Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Een gereedschapskist voor het ontwerpen van neurale implantaten voor niet-menselijke 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

Dit artikel schetst geautomatiseerde processen voor neurochirurgische planning van niet-menselijke primaten op basis van MRI-scans (magnetic resonance imaging). Deze technieken maken gebruik van procedurele stappen in programmeer- en ontwerpplatforms om op maat gemaakt implantaatontwerp voor NHP's te ondersteunen. De validiteit van elk onderdeel kan vervolgens worden bevestigd met behulp van driedimensionale (3D) geprinte levensgrote anatomische modellen.

Abstract

Dit artikel beschrijft een interne methode voor 3D-hersen- en schedelmodellering op basis van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) op maat gemaakt voor neurochirurgische planning van niet-menselijke primaten (NHP). Deze geautomatiseerde, op computationele software gebaseerde techniek biedt een efficiënte manier om hersen- en schedelkenmerken uit MRI-bestanden te extraheren, in tegenstelling tot traditionele handmatige extractietechnieken met behulp van beeldvormingssoftware. Bovendien biedt de procedure een methode om de hersenen en de schedel samen te visualiseren voor intuïtieve, virtuele chirurgische planning. Dit genereert een drastische vermindering van tijd en middelen ten opzichte van die van eerder werk, dat afhankelijk was van iteratief 3D-printen. Het schedelmodelleringsproces creëert een voetafdruk die wordt geëxporteerd naar modelleringssoftware om op maat gemaakte schedelkamers en hoofdposten te ontwerpen voor chirurgische implantatie. Op maat gemaakte chirurgische implantaten minimaliseren openingen tussen het implantaat en de schedel die complicaties kunnen veroorzaken, waaronder infectie of verminderde stabiliteit. Door deze preoperatieve stappen uit te voeren, worden chirurgische en experimentele complicaties verminderd. Deze technieken kunnen worden aangepast voor andere chirurgische processen, waardoor onderzoekers en mogelijk neurochirurgen efficiënter en effectiever experimenteel kunnen plannen.

Introduction

Niet-menselijke primaten (NHP's) zijn modellen van onschatbare waarde voor translationeel medisch onderzoek omdat ze evolutionair en gedragsmatig vergelijkbaar zijn met mensen. NHP's zijn bijzonder belangrijk geworden in preklinische studies naar neurale engineering omdat hun hersenen zeer relevante modellen zijn van neurale functie en disfunctie1,2,3,4,5,6,7,8. Sommige krachtige hersenstimulatie- en opnametechnieken, zoals optogenetica, calciumbeeldvorming en andere, zijn het best gediend met directe toegang tot de hersenen via schedelvensters9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. In NHP's worden schedelvensters vaak bereikt met een kamer en een kunstmatige dura om de hersenen te beschermen en langdurige experimenten te ondersteunen8,10,12,17,18,24,25,26,27. Evenzo vergezellen hoofdposten vaak kamers om de kop tijdens experimenten te stabiliseren en uit te lijnen14,15,25,26,28,29,30. De effectiviteit van deze componenten is sterk afhankelijk van hoe goed ze in de schedel passen. Een nauwere pasvorm op de schedel bevordert de botintegratie en de gezondheid van de schedel door de kans op infectie, osteonecrose en implantaatinstabiliteit te verkleinen31. Conventionele ontwerpmethoden, zoals het handmatig buigen van de hoofdpaal tijdens een operatie25,29 en het schatten van de kromming van de schedel door cirkels aan te brengen op coronale en sagittale plakjes van magnetische resonantie (MR) -scans9,12 kan complicaties veroorzaken als gevolg van onnauwkeurigheid. Zelfs de meest nauwkeurige hiervan creëren openingen van 1-2 mm tussen het implantaat en de schedel, waardoor er ruimte is voor granulatieweefsel om zich op te hopen29. Deze openingen introduceren bovendien problemen bij het plaatsen van schroeven bij operaties9, waardoor de stabiliteit van het implantaat in gevaar komt. Recentelijk zijn op maat gemaakte implantaten ontwikkeld om de osseo-integratie en de levensduur van implantaten te verbeteren9,29,30,32. Extra kosten zijn gepaard gegaan met vooruitgang in het ontwerp van implantaten op maat vanwege de afhankelijkheid van computermodellen. De meest nauwkeurige methoden vereisen geavanceerde apparatuur zoals computertomografie (CT)-machines naast MR Imaging (MRI)-machines30,32,33 en zelfs CNC-freesmachines (Computer Numerical Control) voor het ontwikkelen van prototypes van implantaten25,29,32,34. Het verkrijgen van toegang tot zowel MRI als CT, met name voor gebruik met NHP's, is mogelijk niet haalbaar voor laboratoria die op maat gemaakte implantaten nodig hebben, zoals schedelkamers en hoofdposten.

Als gevolg hiervan is er in de gemeenschap behoefte aan goedkope, nauwkeurige en niet-invasieve technieken voor neurochirurgische en experimentele planning die het ontwerp en de validatie van implantaten voorafgaand aan gebruik vergemakkelijken. Dit artikel beschrijft een methode voor het genereren van virtuele 3D-hersen- en schedelrepresentaties op basis van MR-gegevens voor craniotomielocatieplanning en het ontwerp van aangepaste schedelkamers en hoofdposten die bij de schedel passen. Deze gestroomlijnde procedure zorgt voor een gestandaardiseerd ontwerp dat de experimentele resultaten en het welzijn van de proefdieren ten goede kan komen. Voor deze modellering is alleen MRI nodig, omdat in MRI zowel bot als zacht weefsel worden afgebeeld. In plaats van een CNC-freesmachine te gebruiken, kunnen modellen goedkoop 3D-geprint worden, zelfs als er meerdere iteraties nodig zijn. Dit maakt het ook mogelijk om het uiteindelijke ontwerp te 3D-printen in biocompatibele metalen zoals titanium voor implantatie. Daarnaast beschrijven we de fabricage van een kunstmatige dura, die bij implantatie in de schedelkamer wordt geplaatst. Deze componenten kunnen preoperatief worden gevalideerd door alle onderdelen op een levensgroot, 3D-geprint model van de schedel en hersenen te plaatsen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle procedures waarbij dieren betrokken waren, werden goedgekeurd door het Institute for Animal Care and Use Committee van de Universiteit van Washington. In dit onderzoek werden in totaal vier volwassen mannelijke resusapen (Macaca mulatta) gebruikt. Op het moment van MRI-acquisitie was aap H 7 jaar oud, aap L was 6 jaar oud, aap C was 8.5 jaar oud en aap B was 5.5 jaar oud. Apen H en L werden op 9-jarige leeftijd geïmplanteerd met op maat gemaakte chronische kamers.

