइमर को फिर से शुरू करें।
    नोट: उद्देश्य उबलते के दौरान वाष्पीकरण के कारण मात्रा को काफी कम किए बिना समाधान को गर्म करना है।
  5. दो मिनट पूरा होने तक चरण 8.4 दोहराएं।
  6. फ्लास्क निकालें और फ्लास्क में सेटिंग से समाधान को रोकने के लिए घूमता बनाए रखें।
  7. घूमता हुआ जबकि समाधान को ठंडा करने के लिए फ्लास्क के बाहर ठंडा पानी चलाएं। समाधान को ठंडा करें जब तक कि फ्लास्क के बाहर स्पर्श तक गर्म न हो, फिर भी सहन करने योग्य और सुरक्षित, समाधान को निम्नलिखित चरणों में प्लास्टिक मोल्ड को विकृत करने से रोकने के लिए।
  8. समय से पहले सख्त होने से बचने के लिए मोल्ड के समाधान को परिवहन करते समय फ्लास्क को चक्कर लगाते हैं।

9. एगर उठे मोल्डिंग

नोट: नीचे उल्लिखित agarose मोल्डिंग प्रक्रिया पूर्ण गोलार्द्ध और ऊपरी आधे गोलार्द्ध मोल्डों के लिए एक ही है

  1. पूर्ण जब तक मस्तिष्क मोल्डों में से एक में agarose समाधान डालो । फ्लास्क में शेष समाधान को भंवर में जारी रखें।
  2. लीक के लिए मोल्ड में समाधान के स्तर की निगरानी करें। मोल्ड को आवश्यक रूप से फिर से भरें क्योंकि सेटिंग एगर उठे मोल्ड में किसी भी लीक को सील कर देगी।
  3. मोल्ड में समाधान को कमरे के तापमान पर बेफिक्र बैठने की अनुमति दें जब तक कि समाधान सेट हो जाए और एक ठोस में कठोर न हो जाए।
    नोट: जबकि प्रतीक्षा समय समाधान और अन्य कारकों की मात्रा के आधार पर भिन्न हो सकता है, 2 एच एक विश्वसनीय प्रतीक्षा समय पाया जाता है।
  4. मोल्ड से जेल मॉडल को धीरे-धीरे हटाने के लिए एक स्पैटुला का उपयोग करें। मोल्ड की सतह पर संभावित विकृतियों को रोकने के लिए मोल्ड में स्पैटुला प्रविष्टि के स्थान के साथ रणनीतिक रहें।
  5. प्राकृतिक वाष्पीकरण प्रक्रिया को धीमा करने और जैविक एजेंटों के संपर्क में आने के लिए, जेल मॉडल को एक रेफ्रिजरेटर में सीलबंद कंटेनर में रखें।

10. एगर उठे जेल मॉडल में इंजेक्शन

  1. जलसेक के लिए पंप तैयार करें और इसे स्टीरियोटैक्सिक फ्रेम(सामग्री की तालिका)पर एक स्टीरियोटैक्सिक आर्म में ठीक करें। अनुभाग 9 से जेल मॉडल की सतह के लिए सही इंजेक्शन प्रक्षेपवक्र और स्थान सामान्य करने के लिए पंप की स्थिति।
  2. डीआई पानी के साथ एक 250 माइक्रोन सिरिंज(सामग्री की मेज)भरें। पंप(सामग्रीकी मेज) पर सिरिंज माउंट।
    नोट: किसी भी डाई ड्राइंग से पहले, डीआई पानी इंजेक्शन कैनुला(सामग्री की मेज)पूरी तरह से भरना चाहिए। इस तरह जब डाई कैनुला के माध्यम से तैयार किया जाता है तो प्लंजर द्वारा हवा का कोई संपीड़न या विस्तार नहीं होता है जो इंजेक्शन की मात्रा को प्रभावित कर सकता है।
  3. इंजेक्शन के लिए लक्ष्य मात्रा के लिए सिरिंज में खाद्य रंग(सामग्री की मेज)वापस लेने के लिए पंप चालक(सामग्रीकी तालिका) का उपयोग करें। हवा के बुलबुले को जेल में इंजेक्ट होने से रोकने के लिए कैनुला की नोक पर एक छोटा मनका रूपों तक धीरे-धीरे भोजन रंग इंजेक्ट करें। कैनुला की नोक से मनका सुखा लें।
  4. कैनुला के तहत जेल मॉडल की स्थिति। कैनुला को तब तक कम करें जब तक कि टिप जेल मॉडल की सतह को छू न जाए। स्टीरियोटैक्सिक आर्म पर माप पर ध्यान दें।
  5. कैनुला को जेल मॉडल में जल्दी और आसानी से लक्ष्य इंजेक्शन गहराई तक कम करें और यह सुनिश्चित करें कि जेल की सतह कैनुला के चारों ओर सील हो गई है।
  6. पंप चलाएं और लक्ष्य की मात्रा इंजेक्शन होने तक भोजन के रंग के प्रसार का निरीक्षण करें। 1 μL/मिनट के एक प्रवाह के साथ शुरू करें और हर मिनट 1 μL/min कदम के साथ 5 μL/min करने के लिए वृद्धि हुई है । जेल में भोजन के रंग का फैलाव मस्तिष्क में वायरल वेक्टर के प्रसार का एक अनुमान है।
  7. कैनुला को जेल से जल्दी और आसानी से निकालें।
  8. एक फोटो डिवाइस(सामग्रीकी तालिका) के साथ भोजन के रंग के प्रसार की छवियों को कैप्चर करें और इंजेक्शन की अंडाकार मात्रा की गणना करने के लिए एम्बोलिज्म के आयामों को शारीरिक रूप से मापें। यह दृष्टिकोण जेल की पारदर्शी प्रकृति के कारण संभव है।

