Summary
아래에 설명된 방법은 3차원(3D) 프린팅 방법과 MRI 데이터 추출의 새로운 조합을 사용하여 비인간 영장류(NHP) 신경외과의 제조를 위한 포괄적인 프로토콜을 제공하는 것을 목표로 합니다.
Abstract
이 논문에서는 자기 공명 영상(MRI)에서 추출한 데이터만으로 NHP에서 다양한 신경 외과 수술을 실질적으로 계획할 수 있는 수술 준비를 위한 방법을 간략하게 설명합니다. 이 프로토콜은 뇌와 두개골의 해부학적으로 정확한 물리적 모델뿐만 아니라 뇌의 기계적 특성 중 일부를 모델링하는 뇌의 아가로즈 젤 모델을 3D 인쇄 생성할 수 있게 합니다. 이러한 모델은 뇌 모델에 대한 뇌 추출 소프트웨어와 두개골 모델에 대한 사용자 지정 코드를 사용하여 MRI에서 추출할 수 있습니다. 준비 프로토콜은 최첨단 3D 프린팅 기술을 활용하여 젤 브레인 모델을 위한 뇌, 두개골 및 금형을 상호 향하게 합니다. 두개골과 뇌 모델은 사용자 정의 코드에 두개골 절제술을 추가하여 두개골 내부의 뇌 조직을 시각화하는 데 사용할 수 있으므로 뇌와 직접 관련된 수술에 대한 더 나은 준비를 할 수 있습니다. 이러한 방법의 응용 프로그램은 신경 자극 및 기록뿐만 아니라 주사에 관련된 수술을 위해 설계되었지만 시스템의 다재 다능성은 프로토콜, 추출 기술 및 모델의 향후 확장을 수술의 넓은 범위로 확장 할 수 있습니다.
Introduction
영장류 연구는 동물 모델에서 인체 실험1,2에의학 연구의 진행에 중추적 인 단계되었습니다. 이것은 설치류 두뇌와 비인간 영장류 (NHP)1,2,3의그 사이 큰 생리적 및 해부학적 불일치가 있기 때문에 신경 과학 및 신경 공학의 연구 결과에서 특히 그렇다. 신경의 유전자 변형이 필요한 화학유전학, 광유전학, 칼슘 이미징 과 같은 새로운 유전 기술로 NHP의 신경 기능을 연구하는 신경 공학 연구는 뇌 기능2,4,5,6,7,9,10,11,12,13,14,15, 16을이해하는 전임상 모델로 특별한 관심을 얻고 있다. 대부분의 NHP 신경과학 실험에서, 신경외과적 대책은 헤드포스트, 자극 및 기록실, 전극 어레이 및 광학윈도우4,5,6,7,7,10,11,13,14, 15,17,18과같은 다양한 장치의 이식에 필요하다.
현재 NHP 실험실은 종종 머리 기둥의 다리에 맞게 동물을 진정하고 두개골 부위 주변의 두개골곡률을 근사화하는 등 비효율적인 관행을 포함하는 다양한 방법을 사용합니다. 다른 실험실은 수술에서 두개골에 헤드 포스트에 적합하거나 두개골 곡률2,10,11,16을추정하기 위해 NHP 뇌 아틀라스 및 자기 공명 (MR) 스캔을 분석하는 것과 같은 이식에 필요한 측정을 얻는 보다 진보 된 방법을 사용합니다. NHP의 신경 수술은 또한 액체 주사를 포함하고, 실험실은 수시로 두뇌2,4,5,13,14 의 앞에 투영된 주입 위치를 시각화할 방법이 없습니다 전적으로 스테레오탁스 측정및 MR 검사에 비교합니다. 이러한 방법은 임플란트의 모든 복잡한 구성 요소의 물리적 호환성을 테스트 할 수없는 피할 수없는 불확실성의 정도를 가지고있다.
따라서 NHP에서 신경 외과 계획에 대한 정확한 비침습적 방법이 필요합니다. 여기서는 이러한 동물에 이식 및 주사 수술 준비를 위한 프로토콜과 방법론을 제시합니다. 전체 과정은 MRI 스캔에서 비롯되며, 여기서 뇌와 두개골은 데이터에서 추출되어 3D 인쇄될 수 있는 3차원(3D) 모델을 생성합니다. 두개골과 뇌 모델은 두개 통 수술뿐만 아니라 정확도의 증가 수준을 가진 머리 기둥에 대한 준비를 결합 할 수 있습니다. 뇌 모델은 또한 뇌의 해부학적으로 정확한 젤 모델의 주조를위한 금형을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 젤 뇌는 단독으로 추출 된 두개골과 함께 다양한 주사 수술을 준비하는 데 사용할 수 있습니다. 아래에서 우리는 신경 외과 준비를위한 MRI 기반 도구 상자에 필요한 각 단계를 설명합니다.
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Protocol
모든 동물 절차는 워싱턴 동물 관리 및 사용 위원회에 대한 워싱턴 대학의 승인되었다. 2마리의 수컷 루서스 원숭이(원숭이 H: 14.9kg, 7세, 원숭이 L: 14.8kg 및 6세)가 사용되었습니다.