1. Isolatie van schedels en hersenen (figuur 1)

  1. Verkrijg een T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE)-bestand van de schedel en hersenen met behulp van een 3T MRI-machine. Gebruik de volgende parameters voor MRI-acquisitie35: flip-hoek = 8°, herhalingstijd/echotijd = 7,5/3,69 s, matrixgrootte = 432 x 432 x 80, acquisitieduur = 103,7 s, Multicoil, plakdikte = 1 mm, aantal gemiddelden = 1.
  2. Download de map met het label supplemental_code (Supplemental Coding File 1). Deze map moet de volgende bestanden bevatten: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37.
  3. Voeg het MRI-bestand toe aan de map supplemental_code . Selecteer in de rekensoftware de map supplemental_code als bestandspad en voer brain_extract.m. uit.
  4. De volgende stappen schetsen een semi-geautomatiseerde methode voor schedel- en hersenisolatie met behulp van MATLAB (Figuur 1), die is geaggregeerd uit eerdere extractietechnieken35. Het opdrachtvenster vraagt om de parameters die nodig zijn voor hersen- en schedelisolatie en craniotomievisualisatie. Nadat elk antwoord is ingevoerd in het opdrachtvenster, klikt u op enter.
    1. Het opdrachtvenster zal eerst om de naam van het MPRAGE-bestand vragen. Typ de bestandsnaam in (bijv. MRIFile.dcm) en controleer of de MRI correct wordt weergegeven (Figuur 1A).
    2. Om de schedel te isoleren (Figuur 1B - D), volgt u de gedetailleerde stappen die worden beschreven in het opdrachtvenster. Identificeer een geschikte drempelwaarde die de schedel scheidt van het omringende weefsel zonder schedelmaterie te elimineren (aanvullende figuur 1A). Bevestig een drempelwaarde door op (y) te drukken.
    3. Een vergelijkbare techniek wordt gebruikt om de hersenen te isoleren (Figuur 1E - G). Wanneer daarom wordt gevraagd in het opdrachtvenster, voert u een drempelwaarde in voor de hersenen. Evalueer het cijfer dat verschijnt en pas indien nodig de drempel aan. Zorg ervoor dat de hersenen geïsoleerd zijn van de schedel en het omliggende weefsel en dat er daarbij geen hersenweefsel wordt verwijderd. Bevestig een drempelwaarde door op (y) te drukken.
    4. Ga verder naar het gedeelte van interesse.

2. Locatieplanning voor craniotomie (figuur 2)

  1. Nadat de hersenen en schedel zijn geëxtraheerd, voert u de coördinaten van de craniotomie in. Als de coördinaten nog niet bekend zijn, geef dan (n) aan voor nee, en er wordt een cijfer weergegeven (aanvullende figuur 1B). Bepaal craniotomiecoördinaten door een z-frame (coronaal vlak) te kiezen en een punt op het gekozen z-frame voor het craniotomiecentrum te selecteren.
    1. Als de coördinaten bekend zijn, geef ze dan aan met respectievelijke x (sagittaal), y (axiaal) en z (coronale) waarden.
  2. Voer de craniotomieradius in millimeters in (bijv. 10 mm) en kies geen buitenstraal.
  3. Geef aan of een schaalbalk nodig is voor de schedel- en hersenbeelden. Schaalbalken helpen te bevestigen dat de afmetingen van de modellen correct zijn.
  4. Sla hersen- en schedelbestanden op als STL voor 3D-printen indien gewenst (Figuur 1D, G).
  5. Vervolgens wordt een figuur met de hersenen en de schedel van de schedel weergegeven. Dit kan worden gebruikt om de toegang tot gerichte hersengebieden te verifiëren. De hersenen worden weergegeven in blauw en de schedel in lichtgrijs (Figuur 2B, E).
  6. Kies (n) voor het voltooien van een SLT-verkleining, een functie die zal worden gebruikt voor toekomstige stappen (zie hieronder).
  7. Herhaal secties 1 en 2 per craniotomie-iteratie.

