Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

En verktøykasse for nevral implantatdesign for ikke-menneskelige primater

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

Denne artikkelen skisserer automatiserte prosesser for ikke-menneskelig primat nevrokirurgisk planlegging basert på magnetisk resonans imaging (MRI) skanner. Disse teknikkene bruker prosedyretrinn i programmerings- og designplattformer for å støtte tilpasset implantatdesign for NHP-er. Gyldigheten av hver komponent kan deretter bekreftes ved hjelp av tredimensjonale (3D) trykte anatomiske modeller i naturlig størrelse.

Abstract

Dette papiret beskriver en intern metode for 3D-hjerne- og hodeskallemodellering fra magnetisk resonansavbildning (MRI) skreddersydd for ikke-menneskelig primat (NHP) nevrokirurgisk planlegging. Denne automatiserte, beregningsbaserte programvarebaserte teknikken gir en effektiv måte å trekke ut hjerne- og hodeskallefunksjoner fra MR-filer i motsetning til tradisjonelle manuelle utvinningsteknikker ved hjelp av bildebehandlingsprogramvare. Videre gir prosedyren en metode for å visualisere hjernen og kraniotomisert hodeskalle sammen for intuitiv, virtuell kirurgisk planlegging. Dette genererer en drastisk reduksjon i tid og ressurser fra de som kreves av tidligere arbeid, som var avhengig av iterativ 3D-utskrift. Hodeskallemodelleringsprosessen skaper et fotavtrykk som eksporteres til modelleringsprogramvare for å designe skreddersydde kranialkamre og hodeposter for kirurgisk implantasjon. Skreddersydde kirurgiske implantater minimerer hull mellom implantatet og skallen som kan introdusere komplikasjoner, inkludert infeksjon eller redusert stabilitet. Ved å implementere disse pre-kirurgiske trinnene, reduseres kirurgiske og eksperimentelle komplikasjoner. Disse teknikkene kan tilpasses andre kirurgiske prosesser, noe som legger til rette for mer effektiv og effektiv eksperimentell planlegging for forskere og potensielt nevrokirurger.

Introduction

Ikke-menneskelige primater (NHP) er uvurderlige modeller for translasjonell medisinsk forskning fordi de er evolusjonært og atferdsmessig lik mennesker. NHP har fått særlig betydning i neural engineering prekliniske studier fordi hjernen deres er svært relevante modeller av nevral funksjon og dysfunksjon1,2,3,4,5,6,7,8. Noen kraftige hjernestimulerings- og opptaksteknikker, som optogenetikk, kalsiumavbildning og andre, serveres best med direkte tilgang til hjernen gjennom kraniale vinduer9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. I NHP oppnås kraniale vinduer ofte med et kammer og en kunstig dura for å beskytte hjernen og støtte langsiktig eksperimentering8,10,12,17,18,24,25,26,27. På samme måte følger hodeposter ofte kamre for å stabilisere og justere hodet under eksperimenter14,15,25,26,28,29,30. Effektiviteten av disse komponentene er sterkt avhengig av hvor godt de passer inn i skallen. En nærmere passform til skallen fremmer beinintegrasjon og kranial helse ved å redusere sannsynligheten for infeksjon, osteonekrose og implantatstabilitet31. Konvensjonelle designmetoder, for eksempel å bøye hodestolpen manuelt under operasjonen25,29 og estimere skallekurvaturen ved å tilpasse sirkler til koronale og sagittale skiver av magnetisk resonans (MR) skanning9,12 kan introdusere komplikasjoner på grunn av upresisjon. Selv de mest presise av disse skaper 1-2 mm mellomrom mellom implantatet og skallen, noe som gir plass til granulasjonsvev å akkumulere29. Disse hullene introduserer i tillegg vanskeligheter med å plassere skruer i kirurgi9, som kompromitterer implantatets stabilitet. Tilpassede implantater har nylig blitt utviklet for å forbedre osseointegrasjon og implantatets levetid9,29,30,32. Ytterligere kostnader har fulgt fremskritt i tilpasset implantatdesign på grunn av avhengigheten av beregningsmodeller. De mest nøyaktige metodene krever sofistikert utstyr som datastyrt tomografi (CT) maskiner i tillegg til MR Imaging (MRI) maskiner30,32,33 og til og med numerisk kontroll (CNC) fresemaskiner for utvikling av implantatprototyper25,29,32,34. Å få tilgang til både MR og CT, spesielt for bruk med NHP, kan ikke være mulig for laboratorier som trenger tilpassede implantater som kranialkamre og hodeposter.

Som et resultat er det behov i samfunnet for billige, nøyaktige og ikke-invasive teknikker for nevrokirurgisk og eksperimentell planlegging som letter utformingen og valideringen av implantater før bruk. Dette papiret beskriver en metode for å generere virtuelle 3D-hjerne- og hodeskallerepresentasjoner fra MR-data for kraniotomi-lokaliseringsplanlegging og utforming av tilpassede kranialkamre og hodeposter som passer til skallen. Denne strømlinjeformede prosedyren gir en standardisert design som kan være til nytte for eksperimentelle resultater og velferden til forsøksdyrene. Bare MR er nødvendig for denne modelleringen fordi både bein og bløtvev er avbildet i MR. I stedet for å bruke en CNC-fresemaskin, kan modeller 3D-skrives ut billig, selv når flere iterasjoner kreves. Dette gjør det også mulig å 3D-printe det endelige designet i biokompatible metaller som titan for implantasjon. I tillegg beskriver vi fabrikasjonen av en kunstig dura, som plasseres inne i kranialkammeret ved implantasjon. Disse komponentene kan valideres pre-kirurgisk ved å montere alle deler på en naturlig størrelse, 3D-trykt modell av skallen og hjernen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle prosedyrer som involverer dyr ble godkjent av Institute for Animal Care and Use Committee ved University of Washington. Totalt fire voksne mannlige rhesusmakaker (Macaca mulatta) ble brukt i denne studien. På tidspunktet for MR-oppkjøpet var ape H 7 år, ape L var 6 år, ape C var 8,5 år gammel og ape B var 5,5 år gammel. Apekatter H og L ble implantert med tilpassede kroniske kamre ved 9 års alder.