1. 이미지 수집
- 원숭이를 3T MRI 스캐너로 운반하고 동물을 MR 호환 스테레오테틱프레임(재료 표)에놓습니다.
- 표준 T1(플립 앵글 = 8°, 반복 시간/에코 시간 = 7.5/3.69s, 매트릭스 크기 = 432 x 432 x 80, 획득 기간 = 103.7 s, Multicoil(재료 표),평균 수 = 1, 슬라이스 두께 = 1mm) 해부학 MR 이미지를 기록합니다.
참고: 성공적인 두개골 격리를 위해 여기에 적용된 MRI 획득 매개 변수를 사용하여 두개골과 뇌 의 분리를 최대화합니다.
2. 뇌 추출
- 뇌 추출을 위한 MR 이미징 소프트웨어에서 오픈 | 선택 이미지를 엽니다. T1 퀵 자기화 준비 빠른 그라데이션 에코 (MPRAGE) 스캔을 로드 1.2 MR 이미징 소프트웨어에 획득(재료의 표).
- 뇌를 추출하려면 플러그인 드롭다운 메뉴에서 추출 브레인 (BET)을 선택합니다. 0.5− 0.7 주위 강도 임계값에서 추출하고 임계값 그라데이션 값을 0으로 설정합니다. 스캔에 피질해부학(도 1B)만포함될 때까지 연속적으로 낮은 강도 임계값에서 추출 함수를 반복적으로 사용합니다.
참고: 소프트웨어가 NHP 두뇌를 위해 설계되지 않았기 때문에 이것은 반복적인 과정이며 추출은 정확하지 않습니다. - 관심 영역(ROI) 메뉴에서 ROI에 임계값을 선택하고 뇌의 비트맵을 만들기 위해 수축 랩 및 3D 옵션을 선택합니다. 이렇게 하면 볼륨을 그라데이션에서 바이너리 비트로 변환하여 향후 모델 생성 프로세스를 간소화합니다. 주변 조직에서 뇌를 격리하기 위해 임계값(보통 약 600개)을 선택하십시오. 이 임계값은 회색 물질 위로 마우스를 가져가서 찾을 수 있습니다. 확인을 선택하여 비트맵을 형성합니다.
- 표면을 만들려면 이미지 메뉴 아래에 서피스 빌드를 선택하고 2.3단계에서 뇌를 추출하는 데 사용되는 임계값을 입력합니다. 그런 다음 확인을 선택합니다. 결과 표면은 표적해부학(도 1C)의최고 품질 표현을 생성하기 위해 임계값값을 조정하기 위한 참조로서 사용될 수 있다.
- 파일 탭에서 저장 또는 저장을선택하여 추출한 뇌 ROI를 .nii 또는 .nii.gz 파일로 저장하여 뇌 모델을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
3. 뇌 모델링
- 로드 데이터 | 선택 의료 이미지 처리 소프트웨어(자료 표)에서 .nii 또는 .nii.gz 파일 유형에 저장된 추출된 뇌를 추가하고 로드할 파일을선택합니다.
- 모듈 도구 모음의 슬라이서 드롭다운 메뉴를 위해 환영 위로 마우스를 가져가서 모든 모듈로 이동합니다. 해당 메뉴에서 편집기 기능을 선택합니다. 팝업 경고를 확인합니다.
- 편집기 모듈 메뉴에서 임계값 효과를 선택하고 임계값 범위 슬라이더를 조정하여 뇌를 포함하는 비트맵의 부분이 세 조각 모두에 강조 표시됩니다. 비트맵을 로드할 때 두 슬라이더를 1값으로 조정하면 전체 뇌가 선택됩니다. 적용을 선택합니다.
- 모델 메이커 모듈을 열고 입력 볼륨 드롭다운 메뉴에서 3.3 단계에서 생성된 비트맵 파일을 선택합니다. 모델 에서 새 모델 계층 구조 만들기를 선택합니다. 계층 구조에 모델 이름을 할당한 후 볼륨을 만들려면 적용을 선택합니다.
- 파일을 .stl 형식으로 저장합니다.
- 뇌 모델을 더욱 수정하려면 컴퓨터 보조 설계 소프트웨어(재료 표)에서 그래픽 본체로 .stl 파일을로드합니다.
참고: 가져온 메쉬 뇌 표면이 종종 매우 복잡하기 때문에 시간이 걸릴 수 있습니다. - 파일을 가져오면 화면 왼쪽의 피처 트리에서 그래픽 본체의 자식을 클릭하고 뇌를 포함하는 피처만 파일에 남아 있는 때까지 불필요한 그래픽 피처를 억제합니다. 추가 조작을 위해 남은 파일을 .prt로 저장하고 3D 인쇄를 위한 .stl로 저장합니다. 추가 조작을 위해 남은 파일을 .prt로 저장하고 3D 인쇄를 위한 .stl로 저장합니다.