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Representative Results

पिछले 2 ,5,10,16में प्रीऑपरेटिव क्रैनियोटॉमी योजना उपाय के रूप में एमआरआई के हेरफेर और विश्लेषण का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है । हालांकि, मस्तिष्क, खोपड़ी और क्रैनिओटॉमी के 3 डी मॉडलिंग के अलावा इस प्रक्रिया को बहुत बढ़ाया गया है। हम सफलतापूर्वक मस्तिष्क का एक शारीरिक रूप से सटीक शारीरिक मॉडल बनाने में सक्षम थे जो हमारी पढ़ाई के लिए ब्याज के क्षेत्र को प्रतिबिंबितकरता है (चित्र 1)। हम इसी तरह एमआर छवियों(चित्रा 2)से निकाले गए रहनुमा खोपड़ी का एक शारीरिक रूप से सटीक शारीरिक मॉडल बनाने में सक्षम थे।

खोपड़ी और मस्तिष्क के दो भौतिक मॉडल एक तंग हस्तक्षेप फिट के साथ संयुक्त, एक दूसरे के सापेक्ष दो मॉडलों की सटीकता को मान्य और एक्सट्रपलेटेड एमआरआई विश्लेषण डेटा(चित्रा 3ए, बी)को वैध बनाते हैं। संयुक्त मॉडल के साथ हम मुद्रण से पहले खोपड़ी में एक क्रेनियोटॉमी डालने और क्रैनियोटॉमी(चित्र 3)में भविष्यवाणी की शरीर रचना विज्ञान की कल्पना करने में सक्षम थे। क्रैनिओटॉमी में भविष्यवाणी की शारीरिक रचना की सटीकता भौतिक मॉडल की तुलना और एमआरआई विश्लेषण(चित्रा 3B)से भविष्यवाणी की क्रेनियोटॉमी के माध्यम से मान्य किया गया था। इसके अतिरिक्त, हम अपने उदाहरण इंटरफ़ेस के सभी हिस्सों को संयोजित करने और खोपड़ी और मस्तिष्क(चित्र 3सी, डी)के संबंध में विभिन्न घटकों की ज्यामिति का मूल्यांकन करने में सक्षम थे।

खोपड़ी मॉडल का परीक्षण करने के लिए, बंदर एल की खोपड़ी का एक भौतिक मॉडल ऊपर उल्लिखित तरीकों का उपयोग करके निकाला गया था और 3 डी को हेड पोस्ट इम्प्लांटेशन सर्जरी की योजना बनाने के लिए मुद्रित किया गया था। इसके बाद हेड पोस्ट के पैरों में हेरफेर किया गया और प्रत्यारोपण(चित्र 3ई)के स्थान पर खोपड़ी की वक्रता में फिट किया गया । हेड पोस्ट के प्रीऑपरेटिव फिटिंग के परिणामस्वरूप, सर्जरी का समय लगभग 2.5 घंटे से घटकर 1 घंटे (216% तेज) हो गया था, जो ऑपरेटिव जटिलताओं के जोखिम को कम करता था22।