1. Hodeskalle og hjerneisolasjon (figur 1)

  1. Skaff deg en T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE) -fil av skallen og hjernen ved hjelp av en 3T MR-maskin. Bruk følgende parametere for MR-opptak35: vippevinkel = 8°, repetisjonstid/ekkotid = 7,5/3,69 s, matrisestørrelse = 432 x 432 x 80, anskaffelsesvarighet = 103,7 s, multispole, skivetykkelse = 1 mm, antall gjennomsnitt = 1.
  2. Last ned mappen merket supplemental_code (tilleggskodefil 1). Denne mappen skal inneholde følgende filer: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37.
  3. Legg til MR-filen i supplemental_code-mappen . I beregningsprogramvaren velger du supplemental_code-mappen som filbane og kjører brain_extract.m.
  4. Følgende trinn skisserer en halvautomatisert metode for hodeskalle og hjerneisolasjon ved hjelp av MATLAB (figur 1), som er aggregert fra tidligere ekstraksjonsteknikker35. Kommandovinduet vil be om parametrene som trengs for hjerne- og hodeskalleisolasjon og kraniotomivisualisering. Etter at hvert svar er lagt inn i kommandovinduet, klikker du enter.
    1. Kommandovinduet vil først be om navnet på MPRAGE-filen. Skriv inn filnavnet (f.eks. MRIFile.dcm) og bekreft at MR-undersøkelsen vises riktig (figur 1A).
    2. For å isolere skallen (figur 1B - D), følg de detaljerte trinnene som er beskrevet i kommandovinduet. Identifiser en passende terskelverdi som skiller skallen fra omkringliggende vev uten å eliminere skallemateriale (tilleggsfigur 1A). Bekreft en terskelverdi ved å trykke på (y).
    3. En lignende teknikk brukes til å isolere hjernen (figur 1E - G). Når du blir bedt om det i kommandovinduet, skriver du inn en terskel for hjernen. Evaluer figuren som dukker opp og juster terskelen om nødvendig. Sørg for at hjernen er isolert fra skallen og omkringliggende vev, og at ingen hjernevev blir fjernet i prosessen. Bekreft en terskelverdi ved å trykke på (y).
    4. Fortsett til delen av interesse.

2. Planlegging av kraniotomi (figur 2)

  1. Etter at hjernen og skallen er ekstrahert, skriv inn koordinatene til kraniotomien. Hvis koordinatene ikke er kjent ennå, angir du (n) for nei, og en figur vises (tilleggsfigur 1B). Bestem kraniotomikoordinater ved å velge en z-ramme (koronalplan) og velge et punkt på den valgte z-rammen for kraniotomisenteret.
    1. Hvis koordinatene er kjent, angi dem med respektive x (sagittal), y (aksial) og z (koronal) verdier.
  2. Skriv inn kraniotomiradiusen i millimeter (f.eks. 10 mm) og velg ingen ytre radius.
  3. Angi om en skala bar er nødvendig for hodeskallen og hjernen bilder. Vektstenger bidrar til å bekrefte at dimensjonene til modellene er riktige.
  4. Lagre hjerne- og hodeskallefiler som STL for 3D-utskrift om ønskelig (figur 1D, G).
  5. Deretter vises en figur med hjernen og kraniotomisert hodeskalle. Dette kan brukes til å verifisere tilgangen til målrettede hjerneområder. Hjernen er representert i blått, og hodeskallen i lysegrå (figur 2B, E).
  6. Velg (n) for å fullføre en reduksjon av SLT-størrelse, som er en funksjon som vil bli brukt i fremtidige trinn (se nedenfor).
  7. Gjenta avsnitt 1 og 2 per kraniotomiterasjon.