3. Ontwerp van de schedelkamer (Figuur 3)

  1. Voordat u met het ontwerp van de kamer begint, bevestigt u de locatie van de craniotomie en de craniotomieradius met behulp van de craniotomielocatieplanningsprocedure.
  2. Nadat de schedel- en hersenisolatie is voltooid, is de volgende stap het invoeren van de definitieve coördinaten van het centrum van de craniotomie. Voer de x (sagittale), y (axiale) en z (coronale) waarden in.
  3. Het opdrachtvenster zal vervolgens vragen om de binnen- en buitenstralen in te voeren, die het gebied van de schedel bepalen waarmee moet worden gewerkt voor het ontwerp van de kamer. Kies een binnenradius die kleiner is dan de werkelijke craniotomieradius (bijv. 5 mm voor een craniotomieradius van 10,0 mm) en een tweede buitenradius die groter is dan de geplande radius van de kamerrok (bijv. 26 mm voor een kamerrok met een straal van 22 mm). Dit zorgt voor een ringvormige schedelstructuur als fundering voor de kamer waarop moet worden gebouwd.
    OPMERKING: Voor het ontwerpen van een kamer met een craniotomieradius van 10 mm is gekozen voor een binnenradius van 5 mm. Dit zorgt voor een nauwkeurige weergave van de schedel aan de rand van de craniotomie met behoud van een cirkel die klein genoeg is zodat het craniotomiecentrum gemakkelijk kan worden geïdentificeerd wanneer de schedelweergave wordt geëxporteerd naar de ontwerpsoftware. Voor een kamer met een straal van 22 mm werd een buitenradius van 26 mm geëxtraheerd om ervoor te zorgen dat er extra schedeloppervlak beschikbaar is. De afmetingen van de kamer zijn ontwikkeld met beperkingen die zijn vastgesteld door de behoeften van het experiment. De radii die bij deze stap worden gebruikt, worden bepaald door de grootte van de craniotomie en de grootte van de kamerrok, die afhankelijk is van de schroefmaten en de beschikbare ruimte op de schedel.
  4. Geef aan of er schaalbalken nodig zijn voor schedel- en hersenbeelden.
  5. Sla hersen- en schedelbestanden op indien gewenst.
  6. Er verschijnt een figuur met de hersenen (in blauw) en het schedelgebied (in grijs) dat is geselecteerd (Figuur 3A). Vervolgens moet een STL-verkleining worden toegepast op het geselecteerde schedelgebied om het bestand gemakkelijker te kunnen verwerken in de Computer-Aided Design (CAD)-software.
  7. Selecteer (y) om te beginnen met het verkleinen van de STL-grootte. Door de verkleining wordt een STL-bestand gemaakt met een kleinere bestandsgrootte dat eenvoudig kan worden geïmporteerd in CAD-software voor aangepast hardwareontwerp.
  8. Gebruik de figuur met de overlappende hersenen en schedel (Figuur 3A) en gebruik de muis om punten op het schedeloppervlak te selecteren die moeten worden gebruikt voor de bestandsverkleining. Houd de shift-toets ingedrukt om meer dan één punt te plaatsen.
    1. Plaats punten om het interessegebied te bedekken, in dit geval het geselecteerde schedelgebied. Plaats de punten zo dicht mogelijk bij elkaar om een nauwkeurigere en nauwkeurigere weergave van de schedel te garanderen (aanvullende figuur 2). Sommige gebruikers geven er misschien de voorkeur aan om ~20 kritieke punten te selecteren en de rest van het kamerontwerp als oefening te voltooien voordat ze alle aandachtspunten voor het eindproduct selecteren.
    2. Bij het selecteren van punten is het het beste om zoveel mogelijk punten in de geselecteerde regio te plaatsen. Over het algemeen vertegenwoordigen ~200 punten de kromming van de schedel goed. Plaats meer punten rond de randen van het geselecteerde gebied om de grens tussen de hersenen en de schedel te benadrukken.
      OPMERKING: Klik niet op de enter-knop voordat u klaar bent met het plaatsen van punten in de regio, omdat hierdoor de code voortijdig vordert en het puntselectieproces moet worden herhaald.
  9. Druk op enter als u klaar bent met het plaatsen van punten op de geselecteerde schedel. Typ de verkleinde bestandsnaam in het opdrachtvenster.
  10. Importeer het bestand in CAD-software voor een kamerontwerp op maat. Begin met het openen van CAD-software.
  11. Klik op Bestand > Openen en selecteer de bestandsnaam van de STL-reductie in de map.
    1. Voordat u op Openen klikt, klikt u op de knop Opties en klikt u in het menu Importeren als op Surface Body. Klik op OK en vervolgens op Openen.
  12. Nadat de STL is geïmporteerd, controleert u op kleine gaatjes op het oppervlak, aangegeven met blauwe lijnen. Als er gaten zijn in het gebied van de schedel dat de kamer zal bedekken (aanvullende figuur 3), voltooi dan de procedure voor het bevestigen van gaten (paragraaf 6) bij stap 3.19.1.
  13. Bekijk het schedeloppervlak voor de kamer in CAD-software zoals in figuur 3B. Zorg ervoor dat de randen van het geselecteerde gebied zichtbaar zijn in de schedelweergave.
  14. Zoek de omtrek van de binnenste cirkel in het midden van het geïmporteerde oppervlak om het midden van de craniotomie te lokaliseren. Maak een vlak dat is uitgelijnd met de binnenste cirkel door te klikken op Invoegen > referentiegeometrie > vlak. Gebruik drie punten gelijkmatig verdeeld over de omtrek van de binnenste cirkel als referentiepunten voor het vlak.
  15. Maak een cirkel die overeenkomt met de binnenste cirkel door op het cirkelpictogram in het tabblad Schets te klikken. Kies het vlak uit de vorige stap als referentievlak en identificeer punten langs de rand totdat het cirkelvoorbeeld een nauwkeurige weergave geeft van de omtrek van de binnenste cirkel. Het kan zijn dat er verschillende combinaties van punten moeten worden getest om de punten te vinden die het beste bij de binnenste cirkel passen.
  16. Met de cirkel als referentie maakt u een punt in het midden van de cirkel door te klikken op Invoegen > referentiegeometrie > punt en de optie Boogcentrum te gebruiken. Dit punt vertegenwoordigt het centrum van de craniotomie.
  17. Maak als referentievlak voor toekomstige extrusies een tweede vlak evenwijdig aan het beginvlak en 10 mm verschoven. Zorg er bij het kiezen van de richting van de offset voor dat de pijl vanaf het object naar boven wijst.
  18. Binnenring van de kamer maken (Figuur 3C)
    1. Maak een as die loodrecht door zowel het craniotomievlak als het bovenste vlak loopt door te klikken op Invoegen > referentiegeometrie > as, de optie Punt en Vlak/vlak te markeren en het bovenste vlak en het middelpunt van de craniotomie als referentie te gebruiken. Maak nog een punt op het snijpunt van deze as en het bovenste vlak.
    2. Selecteer Extrudeer Boss/Base en het bovenste vlak als het oppervlak van waaruit u wilt extruderen. Maak een schets van de doorsnede van de binnenste ring door twee concentrische cirkels te maken met het punt op het bovenste vlak als middelpunt (bijv. 11,35 mm en 12,25 mm stralen). Selecteer Tot oppervlak in het richtingsmenu en geef het geïmporteerde oppervlak op als het oppervlak waarnaar moet worden geëxtrudeerd.
    3. Kopieer het geïmporteerde oppervlak door > oppervlak invoegen > Verplaatsen/kopiëren te selecteren en het gekopieerde oppervlak op te tillen tot de hoogte van de binnenste ring en rok (bijvoorbeeld 3,5 mm). Gebruik de optie Vertalen in het menu Verplaatsen/Kopiëren en vertaal het oppervlak langs de as loodrecht op beide vlakken.
    4. Voer een cirkelvormige geëxtrudeerde snede uit van het bovenste vlak naar het gekopieerde oppervlak. Begin door op Geëxtrudeerde snede te klikken en het bovenoppervlak van de binnenring te selecteren als uitgangspunt voor de geëxtrudeerde snede. Voltooi de extrusie door het gekopieerde oppervlak als eindpunt te kiezen.