सॉलिडवर्क्स में मस्तिष्क के 3डी मॉडल में हेरफेर करके, हम एक मोल्ड बनाने में सक्षम थे जो एमआरआई(चित्रा 4ए−सी)से निकाले गए मुद्रित मस्तिष्क और मस्तिष्क मॉडल दोनों की शारीरिक रचना को सही रूप से प्रतिबिंबित करता था। इस मोल्ड का उपयोग मस्तिष्क के एक एगरेज़ मिश्रण मॉडल(चित्रा 4डी, ई)को कास्ट करने के लिए किया गया था। मस्तिष्क के इन सांचों का उपयोग करके, हम मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों में इंजेक्ट करने में सक्षम थे और पीले रंग की डाई (सामग्री की तालिका) के साथ मॉडलिंग की गई इंजेक्शन प्रक्रिया के जलसेक की मात्रा का अनुमानलगाते थे। मस्तिष्क के आधे गोलार्द्ध जेल मॉडल सफलतापूर्वक एक मॉडल वायरस इंजेक्शन में डाई के प्रसार के एक स्पष्ट दृश्य पर कब्जा करने के लिए इस्तेमाल किया गया था, हमें समय के साथ डाई की एक अनुमानित मात्रा को मापने के रूप में यह इंजेक्शन(चित्रा 5A)की अनुमति । मस्तिष्क मॉडल में डाई के इंजेक्शन को वायरल वेक्टर इंजेक्शन सर्जरी(चित्रा 5बी, सी)मॉडल के लिए 3 डी मुद्रित खोपड़ी के साथ जोड़ा गया था। इसे7,10सर्जरी की तैयारी में प्रत्यारोपण का मार्गदर्शन करने के लिए इंजेक्शन के शीर्ष पर इलेक्ट्रोकॉर्टिकलोग्राफी ऐरे प्लेसमेंट के साथ जोड़ा गया था।

Figure 1
चित्रा 1: निकाले गए मस्तिष्क के मॉडल।
(A)बंदर एच के मस्तिष्क के टी1-क्विकएमपीआरेज कोरोनल स्लाइस की स्तरित श्रृंखला(बी)बंदर एच के निकाले गए मस्तिष्क के एमआर स्लाइस की स्तरित श्रृंखला बेट प्लगइन और मैंगो सॉफ्टवेयर का उपयोग करके जैसा कि विधि अनुभाग में उल्लिखित है । (ग)आम में सतह निर्माण कार्यक्षमता का उपयोग करके बनाए गए बंदर एच के ग्रे मैटर के मॉडल का अक्षीय, धनु और विषम दृश्य। (घ)एक्सियल, सगितताल, और एक ड्रेमेल 3D45 एक्सट्रूडिंग प्रिंटर का उपयोग करके बनाए गए बंदर एच के ग्रे मैटर के 3 डी मुद्रित मॉडल का विषम दृश्य। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: खोपड़ी निष्कर्षण।
(A)टी1-क्विकएमपीआरेज कोरोनल स्लाइस की स्तरित श्रृंखला बंदर एच(बी)बाइनरी मास्क की स्तरित श्रृंखला सरल थ्रेसहोल्डिंग एमआर स्लाइस के बाद । (ग)"मांसपेशी परत" को हटाने के बाद बाइनरी मास्क की स्तरित श्रृंखला। (घ)विधि खंड में उल्लिखित प्रसंस्करण के बाद खोपड़ी के बाइनरी मास्क की स्तरित श्रृंखला। (ई)बाइनरी मास्क से उत्पन्न 3डी मॉडल। (F)नकली क्रेनियोटॉमी के साथ 3डी मॉडल हटाया गया। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्र 3: 3 डी मुद्रित प्रोटोटाइप का उपयोग करके सर्जिकल तैयारी।
(क)विधि खंड में उल्लिखित मंकी एल के एमआरआई से निकाली गई 3डी मुद्रित खोपड़ी के अंदर आम के साथ निकाले गए 3डी मुद्रित मस्तिष्क का संयोजन । (ख)हमारे 3डी मॉडलों और एमआर प्लानिंग इन मंकी एल(सी, डी)के बीच कॉनियोटॉमी लक्ष्यीकरण की तुलना हमारे टूलबॉक्स का उपयोग करने के लिए चैंबर(सी)और सरणी(डी)प्रत्यारोपण15के लिए तैयार करने का एक उदाहरण है । (ई)बंदर एल की खोपड़ी के 3 डी मुद्रित मॉडल सर्जरी से पहले सिर के बाद पूर्व झुकने के लिए इस्तेमाल किया । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: जेल ब्रेन मॉडलिंग।
(ए, बी)3डी मॉडल फॉर मंकी एच(सी)3डी प्रिंटेड मोल्ड्स से ए और बी पिक्चर्ड लेफ्ट एक मोल्ड है, जो दाएं गोलार्द्ध के ऊपरी हिस्से को बनाने के लिए इस्तेमाल किया जाता है । चित्र सही सही गोलार्द्ध(डी)सही गोलार्द्ध (बाएं) और पूरे दाहिने गोलार्द्ध (दाएं) के ऊपरी हिस्से के Agarose मॉडल बनाने के लिए एक मोल्ड है । (ई)बंदर एल से निकाले गए खोपड़ी के 3 डी प्रिंट के अंदर रखे गए सही गोलार्द्ध का एगर उठे मॉडल, मस्तिष्क और क्रेनियोटॉमी के सटीक प्रतिनिधित्व का प्रदर्शन करता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: इंजेक्शन मॉडलिंग।
(A)इंजेक्शन प्रक्रिया की समय चूक छवियां। शीर्ष बाएं पैनल पूर्व प्रविष्टि। शीर्ष सही पैनल के बाद प्रविष्टि। निचले चार पैनल समय के साथ डाई का प्रसार दिखाते हैं। (ख)मस्तिष्क के एक खंड का जेल मॉडल एक क्रेनियोटॉमी के साथ 3 डी मुद्रित खोपड़ी के भीतर तैनात है जैसे कि कॉर्टिकल संरचनाओं और इलेक्ट्रोड प्लेसमेंट के संबंध में खाद्य रंग के इंजेक्शन देखे जा सकते हैं। (ग)खोपड़ी के लिए फिट एक कक्ष के 3 डी प्रिंट और इलेक्ट्रोड सरणी, जेल मॉडल, और इंजेक्शन के संबंध में मनाया । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