3. Utforming av kranialkammer (figur 3)

  1. Før du starter kammerdesignet, må du bekrefte plasseringen av kraniotomien og kraniotomiradiusen ved hjelp av kraniotomi-lokaliseringsplanleggingsprosedyren.
  2. Etter at hodeskallen og hjerneisolasjonen er fullført, vil neste trinn være å legge inn de ferdige koordinatene til sentrum av kraniotomien. Skriv inn verdiene x (sagittal), y (aksial) og z (koronal).
  3. Kommandovinduet vil neste ledetekst for å legge inn indre og ytre radier, som bestemmer området av skallen å jobbe med for kammerdesign. Velg en indre radius som er mindre enn den faktiske kraniotomiradiusen (f.eks. 5 mm for en kraniotomiradius på 10,0 mm) og en andre ytre radius større enn kammerskjørtets planlagte radius (f.eks. 26 mm for et kammerskjørt som vil ha en radius på 22 mm). Dette vil gi en ringformet skallestruktur som grunnlag for kammeret som skal bygges på.
    MERK: For å designe et kammer med en kraniotomiradius på 10 mm ble det valgt en 5 mm indre radius. Dette gir en nøyaktig representasjon av skallen ved kraniotomikanten, samtidig som man opprettholder en liten nok sirkel til at kraniotomisenteret lett kan identifiseres når hodeskallerepresentasjonen eksporteres til designprogramvaren. En ytre radius på 26 mm ble ekstrahert for et kammer med radius 22 mm for å sikre at ekstra skalleområde er tilgjengelig. Dimensjonene til kammeret ble utviklet med begrensninger etablert av eksperimentets behov. Radier som brukes på dette trinnet vil bli bestemt av kraniotomistørrelsen og størrelsen på kammerskjørtet, som er avhengig av skruestørrelser og tilgjengelig plass på skallen.
  4. Angi om skalastenger er nødvendig for skalle- og hjernebilder.
  5. Lagre hjerne- og hodeskallefiler om ønskelig.
  6. En figur vil dukke opp med hjernen (i blått) og hodeskalleområdet (i grått) som ble valgt (figur 3A). En STL-størrelsesreduksjon må deretter brukes på det valgte skalleområdet for enklere håndtering av filen i CAD-programvaren (Computer-Aided Design).
  7. Velg (y) for å starte STL-størrelsesreduksjonen. Størrelsesreduksjonen vil opprette en STL-fil med redusert filstørrelse som enkelt kan importeres til CAD-programvare for tilpasset maskinvaredesign.
  8. Bruk figuren med den overliggende hjernen og hodeskallen (figur 3A), og bruk musen til å velge punkter på skalleoverflaten som skal brukes til filreduksjonen. Hold Skift-tasten nede for å plassere mer enn ett punkt.
    1. Plasser punkter for å dekke interesseområdet, som i dette tilfellet er den valgte skalleregionen. Plasser punktene så tett sammen som mulig for å sikre en mer presis og nøyaktig fremstilling av hodeskallen (tilleggsfigur 2). Noen brukere foretrekker kanskje å velge ~ 20 kritiske punkter og fullføre resten av kammerdesignet som praksis før de velger alle interessepunkter for sluttproduktet.
    2. Når du velger poeng, er det best å plassere så mange poeng i den valgte regionen som mulig. Generelt representerer ~ 200 poeng skallekurvaturen godt. Plasser flere punkter rundt kantene på det valgte området for å understreke grensen mellom hjernen og skallen.
      MERK: Unngå å klikke på enter-knappen før du er ferdig med å plassere punkter over hele regionen, da det vil føre til at koden utvikles for tidlig, og poengvalgsprosessen må gjentas.
  9. Trykk enter når du er ferdig med å plassere punkter på den valgte skallen. Skriv inn det reduserte filnavnet i kommandovinduet.
  10. Importer filen til CAD-programvare for tilpasset kammerdesign. Start med å åpne CAD-programvare.
  11. Klikk Fil > Åpne og velg filnavnet for STL-reduksjonen fra katalogen.
    1. Før du klikker Åpne, klikker du Alternativer-knappen , og i Importer som-menyen klikker du Overflatetekst. Klikk OK og deretter Åpne.
  12. Når STL er importert, se etter små hull på overflaten, indikert med blå linjer. Hvis det er hull i området av skallen som kammeret vil dekke (tilleggsfigur 3), fullfør prosedyren for festehull (avsnitt 6) i trinn 3.19.1.
  13. Se skalleoverflaten for kammeret i CAD-programvare som i figur 3B. Forsikre deg om at kantene på det valgte området er synlige i skallerepresentasjonen.
  14. Finn omrisset av den indre sirkelen i midten av den importerte overflaten for å finne sentrum av kraniotomien. Opprett et plan justert etter den indre sirkelen ved å klikke Sett inn > Referansegeometri > plan. Bruk tre punkter jevnt fordelt langs omkretsen av den indre sirkelen som referansepunkter for planet.
  15. Opprett en sirkel som tilsvarer den indre sirkelen ved å klikke på sirkelikonet i Skisse-fanen . Velg planet fra forrige trinn som referanseplan og identifiser punkter langs kanten til sirkelforhåndsvisningen gir en nøyaktig representasjon av det indre sirkelomrisset. Flere forskjellige kombinasjoner av punkter må kanskje testes for å finne de som passer best til den indre sirkelen.
  16. Med sirkelen som referanse oppretter du et punkt midt på sirkelen ved å klikke Sett inn > Referansegeometri > punkt og bruker alternativet Buesenter . Dette punktet representerer sentrum av kraniotomien.
  17. Som referanseplan for fremtidige ekstruderinger, lag et andre plan parallelt med det opprinnelige planet og forskjøvet med 10 mm. Når du velger retningen for forskyvning, må du sørge for at pilen peker oppover fra objektet.
  18. Opprette indre ring av kammeret (figur 3C)
    1. Lag en akse som strekker seg vinkelrett gjennom både kraniotomiplanet og det øvre planet ved å klikke Sett inn > referansegeometri > akse, merke alternativet Punkt og ansikt/plan og bruke det øvre planet og midtpunktet i kraniotomien som referanser. Lag et annet punkt i skjæringspunktet mellom denne aksen og det øvre planet.
    2. Velg Extrude Boss/Base og det øvre planet som overflaten du vil ekstrudere fra. Lag en skisse av det indre ringtverrsnittet ved å lage to konsentriske sirkler med punktet på det øvre planet som midtpunkt (f.eks. 11,35 mm og 12,25 mm radius). Velg Opp til overflaten på retningsmenyen, og angi den importerte overflaten som overflaten du vil ekstrudere til.
    3. Kopier den importerte overflaten ved å velge Sett inn > Overflate > Flytt/kopier , og hev den kopierte overflaten til høyden på den indre ringen og skjørtet (f.eks. 3,5 mm). Bruk alternativet Oversett i Flytt/kopier-menyen , og oversett overflaten langs aksen vinkelrett på begge planene.
    4. Utfør et sirkulært ekstrudert kutt fra det øvre planet til den kopierte overflaten. Start med å klikke på Ekstrudert kutt og velg den øverste overflaten av den indre ringen som utgangspunkt for det ekstruderte kuttet. Fullfør ekstruderingen ved å velge den kopierte overflaten som endepunkt.
    5. Slett den opprinnelige importerte overflaten ved hjelp av verktøyet Sett inn >funksjoner > Slett/behold brødtekst . Med Skjul/ vis-verktøyet i kategorien Visning kan den kopierte overflaten skjules for å vise den indre ringen og validere utformingen.