4. 뇌 성형
- .prt 파일을 열어 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어로 추출된 뇌 모델을 3절에서 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어로 로드합니다. 삽입 메뉴의 피쳐 섹션에서 메시 본문으로 변환을 선택합니다. 뇌의 그래픽 본문을 선택하고변환합니다.
- 전체 뇌의 오른쪽 및 왼쪽 금형 만들기
- 스케치 버튼을 클릭하고 상단 평면을 스케치 평면으로 선택합니다. 뇌의 오른쪽 또는 왼쪽 반구 전체를 포함하는 사각형을 그립니다. 스케치에 있는 동안 돌출된 보스/베이스 피쳐를 선택하고 입방 사각형을 돌출하여 뇌의 상단 부분을 포함합니다.
참고: 전체 반구를 포함하려면 큐브를 두 방향으로 돌출해야 할 수 있습니다. 압출평면이 있는 제로포인트가 뇌 모델 내부에 떨어질 수 있기 때문이다. 양방향으로 돌출하면 금형이 전체 관심 볼륨을 포괄할 수 있습니다. - '삽입' 메뉴의 피쳐 섹션에서 메시 본문으로 변환을 선택합니다. 솔리드 바디 폴더에서 압출된 큐브를 선택하고 변환합니다. 음수 공간을 만들려면 결합 기능을 사용하여 새로 압출된 큐브에서 뇌 모델을 빼고 빼기 옵션을 선택합니다.
- 뇌의 다른 반구(왼쪽 또는 오른쪽)에 대해 4.2.1 및 4.2.2 단계를 반복하고 결과 파일을 3D 프린팅용 .stl및 .prt로 저장하여 추가 조작을 수행합니다.
- 스케치 버튼을 클릭하고 상단 평면을 스케치 평면으로 선택합니다. 뇌의 오른쪽 또는 왼쪽 반구 전체를 포함하는 사각형을 그립니다. 스케치에 있는 동안 돌출된 보스/베이스 피쳐를 선택하고 입방 사각형을 돌출하여 뇌의 상단 부분을 포함합니다.
- 뇌의 위쪽 절반의 오른쪽과 왼쪽 금형을 만듭니다.
- 위쪽 평면에 스케치를 만들고 뇌의 오른쪽 또는 왼쪽 반구 전체를 포함하는 사각형을 그립니다. 스케치에 있는 동안 돌출 된 보스 / 기본 피쳐를 선택하고 선택한 평면 피쳐에서 오프셋으로 돌출합니다. 뇌 해부학에 돌출 윤곽이없는 거리까지 압출을 상쇄하여 상부 해부학만 캡처합니다. '삽입' 메뉴의 피쳐 섹션에서 메시 본문으로 변환을 선택합니다. 솔리드 바디 폴더에서 압출된 큐브를 선택하고 변환합니다.
- 음수 공간을 만들려면 결합 기능을 사용하여 새로 압출된 큐브에서 뇌 모델을 빼고 빼기 옵션을 선택합니다.
- 금형의 등쪽에서 스케치 평면을 만들고 엔터티 변환을 선택한 다음 4.3.1 단계에서 스케치를 선택합니다.
- 스케치에있는 동안 돌출 보스 / 기본 피쳐를 선택하고 블라인드 돌출 옵션을 선택하면 약 5mm의 고체 본체를 돌출하여 금형의 빼기 뇌 해부학을 완전히 둘러싸십시오.
- 뇌의 다른 반구(왼쪽 또는 오른쪽)에 대해 4.3.1-4.3.4 단계를 반복하고 결과 파일을 3D 프린팅용 .stl및 .prt로 저장하여 추가 조작을 수행합니다.
- 큐브의 치수와 위치를 변경하고 동일한 프로토콜(단계 4.1 및 4.2)을 따라 뇌의 다른 부분을 포함하는 금형을 만듭니다.
- 3D 프린팅의 경우~ 70% 채우기 밀도를 사용하고 성형 재료의 누출을 최소화하기 위해 인쇄물의 외부 쉘두께를 증가시면 됩니다. 인쇄에 틈새 나 결함이있는 경우 매니큐어 또는 다른 바인딩 제를 사용하여 채웁니다.
5. 해골 모델링
- 1.2단계에서 빠른 MPRAGE MRI를 DICOM 파일로 매트릭스 조작 소프트웨어로 가져옵니다. DICOM 파일은 별도의 2D 프레임에 있을 수 있습니다. 이 경우 모든 프레임을 3D 행렬로 결합합니다. 행렬의 각 2D 프레임이 관상 슬라이스를 표시하고 있는지 확인합니다.
- 개별 픽셀 값에 대해 연산자보다 큰 것을 사용하여 3D 행렬을 임계값으로 임계값을 설정하여 이진 마스크를 만듭니다. 두개골 해부학이 마스크에 의해 캡처되는 것을 임계값을 조정합니다(보충 코딩 파일 교정 파일 참조).