    5. Verwijder het oorspronkelijke geïmporteerde oppervlak met behulp van het gereedschap Invoegen > objecten > Lichaam verwijderen/behouden . Met het gereedschap Verbergen/Weergeven op het tabblad Beeld kan het gekopieerde oppervlak worden verborgen om de binnenste ring te bekijken en het ontwerp ervan te valideren.
  19. Kamerrok maken (Figuur 3D)
    1. Maak een tweede gekopieerd oppervlak dat lager is dan het bestaande oppervlak met een dikte van de kamerrok (bijv. -1,5 mm). Kies in het menu Vertalen de as loodrecht op de vlakken als referentiepunt en een offsetwaarde om het nieuwe oppervlak onder het oorspronkelijke oppervlak te maken.
      OPMERKING: Afhankelijk van de standaardrichting van de offsetrichting, moet de offsetwaarde mogelijk als negatief worden ingesteld om in de juiste richting te gaan.
      1. Als er gaten zijn in het gebied dat de kamer zal bedekken, volg dan de stappen die worden beschreven in sectie 6 (bevestigingsgaten) voordat u doorgaat met de rest van de kamerontwerpprocedure.
    2. Voer een extrusie uit van het bovenste vlak naar het onderste oppervlak in de vorm van de kamer. Begin met het selecteren van Extrude Boss/Base en selecteer het bovenste vlak als extrusievlak.
      1. Volg stap 6.2 voor het hanteren van bestaande extrusies uit de bevestigingsgatprocedure.
    3. Schets de vorm van de kamerrok op dit vlak. Maak van de binnenste cirkel van de kamer een cirkel van dezelfde grootte als de kleinere straal van de binnenste ring (bijv. 11.35 mm), centreer deze rond het punt op het bovenste vlak en maak de buitengrens van de kamerrok met behulp van een combinatie van bogen en lijnen om het rokoppervlak te maximaliseren. Extrudeer naar het onderste van de twee oppervlakken.
      OPMERKING: Als er een fout optreedt met de extrusie, is het waarschijnlijk dat de schets breder is dan het oppervlak. Verklein in dit geval de grootte van de buitenste rokgrens.
    4. Extrudeer de snede van het bovenste vlak naar het bovenste van de twee gekopieerde oppervlakken in de vorm van de omtrek van de kamer.
      1. Zie stap 6.2 voor meer informatie over extrusies die overblijven na de procedure voor het bevestigen van gaten.
    5. Als u de kamerrok en de binnenring wilt weergeven, verwijdert u beide resterende kopieën van het geïmporteerde oppervlak. Het resulterende object zou er ongeveer zo uit moeten zien als in figuur 3D.
    6. Tijdens het proces van het maken van de STL-reductie en het importeren ervan, wordt het model van de schedel gespiegeld. Om dit te compenseren, moet de resulterende rok worden gespiegeld. Klik in het menu Functies op Spiegelen en spiegel de rok over het bovenste vlak. Verwijder de originele rok met behulp van de functie Lichaam verwijderen/behouden .
  20. Door de kamertop en de rok te combineren (Figuur 3E)
    1. Open het STL-bestand van de kamerbovenkant in de software die is gebruikt om de kamerrok te ontwerpen. Voeg vervolgens de kamerrok als onderdeel in door op > onderdeel invoegen te klikken, de aangepaste rok in het menu te selecteren en ergens op het scherm te klikken om het onderdeel te importeren.
    2. Als u de bovenkant en rok van de kamer wilt uitlijnen, klikt u op Invoegen > Objecten > Verplaatsen/kopiëren. Selecteer de kamerrok en klik op de knop Beperkingen onder aan het menu. Markeer de binnenring van de rok en het binnenoppervlak van de bovenkant van de kamer als concentrische partners (aanvullende figuur 4A).
      1. Controleer of de bovenkant van de rok is uitgelijnd met de onderkant van de bovenkant van de kamer en verander indien nodig van uitlijnrichting van de partner.
    3. Gebruik Verplaatsen/Kopiëren om de rok direct onder de bovenkant van de kamer naar beneden te vertalen. Dit vereist meerdere iteraties om de juiste afstand te vinden, zodat de bovenkant van de kamer niet onder de kamerrok uitsteekt en de rok belemmert (aanvullende afbeelding 4B en aanvullende afbeelding 5).
    4. Draai de bovenkant van de kamer om de openingen tussen de lipjes uit te lijnen, zodat de ene loodrecht staat en de andere evenwijdig is aan de middellijn van de hersenen. Gebruik het gereedschap Roteren en de bestaande as in het midden van het object als rotatie-as. Pas de rotatiegraden aan totdat de bovenkant van de kamer en de rok in de juiste richting ten opzichte van elkaar staan.
    5. Verbind objecten met elkaar door vanaf de onderkant van de bovenkant van de kamer direct naar beneden naar de rok te extruderen. Gebruik Extrudeer Boss/Base, selecteer het onderoppervlak van de bovenkant van de kamer en maak een schets op dit oppervlak met dezelfde binnen- en buitenradii als deze ring, waarbij de centrale as als middelpunt wordt gebruikt. Kies Up To Body als extrusierichting en geef de kamerrok aan.
    6. Voer een geëxtrudeerde snede uit vanaf het oppervlak van de bovenkant van de kamer die de lipjes vasthoudt. Nadat je dat oppervlak als extrusievlak hebt geselecteerd, schets je een cirkel met dezelfde binnenstraal als de binnenring. Sluit de schets af en voer een blinde geëxtrudeerde snede uit die de onderkant van de kamerrok overschrijdt (bijv. 10 mm).
    7. Voeg twaalf schroefgaten toe die gelijkmatig verdeeld zijn over de kamerrok. Plaats de schroefgaten zo dat ze gelijkmatig uit elkaar liggen, maar ook ver genoeg uit elkaar zodat ze tijdens de operatie toegankelijk zijn, maar dichtbij genoeg om een onnodig grote voetafdruk van de kamer te voorkomen.
    8. Gebruik de Hole Wizard voor het plaatsen van schroefgaten. Kies parameters in het menu Gatspecificatie - Type . Parameters moeten overeenkomen met de schroeven die tijdens chirurgische implantatie zullen worden gebruikt (bijv. Standaard: ANSI metrisch, Type: Platkopschroef - ANSI B18.6.7M, Maat: M2, Pasvorm: Los, Minimale diameter: 3.20 mm, Maximale diameter: 4.00 mm, Verzinkhoek: 90 graden, Eindconditie: Door alles).
    9. Klik op het tabblad Posities om te beginnen met het plaatsen van gaten. Om een gat te plaatsen, plaatst u de muisaanwijzer op een vlak in de kamer en klikt u met de rechtermuisknop. Plaats alle twaalf schroefgaten en zorg ervoor dat ze gelijkmatig geplaatst en toegankelijk zijn.
    10. Als er obstakels in een schroefgat achterblijven nadat het is geplaatst (aanvullende afbeelding 6A), kies dan een ander vlak om het gat op te plaatsen of gebruik de volgende stappen om een naar boven geëxtrudeerde snede door het gat uit te voeren.
      1. Begin met de naar boven geëxtrudeerde snede door een vlak te maken dat evenwijdig is aan het resterende vlak, maar 0,00001 mm naar beneden verschoven, zodat het vlak zich direct onder het obstakel bevindt.
      2. Voer de geëxtrudeerde snede uit met het vlak dat in de laatste stap is gemaakt als referentie. Schets met een combinatie van bogen en lijnen de vorm van het gebied dat moet worden verwijderd. Zorg ervoor dat de schets elk deel van het vlak bevat dat zich binnen de buitenstraal van het schroefgat bevindt (aanvullende afbeelding 6B). Extrudeer de snede 1 mm naar boven.
    11. Knip na het plaatsen van de schroefgaten de rok af om scherpe randen te verminderen en onnodig rokoppervlak te minimaliseren. Voer een geëxtrudeerde snede uit vanaf het bovenoppervlak van de kamer naar beneden voorbij de kamerrok (bijv. 30 mm). Maak de extrusie in een vorm die eventuele ruwe randen gladstrijkt en het buitenste rokgebied bijsnijdt.
      1. Extra aangepaste sneden kunnen nodig zijn om alle scherpe randen en overtollige rok te verwijderen. Als delen van de rok niet kunnen worden gesneden met het bovenoppervlak van de kamer als referentievlak, maak dan een schuin vlak en maak extra geëxtrudeerde sneden met behulp van dit vlak.
    12. Zie figuur 3F voor een definitieve weergave van het kamerontwerp. Dit ontwerp kan worden 3D-geprint en indien gewenst op een modelbrein en schedelschedel worden geplaatst (Figuur 3G).