  19. Opprette kammerskjørt (figur 3D)
    1. Lag en annen kopiert overflateforskyvning lavere enn den eksisterende overflaten med en tykkelse på kammerskjørtet (f.eks. -1,5 mm). På Oversett-menyen velger du aksen vinkelrett på planene som referansepunkt og en forskyvningsverdi for å opprette den nye overflaten under den opprinnelige.
      MERK: Avhengig av standardretningen for forskyvningsretningen, kan det hende at forskyvningsverdien må angis som negativ for å gå i riktig retning.
      1. Hvis det er hull i området som kammeret skal dekke, følg trinnene som er beskrevet i seksjon 6 (festehull) før du fortsetter med resten av kammerdesignprosedyren.
    2. Utfør en ekstrudering fra det øvre planet til den nedre overflaten i form av kammeret. Start med å velge Ekstruder Boss/Base og velg det øvre planet som ekstruderingsplan.
      1. Følg trinn 6.2 for håndtering av eksisterende profiler fra festehullprosedyren.
    3. Skisse formen på kammerskjørtet på dette planet. Gjør den indre sirkelen av kammeret til en sirkel av samme størrelse som den mindre radiusen til den indre ringen (f.eks. 11,35 mm), sentrer den rundt punktet på det øvre planet, og gjør den ytre grensen til kammerskjørtet ved hjelp av en kombinasjon av buer og linjer for å maksimere skjørtområdet. Ekstruder til den nedre av de to flatene.
      MERK: Hvis det oppstår en feil med ekstruderingen, er det sannsynlig at skissen er bredere enn overflaten. I dette tilfellet reduserer du størrelsen på den ytre skjørtgrensen.
    4. Ekstruder kuttet fra det øvre planet til det høyeste av de to kopierte flatene i form av kammeromrisset.
      1. Se trinn 6.2 for ytterligere informasjon om rester fra festehullprosedyren.
    5. Hvis du vil vise kammerskjørtet og den indre ringen, sletter du begge gjenværende kopier av den importerte overflaten. Det resulterende objektet skal se ut som i figur 3D.
    6. Under prosessen med å gjøre STL-reduksjonen og importere den, speiles modellen av skallen. For å kompensere for dette må det resulterende skjørtet speiles. I Funksjoner-menyen klikker du på Speil og speiler skjørtet over det øvre planet. Slett det originale skjørtet ved hjelp av Delete/Keep Body-funksjonen .
  20. Kombinere kammertopp og skjørt (Figur 3E)
    1. Åpne kammerets topp STL-fil i programvaren som brukes til å designe kammerskjørtet. Sett deretter inn kammerskjørtet som en del ved å klikke Sett inn > del, velge det egendefinerte skjørtet i menyen og klikke hvor som helst på skjermen for å importere delen.
    2. Hvis du vil justere kammertoppen og skjørtet, klikker du Sett inn > funksjoner > Flytt/kopier. Velg kammerskjørtet og klikk på Begrensninger-knappen nederst på menyen. Fremhev den indre ringen av skjørtet og den indre overflaten av kammertoppen som konsentriske kamerater (tilleggsfigur 4A).
      1. Bekreft at toppen av skjørtet er på linje med bunnen av kammertoppen, og bytt mattjusteringsretning om nødvendig.
    3. Bruk Flytt/kopier til å oversette skjørtet nedover rett under kammertoppen. Dette vil kreve flere iterasjoner for å finne riktig avstand slik at kammertoppen ikke strekker seg under kammerskjørtet og hindrer skjørtet (tilleggsfigur 4B og tilleggsfigur 5).
    4. Drei kammeret øverst for å justere mellomrommene mellom fanene slik at en er vinkelrett og en er parallell med midtlinjen i hjernen. Bruk roteringsverktøyet og den eksisterende aksen i midten av objektet som rotasjonsakse. Juster rotasjonsgradene til kammertoppen og skjørtet er i riktig retning i forhold til hverandre.
    5. Koble gjenstander sammen ved å ekstrudere fra bunnen av kammertoppen direkte nedover mot skjørtet. Bruk Extrude Boss/Base, velg den nederste overflaten av kammertoppen, og lag en skisse på denne overflaten med samme indre og ytre radier som denne ringen, ved å bruke den sentrale aksen som midtpunkt. Velg Up To Body som ekstruderingsretning og angi kammerskjørtet.
    6. Utfør et ekstrudert kutt fra overflaten av kammertoppen som holder tappene. Når du har valgt overflaten som ekstruderingsplanet, tegner du en sirkel med samme indre radius som den indre ringen. Avslutt skisse og utfør et blindt ekstrudert snitt som overgår bunnen av kammerskjørtet (f.eks. 10 mm).
    7. Legg tolv skruehull jevnt fordelt rundt kammerskjørtet. Plasser skruehullene slik at de er fordelt jevnt, men også langt nok fra hverandre til at de er tilgjengelige under operasjonen, men nær nok til å unngå et unødvendig stort kammeravtrykk.
    8. Bruk hullveiviserverktøyet til plassering av skruehull. Velg parametere på menyen Hullspesifikasjon - Type . Parametrene skal stemme overens med skruene som skal brukes under kirurgisk implantasjon (f.eks. Standard: ANSI Metric, Type: Flat Head Screw - ANSI B18.6.7M, Størrelse: M2, Passform: Løs, Minimum Diameter: 3,20 mm, Maksimal diameter: 4,00 mm, Countersink vinkel: 90 grader, End Condition: Gjennom alle).
    9. Klikk kategorien Posisjoner for å begynne å plassere hull. For å plassere et hull, hold musepekeren over et plan på kammeret og høyreklikk. Plasser alle tolv skruehullene, sørg for at de er jevnt plassert og tilgjengelige.
    10. Hvis hindringer forblir inne i et skruehull etter at det er plassert (tilleggsfigur 6A), velg et annet plan for å plassere hullet på eller bruk følgende trinn for å utføre et oppadgående ekstrudert kutt gjennom hullet.
      1. Start det oppover ekstruderte kuttet ved å lage et plan parallelt med det gjenværende planet, men forskjøvet nedover med 0,00001 mm slik at planet er direkte under hindringen.
      2. Utfør det ekstruderte kuttet med planet opprettet i det siste trinnet som referanse. Bruk en kombinasjon av buer og linjer, skisser formen på området som må fjernes. Forsikre deg om at skissen inneholder deler av planet som er innenfor skruehullets ytre radius (tilleggsfigur 6B). Ekstruder kuttet 1 mm oppover.
    11. Etter å ha plassert skruehullene, trim skjørtet for å redusere skarpe kanter og minimere unødvendig skjørteområde. Utfør et ekstrudert kutt fra den øverste overflaten av kammeret ned forbi kammerskjørtet (f.eks. 30 mm). Lag ekstruderingen i en form som vil glatte ut eventuelle grove kanter og trimme det ytre skjørtområdet.
      1. Ytterligere tilpassede kutt kan være nødvendig for å fjerne alle skarpe kanter og overflødig skjørt. Hvis områder av skjørtet ikke kan kuttes med kammerets øverste overflate som referanseplan, opprett et vinklet plan og lag ytterligere ekstruderte kutt ved hjelp av dette planet.
    12. Se figur 3F for en endelig representasjon av kammerdesign. Denne designen kan 3D-printes og plasseres på en modellhjerne og kraniotomisert hodeskalle om ønskelig (figur 3G).

4. Design av hodestolper (figur 4)

  1. Legg merke til at den ferdige kraniotomisenterplasseringen og det maksimale skjørteområdet i kammeret vil være nødvendig for hodepostdesignet.
  2. Skriv inn de kjente kraniotomikoordinatene (x-, y- og z-verdier) i kommandovinduet.
  3. For hodepostdesignet er det bare nødvendig med en radius for å representere området på skallen som er tilgjengelig rundt kammeret. På dette trinnet angir du maksimal radius for kammeret som ble designet i forrige seksjon (f.eks. 25 mm). Deretter angir du at ingen ytre radius er nødvendig.
  4. Bruk kommandovinduet til å angi om skaleringsstolper er nødvendige for å bekrefte dimensjoner.
  5. I likhet med de forrige avsnittene, lagre hjerne- og hodeskalle-STL-filer om nødvendig for 3D-utskrift.
    Den neste figuren som vises, viser regionen av skallen som omgir kammeret for å skape et hodepostavtrykk. Pakk ut denne regionen ved hjelp av en STL-størrelsesreduksjon som skal importeres til designprogramvare.
  6. Velg (y) for å angi at du ønsker å redusere STL-størrelsen. Velg punkter på figuren med hjernen (i blått) og skallen (i grått) overlagt sammen. Sørg for at punktene velges så tett sammen som mulig og jevnt fordelt over det grå skalleområdet (tilleggsfigur 7A). For mer informasjon om poengvalgsprosessen, se trinn 3.8.
  7. Trykk enter etter å ha fullført punktvalg for å dekke det grå hodeskalleområdet der hodestolpen skal sitte. Angi et filnavn for den nedlastede reduserte filen i kommandovinduet.
  8. Importer den reduserte filen til CAD-programvare for å utforme det egendefinerte fotavtrykket. Kontroller at filen importeres som et Surface-legeme.
  9. Når du har importert filen, kontrollerer du om det er hull i overflaten som er angitt med blå linjer. Hvis det er hull i det generelle området som hodeposten skal dekke, må festehullprosedyren (seksjon 6) fullføres i trinn 4.11.
  10. Det første trinnet i hodestolpedesignet er å finne et plan på overflaten som justerer seg med aksialplanet, slik at når hodepostens topp og bunn kombineres, er hodeposttoppen vinkelrett på skallen (tilleggsfigur 7B, C). Hvis et plan som er direkte på linje med aksialplanet, ikke kan bli funnet på overflaten av skallen, oppretter du et nytt plan ved hjelp av et eksisterende plan på overflaten og roterer det for å justere det riktig. Det er nyttig å ha en fysisk 3D-skallemodell som kan brukes til sammenligning med den virtuelle hodeskallerepresentasjonen.
    1. Dette trinnet må kanskje endres flere ganger for å lage en hodestolpetopp som er direkte vinkelrett på skallen. Hvis du vil endre vinkelen på toppen av hodestolpen i forhold til fotavtrykket til hodestolpen, endrer du planet som brukes i dette trinnet. Et par fly må kanskje testes for å finne et som sitter parallelt med aksialplanet.
  11. Bruk flyet som ble funnet eller opprettet i forrige trinn for å lage et parallelt plan 3 mm over overflaten som vil gi en referanse for orienteringen til hodestolpetoppen.
    1. Fullfør prosedyren for festehull som er beskrevet i seksjon 6 med hull som oppstår i hodepostområdet.
  12. Opprette hodepost bunn (Figur 4C)
    1. Klikk på Ekstruder sjef/base, velg det nye planet, og opprett en skisse av fotavtrykket ved hjelp av en kombinasjon av buer og linjer. Lag hodestolpeben av tilsvarende lengde og vinklene mellom dem kongruente (se eksempel i figur 4A). Bruk buer for å koble bena på hodestolpen for å sikre glatte kanter rundt fotavtrykket og ekstrudere skissen til importert overflate.
      MERK: Antall hodestolpeben vil avhenge av ledig plass rundt kammeret. Imidlertid bør hodepinnen ha minst tre ben for å sikre riktig mekanisk stabilitet.
      1. Se trinn 6.2 for instruksjoner om hvordan du trekker rundt eksisterende profiler fra festehullprosedyren.
    2. På dette tidspunktet er den nederste overflaten av hodeposten tilgjengelig for å bekrefte at overflaten samsvarer med krumningen av skallen. Hvis 3D-utskrift er ønsket for å sjekke passformen, fullfør følgende fire trinn.
      1. Slett den importerte overflateteksten. Speil fotavtrykket over planet som ble opprettet i trinn 4.10. I speilmenyen bekrefter du at boksen Slå sammen faste stoffer ikke er merket av.
      2. For å bekrefte at fotavtrykket samsvarer med skallekurvaturen, bruk Delete/Keep Body til å slette det opprinnelige fotavtrykket, slik at bare den speilvendte versjonen blir igjen.
      3. 3D-print objektet som en STL og plasser det på 3D Skull-modellen for å fysisk teste om det samsvarer med skallekurvaturen.
      4. Hvis du vil fortsette med hodepostutformingen, bruker du Angre-pilen øverst på verktøylinjen for å angre de to foregående trinnene (speiling og sletting). Dette skal gjenopprette det opprinnelige fotavtrykket og overflatekroppen.
    3. Opprett et punkt i midten av den flate overflaten på fotavtrykket. Opprett en akse ved hjelp av dette punktet og det øvre referanseplanet.
    4. Klikk på flytte-/kopieringsverktøyet og lage en kopi av den importerte overflaten hevet til tykkelsen på hodestolpebunnen (f.eks. 1,35 mm). Bruk aksen i dette trinnet som oversettelsesreferanse, og kontroller at det er merket av for Kopier-boksen for å hindre at den opprinnelige overflaten endres.
    5. Utfør et ekstrudert kutt fra den flate overflaten av hodestolpefotavtrykket til den kopierte (hevede) overflaten. Slett den opprinnelige overflaten og kopien. Den resulterende delen kan ses i figur 4B.
      1. Følg trinn 6.3 for eksisterende profiler fra festehullprosedyren.
    6. Opprett et nytt plan parallelt med referanseplanet, men oversatt oppover eller nedover for å sveve minst 1 mm over hodestolpebunnen. Hvis du vil bestemme lengden på oversettelsen, bruker du måleverktøyet i kategorien Evaluer . Lag en sirkulær ekstrudering fra det nye planet til hodestolpebunnen for å skape en plattform der bunnen av hodestolpetoppen vil sitte og sikre at plattformen er sentrert rundt midtlinjen av skallen.
    7. Bruk filetverktøyet i Funksjoner-menyen for å jevne ut skjæringspunktet mellom ekstruderings- og hodestolpeavtrykket. Test forskjellige radiaverdier ved hjelp av den asymmetriske parameteren og velg de største radiusverdiene som er mulig.
    8. På dette tidspunktet må du kontrollere plasseringen av headpost top-plattformen ved å 3D-printe den nåværende versjonen og teste den mot en hodeskallemodell.
    9. Plasser skruehull langs hodestolpebunnen med samme teknikk som ble brukt til kammerskruehullene (trinn 3.20.7). Legg til minst tre skruehull på hvert hodestolpeben. Forsikre deg om at midtpunktet på hvert skruehull er minst 5 mm fra midten av neste hull, og kantene på hvert hull er minst 2,5 mm fra kanten av beinet.
      1. For å unngå blodkar som går under skallen og nær midtlinjen, må du bekrefte at skruehull ikke krysser midtlinjen og skifte dem om nødvendig. Produktet skal ligne på designet i figur 4C.
    10. Speil delen ved hjelp av speilverktøyet for å kompensere for speilingen som oppstår under import av skalleoverflaten. Bruk toppen av den sirkulære basen som speilplan.
    11. Slett den opprinnelige delen ved hjelp av funksjonen Slett / behold kropp , slik at bare den speilvendte versjonen gjenstår.
  13. Kombinere hodepinnen øverst og nederst (figur 4D)
    1. Importer hodeposttoppen som en del fra Sett inn-menyen . Etter at delen er uthevet i menyen, klikker du hvor som helst på skjermen for å legge til delen.
    2. Bruk Flytt/kopier-funksjonen til å justere hodestolpen øverst og nederst. Start med å spesifisere hodestolpetoppen som kroppen som skal flyttes. Deretter gjør du følgende tre kamerater på Begrensninger-menyen :
      1. Sørg for at den øverste overflaten av den sirkulære hodestolpeplattformen og den nederste overflaten av hodestolpetoppen parret seg tilfeldig.
      2. Sørg for at de skisserte kantene på overflatene i det siste kompisparet parret seg konsentrert.
      3. Kompis en linje som går vertikalt langs bakbenet på hodestolpen og en linje som går horisontalt langs baksiden av hodestolpoppen (den flate siden) vinkelrett. Forsikre deg om at det buede ansiktet på toppen vender fremover (fremre) og det flate ansiktet vender nærmere bakbenet på hodestolpen (bakre).
      4. Bekreft at hver tilkobling er i riktig retning, og bytt parringsanvisningene i menyen om nødvendig (se tilleggsfigur 8 for et eksempel på kompiser).
        MERK: Prosedyren for å kombinere den tilpassede hodepostbunnen og toppen bruker en generisk hodeposttopp som ble designet ved hjelp av CAD-programvare. Her er den øverste delen designet basert på Crist Instruments hodepost. Parringsprosedyren som er skissert ovenfor er spesifikk for disse delene og må kanskje justeres hvis forskjellige parringsdeler brukes.
    3. Sørg for at den kombinerte hodepinnen øverst og nederst ser ut som figur 4D.
      1. Hvis toppen på hodestolpen ikke er riktig justert, endrer du referanseplanet som ble brukt i trinn 4.11.