यह लेख एमआर स्कैन से निकाले गए खोपड़ी और मस्तिष्क शरीर रचना विज्ञान के भौतिक और सीएडी मॉडल का उपयोग करके एनएचपीएस में न्यूरोसर्जरी की तैयारी के लिए एक टूलबॉक्स का वर्णन करता है।

जबकि निकाले गए और 3 डी मुद्रित खोपड़ी और मस्तिष्क मॉडल को विशेष रूप से क्रैनियोटॉमी सर्जरी और हेड पोस्ट इम्प्लांपेशन की तैयारी के लिए डिजाइन किया गया था, कार्यप्रणाली खुद को कई अन्य अनुप्रयोगों के लिए उधार देती है। जैसा कि पहले वर्णित है, खोपड़ी का भौतिक मॉडल सर्जरी से पहले सिर के बाद के पूर्व-झुकने की अनुमति देता है, जो खोपड़ी के साथ एक अच्छा फिट बनाता है। इसके अलावा, एमआरआई से निकाली गई खोपड़ी का उपयोग खोपड़ी शरीर रचना विज्ञान के लिए उच्च निष्ठा के साथ 3 डी डिज़ाइन किए गए हेड पोस्ट उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। जबकि सीटी इमेजिंग पारंपरिक रूप से खोपड़ी निष्कर्षण के लिए एक बेहतर रूपरेखा है, प्रस्तावित विधि में, मस्तिष्क और खोपड़ी शरीर रचना विज्ञान एक ही इमेजिंग मोडलि मोडलि में आते हैं, जो हड्डी और नरम ऊतक मॉडल के बीच शारीरिक स्थिरता को बढ़ाने में योगदान दे सकता है। यह शारीरिक स्थिरता सटीकता को बढ़ा सकती है और यह सुनिश्चित कर सकती है कि क्रैनियोटॉमी ब्याज के कॉर्टिकल क्षेत्र को कवर करेगा और उत्तेजना और रिकॉर्डिंग कक्षों जैसे सभी प्रत्यारोपण घटक खोपड़ी वक्रता को फिट करते हैं। यह मौजूदा अध्ययनों द्वारा समर्थित है जो मात्रात्मक रूप से एमआरआई-निकाली गई खोपड़ी स्थलाकृति की तुलना अन्य स्कैन प्रकार23,24से निष्कर्षण के लिए करते हैं। क्षेत्र में अन्य काम में हेड पोस्ट इम्प्लांटेशन25, 26के लिए मॉडल और 3डी मुद्रित प्रोटोटाइप बनाने के तरीकों को रेखांकित किया गया है, लेकिन वे सिर पोस्टिंग और क्रैनियोटॉमी दोनों की तैयारी के लिए एक अनुकूलनीय मॉडल बनाने के लिए पूरीतरहसे एमआर स्कैन का उपयोग नहीं करते हैं। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यहां उपयोग किए जाने वाले एमआरआई अधिग्रहण पैरामीटर प्रोटोकॉल में उल्लिखित सफल खोपड़ी निष्कर्षण में महत्वपूर्ण हैं। मस्तिष्क निष्कर्षण और खोपड़ी विपठ्ठन के क्षेत्र में पिछला काम इस प्रोटोकॉल27में उपयोग किए जाने वाले व्यापक रूप से उपलब्ध बेट मस्तिष्क निष्कर्षण के विकल्प प्रदान करता है। इसी तरह, खोपड़ी निष्कर्षण कस्टम स्क्रिप्ट मौजूद हैं, हालांकि, उन्हें पूरी तरह से स्वचालित प्रोटोकॉल28की तुलना में गैर-खोपड़ी वोक्सल्स को मैन्युअल रूप से हटाने की आवश्यकता होती है। जबकि यहां हम केवल कुछ उदाहरण दिखाते हैं, ये उपकरण एनएचपीएस2, 4, 5,7,10, 15,18,29,30,साथ ही अन्य पशु मॉडल31, 32में इलेक्ट्रोड और चैंबर प्रत्यारोपण जैसे विभिन्न अन्य सर्जरी पर लागू होते हैं।