4. Ontwerp van de hoofdpost (Figuur 4)

  1. Houd er rekening mee dat de definitieve locatie van het craniotomiecentrum en het maximale rokoppervlak van de kamer vereist zijn voor het ontwerp van de hoofdpost.
  2. Voer de bekende craniotomiecoördinaten (x-, y- en z-waarden) in het opdrachtvenster in.
  3. Voor het ontwerp van de hoofdpost is slechts één straal nodig om het gebied op de schedel weer te geven dat beschikbaar is rond de kamer. Voer bij deze stap de maximale straal van de kamer in die in de vorige sectie is ontworpen (bijv. 25 mm). Geef vervolgens aan dat er geen buitenradius nodig is.
  4. Gebruik het opdrachtvenster om aan te geven of er schaalbalken nodig zijn om dimensies te bevestigen.
  5. Net als bij de vorige secties, kunt u STL-bestanden van hersenen en schedels opslaan als dat nodig is voor 3D-printen.
    De volgende figuur die wordt weergegeven, toont het gebied van de schedel dat de kamer omringt voor het maken van een voetafdruk van de hoofdpost. Extraheer dit gebied met behulp van een STL-verkleining die in de ontwerpsoftware moet worden geïmporteerd.
  6. Selecteer (y) om aan te geven dat een STL-verkleining gewenst is. Selecteer punten op de figuur met de hersenen (in blauw) en de schedel (in grijs) over elkaar heen. Zorg ervoor dat de punten zo dicht mogelijk bij elkaar worden geselecteerd en gelijkmatig over het grijze schedelgebied worden verdeeld (aanvullende afbeelding 7A). Voor meer informatie over het puntenselectieproces, zie stap 3.8.
  7. Druk op enter na het voltooien van de puntselectie om het grijze schedelgebied te bedekken waar de hoofdpaal zal zitten. Geef een bestandsnaam op voor het gedownloade verkleinde bestand in het opdrachtvenster.
  8. Importeer het verkleinde bestand in CAD-software om de aangepaste hoofdpostvoetafdruk te ontwerpen. Zorg ervoor dat het bestand wordt geïmporteerd als een Surface Body.
  9. Controleer na het importeren van het bestand op gaten in het oppervlak die worden aangegeven door blauwe lijnen. Als er gaten zijn in het algemene gebied dat de hoofdpost zal bedekken, moet de procedure voor het bevestigen van gaten (sectie 6) worden voltooid in stap 4.11.
  10. De eerste stap van het ontwerp van de hoofdpost is het vinden van een vlak op het oppervlak dat is uitgelijnd met het axiale vlak, zodat wanneer de boven- en onderkant van de hoofdpost worden gecombineerd, de bovenkant van de hoofdpost loodrecht op de schedel staat (aanvullende figuur 7B, C). Als er geen vlak kan worden gevonden dat direct is uitgelijnd met het axiale vlak op het oppervlak van de schedel, maak dan een nieuw vlak met behulp van een bestaand vlak op het oppervlak en draai het om het goed uit te lijnen. Het is handig om een fysiek 3D-schedelmodel te hebben dat kan worden gebruikt voor vergelijking met de virtuele schedelweergave.
    1. Deze stap moet mogelijk meerdere keren worden aangepast om een hoofdposttop te creëren die loodrecht op de schedel staat. Als u de hoek van de bovenkant van de koppaal ten opzichte van de voetafdruk van de koppaal wilt wijzigen, wijzigt u het vlak dat in deze stap wordt gebruikt. Het kan zijn dat er een paar vlakken moeten worden getest om er een te vinden die evenwijdig aan het axiale vlak zit.
  11. Gebruik het vlak dat in de vorige stap is gevonden of gemaakt om een parallel vlak te maken op 3 mm boven het oppervlak dat een referentie vormt voor de oriëntatie van de bovenkant van de hoofdpost.
    1. Voltooi de procedure voor het bevestigen van gaten zoals beschreven in sectie 6 met openingen in het gebied van de hoofdpost.
  12. Headpost onderaan maken (Figuur 4C)
    1. Klik op Eindbaas/basis extruderen, selecteer het nieuwe vlak en maak een schets van de voetafdruk van de hoofdpost met een combinatie van bogen en lijnen. Maak de poten van de hoofdpaal van vergelijkbare lengte en de hoeken ertussen komen overeen (zie voorbeeld in figuur 4A). Gebruik bogen om de poten van de hoofdpost met elkaar te verbinden om gladde randen rond de voetafdruk te garanderen en de schets naar het geïmporteerde oppervlak te extruderen.
      NOTITIE: Het aantal poten van de hoofdpost is afhankelijk van de beschikbare ruimte rond de kamer. De hoofdpaal moet echter minimaal drie poten hebben om een goede mechanische stabiliteit te garanderen.
      1. Zie stap 6.2 voor instructies voor het tekenen rond de bestaande extrusies van de bevestigingsgatprocedure.
    2. Op dit punt is het onderoppervlak van de hoofdpost beschikbaar om te bevestigen dat het oppervlak overeenkomt met de kromming van de schedel. Als 3D-printen gewenst is om de pasvorm te controleren, voer dan de volgende vier stappen uit.
      1. Verwijder het geïmporteerde oppervlaktelichaam. Spiegel de voetafdruk over het vlak dat in stap 4.10 is gemaakt. Controleer in het menu Spiegelen of het vakje Vaste stoffen samenvoegen niet is aangevinkt.
      2. Om te controleren of de voetafdruk overeenkomt met de kromming van de schedel, gebruikt u de Delete/Keep Body om de oorspronkelijke voetafdruk te verwijderen, zodat alleen de gespiegelde versie overblijft.
      3. 3D-print het object als een STL en plaats het op het 3D-schedelmodel om fysiek te testen of het overeenkomt met de kromming van de schedel.
      4. Als u verder wilt gaan met het ontwerp van de hoofdpost, gebruikt u de pijl Ongedaan maken boven aan de werkbalk om de vorige twee stappen (spiegelen en verwijderen) ongedaan te maken. Dit zou de oorspronkelijke voetafdruk en het oppervlak van het lichaam moeten herstellen.
    3. Maak een punt in het midden van het platte oppervlak op de voetafdruk. Maak een as met behulp van dit punt en het bovenste referentievlak.
    4. Klik op het gereedschap Verplaatsen/Kopiëren en maak een kopie van het geïmporteerde oppervlak dat is verhoogd tot de dikte van de onderkant van de kopstijl (bijv. 1,35 mm). Gebruik de as die in deze stap is gemaakt als vertaalreferentie en controleer of het vakje Kopiëren is aangevinkt om te voorkomen dat het oorspronkelijke oppervlak wordt gewijzigd.
    5. Voer een geëxtrudeerde snede uit vanaf het vlakke oppervlak van de voetafdruk van de hoofdpost naar het gekopieerde (verhoogde) oppervlak. Verwijder het originele oppervlak en de kopie ervan. Het resulterende deel is te zien in figuur 4B.
      1. Volg stap 6.3 voor bestaande extrusies van de bevestigingsgatprocedure.
    6. Maak een nieuw vlak evenwijdig aan het referentievlak, maar naar boven of naar beneden vertaald om ten minste 1 mm boven de onderkant van de hoofdstijl te zweven. Als u de lengte van de vertaling wilt bepalen, gebruikt u het gereedschap Meten op het tabblad Evalueren . Maak een cirkelvormige extrusie van het nieuwe vlak naar de onderkant van de hoofdpost om een platform te creëren waar de basis van de bovenkant van de hoofdpost zal zitten en zorg ervoor dat het platform gecentreerd is rond de middellijn van de schedel.
    7. Gebruik het gereedschap Afronden in het menu Functies om het snijpunt tussen de extrusie en de voetafdruk van de kopstijl glad te strijken. Test verschillende radiuswaarden met behulp van de parameter Asymmetrisch en kies de grootst mogelijke radiuswaarden.
    8. Controleer nu de plaatsing van het bovenste platform van de hoofdpost door de huidige versie in 3D te printen en te testen tegen een schedelmodel.
    9. Plaats schroefgaten langs de onderkant van de hoofdpost met dezelfde techniek als die werd gebruikt voor de schroefgaten in de kamer (stap 3.20.7). Voeg minimaal drie schroefgaten toe aan elke koppaalpoot. Zorg ervoor dat het middelpunt van elk schroefgat zich ten minste 5 mm van het midden van het volgende gat bevindt en dat de randen van elk gat ten minste 2.5 mm verwijderd zijn van de rand van de poot.
      1. Om bloedvaten te vermijden die onder de schedel en in de buurt van de middellijn lopen, moet u controleren of de schroefgaten de middellijn niet kruisen en indien nodig verschuiven. Het product moet er ongeveer zo uitzien als het ontwerp in afbeelding 4C.
    10. Spiegel het onderdeel met behulp van het gereedschap Spiegelen om te compenseren voor de spiegeling die optreedt tijdens het importeren van het schedeloppervlak. Gebruik de bovenkant van de ronde basis als spiegelvlak.
    11. Verwijder het originele onderdeel met behulp van de functie Delete/Keep Body, zodat alleen de gespiegelde versie overblijft.
  13. Combineren van de boven- en onderkant van de hoofdpaal (Figuur 4D)
    1. Importeer de bovenkant van de hoofdpost als een onderdeel vanuit het menu Invoegen . Nadat het onderdeel in het menu is gemarkeerd, klikt u ergens op het scherm om het onderdeel toe te voegen.
    2. Gebruik de functie Verplaatsen/Kopiëren om de boven- en onderkant van de hoofdpost uit te lijnen. Begin met het specificeren van de bovenkant van de hoofdpost als de Body to Move. Maak vervolgens de volgende drie mates in het menu Beperkingen :
      1. Zorg ervoor dat de bovenkant van het ronde koppostplatform en de onderkant van de bovenkant van de koppost toevallig op elkaar zijn afgestemd.
      2. Zorg ervoor dat de omlijnde randen van de oppervlakken in het laatste paar, concentrisch paren.
      3. Koppel een lijn die verticaal langs de achterste poot van de hoofdpost loopt en een lijn die horizontaal langs de achterkant van de bovenkant van de hoofdpost (de platte kant) loodrecht loopt. Zorg ervoor dat het gebogen vlak van het bovenblad naar voren wijst (anterieur) en het platte vlak dichter naar het achterste been van de hoofdpost (posterieur).
      4. Controleer of elke verbinding in de juiste richting is en verander indien nodig de paringsrichtingen in het menu (zie aanvullende afbeelding 8 voor een voorbeeld van partners).
        OPMERKING: De procedure voor het combineren van de aangepaste hoofdpost onder en boven maakt gebruik van een generieke hoofdpost die is ontworpen met behulp van CAD-software. Hier is het bovenste deel ontworpen op basis van de koppaal van het Crist Instrument. De hierboven beschreven paringsprocedure is specifiek voor deze onderdelen en moet mogelijk worden aangepast als verschillende paringsdelen worden gebruikt.
    3. Zorg ervoor dat de gecombineerde boven- en onderkant van de hoofdpaal eruitziet zoals in afbeelding 4D.
      1. Als de bovenkant van de kopstijl niet goed is uitgelijnd, wijzigt u het referentievlak dat in stap 4.11 wordt gebruikt.