5. Kunstig durafabrikasjon 11 (figur 5)

  1. Få tak i den kunstige duraformen (figur 5B).
  2. Lag den kunstige dura silikonblandingen ved å blande silikon KE1300-T og CAT-1300 i forholdet 10: 1.
  3. Hell 1 ml av blandingen på sylinderens øverste overflate i midten av formen.
  4. For å forhindre luftbobler, plasser formen i et vakuumkammer i ca. 15 minutter.
  5. Legg til det andre laget av formen, bruk stolpene på hver side av sylinderen for å lede justeringen av stykket.
  6. Hell 3-4 ml silikonblanding i formen og legg det klare akrylstykket på toppen av formen (figur 5A). Bruk en C-klemme for å klemme formen sammen.
  7. Se etter luftbobler i det optiske vinduet og fjern dem med et vakuumkammer etter behov.
  8. Herd den resulterende strukturen over natten ved romtemperatur. Resterende luftbobler fjernes gjennom trykket som oppstår når formen klemmes før herding.
  9. Demonter etter herding ved å fjerne hver støpedel og forsiktig fjerne silikonduraen.

6. Prosedyre for festehull

  1. Utfør prosedyren for festehull hvis det er funnet hull på skallerepresentasjonen (indikert med blå linjer i CAD-programvare). Fullfør følgende trinn etter at de nedre overflatene (overflatene som vil avslutte profilene) er opprettet. For kammeret følger dette trinn 3.19. For hovedposten, start denne prosedyren etter at trinn 4.12 er fullført.
    1. Skjul eventuelle overflater eller profiler i tillegg til den nedre overflaten, slik at den nedre overflaten kan visualiseres uavhengig.
    2. Bruk Sett inn > overflate > plan for å lage en plan overflate på hver side som er i kontakt med gapet, samt over gapet hvis det er aktuelt. Hvis du vil angi en overflate, merker du hver kant som en markeringsenhet.
    3. Lag plane overflater til hvert gap er omringet, inkludert hjørner av hull og kanter av linjer.
    4. Klikk på Sett inn > Overflate > strikk , og velg alle plane overflater som omgir gapet. Se tilleggsfigur 9A for en visuell fremstilling av de strikkede flatene.
    5. Opprett en referanseakse på hvert punkt langs kanten av den strikkede overflaten ved å velge Punkt og Forside/plan som referansetype og velge et punkt på kanten av overflaten og det øvre planet. Gjenta for hvert punkt på kanten av den strikkede overflaten (tilleggsfigur 9B).
    6. Lag et punkt i skjæringspunktet mellom hver akse rundt den strikkede overflaten med det øvre referanseplanet. Velg Skjæringspunkt som referansetype, og velg én akse og det øvre planet. Sørg for at det opprettes et punkt som tilsvarer hver akse.
    7. Lag en skisse som forbinder hvert referansepunkt som ble gjort i forrige trinn. Velg Opp til Overflate for retningen, og velg den strikkede overflaten som overflaten du vil ekstrudere til.
    8. Gjenta trinn 6.1.2-6.1.7 for alle hull i regionen som kammeret eller hodestolpen vil dekke (se tilleggsfigur 9C for sluttresultatet av festehullprosedyren).
  2. Når du utfører ekstruderingen fra det øvre referanseplanet til den laveste overflaten (trinn 3.19.2 eller trinn 4.12.1), må du sørge for at kammer-/hodestolpeomrisset er tegnet rundt de eksisterende profilene.
  3. På samme måte, når du utfører de ekstruderte kuttene fra det øvre planet til det høyeste av de to flatene (trinn 3.19.4 eller trinn 4.12.5), utfør hovedekstrudert kutt separat fra ekstruderingsprosedyrene som resulterte fra festehullprosedyren (tilleggsfigur 10A).
    1. For å utføre ekstruderte kutt fra festehull, ekstruder den øverste overflaten av de eksisterende profilene til et plan på den hevede overflaten som gir en glatt toppflate for kammeret eller hodestolpen (tilleggsfigur 10B). Hvis det ekstruderte kuttet skaper en stiv overflate, bruk et annet plan eller utfør påfølgende ekstruderinger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Disse komponentene ble tidligere validert ved hjelp av en kombinasjon av MR-visualiseringer og 3D-printede anatomiske modeller. Ved å sammenligne den automatiserte kraniotomivisualiseringen med den 3D-printede kraniotomien og MR på stedet for kraniotomien, er det tydelig at den virtuelle kraniotomirepresentasjonen nøyaktig gjenspeiler hjerneområdet som kan nås med den spesifiserte kraniotomiplasseringen (figur 2A-F). I tillegg ble nøyaktigheten av den automatiserte kraniotomivisualiseringen ytterligere evaluert ved å sammenligne den virtuelle representasjonen med eksisterende kraniotomier fra implantasjonsoperasjoner (figur 2E,G). Den 3D-printede modellen, automatisert visualisering, MR og faktisk kraniotomi markerer det samme området, og viser de viktigste sulciene på samme sted og med proporsjonal konsistens. Prosessen med hjerne- og hodeskalleisolasjon og påfølgende kraniotomivisualisering tar under 15 minutter å fullføre, slik at flere steder kan testes på under 1 time.

Effekten av hjerneisolasjonsprosedyren ble bekreftet ved å sammenlikne virtuell kraniotomi med MR-representasjonen av kraniotomilokalisasjonen (figur 2B,C,E,F). Likhetene indikerte at hjerneisolasjonsprosedyren har evnen til å representere riktig størrelse, plassering og form av anatomiske strukturer på hjernen som blir målrettet, for eksempel sulci.

Den kombinerte 3D-printede hjernen og hodeskallen ble brukt som en anatomisk nøyaktig modell for å validere kammer- og hodepostdesignene. Før det ble investert i titandeler, ble kammeret og hodestolpen 3D-printet i plast. Det ble bekreftet at implantatene passet inn i hodeskallen og at de ikke overlappet hverandre eller hindret viktige anatomiske markører. Kammer- og hodepostdesignprosessen produserte komponenter som matchet krumningen av skallen (figur 3G, I, figur 4E, figur 6, figur 7). Den kunstige dura ble også bekreftet å passe ved siden av kammerets indre vegger med et mindre gap for å ta hensyn til justeringer gjort under implantasjon. Tilpassede kamre ble implantert i to makaker. I motsetning til tidligere kammerdesignmetoder9, kunne hver skrue som ble forsøkt satt inn, skrus inn. Dette skyldes den drastiske reduksjonen av mellomrom mellom kammeret og skallen med den tilpassede passformen i forhold til kammeret designet fra MR-krumningstilnærminger9 (figur 6A-F). Det ene spesialtilpassede kammeret har blitt implantert i over 2 år, og det andre halvannet år. Med riktig vedlikehold har det ikke vært noen skruetap, infeksjoner eller stabilitetsproblemer som har oppstått på grunn av disse implantatene (figur 3I).

De tilpassede hodepost- og kammerdesignprosessene forhindrer behovet for manuelle justeringer under operasjonen, noe som ellers kan legge timer til operasjonens varighet. Disse teknikkene reduserer også 1-2 mm gapene som følge av krumningstilnærminger29, noe som fremmer bedre implantathelse og forbedrer eksperimentelle resultater. Forbedringene forhindrer komplikasjoner med implantatet og forlenger implantatets levetid, og forbedrer dermed også dyrevelferden.

Figure 1
Figur 1 Isolering av hjerne og hodeskalle. (A) Lagdelt magnetisk resonansbilde (MR) koronale skiver. (B) Lagdelt binær maske fra skalleterskel. (C) Lagdelte skiver av den isolerte skallen fra en omvendt binær maske. (D) Rekonstruert 3D-hodeskalle. (E) Lagdelt binær maske fra hjerneterskel. (F) Lagdelte MR-skiver av isolert hjerne. (G) Rekonstruert 3D-hjerne. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Planlegging av kraniotomi. (A) Kraniotomi visualisering med 3D-printet hjerne og hodeskalle modell for Monkey B. (B) Kraniotomi visualisering i beregningsorientert programvare for Monkey B. (C) Kraniotomi visualisering i magnetisk resonans (MR) bilde for Monkey B. (D) Craniotomy visualisering med 3D trykt hjerne og hodeskalle modell for Monkey H. (E) Craniotomy visualisering i beregningsorientert programvare for Monkey H. (F) Kraniotomi visualisering i magnetisk resonans (MR) bilde for Monkey H. (G) Bilde av kraniotomi i Monkey H. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Kammerimplantatdesign. (A) Hodeskalleområde (grått) brukt til reduksjon av STL-oppløsning. (B) Reduksjon av hodeskalle STL-oppløsning i SOLIDWORKS. (C) Kammerets indre ring, uthevet. (d) Kammerskjørtdesign i SOLIDWORKS. (E) Tilkoblingskammerskjørt og topp. (F) Kammer STL i SOLIDWORKS. (G) 3D-trykt hjerne, hodeskalle og kammer. (H) Titankammer. (I) Implantert kammer i Monkey H. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Hodepostdesign. (A) Hodepost nederste omriss på hodeskallen STL oppløsning reduksjon. (B) Tilpasset fotavtrykk for hodepost. (C) Hodestolpe nederst. (D) Headpost design i SOLIDWORKS. (E) 3D-trykt hodestolpe på skallen. (F) Titan hodepost. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Kunstig dura-fabrikasjon. (A) Klemming av silikonblanding ved bruk av mugg. (b) Kunstig Dura. Denne figuren er tilpasset med tillatelse fra Griggs et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Custom-fit versus skallen curvature fit chamber. Kammer designet fra MR-krumningsestimater på hodeskalle9 fra en (A) fremre visning, (B) sidevisning og (C) bakre visning. Spesialdesignet kammer fra en (D) fremre visning, (E) sidevisning og (F) bakre visning. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Kammer, hodepost og kunstig dura på overlagt hjerne og hodeskalle Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 1: Terskel- og kraniotomilokaliseringsplanlegging. (A) Eksempel på binær maske med en passende terskel. (B) Koronal skive på MR for å identifisere kraniotomilokalisasjon. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 2: Prosess for STL-filreduksjon i MATLAB for kammerdesign. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 3: Visuell fremstilling av et hull i skallen STL-oppløsningsreduksjon. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 4: Skjermbilder av programvare for kammerskjørt. (A) Indre ring av kammerskjørtet og kammerets indre overflate som konsentriske kamerater. (B) Oversette kammerskjørt nedover. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 5: Kammerskjørt og kammertopp med og uten overlapp. (A) Eksempel på overlapping mellom kammerskjørtet og kammertoppen (Endrer den nedre overflaten av kammerskjørtet). (B) Eksempel på ingen overlapping mellom kammerskjørt og kammertopp. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 6: Plan som hindrer skruehull og eliminering av obstruksjon. (A) Eksempel på fly som hindrer skruehullene etter plassering av skruehull. (B) Omriss av ekstrudert kutt for å eliminere overflater på innsiden av skruehull. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 7: Punktvalg og hodeskallens aksialplan. (A) Punktvalg for hodepostdesign. (B) Øvre visning av planet parallelt med hodeskallens aksiale plan. (C) Sidevisning av planet parallelt med hodeskallens aksiale plan. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 8: Eksempel på kompiser. (A) Styrmann - Øverste overflate av den sirkulære hodestolpeplattformen og den nederste overflaten av hodestolpetoppen som konsentriske kamerater. (B) Second mate - Kanten av den øverste overflaten av sirkulær hodestolpeplattform og kanten av den nederste overflaten av hodestolpoppen som konsentriske kamerater. (C) Tredjestyrmann - En linje som går vertikalt langs bakbenet på hodestolpen og en linje som går horisontalt langs baksiden av hodestolpoppen som vinkelrette kamerater. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 9: Prosedyre for festehull. (A) Strikkede overflater rundt åpningen i den importerte overflaten. (B) Akse på hvert punkt på kanten av den strikkede overflaten. (C) Sluttresultat av å fikse hull prosedyre. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 10: Utføre ekstrudert kutt. (A) Ekstrudert kutt rundt profiler fra festehullprosedyre. (B) Eksempel ekstrudert kuttet til et plan på den øverste overflaten av kammerbunnen. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplerende kodefil 1: Koding av filer for protokollen. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dette papiret skisserer en enkel og presis metode for nevrokirurgisk planlegging som ikke bare er gunstig for utviklingen av komponenter som brukes til NHP-kranialvinduimplantasjon, men også overførbar til andre områder av NHP nevrovitenskapsforskning 13,15,25. I forhold til andre nåværende metoder for NHP-implantatplanlegging og design 25,29,30, har denne prosedyren potensial til å bli vedtatt av flere nevrovitenskapslaboratorier fordi den er enkel og økonomisk. Mens CT vanligvis brukes til skallemodellering32,38, gir denne protokollen tilstrekkelig modelleringsdetaljer for både hjernen og skallen ved hjelp av bare MR-skanninger. Eksisterende metoder krever både MR- og CT-skanning for hjerne- og skalleisolasjon 30,32,33, mens denne metoden eliminerer ekstra kostnader og utfordringer ved CT-avbildning. En ekstra fordel er at denne modellen ikke krever justering av MR- og CT-skanninger, noe som sparer betydelig tid og forhindrer problemer forbundet med dårlig justering39. Generering av både hjerne- og hodeskallemodeller fra en enkelt bildefil produserer svært kompatible modeller som enkelt kombineres for kraniotomivisualisering. Denne funksjonen er spesielt nyttig for iterative kraniotomi-testprosesser fordi i stedet for å kombinere og justere filer fra separate programmer 30,33, genereres begge modellene i en programvare fra en enkelt inndatafil og vises automatisk i løpet av sekunder. Dette muliggjør effektiv bekreftelse av hjerne- og hodeskallemodelleringsnøyaktighet og sikrer at implantater vil matche skallekurvaturen in vivo. Dette eliminerer også iterativ 3D-utskrift av skallen som tidligere var nødvendig for å bestemme den optimale kraniotomiplasseringen35, og sparer dermed titalls timer med utskrift per iterasjon. Vår programvarebaserte teknikk tar til sammenligning rundt 10-15 minutter å generere hver kraniotomiterasjon.

Identifisering av implantatplasseringen i forhold til frontale, parietale og temporale hodeskalleregioner, så vel som andre skallefunksjoner, har enorme fordeler for kirurgisk og eksperimentell planlegging. Denne funksjonen er utnyttet til å tilpasse fotavtrykket til hodeposten med hensyn til kammeravtrykket. For enhver NHP-nevrovitenskapsforskning kan denne romlige modelleringsfunksjonen tilpasses til å designe komponenter fra anatomiske plan, MR-koordinater, anatomiske egenskaper i hjernen og skallen, og med hensyn til eksisterende implantater. Ved å gjøre dette reduseres muligheten for uforutsette problemer under eller etter implantasjon drastisk. Denne prosedyren har også evnen til å lage implantater som spenner over flere hjerneområder fra forskjellige plan, samtidig som den opprettholder en tett passform til skallen.

Metoden som er fremhevet her, skaper et sirkulært kammer og gjør det mulig å utforme en hodestolpe rundt kammeret. Imidlertid har prosedyren her potensial til å imøtekomme andre former gjennom modifikasjonen av Chamber Skirt Design-delen. Det samme gjelder for hodestolpedesignet - prosedyren gjør det mulig å lage forskjellige antall ben og andre tilpassede former, og formen er først og fremst avhengig av ledig plass rundt kammeret. Formen på hodeskallen STL-reduksjon, som for tiden er en ring for kammerdesignet, kan modifiseres ytterligere for å skape forskjellige hodeskalle STL-reduksjonsformer skreddersydd for behovet for bestemte kammer- eller hodepostdesign, noe som letter mer effektiv tilpasning.

Selv om denne prosessen effektivt skaper tilpassede implantater, er det trinn som kan forbedres for mer effektiv produksjon. Som nevnt tidligere, er justering av toppen av hodeposten vinkelrett på skallen en iterativ prosess med den skisserte metoden i dette papiret på grunn av vanskeligheten med å identifisere hodeskalleretningen i designprogramvaren. For å strømlinjeforme prosessen med å plassere hodestolpetoppen på den nederste delen, kan ytterligere markører plasseres på den virtuelle hodeskallerepresentasjonen for å indikere aksiale, sagittale og koronale plan. Protokollen har også potensial til å bli ytterligere automatisert for økt brukervennlighet. Mens skallen STL-reduksjonsmetoden diskutert i denne protokollen er effektiv for å designe implantater, kan den gjøres raskere og mer konsistent med ytterligere automatisering. Vår valideringsprosedyre krever 3D-utskrift av hodeskallen og implantatprototyper for verifisering av at implantatene matchet krumningen av skallen. Dette trinnet kan potensielt elimineres ved å lage en metode for virtuell 3D-visualisering som kombinerer hjernen, hodeskallen, kammeret, hodeposten og kunstig dura sammen.

Plattformen vår gir en helt virtuell prosess med kraniotomiplanlegging og tilpasset implantatdesign. De endelige designene kan 3D-printes og verifiseres på en fysisk modell35 i naturlig størrelse. I motsetning til eksisterende metoder, krever protokollen vår ikke kostbare produktiterasjoner eller tilgang til dyre maskiner som CNC-fresemaskiner 29,34. I likhet med andre eksisterende metoder for implantatdesign 9,12,29,30,32,33,40, er denne metoden helt avhengig av en avbildningsmodalitet for å nøyaktig skildre anatomiske strukturer. Enhver unøyaktighet tilstede i MR-skanningen eller endringer i hjerne- eller hodeskalleanatomi mellom MR og kirurgi kan kompromittere effekten av implantatet. Derfor er riktig planlegging for MR-oppkjøp avgjørende for å optimalisere implantatdesign.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi takker Toni Haun, Keith Vogel og Shawn Fisher for teknisk hjelp og støtte. Dette arbeidet ble støttet av University of Washington Mary Gates Endowment (RI), National Institute of Health NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), Washington National Primate Research Center (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), Center for Neurotechnology (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) og 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

Denne måneden i JoVE utgave 204
En verktøykasse for nevral implantatdesign for ikke-menneskelige primater
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