जब एगर उठे मिश्रण मस्तिष्क मॉडल के साथ संयुक्त किया जाता है, तो सर्जिकल तैयारी टूलबॉक्स को शल्य चिकित्सा प्रक्रियाओं के लिए तैयार करने के लिए लागू कियाजा सकता है जिसमें ऑप्टोजेनेटिक्स और केमोजेनेटिक्स2,4,5,10,33,34जैसे तरल इंजेक्शन शामिल हैं। हालांकि यहां हमें पीएलए का उपयोग करके मोल्ड्स को 3 डी प्रिंट करने में सफलता मिली थी, इस प्रक्रिया को एबीएस फिलामेंट का उपयोग करके और बेहतर किया जा सकता है, जिसमें ग्लास संक्रमण का तापमान अधिक है जो मोल्डिंग प्रक्रिया को अधिक कुशल बनाएगा। पूर्व कार्य ने एगरेड जेल को एक कृत्रिम सामग्री के रूप में प्रस्तावित किया है जो मस्तिष्क के कुछ यांत्रिक गुणों की नकल कर सकता है जो 20,21 , 21,21के लिए प्रासंगिक है । हालांकि, पिछले काम ने सर्जिकल तैयारी उपकरण प्रदान करने के लिए मस्तिष्क-यथार्थवादी मोल्ड के साथ एग्राज को संयुक्त नहीं किया है। ढाला हुआ मिश्रण जेल दिमाग इंजेक्शन स्थान को गुणात्मक कॉर्टिकल संदर्भ देने और तरल पदार्थ प्रसार की मात्रा और स्थान की कल्पना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। जेल दिमाग भी स्टीरियोटैक्सिक फ्रेम के भीतर इंजेक्शन गति और स्थान का अभ्यास करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। इसे न केवल ऑप्टोजेनेटिक्स पर लागू किया जा सकता है बल्कि मस्तिष्क में इंजेक्शन की आवश्यकता वाले अन्य प्रयोगों में अनुवादित किया जा सकता है2,4,34. मॉडल का उपयोग इंजेक्शन की गति और कैनुला मोटाई को अनुकूलित करके वर्तमान सीईडी मानक अभ्यास को बढ़ाने के लिए भी किया जा सकता है। इस मॉडल को एगरॉग्न्ट जेल मिश्रण के मात्रात्मक सत्यापन से भी मजबूत किया जा सकता है ताकि मस्तिष्क में विसारक और संवहनी प्रवाह का सही प्रतिनिधित्व किया जा सके5,10 भविष्य के प्रयासों में हम अपनी इमेजिंग प्रक्रिया के विपरीत-संवर्धित इमेजिंग को शामिल करके हमारे 3डी मॉडल में वैक्यूलेचर जानकारी को भी शामिल कर सकते हैं जो इंजेक्शन योजना के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान कर सकते हैं।