5. Kunstmatige dura-fabricage 11 (figuur 5)

  1. Verkrijg de kunstmatige dura-mal (Figuur 5B).
  2. Creëer het kunstmatige dura-siliconenmengsel door siliconen KE1300-T en CAT-1300 in een verhouding van 10:1 te mengen.
  3. Giet 1 ml van het mengsel op het bovenoppervlak van de cilinder in het midden van de vorm.
  4. Om luchtbellen te voorkomen, plaatst u de mal ongeveer 15 minuten in een vacuümkamer.
  5. Voeg de tweede laag van de mal toe en gebruik de palen aan weerszijden van de cilinder om de uitlijning van het stuk te begeleiden.
  6. Giet 3-4 ml siliconenmengsel in de vorm en plaats het doorzichtige acrylstuk op de bovenkant van de vorm (Figuur 5A). Gebruik een C-klem om de mal in elkaar te klemmen.
  7. Controleer op luchtbellen in het optische venster en verwijder deze indien nodig met een vacuümkamer.
  8. Laat de resulterende structuur een nacht bij kamertemperatuur uitharden. Overgebleven luchtbellen worden verwijderd door de druk die ontstaat wanneer de mal wordt vastgeklemd voordat deze wordt uitgehard.
  9. Demonteer na uitharding door elk vormdeel te verwijderen en voorzichtig de siliconen dura te verwijderen.

6. Procedure voor het bevestigen van gaten

  1. Voer de procedure voor het bevestigen van gaten uit als er gaten zijn gevonden in de schedelweergave (aangegeven door blauwe lijnen in CAD-software). Voer de volgende stappen uit nadat de onderste oppervlakken (de oppervlakken die de extrusies beëindigen) zijn gemaakt. Voor de kamer volgt dit stap 3.19. Voor de hoofdpost start u deze procedure nadat stap 4.12 is voltooid.
    1. Verberg alle oppervlakken of extrusies naast het onderoppervlak, zodat het onderoppervlak onafhankelijk kan worden gevisualiseerd.
    2. Gebruik Invoegen > oppervlak > Planar om een vlak oppervlak te maken op elk vlak dat in contact komt met de opening, en indien van toepassing ook over de opening. Als u een oppervlak wilt opgeven, selecteert u elke rand als een begrenzingsentiteit.
    3. Maak vlakke oppervlakken totdat elke opening is omgeven, inclusief hoeken van openingen en randen van lijnen.
    4. Klik op > oppervlak invoegen > breien en selecteer elk vlak oppervlak rond de opening. Zie aanvullende figuur 9A voor een afbeelding van de gebreide oppervlakken.
    5. Maak een referentie-as op elk punt langs de rand van het gebreide oppervlak door Punt en Vlak/Vlak als referentietype te kiezen en een punt op de rand van het oppervlak en het bovenste vlak te selecteren. Herhaal dit voor elk punt aan de rand van het gebreide oppervlak (aanvullende figuur 9B).
    6. Maak een punt op het snijpunt van elke as rond het gebreide oppervlak met het bovenste referentievlak. Kies Snijpunt als referentietype en selecteer één as en het bovenste vlak. Zorg ervoor dat er een punt wordt gemaakt dat overeenkomt met elke as.
    7. Maak een schets die elk referentiepunt dat in de vorige stap is gemaakt, met elkaar verbindt. Kies Maximaal oppervlak voor de richting en selecteer het gebreide oppervlak als het oppervlak waarop u wilt extruderen.
    8. Herhaal de stappen 6.1.2-6.1.7 voor alle openingen in het gebied dat door de kamer of hoofdstijl zal worden afgedekt (zie aanvullende figuur 9C voor het eindresultaat van de procedure voor het bevestigen van gaten).
  2. Zorg er bij het uitvoeren van de extrusie van het bovenste referentievlak naar het onderste oppervlak (stap 3.19.2 of stap 4.12.1) voor dat de omtrek van de kamer/hoofdstijl rond de bestaande extrusies wordt getrokken.
  3. Op dezelfde manier moet bij het uitvoeren van de geëxtrudeerde sneden van het bovenste vlak naar het hoogste van de twee oppervlakken (stap 3.19.4 of stap 4.12.5) de geëxtrudeerde hoofdsnede afzonderlijk worden uitgevoerd van de extrusies die het resultaat zijn van de procedure voor het bevestigen van gaten (aanvullende figuur 10A).
    1. Voor het uitvoeren van geëxtrudeerde sneden uit bevestigingsgaten, extrudeert u het bovenste oppervlak van de bestaande extrusies tot een vlak op het verhoogde oppervlak dat een glad bovenoppervlak voor de kamer of hoofdstijl biedt (aanvullende afbeelding 10B). Als de geëxtrudeerde snede een stijf oppervlak creëert, gebruik dan een ander vlak of voer daaropvolgende extrusies uit.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Deze componenten werden eerder gevalideerd met behulp van een combinatie van MRI-visualisaties en 3D-geprinte anatomische modellen. Door de geautomatiseerde craniotomievisualisatie te vergelijken met de 3D-geprinte craniotomie en de MRI op de locatie van de craniotomie, is het duidelijk dat de virtuele craniotomieweergave nauwkeurig het hersengebied weergeeft dat toegankelijk is met de gespecificeerde craniotomielocatie (Figuur 2A-F). Bovendien werd de nauwkeurigheid van de geautomatiseerde craniotomievisualisatie verder geëvalueerd door de virtuele weergave te vergelijken met bestaande craniotomieën van implantatieoperaties (Figuur 2E,G). Het 3D-geprinte model, geautomatiseerde visualisatie, MRI en daadwerkelijke craniotomie markeren hetzelfde gebied, waarbij de belangrijkste sulci op dezelfde locatie en met proportionele consistentie worden getoond. Het proces van isolatie van de hersenen en de schedel en de daaropvolgende visualisatie van de craniotomie duurt minder dan 15 minuten, waardoor verschillende locaties in minder dan 1 uur kunnen worden getest.

De werkzaamheid van de hersenisolatieprocedure werd bevestigd door de virtuele craniotomie te vergelijken met de MRI-weergave van de craniotomielocatie (Figuur 2B,C,E,F). De overeenkomsten gaven aan dat de hersenisolatieprocedure de mogelijkheid heeft om de juiste grootte, locatie en vorm weer te geven van anatomische structuren in de hersenen die het doelwit zijn, zoals de sulci.

De gecombineerde 3D-geprinte hersenen en schedel werden gebruikt als een anatomisch nauwkeurig model om de ontwerpen van de kamer en de hoofdpost te valideren. Voordat er werd geïnvesteerd in titanium onderdelen, werden de kamer en de kopstijl 3D-geprint in plastic. Er werd bevestigd dat de implantaten in de schedel pasten en dat ze elkaar niet overlapten of belangrijke anatomische markers belemmerden. Het ontwerpproces van de kamer en de hoofdpost produceerde componenten die overeenkwamen met de kromming van de schedel (Figuur 3G,I, Figuur 4E, Figuur 6, Figuur 7). Er werd ook bevestigd dat de kunstmatige dura naast de binnenwanden van de kamer paste, met een kleine opening om rekening te houden met aanpassingen die tijdens de implantatie zijn gemaakt. In twee makaken werden aangepaste kamers geïmplanteerd. In tegenstelling tot eerdere kamerontwerpmethoden9, kon elke schroef die werd geprobeerd in te brengen, worden ingedraaid. Dit komt door de drastische vermindering van de openingen tussen de kamer en de schedel met de aangepaste pasvorm in vergelijking met de kamer die is ontworpen op basis van MRI-krommingsbenaderingen9 (Figuur 6A-F). Eén op maat gemaakte kamer is al meer dan 2 jaar geïmplanteerd en de andere anderhalf jaar. Met goed onderhoud zijn er geen schroefverlies, infectie of stabiliteitsproblemen ontstaan als gevolg van deze implantaten (Figuur 3I).