참고: 마스크에는 네 개의 서로 다른 레이어가 포함됩니다. 외부에서, 그들은 "외부", "근육", "두개골", "뇌"로 언급됩니다. 이 단계에서는 "외부"와 "두개골"이 마스크에 0이고 "근육"과 "뇌"는 1입니다. - "근육" 층을 제거하려면 마스크에서 2D 슬라이스를 반복적으로 잡아서 3D 마스크에서 각 프레임을 별도로 처리합니다(즉, 3D_Mask(:,1)).
- 각 프레임에 대해 "외부" 레이어의 프레임 모서리에서 0픽셀을 "시드"로 선택합니다. 그런 다음 1 픽셀이 발생할 때까지 이웃 0을 검색합니다. 더 이상 0을 찾을 수 없을 때까지 계속 검색합니다. 연결된 모든 0을 1로 변환합니다. 이것은 [MASK2] = 입력 (MASK2] = IMfill (MASK1, LOCATIONS, CONNECTIVITY)인 Matlab 함수 "imfill"을 사용하여 수행되며 MASK1은 원래 마스크이고 MASK2는 마스크가 마스크로 채워져 있습니다 (보충 코딩 파일 FillExterior참조).
- 일부 두개골 정보는 제거 중에 손실됩니다. 정보 손실을 완화하려면 데이터의 세 가지 차원에서 5.3 단계를 수행하고 별도로 유지합니다.
참고 : 이제 "외부"와 "근육"은 모두 1이며 "외부"로 간주됩니다. 마스크에는 이제 "외부", "두개골", "뇌"의 세 가지 레이어가 포함되어 있습니다. "외부"와 "뇌"는 1의, 그리고 "두개골"은 0의입니다. - ~ 연산자(즉, MASK2 = ~MASK1)를 사용하여 마스크값을 반전시면 반전한다. 이제 "두개골"은 1이고 "외부"와 "뇌"는 0입니다.
- 각 마스크에서 서로 만지는 1은 "객체"로 간주될 수 있습니다. 마스크가 3D 마스크 매트릭스인 [CC] = bwconncomp(MASK)인 입력 및 출력이 있는 Matlab 함수 "bwconncomp"을 사용하여 각 마스크의 모든 오브젝트의 인덱스를 만들고 CC는 각 개체의 인덱스 값, 개체 수 및 행렬크기를 포함하는 구조 객체입니다. 각 마스크에 대해 작은 개체의 값을 0으로 설정하여 가장 큰 복셀을 포함하는 개체를 제외한 모든 객체를 제거합니다(추가 코딩 파일 RemoveNoise참조).
- 각 패스에서 만든 마스크를 함께 추가합니다(보충 코딩 파일 MergeMasks참조).
- 뇌를 일관된 해상도로 확장합니다.
- DICOM 헤더에서 MRI의 각 프레임 간의 단계 크기를 각 픽셀의 치수와 비교합니다.
- 이러한 값이 다른 경우 각 복셀에 대한 단계 크기와 픽셀 크기 간의 해상도 차이를 보정하기 위해 배율 계수를 정의합니다. 예를 들어 각 프레임이 1mm 떨어져 있고 픽셀 치수가 0.33 mm x 0.33 mm인 경우 배율 계수는 3입니다.
- 마스크의 가장 낮은 해상도 차원이 스케일 팩터에 의해 정의된 요인에 의해 더 커질 때까지 3D 마스크에 빈 복셀을 추가합니다(추가 코딩 파일 "ScaleMask"참조).
- 마스크가 새 공간을 채울 때까지 마스크의 값을 선형으로 보간합니다.
- 두개골을 .stl 파일 또는 3D 인쇄용 유사한 파일 유형으로 내보냅니다.
6. 3D 두개골 모델의 두개골 절제술 생성
- 5.1 단계에서 MRI 파일을 사용하여, 마카크 뇌 아틀라스(예를 들어, 중앙 설커스)에서 발견되는 해부학적 랜드마크로부터 두개골 절제술의 대략적인 위치를 수동으로 식별한다(예를 들어, 중앙 설커스)19.
- 3D 행렬의 개별 슬라이스를 봅니다(단계 5.3과 유사).
- 인식 가능한 해부학 적 랜드 마크가 있을 때까지 수동으로 3D 매트릭스를 통해 앞뒤로 스캔합니다.
- 프레임 번호를 z 좌표로 저장합니다(예: 3D_Mask(예:,z)
- 데이터 선택 도구를 사용하여 이 프레임의 단일 점의 x 및 y 좌표를 저장하여 두개술이 [x,y] = getpts인 Matlab 함수 "getpts"를 사용하여 중심을 잡도록 합니다. "getpts"는 사용자 인터페이스를 열고 원하는 프레임을 클릭합니다(보충 코딩 파일 LocateCraniotomy참조).
- DICOM 헤더의 정보를 사용하여 의도된 두개골 절제술의 반지름을 mm에서 복셀로 변환합니다.
- 6.1 단계에서 중심점으로 지정된 점을 사용하여 추가 코딩 파일 크랜니오토미를사용하여 마스크의 6.2에서 0으로 정의된 반경 내의 모든 복셀을 설정합니다. Y, Z, 해상도)는 두개골 절제술이 제거된 3D 매트릭스인 경우, 마스크는 초기 3D 매트릭스, x, y, z는 두개골 절제술의 중심좌이며, 반경은 두개골 절제술의 반경, X, Y, Z는 3D 매트릭스의 그리드 벡터이며, 해상도는 3D 매트릭스의 그리드 벡터이며, 해상도는 스텝 6.2에서 정의된다.).
- 여러 두개골 절제술의 경우 각 고유 두개골 절제술에 대해 6.1-6.3 단계를 반복하십시오.
- 두개골을 .stl 파일 또는 3D 인쇄용 유사한 파일 유형으로 내보냅니다.
7.3D 인쇄
참고: 물리적 프로토타입용 3D 프린터 의 두 가지유형(재료 표)이사용됩니다. 다음 사양의 경우 달리 언급되지 않는 한 모든 3D 프린터 및 인쇄 소프트웨어 설정은 기본값이어야 합니다.
- 프로토 타입과 금형을 인쇄하기 위해, 표준 PLA 프린터(재료의 표)를사용하고 다음과 같은 프린터 및 소프트웨어 설정G 코드를 만들 : 내부 밀도 >50 % (이것은 그들이 액체를 보유해야금형에 특히 중요하다), 빠른 벌집 내부 채우기 패턴, 직선 외부 채우기 패턴, 플레이트 온도 = 50 °C, 및 압출기 온도 = 230 ° C.
- 뇌와 두개골의 더 높은 충실도 모델을 인쇄하기 위해 산업용 프린터를 사용하여 모델용 아크릴로니톨 부타디엔 스티렌(ABS)의 결합된 인쇄물과 용해가능한지지재료(재료표)를결합한다. 그런 다음 G-Code를 만들고 다음 프린터 설정과 함께 채우기 스타일 스파스 - 고밀도를 작성합니다. 다른 모든 설정은 자동으로 적절한 기본 설정으로 설정됩니다.
- 모델을지지용매(재료표)에12h용으로 용해한다.
- 적절한 프린터 설정을 구현한 후 시작을 누르고 인쇄의 첫 번째 레이어를 보고 기본 레이어가 깨끗하고 균일하게 유지되도록 합니다.
- 금형을 3D 인쇄한 후, 눈에 보이는 구멍을 매니큐어(재료표)로패치하여 더 단단한 씰을 보장합니다.
참고: 3D 프프린트 뇌 및 두개골 모델은 두개골의 열린 바닥에 뇌 모델을 삽입하여 결합할 수 있습니다. 눈 해부학을 제거하면 중요한 정보를 잃지 않고 뇌 모델의 배치를 완화 할 수 있습니다. 두개골 내부에 배치하면 뇌는 해부학적으로 올바른 위치에 자연스럽게 정렬됩니다.
8. 아가로즈 준비
- 한천분말(재료표)과메뚜기 콩 껌분말(재료표)을1:4 비율로 혼합합니다.
- 분말 혼합물을 1x 인산염 완충액(재료표)과결합하여 Erlenmeyer 플라스크에서 0.6% 농도 용액을 사용합니다.
참고: 다른 실험실에서 사용하는 농도는 0.5%-0.6%20,21의범위에 속합니다. - 전자레인지를 최대 전력으로 설정하고 용액이 들어 있는 플라스크를 전자레인지에 2분간 놓습니다.
- 솔루션을 관찰합니다. 용액이 거품이 나기 시작하면 전자 레인지와 타이머를 멈추고 플라스크를 제거하고 적극적으로 소용돌이침하십시오. 플라스크를 전자레인지에 다시 넣고 전자레인지와 타이머를 다시 시작합니다.
참고: 목적은 끓는 동안 증발로 인해 부피를 크게 줄이지 않고 용액을 가열하는 것입니다. - 2분이 완료될 때까지 8.4단계를 반복합니다.
- 플라스크를 제거하고 소용돌이를 유지하여 용액이 플라스크에서 설정되지 않도록 합니다.
- 플라스크 바깥쪽에 차가운 물을 실행하여 소용돌이치는 동안 용액을 식힙니다. 플라스크 의 외부가 터치에 뜨거울 때까지 솔루션을 식히고, 아직 견딜 수 있고 안전하며, 다음 단계에서 플라스틱 금형을 변형하지 못하도록 하십시오.
- 조기 경화를 피하기 위해 용액을 금형으로 운반하는 동안 플라스크를 소용돌이시다.
9. 아가로즈 성형
참고: 아래에 설명된 아가로즈 성형 공정은 전체 반구 및 상반구 금형과 동일합니다.
- 아가로즈 용액을 뇌 금형 중 하나에 붓고 완전히 다 름이 까지 들어갑니다. 플라스크에 남은 용액을 계속 소용돌이게 합니다.
- 금형의 솔루션 수준을 모니터링하여 누출을 방지합니다. 설정 아가로즈가 금형의 누출을 밀봉하기 때문에 필요에 따라 금형을 다시 채웁니다.
- 용액이 고체로 설정되고 경화될 때까지 금형의 용액이 실온에서 흔들리지 않도록 하십시오.
참고: 대기 시간은 솔루션 및 기타 요인의 양에 따라 다를 수 있지만 2h는 안정적인 대기 시간으로 나타났습니다. - 주걱을 사용하여 금형에서 젤 모델을 부드럽게 제거합니다. 금형 표면에 대한 잠재적 변형을 방지하기 위해 금형에 주걱 삽입의 위치와 전략적이어야 한다.
- 천연 증발 공정과 생물학적 제제에 대한 노출을 늦추려면 젤 모델을 밀봉된 용기에 넣어 냉장고에 놓습니다.
10. 아가로즈 젤 모델에 주입
- 주입을 위해 펌프를 준비하고 스테레오 탁스 프레임(재료 표)에스테레오 탁스 프레임에 고정하십시오. 9절으로부터 정확한 사출 탄도 및 위치정상으로 펌프를 젤 모델의 표면에 배치한다.
- DI 물로 250 μL 주사기(재료표)를채웁니다. 주사기를 펌프에 장착합니다(재료표).
참고 : 어떤 염료를 그리기 전에, DI 물은 완전히 주입 캐뉼라(재료의 표)를채워야한다. 이렇게 하면 염료가 캐뉼라를 통해 작성될 때 주사 부피에 영향을 줄 수 있는 플런저에 의한 공기의 압축이나 팽창이 없습니다. - 펌프드라이버(재료표)를사용하여 주사기에 식품 착색(재료표)을인출하여 주사를 위한 대상 부피로 철수한다. 기포가 젤에 주입되는 것을 방지하기 위해 캐뉼라 끝에 작은 비드 형태가 될 때까지 천천히 식품 색을 주입하십시오. 캐뉼라 끝에서 비드를 말리십시오.
- 젤 모델을 캐뉼라 아래에 배치합니다. 팁이 젤 모델의 표면에 닿을 때까지 캐뉼라를 낮춥다. 스테레오탁스 암의 측정값을 참고하십시오.
- 캐뉼라를 젤 모델로 빠르고 원활하게 하여 대상 주입 깊이로 낮추고 겔 표면이 캐뉼라 주위에 밀봉되었는지 확인합니다.
- 펌프를 실행하고 대상 부피가 주입 될 때까지 식품 착색의 확산을 관찰한다. 1 μL/min의 유량으로 시작하여 분당 1 μL/min 단계로 5 μL/min으로 증가합니다. 젤에 있는 음식 착색의 퍼짐은 두뇌에 있는 바이러스성 벡터의 퍼짐의 근사치입니다.
- 젤에서 캐뉼라를 빠르고 원활하게 제거합니다.
- 사진장치(재료표)로식품 착색의 확산 이미지를 캡처하고 주사의 타원 수를 계산하기 위해 색전증의 치수를 물리적으로 측정한다. 이러한 접근법은 겔의 투명한 특성으로 인해 가능합니다.
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Representative Results
수술 전 두개통 계획 측정으로 MRI의 조작 및 분석은 지난2,5,10,16에서성공적으로 사용되었습니다. 그러나 이 과정은 뇌, 두개골 및 두개골 절제술의 3D 모델링을 추가하여 크게 향상되었습니다. 우리는 성공적으로 우리의 연구에 대한 관심영역을 반영 뇌의 해부학적으로 정확한 물리적 모델을 만들 수 있었다(그림 1). 우리는 유사하게 MR 이미지(그림 2)에서추출 된 영장류 두개골의 해부학적으로 정확한 물리적 모델을 만들 수 있었습니다.
두개골과 뇌의 두 가지 물리적 모델은 단단한 간섭 적합성과 결합되어 서로에 비해 두 모델의 정확도를 검증하고 추정된 MRI 분석데이터(그림 3A, B)를합법화합니다. 결합된 모델로 우리는 인쇄하기 전에 두개골에 두개골 절제술을 삽입하고 두개골절제술(그림 3)에서예측된 해부학을 시각화할 수 있었습니다. 두개골 절제술에서 예측된 해부학의 정확도는 MRI분석(그림 3B)으로부터의 물리적 모델 및 예측된 두개골 절제술의 비교를 통해 검증되었다. 또한, 우리는 우리의 예제 인터페이스의 모든 부분을 결합하고 두개골과 뇌(그림 3C,D)와관련하여 다양한 구성 요소의 형상을 평가 할 수 있었다.
두개골 모델을 테스트하기 위해 원숭이 L의 두개골의 물리적 모델은 머리 포스트 이식 수술을 계획하기 위해 상기 와 3D 인쇄 방법을 사용하여 추출되었다. 헤드 포스트의 발은 이식 의 위치에서 두개골의 곡률에 조작하고 장착하였다(도3E). 헤드 포스트의 수술 전 피팅의 결과로, 수술 시간은 개폐에서 이식까지 약 2.5 시간 (216 % 더 빨리)으로 감소하여 수술 합병증(22)의위험을 크게 감소시킵니다.