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Disclosures

लेखकों के हित का कोई टकराव के लिए इस समय खुलासा किया है ।

Acknowledgments

इस परियोजना को पुरस्कार संख्या K12HD073945, वाशिंगटन राष्ट्रीय रहनुमा अनुसंधान केंद्र (WaNPCR, P51 OD010425), न्यूरोटेक्नोलॉजी के लिए केंद्र (सीएनटी, अनुदान EEC-1028725) और वाशिंगटन रॉयल्टी फंड के तहत एक राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन इंजीनियरिंग अनुसंधान केंद्र के तहत स्वास्थ्य के राष्ट्रीय संस्थानों के यूनिस कैनेडी शिवर राष्ट्रीय बाल स्वास्थ्य और मानव विकास संस्थान द्वारा समर्थित किया गया था । इस परियोजना के लिए मैकनिक और मार्टिनेज-कोंडे प्रयोगशालाओं के लिए वित्तपोषण एक मस्तिष्क पहल एनएसएफ-एनसीएस पुरस्कार 1734887 से आया, साथ ही एनएसएफ पुरस्कार 1523614 और 1829474, और प्रत्येक प्रोफेसर को SUNY एम्पायर इनोवेटर छात्रवृत्ति। हम करम खतीब को आगदार तैयारी के साथ उनकी मदद के लिए धन्यवाद देते हैं, और तकनीकी मदद के लिए टोनी जे ह्यून ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Printing Software (GrabCAD Print) Stratasys Version 1.36 Used for High quality 3D printing
3D Printing Software (Simplify 3D) Simplify3D Version 4.1 Used for PLA 3D printing
Agarose Benchmark Scientific A1700 Used for making gel brains
Black Nail Polish L.A. Colors CNP637 Used for gel molding
Cannula (ID 450 um, OD 666 um) Polymicro Technologies 1068150625 Used to inject dye into gel brain
Catheter Connector B Braun PCC2000 Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50
Dremel 3D Digilab 3D45 printer Dremel F0133D45AA Used for prototyping in PLA
ECOWORKS Stratasys 300-00104 Used to dissolve QSR support structures
Erlymeyer flask Pyrex 4980 Used for gel molding
Ethyl cyanoacrylate The Original Super Glue Corp. 15187 Used to make combined cannula
Graduated cylinder 3023 Used for gel molding
HATCHBOX PLA 3D Printer Filament HATCHBOX 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK 1kg Spool, 1.75mm, Red/Black
Locust Bean Gum Modernist Pantry 1018 Gumming agent for gel brain mixtures
MATLAB MathWorks R2019b Used for skull extraction
McCormick Yellow Food Color McCormick Used for dye injection
Microwave Panasonic NN-SD975S Used for agarose curing
MR Imaging Software (3D Slicer) 3D Slicer Version 4.10.2 Used for 3D model generation
MR Imaging Software (Mango with BET plugin) Reasearch Imaging Institute Version 4.1 Used for brain extraction
Philips Acheiva MRI System Philips 4522 991 19391 Used to image non-human primates
Phosphate Buffered Solution Gibco 70011-044 10X diluted with DI water to 1X
Pump WPI UMP3T-1 Used for dye injection
Pump driver WPI UMP3T-1 Used for dye injection
Refrigerator General Electric Used to preserve agarose gel
Scientific Spatula VWR 82027-494 Used to extract gel molds
SolidWorks Dassault Systemes 2019
Stratasys ABS-M30 filament Stratasys 333-60304 Used for high quality 3D printing
Stratasys F170 3D printer Stratasys 123-10000 Used for high quality 3D printing
Stratasys QSR support Stratasys 333-63500 Used to create supports with ABS model
Syringe SGE SGE250TLL Used for dye injection

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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जोवे में इस महीने अंक 161 अमानवीय वानरों चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग न्यूरोसर्जिकल प्लानिंग 3डी प्रिंटिंग वायरल वेक्टर डिलीवरी ऑप्टोजेनेटिक्स
नॉनह्यूमन वानरों में न्यूरोसर्जिकल प्लानिंग के लिए एमआरआई-आधारित टूलबॉक्स
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Ojemann, W. K. S., Griggs, D. J.,… More

Ojemann, W. K. S., Griggs, D. J., Ip, Z., Caballero, O., Jahanian, H., Martinez-Conde, S., Macknik, S., Yazdan-Shahmorad, A. A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (161), e61098, doi:10.3791/61098 (2020).

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