De op maat gemaakte ontwerpprocessen voor de hoofdpost en de kamer voorkomen dat er tijdens de operatie handmatige aanpassingen nodig zijn, die anders uren aan de duur van de operatie zouden kunnen toevoegen. Deze technieken verkleinen ook de openingen van 1-2 mm die het gevolg zijn van krommingsbenaderingen29, waardoor een betere gezondheid van het implantaat wordt bevorderd en experimentele resultaten worden verbeterd. De verfijningen voorkomen complicaties met het implantaat en verlengen de levensduur van het implantaat, waardoor ook het dierenwelzijn wordt verbeterd.

Figure 1
Figuur 1: Isolatie van hersenen en schedels. (A) Gelaagd magnetisch resonantiebeeld (MRI) coronale plakjes. (B) Gelaagd binair masker van schedeldrempels. (C) Gelaagde plakjes van de geïsoleerde schedel van een omgekeerd binair masker. (D) Gereconstrueerde 3D-schedel. (E) Gelaagd binair masker van hersendrempels. (F) Gelaagde MRI-plakjes van geïsoleerde hersenen. (G) Gereconstrueerd 3D-brein. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Craniotomie planning. (A) Craniotomievisualisatie met 3D-geprint hersen- en schedelmodel voor Monkey B. (B) Craniotomievisualisatie in computationele software voor Monkey B. (C) Craniotomievisualisatie in magnetische resonantie (MR)-afbeelding voor Monkey B. (D) Craniotomievisualisatie met 3D-geprint hersen- en schedelmodel voor Monkey H. (E) Craniotomievisualisatie in computationele software voor Monkey H. (F) Craniotomievisualisatie in Magnetic Resonance (MR)-afbeelding voor aap H. (G) Afbeelding van craniotomie in aap H. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Ontwerp van kamerimplantaat. (A) Schedelgebied (grijs) gebruikt voor vermindering van de STL-resolutie. (B) Vermindering van de STL-resolutie van de schedel in SOLIDWORKS. (C) Binnenring van de kamer, gemarkeerd. (d) Ontwerp van de kamerrok in SOLIDWORKS. (E) Verbindingskamerrok en bovenkant. (F) Kamer STL in SOLIDWORKS. (G) 3D-geprinte hersenen, schedel en kamer. (H) Titanium kamer. (I) Geïmplanteerde kamer in Aap H. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Ontwerp van de hoofdpost. (A) Onderste omtrek van de hoofdpost op de STL-resolutiereductie van de schedel. (B) Op maat gemaakte voetafdruk van de hoofdpost. (C) Onderkant van de hoofdpost. (D) Ontwerp van de hoofdpost in SOLIDWORKS. (E) 3D-geprinte hoofdpost op de schedel. (F) Titanium hoofdpost. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Kunstmatige dura-fabricage. (A) Klemmen van siliconenmengsel met behulp van mal. b) Kunstmatige dura. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Griggs et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Op maat gemaakte kamer versus schedelkromming. Kamer ontworpen op basis van MRI-krommingsschattingen op schedel9 vanuit een (A) vooraanzicht, (B) zijaanzicht en (C) achteraanzicht. Op maat ontworpen kamer vanuit een (D) vooraanzicht, (E) zijaanzicht en (F) achteraanzicht. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: Kamer, hoofdpaal en kunstmatige dura op overlappende hersenen en schedel Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Aanvullende figuur 1: Drempelwaarde en craniotomie locatieplanning. (A) Voorbeeld binair masker met een geschikte drempelwaarde. (B) Coronale plak op MRI voor het identificeren van de craniotomielocatie. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende figuur 2: Proces van STL-bestandsreductie in MATLAB voor het kamerontwerp. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende figuur 3: Visuele weergave van een gat in de schedel STL-resolutiereductie. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende afbeelding 4: Screenshots van kamerroksoftware. (A) Binnenring van de kamerrok en het binnenoppervlak van de bovenkant van de kamer als concentrische partners. (B) Kamerrok naar beneden vertalen. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende figuur 5: Kamerrok en kamerbovenkant met en zonder overlapping. (A) Voorbeeld van overlapping tussen de kamerrok en de bovenkant van de kamer (wijzigt het onderoppervlak van de kamerrok). (B) Voorbeeld van geen overlapping tussen de rok van de kamer en de bovenkant van de kamer. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende figuur 6: Vlakken die schroefgaten blokkeren en opheffen van obstakels. (A) Voorbeeld van vlakken die de schroefgaten blokkeren na het plaatsen van het schroefgat. (B) Omtrek van geëxtrudeerde snede om oppervlakken in schroefgaten te verwijderen. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende figuur 7: Puntkeuze en het axiale vlak van de schedel. (EEN) Puntselectie voor het ontwerp van de hoofdpost. (B) Bovenaanzicht van het vlak evenwijdig aan het axiale vlak van de schedel. (C) Zijaanzicht van het vlak evenwijdig aan het axiale vlak van de schedel. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende figuur 8: Voorbeeld van partners. (A) Eerste stuurman - Bovenzijde van het cirkelvormige koppostplatform en het onderoppervlak van de bovenzijde van de hoofdpost als concentrische ven. (B) Tweede stuurman - Rand van het bovenvlak van het cirkelvormige koppostplatform en rand van het onderoppervlak van de bovenkant van de koppaal als concentrische partners. (C) Derde stuurman - Een lijn die verticaal langs de achterste poot van de hoofdpost loopt en een lijn die horizontaal langs de achterkant van de bovenkant van de hoofdstijl loopt als loodrechte partners. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende afbeelding 9: Procedure voor het bevestigen van gaten. (A) Gebreide oppervlakken rond de opening in het ingevoerde oppervlak. (B) As op elk punt aan de rand van het gebreide oppervlak. (C) Eindresultaat van de procedure voor het bevestigen van gaten. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende afbeelding 10: Geëxtrudeerde snede uitvoeren. (A) Geëxtrudeerde besnoeiing omringende extrusies van bevestigingsgatenprocedure. (B) Voorbeeld geëxtrudeerd gesneden in een vlak op het bovenoppervlak van de onderkant van de kamer. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend coderingsbestand 1: Coderingsbestanden voor het protocol. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dit artikel schetst een eenvoudige en nauwkeurige methode van neurochirurgische planning die niet alleen gunstig is voor de ontwikkeling van componenten die worden gebruikt voor NHP-implantatie van schedelvensters, maar ook overdraagbaar is naar andere gebieden van NHP-neurowetenschappelijk onderzoek 13,15,25. In vergelijking met andere huidige methoden voor het plannen en ontwerpen van NHP-implantaten 25,29,30, heeft deze procedure het potentieel om door meer neurowetenschappelijke laboratoria te worden overgenomen omdat het eenvoudig en economisch is. Hoewel CT vaak wordt gebruikt voor schedelmodellering32,38, biedt dit protocol voldoende modelleringsdetails voor zowel de hersenen als de schedel met alleen MRI-scans. Bestaande methoden vereisen zowel MRI- als CT-scans voor hersen- en schedelisolatie 30,32,33, terwijl deze methode extra kosten en uitdagingen van CT-beeldvorming elimineert. Een bijkomend voordeel is dat dit model geen uitlijning van MRI- en CT-scans vereist, wat veel tijd bespaart en problemen voorkomt die verband houden met een slechte uitlijning39. Het genereren van zowel hersen- als schedelmodellen uit een enkel beeldvormingsbestand levert zeer compatibele modellen op die gemakkelijk kunnen worden gecombineerd voor craniotomievisualisatie. Deze functie is met name handig voor iteratieve craniotomie-testprocessen, omdat in plaats van bestanden uit afzonderlijke programma's te combineren en uit te lijnen30,33, beide modellen in één software worden gegenereerd op basis van een enkel invoerbestand en binnen enkele seconden automatisch worden weergegeven. Dit zorgt voor een efficiënte bevestiging van de nauwkeurigheid van de hersen- en schedelmodellering en zorgt ervoor dat implantaten in vivo overeenkomen met de kromming van de schedel. Dit elimineert ook iteratief 3D-printen van de schedel dat voorheen nodig was voor het bepalen van de optimale craniotomielocatie35, waardoor tientallen uren printen per iteratie wordt bespaard. Ter vergelijking: onze op software gebaseerde techniek heeft ongeveer 10-15 minuten nodig om elke craniotomie-iteratie te genereren.