SolidWorks에서 뇌의 3D 모델을 조작함으로써 MRI(도4A−C)에서추출한 인쇄된 뇌와 뇌 모델의 해부학을 정확하게 반영하는 금형을 만들 수 있었습니다. 이 곰팡이는 뇌의 아가로즈 혼합물 모델을 캐스팅하는 데사용되었다(도 4D,E). 뇌의 이러한 금형을 사용하여, 우리는 뇌의 다른 영역에 주입하고 노란색 염료(재료의 표)로모델링 주사 절차의 주입의 양을 추정 할 수 있었다. 뇌의 반반구 겔 모델은 모델 바이러스 주입에서 염료의 확산에 대한 명확한 시야를 성공적으로 포착하여 시간이 지남에 따라 염료의 대략적인 부피를 측정할 수 있게하였다(도 5A). 뇌 모델에 염료를 주입하여 3D 프린팅 된 두개골과 결합되어 바이러스 벡터 주입 수술(그림 5B, C)을모델링했습니다. 이것은 수술7,10에대한 준비에 이식을 안내하기 위해 주입 의 상단에 전기 검사 어레이배치와결합되었다.
그림 1: 추출된 뇌모델.
(A)원숭이 H의 뇌의 T1-QuickMPRAGE 관상 슬라이스의 계층화 시리즈 (B)방법 섹션에 설명된 바와 같이 BET 플러그인 및 망고 소프트웨어를 사용하여 원숭이 H의 추출 된 뇌의 MR 조각의 계층화 시리즈. (C)망고의 표면 건물 기능을 사용하여 만든 원숭이 H의 회색 물질의 모델의 축, 처탈 및 왜곡된 뷰. (D)Dremel 3D45 압출 프린터를 사용하여 만든 원숭이 H의 회색 물질의 3D 인쇄 모델의 축, 처질 및 왜곡된 뷰. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 두개골 추출.
(A)원숭이 H.(B)의 뇌의 T1-QuickMPRAGE 관상슬라이스의 레이어드 시리즈가 간단한 임계값 MR 슬라이스 후 이진 마스크의 계층화 시리즈. (C)"근육층"을 제거한 후 일련의 이진 마스크. (D)방법 섹션에 설명된 대로 처리 후 두개골의 이진 마스크 시리즈를 겹쳐. (E)이진 마스크에서 생성된 3D 모델. (F)시뮬레이션 된 두개골 절제술이 제거 된 3D 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 3D 프팅 프로토타입을 사용한 외과 적 준비.
(A)메소드 섹션에 설명된 바와 같이 원숭이 L의 MRI에서 추출한 3D 프린팅 두개골 내부의 망고로 추출된 3D 프린팅 뇌의 조합. (B)원숭이 L.(C,D)에서 우리의 3D 모델과 MR계획 사이의 두개골 표적화비교는챔버(C)및 어레이(D)이식(15)을준비하기 위해 툴박스를 이용한 예이다. (E)수술 전에 헤드 포스트를 미리 구부리는 데 사용되는 원숭이 L의 두개골의 3D 인쇄 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 젤 브레인 모델링.
(A, B)3D 모델은 원숭이 H.(C)3D 프프린트 몰드로부터 A와 B. 왼쪽사진왼쪽은 오른쪽 반구의 상부를 만드는 데 사용되는 금형이다. 오른쪽 사진은 오른쪽반구(D)아가로즈 모델(왼쪽)과 오른쪽 반구 전체(오른쪽)를 만드는 금형이다. (E)원숭이 L에서 추출된 두개골의 3D 프린트 안에 배치된 오른쪽 반구의 아가로즈 모델은 뇌와 두개골 절제술의 정확한 표현을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 사출 모델링.
(A)사출 절차의 시간 경과 이미지. 왼쪽 상단 패널 사전 삽입. 오른쪽 상단 패널 삽입 후. 낮은 네 개의 패널은 시간이 지남에 따라 염료의 확산을 보여줍니다. (B)코르니오토미를 가진 3D 프린팅 된 두개골 내에 위치한 뇌의 단면의 젤 모델은 피질 구조 및 전극 배치와 관련하여 식품 착색의 주사가 관찰 될 수 있도록합니다. (C)챔버의 3D 프린트는 두개골에 맞고 전극 어레이, 젤 모델 및 주입과 관련하여 관찰된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
이 문서에서는 MR 스캔에서 추출한 두개골 및 뇌 해부학의 물리적 및 CAD 모델을 사용하여 NHP에서 신경 수술을 준비하기위한 도구 상자에 대해 설명합니다.
추출 및 3D 인쇄 된 두개골및 뇌 모델은 두개골 수술 및 머리 포스트 이식의 준비를 위해 특별히 설계되었지만 방법론은 여러 가지 다른 응용 프로그램에 빌려준다. 앞에서 설명한 바와 같이, 두개골의 물리적 모델은 수술 전에 머리 포스트의 사전 구부릴 수 있도록, 이는 두개골에 좋은 적합을 만듭니다. 또한 MRI에서 추출한 두개골을 사용하여 두개골 해부학에 대한 충실도가 높은 3D 디자인 헤드 포스트를 생성할 수 있습니다. CT 화상 진찰은 전통적으로 두개골 추출을 위한 더 나은 양식이지만, 제안된 방법에서, 두뇌와 두개골 해부학은 뼈와 연조직 모형 사이 향상된 해부학 일관성에 기여할 수 있던 동일 화상 진찰 양식에서 옵니다. 이 해부학적 일관성은 정밀도를 향상시키고 두개골 절제술이 관심있는 피질 영역을 커버하고 자극 및 기록 챔버와 같은 모든 이식 성분이 두개골 곡률에 맞는지 확인할 수 있습니다. 이는 MRI 추출된 두개골 지형을 다른 스캔 유형23,24에서추출하는 것과 정량적으로 비교한 현존하는 연구에 의해 뒷받침된다. 이 분야의 다른 작업은 헤드 포스트 이식25,26에대한 모델 및 3D 인쇄 프로토 타입의 생성을위한 방법을 설명했지만, 그들은 헤드 포스팅과 두개골 절제술 모두에 대한 준비를위한 적응 형 모델을 만들기 위해 전적으로 MR 스캔을 사용하지 않습니다. 여기에 사용되는 MRI 획득 매개 변수는 프로토콜에 설명된 대로 성공적인 두개골 추출에 중요합니다. 뇌 추출 및 두개골 제거 분야의 이전 작업은이 프로토콜27에사용되는 널리 사용할 수있는 BET 뇌 추출에 대한 대안을 제공합니다. 마찬가지로, 두개골 추출 사용자 정의 스크립트가 존재하지만, 완전히 자동화 된 프로토콜(28)에비해 두개골이 아닌 복셀을 수동으로 제거해야합니다. 여기서 우리는 단지 몇 가지 예를 보여 주지만, 이러한 도구는NHP2,4,5,7,10,15,18,29,30,뿐만 아니라 다른 동물 모델31,32에서전극 및 챔버 이식과 같은 다양한 다른 수술에 적용 할 수 있습니다.
아가로즈 혼합물 뇌 모델과 결합하면, 수술 준비 도구 박스는 광유전학 및 화학 유전학 과 같은 유체 주사를포함하는 수술 에 대한 준비를 위해 적용 할 수있다2,4,5,10,33,34. 여기서 우리는 PLA를 사용하여 금형을 3D 인쇄하는 데 성공했지만, 성형 공정을 보다 효율적으로 만드는 더 높은 유리 전이 온도를 가진 ABS 필라멘트를 사용하여이 공정을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이전 작업은 유체 주입(20,21)과 관련된 뇌의 기계적 특성중 일부를 모방 할 수있는 인공 물질로 아가로즈 젤을제안했습니다. 그러나, 이전 작품은 수술 준비 도구를 제공하기 위해 뇌 현실적인 곰팡이와 아가로즈를 결합하지 않았습니다. 성형 아가로즈 혼합물 젤 뇌는 분사 위치에 질적 피질 컨텍스트를 제공하고 유체 확산의 부피 및 위치를 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. 젤 뇌는 또한 스테레오 택시 프레임 내에서 주입 운동과 위치를 연습하는 데 사용할 수 있습니다. 이것은 광유전학에뿐만 아니라 적용 될 수 있지만뇌2,4,34에주사를 필요로하는 다른 실험으로 번역할 수 있습니다. 이 모델은 또한 사출 속도와 캐뉼라 두께를 최적화하여 현재 CED 표준 관행을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 모델은 또한 뇌5,10의확산 및 대류 흐름을 정확하게 나타내기 위해 아가로즈 젤 혼합물의 정량적 검증에 의해 강화될 수 있다. 향후 노력에서 우리는 또한 주입 계획에 중요한 정보를 제공할 수 있는 우리의 화상 진찰 절차에 대비 강화된 화상 진찰을 포함하여 우리의 3D 모형에 혈관 정보를 통합할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 이 시점에서 공개할 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
이 프로젝트는 유니스 케네디 시버 국립 아동 건강 및 인간 개발 연구소가 수상 번호 K12HD073945, 워싱턴 국립 영장류 연구 센터 (WaNPCR, P51 OD010425), 신경 공학 센터 (CNT, 그랜트 EEC-1027) 아래 국립 과학 재단 엔지니어링 연구 센터 .. 이 프로젝트에 대한 맥크니크와 마르티네즈 콘데 연구소에 대한 자금은 뇌 이니셔티브 NSF-NCS 상 1734887뿐만 아니라 NSF 어워드 1523614 및 1829474, 그리고 SUNY 제국 혁신장학금에서 각 교수에게 제공되었습니다. 우리는 아가로즈 준비에 대한 그의 도움에 대한 Karam Khateeb감사, 기술 적 도움을 토니 J Huan.
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 |
References
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