Het identificeren van de implantaatlocatie ten opzichte van de frontale, pariëtale en temporale schedelregio's, evenals andere schedelkenmerken, heeft enorme voordelen voor chirurgische en experimentele planning. Deze functie wordt benut om de voetafdruk van de hoofdpost op maat te ontwerpen met betrekking tot de voetafdruk van de kamer. Voor elk NHP-neurowetenschappelijk onderzoek kan deze ruimtelijke modelleringsfunctie worden aangepast om componenten te ontwerpen op basis van anatomische vlakken, MRI-coördinaten, anatomische kenmerken van de hersenen en schedel en met betrekking tot bestaande implantaten. Door dit te doen, wordt de kans op onvoorziene problemen tijdens of na implantatie drastisch verminderd. Deze procedure heeft ook de mogelijkheid om implantaten te maken die meerdere hersengebieden vanuit verschillende vlakken overspannen met behoud van een strakke pasvorm op de schedel.

De hier uitgelichte methode creëert een cirkelvormige kamer en maakt het mogelijk om een hoofdpaal rond de kamer te ontwerpen. De procedure hier heeft echter het potentieel om andere vormen te accommoderen door de wijziging van de sectie Kamerrokontwerp. Hetzelfde geldt voor het ontwerp van de hoofdpost - de procedure maakt het mogelijk om verschillende aantallen poten en andere aangepaste vormen te creëren, waarbij de vorm voornamelijk afhankelijk is van de beschikbare ruimte rond de kamer. De vorm van de STL-reductie van de schedel, die momenteel een ring is voor het ontwerp van de kamer, kan verder worden gewijzigd om verschillende vormen van de STL-reductie van de schedel te creëren die zijn afgestemd op de behoefte van bepaalde kamer- of hoofdpostontwerpen, waardoor een efficiëntere aanpassing mogelijk wordt.

Hoewel dit proces effectief op maat gemaakte implantaten creëert, zijn er stappen die kunnen worden verbeterd voor een efficiëntere productie. Zoals eerder vermeld, is het uitlijnen van de bovenkant van de hoofdpaal loodrecht op de schedel een iteratief proces met de geschetste methode in dit artikel vanwege de moeilijkheid om de oriëntatie van de schedel in de ontwerpsoftware te identificeren. Om het proces van het positioneren van de bovenkant van de hoofdpost op het onderste deel te stroomlijnen, kunnen extra markeringen op de virtuele schedelweergave worden geplaatst om axiale, sagittale en coronale vlakken aan te geven. Het protocol heeft ook de potentie om verder te worden geautomatiseerd voor meer gebruiksgemak. Hoewel de STL-reductiemethode voor de schedel die in dit protocol wordt besproken, effectief is voor het ontwerpen van implantaten, kan deze sneller en consistenter worden gemaakt met verdere automatisering. Onze validatieprocedure vereist 3D-printen van de schedel en implantaatprototypes om te verifiëren dat de implantaten overeenkwamen met de kromming van de schedel. Deze stap kan mogelijk worden geëlimineerd door een methode van virtuele 3D-visualisatie te creëren die de hersenen, schedel, kamer, hoofdpost en kunstmatige dura combineert.

Ons platform biedt een volledig virtueel proces van craniotomieplanning en implantaatontwerp op maat. De uiteindelijke ontwerpen kunnen worden 3D-geprint en geverifieerd op een levensgroot fysiek model35. In tegenstelling tot bestaande methoden vereist ons protocol geen dure productiteraties of toegang tot dure machines zoals CNC-freesmachines29,34. Net als bij andere bestaande methoden voor het ontwerpen van implantaten 9,12,29,30,32,33,40, is deze methode volledig afhankelijk van een beeldvormingsmodaliteit om anatomische structuren nauwkeurig weer te geven. Elke onnauwkeurigheid in de MRI-scan of veranderingen in de anatomie van de hersenen of schedel tussen MRI en chirurgie kunnen de werkzaamheid van het implantaat in gevaar brengen. Daarom is een goede planning voor MRI-acquisitie essentieel voor het optimaliseren van het implantaatontwerp.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Niets te onthullen.

Acknowledgments

We willen Toni Haun, Keith Vogel en Shawn Fisher bedanken voor hun technische hulp en ondersteuning. Dit werk werd ondersteund door de Mary Gates Endowment (R.I.), National Institute of Health NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), het Washington National Primate Research Center (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), het Center for Neurotechnology (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) en 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

  1. Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
  2. Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates. STAR Protocols. 4 (3), 102496 (2023).
  3. Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
  4. Zhou, J., et al. Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates. 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).
  5. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke. 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034 (2018).
  7. Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  8. Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  10. Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
  11. Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  12. Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
  13. Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239 (2021).
  14. Hacking, S. A., et al. Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).
  15. Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level. Nature Communications. 10 (1), 2642 (2019).
  16. Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183 (2022).
  17. Griggs, D. J., Khateeb, K., Zhou, J., Liu, T., Wang, R., Yazdan-Shahmorad, A. Multi-modal artificial dura for simultaneous large-scale optical access and large-scale electrophysiology in nonhuman primate cortex. Journal of Neural Engineering. 18 (5), 055006 (2021).
  18. Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866 (2023).
  19. Khateeb, K., et al. A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).
  20. Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , Humana. New York, NY. (2023).
  21. Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Convection enhanced delivery of optogenetic adeno-associated viral vector to the cortex of Rhesus Macaque under guidance of online MRI images. Journal of Visualized Experiments. (147), e59232 (2019).
  22. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
  23. Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435 (2022).
  24. Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey. Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).
  25. Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. C. A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys. Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).
  26. Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex. iScience. 25 (5), 104285 (2022).
  27. Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O'Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).
  28. Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).
  29. Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899 (2023).
  30. Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. 3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).
  31. Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521 (2021).
  32. Basso, M. A., et al. Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys). NeuroImage. 228, 117667 (2021).
  33. Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls. eNeuro. 9 (3), (2022).
  34. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  35. Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098 (2020).
  36. Safari, A. H. Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks. , Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing (2018).
  37. Lohsen, G. stlwrite - Write binary or ascii STL file. , Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file (2023).
  38. Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
  39. Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  40. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).

Tags

Deze maand in JoVE nummer 204
Een gereedschapskist voor het ontwerpen van neurale implantaten voor niet-menselijke primaten
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Iritani, R., Belloir, T., Griggs, D. … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter