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 verktygslåda för design av neurala implantat för icke-mänskliga 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

Denna artikel beskriver automatiserade processer för neurokirurgisk planering av icke-mänskliga primater baserat på magnetisk resonanstomografi (MRI). Dessa tekniker använder procedursteg i programmerings- och designplattformar för att stödja anpassad implantatdesign för icke-mänskliga primater. Giltigheten för varje komponent kan sedan bekräftas med hjälp av tredimensionella (3D) utskrivna anatomiska modeller i naturlig storlek.

Abstract

Denna artikel beskriver en intern metod för 3D-modellering av hjärnor och skallar från magnetisk resonanstomografi (MRI) skräddarsydd för neurokirurgisk planering av icke-mänskliga primater (NHP). Denna automatiserade, beräkningsbaserade mjukvarubaserade teknik ger ett effektivt sätt att extrahera hjärn- och skallegenskaper från MRI-filer i motsats till traditionella manuella extraktionstekniker med hjälp av bildbehandlingsprogram. Dessutom ger ingreppet en metod för att visualisera hjärnan och kraniotomerade skallen tillsammans för intuitiv, virtuell kirurgisk planering. Detta genererar en drastisk minskning av tid och resurser jämfört med vad som krävdes av tidigare arbete, som förlitade sig på iterativ 3D-utskrift. Skallmodelleringsprocessen skapar ett fotavtryck som exporteras till modelleringsprogramvara för att designa skräddarsydda kranialkammare och huvudstolpar för kirurgisk implantation. Skräddarsydda kirurgiska implantat minimerar luckor mellan implantatet och skallen som kan leda till komplikationer, inklusive infektion eller minskad stabilitet. Genom att implementera dessa preoperativa steg reduceras kirurgiska och experimentella komplikationer. Dessa tekniker kan anpassas för andra kirurgiska processer, vilket underlättar en mer effektiv och ändamålsenlig experimentell planering för forskare och, potentiellt, neurokirurger.

Introduction

Icke-mänskliga primater är ovärderliga modeller för translationell medicinsk forskning eftersom de evolutionärt och beteendemässigt liknar människor. NHP:er har fått särskild betydelse i prekliniska studier inom neural teknik eftersom deras hjärnor är mycket relevanta modeller för neural funktion och dysfunktion1,2,3,4,5,6,7,8. Vissa kraftfulla hjärnstimulerings- och registreringstekniker, såsom optogenetik, kalciumavbildning och andra, är bäst betjänta med direkt tillgång till hjärnan genom kranialfönster9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Vid NHP uppnås kranialfönster ofta med en kammare och en konstgjord dura för att skydda hjärnan och stödja långsiktiga experiment8,10,12,17,18,24,25,26,27. På samma sätt följer huvudstolpar ofta med kammare för att stabilisera och rikta in huvudet under experiment14,15,25,26,28,29,30. Effektiviteten hos dessa komponenter är starkt beroende av hur väl de passar in i skallen. En närmare passform till skallen främjar benintegration och kraniell hälsa genom att minska sannolikheten för infektion, osteonekros och implantatinstabilitet31. Konventionella designmetoder, såsom manuell böjning av huvudstolpen under operation25,29 och uppskatta skallens krökning genom att anpassa cirklar till koronala och sagittala skivor av magnetisk resonans (MR) skanningar9,12 kan medföra komplikationer på grund av bristande precision. Även de mest exakta av dessa skapar 1-2 mm mellanrum mellan implantatet och skallen, vilket ger utrymme för granulationsvävnad att ackumuleras29. Dessa luckor medför dessutom svårigheter att placera skruvar vid kirurgi9, vilket äventyrar implantatets stabilitet. Skräddarsydda implantat har på senare tid utvecklats för att förbättra osseointegration och implantatlivslängd9,29,30,32. Ytterligare kostnader har åtföljt framsteg inom anpassad implantatdesign på grund av beroendet av beräkningsmodeller. De mest exakta metoderna kräver sofistikerad utrustning som datortomografimaskiner (CT) utöver MR-avbildningsmaskiner (MRI)30,32,33 och till och med CNC-fräsmaskiner (Computer Numerical Control) för utveckling av implantatprototyper25,29,32,34. Att få tillgång till både MRT och CT, särskilt för användning med NHP, kanske inte är möjligt för laboratorier som behöver skräddarsydda implantat som kranialkammare och huvudstolpar.

Som ett resultat finns det ett behov i samhället av billiga, exakta och icke-invasiva tekniker för neurokirurgisk och experimentell planering som underlättar design och validering av implantat före användning. Denna artikel beskriver en metod för att generera virtuella 3D-representationer av hjärnor och skallar från MR-data för planering av kraniotomiplatser och design av anpassade kranialkammare och huvudstolpar som passar skallen. Denna strömlinjeformade procedur ger en standardiserad design som kan gynna experimentella resultat och försöksdjurens välbefinnande. Endast MRT krävs för denna modellering eftersom både ben och mjukvävnad avbildas i MRT. Istället för att använda en CNC-fräsmaskin kan modeller 3D-printas billigt, även när flera iterationer krävs. Detta gör det också möjligt att 3D-printa den slutliga designen i biokompatibla metaller som titan för implantation. Dessutom beskriver vi tillverkningen av en konstgjord dura, som placeras inuti kranialkammaren vid implantation. Dessa komponenter kan valideras prekirurgiskt genom att passa in alla delar på en 3D-printad modell av skallen och hjärnan i naturlig storlek.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alla procedurer som involverar djur har godkänts av Institute for Animal Care and Use Committee vid University of Washington. Totalt fyra vuxna rhesusmakaker (Macaca mulatta) användes i denna studie. Vid tidpunkten för MRT-undersökningen var apa H 7 år gammal, apa L var 6 år, apa C var 8,5 år och apa B var 5,5 år gammal. Aporna H och L implanterades med anpassade kroniska kammare vid 9 års ålder.

1. Isolering av skalle och hjärna (figur 1)

  1. Skaffa en T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE) fil av skallen och hjärnan med hjälp av en 3T MRI-maskin. Använd följande parametrar för MRT-insamling35: vippvinkel = 8°, repetitionstid/ekotid = 7,5/3,69 s, matrisstorlek = 432 x 432 x 80, insamlingstid = 103,7 s, Multicoil, skivtjocklek = 1 mm, antal medelvärden = 1.
  2. Ladda ner mappen märkt supplemental_code (Supplemental Coding File 1). Den här mappen ska innehålla följande filer: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37.
  3. Lägg till MRT-filen i mappen supplemental_code . I beräkningsprogrammet väljer du mappen supplemental_code som filsökväg och kör brain_extract.m.
  4. Följande steg beskriver en halvautomatiserad metod för isolering av skalle och hjärna med hjälp av MATLAB (figur 1), som har aggregerats från tidigare extraktionstekniker35. Kommandofönstret kommer att fråga efter de parametrar som behövs för hjärn- och skallisolering och kraniotomivisualisering. När varje svar har angetts i kommandofönstret klickar du på Retur.
    1. Kommandofönstret kommer först att fråga efter namnet på MPRAGE-filen. Skriv in filnamnet (t.ex. MRIFile.dcm) och bekräfta att MRT visas korrekt (Figur 1A).
    2. För att isolera skallen (Bild 1B - D), följ de detaljerade stegen som beskrivs i kommandofönstret. Identifiera ett lämpligt tröskelvärde som separerar skallen från omgivande vävnad utan att eliminera skallmaterialet (tilläggsfigur 1A). Bekräfta ett tröskelvärde genom att trycka på (y).
    3. En liknande teknik används för att isolera hjärnan (Figur 1E - G). När du uppmanas att göra det i kommandofönstret anger du ett tröskelvärde för hjärnan. Utvärdera siffran som dyker upp och justera tröskeln om det behövs. Se till att hjärnan isoleras från skallen och omgivande vävnad och att ingen hjärnvävnad avlägsnas i processen. Bekräfta ett tröskelvärde genom att trycka på (y).
    4. Gå vidare till avsnittet av intresse.

2. Platsplanering för kraniotomi (figur 2)

  1. Efter att hjärnan och skallen har extraherats, mata in koordinaterna för kraniotomin. Om koordinaterna ännu inte är kända, ange (n) för nej, och en siffra kommer att visas (kompletterande figur 1B). Bestäm kraniotomikoordinater genom att välja en z-ram (koronalplan) och välja en punkt på den valda z-ramen för kraniotomicentrum.
    1. Om koordinaterna är kända, ange dem med respektive x (sagittal), y (axiell) och z (koronal) värden.
  2. Ange kraniotomiradien i millimeter (t.ex. 10 mm) och välj ingen ytterradie.
  3. Ange om en skalstapel behövs för skall- och hjärnbilderna. Skalstaplar hjälper till att bekräfta att modellernas mått är korrekta.
  4. Spara hjärn- och skallfiler som STL för 3D-utskrift om så önskas (Figur 1D, G).
  5. Därefter kommer en figur med hjärnan och kraniotomerad skalle att visas. Detta kan användas för att verifiera åtkomsten till riktade hjärnområden. Hjärnan är representerad i blått och skallen i ljusgrått (Figur 2B, E).
  6. Välj (n) för att slutföra en SLT-storleksminskning, vilket är en funktion som kommer att användas för framtida steg (se nedan).
  7. Upprepa avsnitt 1 och 2 per kraniotomi.

3. Kranialkammarens utformning (figur 3)

  1. Innan du påbörjar kammardesignen, bekräfta placeringen av kraniotomin och kraniotomiradien med hjälp av kraniotomins platsplaneringsprocedur.
  2. Efter att skall- och hjärnisoleringen har slutförts blir nästa steg att mata in de slutliga koordinaterna för kraniotomins centrum. Mata in värdena x (sagittal), y (axiell) och z (koronal).
  3. Kommandofönstret kommer sedan att uppmana till att ange de inre och yttre radierna, som bestämmer området på skallen att arbeta med för kammardesign. Välj en inre radie som är mindre än den faktiska kraniotomiradien (t.ex. 5 mm för en kraniotomiradie på 10,0 mm) och en andra yttre radie som är större än den planerade radien för kammarkjolen (t.ex. 26 mm för en kammarkjol som kommer att ha en radie på 22 mm). Detta kommer att ge en ringformad skallstruktur som en grund för kammaren som ska byggas på.
    OBS: För att designa en kammare med en kraniotomiradie på 10 mm valdes en inre radie på 5 mm. Detta ger en exakt representation av skallen vid kraniotomikanten samtidigt som en tillräckligt liten cirkel bibehålls för att kraniotomicentret lätt ska kunna identifieras när skallrepresentationen exporteras till designprogramvaran. En yttre radie på 26 mm extraherades för en kammare med radie 22 mm för att säkerställa att extra skallområde finns tillgängligt. Kammarens dimensioner utvecklades med begränsningar som fastställdes av experimentets behov. Radier som används i detta steg kommer att bestämmas av kraniotomistorleken och storleken på kammarkjolen, vilket beror på skruvstorlekar och tillgängligt utrymme på skallen.
  4. Ange om skalstaplar behövs för skall- och hjärnbilder.
  5. Spara hjärn- och skallfiler om så önskas.
  6. En figur kommer att dyka upp med hjärnan (i blått) och skallregionen (i grått) som valdes (Figur 3A). En STL-storleksreduktion måste sedan tillämpas på det valda skallområdet för enklare hantering av filen i CAD-programvaran (Computer-Aided Design).
  7. Välj (y) för att påbörja STL-storleksminskningen. Storleksminskningen skapar en STL-fil med en reducerad filstorlek som enkelt kan importeras till CAD-programvara för anpassad hårdvarudesign.
  8. Använd figuren med den överlagrade hjärnan och skallen (Figur 3A), använd musen för att välja punkter på skallens yta som ska användas för file reduktion. Håll ned skifttangenten om du vill placera mer än en punkt.
    1. Placera punkter för att täcka det intressanta området, vilket i det här fallet är det valda skallområdet. Placera spetsarna så nära varandra som möjligt för att säkerställa en mer exakt och exakt representation av skallen (tilläggsfigur 2). Vissa användare kanske föredrar att välja ~20 kritiska punkter och slutföra resten av kammardesignen som övning innan de väljer alla intressanta punkter för slutprodukten.
    2. När du väljer punkter är det bäst att placera så många punkter i det valda området som möjligt. I allmänhet representerar ~200 punkter skallens krökning väl. Placera fler punkter runt kanterna på det valda området för att betona gränsen mellan hjärnan och skallen.
      OBS: Undvik att klicka på enter-knappen innan du är klar med att placera punkter över regionen, eftersom det kommer att leda till att koden fortskrider i förtid och punktvalsprocessen måste upprepas.
  9. Tryck på enter när du är klar med att placera ut punkter på den valda skallen. Skriv det reducerade filnamnet i kommandofönstret.
  10. Importera filen till CAD-programvara för anpassad kammardesign. Börja med att öppna CAD-programvara.
  11. Klicka på Arkiv > Öppna och välj filnamnet för STL-reduktionen i katalogen.
    1. Innan du klickar på Öppna klickar du på knappen Alternativ och på Importera som-menyn klickar du på Brödtext. Klicka på OK och sedan på Öppna.
  12. När STL har importerats, kontrollera om det finns små hål på ytan, indikerade med blå linjer. Om det finns hål i skallområdet som kammaren kommer att täcka (tilläggsfigur 3), slutför proceduren för fixeringshålen (avsnitt 6) i steg 3.19.1.
  13. Se skallytan för kammaren i CAD-programvara som i figur 3B. Se till att kanterna på det valda området är synliga i skallrepresentationen.
  14. Hitta konturerna av den inre cirkeln i mitten av den importerade ytan för att lokalisera centrum av kraniotomin. Skapa ett plan i linje med den inre cirkeln genom att klicka på Infoga > Referensgeometri > plan. Använd tre punkter jämnt fördelade längs den inre cirkelns omkrets som referenspunkter för planet.
  15. Skapa en cirkel som motsvarar den inre cirkeln genom att klicka på cirkelikonen på fliken Skiss . Välj planet från föregående steg som referensplan och identifiera punkter längs kanten tills cirkelförhandsgranskningen ger en korrekt representation av den inre cirkelns kontur. Flera olika kombinationer av punkter kan behöva testas för att hitta de som bäst passar den inre cirkeln.
  16. Med cirkeln som referens skapar du en punkt i mitten av cirkeln genom att klicka på Infoga > referensgeometri > punkt och använder alternativet Bågcentrum . Denna punkt representerar centrum för kraniotomin.
  17. Som referensplan för framtida profiler, gör ett andra plan parallellt med utgångsplanet och förskjutet med 10 mm. När du väljer förskjutningsriktning, se till att pilen pekar uppåt från objektet.
  18. Skapa kammarens inre ring (Figur 3C)
    1. Skapa en axel som sträcker sig vinkelrätt genom både kraniotomiplanet och det övre planet genom att klicka på Infoga > referensgeometri > axel, markera alternativet Punkt och yta/plan och använda det övre planet och kraniotomins mittpunkt som referenser. Gör en annan punkt i skärningspunkten mellan denna axel och det övre planet.
    2. Välj Extrude Boss/Base och det övre planet som yta att extrudera från. Gör en skiss av den inre ringens tvärsnitt genom att skapa två koncentriska cirklar med punkten på det övre planet som mittpunkt (t.ex. 11,35 mm och 12,25 mm radier). Välj Upp till yta på riktningsmenyn och ange den importerade ytan som den yta som du vill extrudera till.
    3. Kopiera den importerade ytan genom att välja Infoga > Yta > Flytta/kopiera och höj den kopierade ytan till den inre ringen och kjolen (t.ex. 3,5 mm). Använd alternativet Översätt på menyn Flytta/kopiera och förflytta ytan längs axeln vinkelrätt mot båda planen.
    4. Utför ett cirkulärt extruderat snitt från det övre planet till den kopierade ytan. Börja med att klicka på Extruded Cut och välj den övre ytan av den inre ringen som startpunkt för det extruderade snittet. Slutför extruderingen genom att välja den kopierade ytan som slutpunkt.
    5. Ta bort den ursprungliga importerade ytan med hjälp av verktyget Infoga > funktioner > Ta bort/behåll brödtext . Med verktyget Dölj/Visa på fliken Visa kan den kopierade ytan döljas för att visa den inre ringen och validera dess design.
  19. Skapa kammarkjol (Figur 3D)
    1. Gör en andra kopierad yta förskjuten lägre än den befintliga ytan med en tjocklek på kammarkjolen (t.ex. -1.5 mm). I menyn Översätt väljer du axeln vinkelrätt mot planen som referenspunkt och ett förskjutningsvärde för att skapa den nya ytan under den ursprungliga.
      OBS: Beroende på standardriktningen för förskjutningsriktningen kan offsetvärdet behöva ställas in som negativt för att gå i rätt riktning.
      1. Om det finns hål i området som kammaren kommer att täcka, följ stegen som beskrivs i avsnitt 6 (fixering av hål) innan du fortsätter med resten av kammarens designprocedur.
    2. Utför en extrudering från det övre planet till den nedre ytan i form av kammaren. Börja med att välja Extrude Boss/Base och välj det övre planet som extruderingsplan.
      1. Följ steg 6.2 för hantering av befintliga profiler från fixeringshålsproceduren.
    3. Skissa formen på kammarkjolen på detta plan. Gör kammarens inre cirkel till en cirkel av samma storlek som den inre ringens mindre radie (t.ex. 11,35 mm), centrera den runt punkten på det övre planet och gör den yttre gränsen för kammarkjolen med en kombination av bågar och linjer för att maximera kjolytan. Extrudera till den nedre av de två ytorna.
      OBS: Om ett fel uppstår med extruderingen är det troligt att skissen är bredare än ytan. Minska i så fall storleken på den yttre kjolgränsen.
    4. Extrudera skuren från det övre planet till det högre av de två kopierade ytorna i form av kammarens kontur.
      1. Se steg 6.2 för ytterligare information om profiler som blir över från fixeringshålsproceduren.
    5. För att visa kammarkjolen och den inre ringen, ta bort båda de återstående kopiorna av den importerade ytan. Det resulterande objektet bör se ut ungefär som i figur 3D.
    6. Under processen att göra STL-reduktionen och importera den speglas modellen av skallen. För att kompensera för detta måste den resulterande kjolen speglas. I menyn Funktioner klickar du på Spegel och speglar kjolen över det övre planet. Ta bort originalkjolen med hjälp av funktionen Ta bort/behåll kropp .
  20. Genom att kombinera kammarens topp och kjol (Figur 3E)
    1. Öppna kammarens övre STL-fil i programvaran som används för att designa kammarkjolen. Sätt sedan in kammarkjolen som en del genom att klicka på Infoga > del, välja den anpassade kjolen i menyn och klicka var som helst på skärmen för att importera delen.
    2. För att justera kammarens topp och kjol, klicka på Infoga > funktioner > Flytta/kopiera. Välj kammarkjolen och klicka på knappen Begränsningar längst ner i menyn. Markera kjolens inre ring och kammarens ovansida som koncentriska kompisar (tilläggsfigur 4A).
      1. Kontrollera att kjolens överdel är i linje med kammarens ovansida och byt riktning om det behövs.
    3. Använd Flytta/Kopiera för att flytta kjolen nedåt direkt under kammarens topp. Detta kommer att kräva flera iterationer för att hitta rätt avstånd så att kammartoppen inte sträcker sig under kammarkjolen och blockerar kjolen (kompletterande figur 4B och kompletterande figur 5).
    4. Vrid kammarens topp för att rikta in luckorna mellan flikarna så att en är vinkelrät och en är parallell med hjärnans mittlinje. Använd roteringsverktyget och den befintliga axeln i mitten av objektet som rotationsaxel. Justera rotationsgraderna tills kammarens topp och kjol är i rätt riktning i förhållande till varandra.
    5. Koppla ihop föremål genom att pressa från botten av kammarens topp direkt nedåt mot kjolen. Använd Extrude Boss/Base, välj den nedre ytan av kammarens topp och skapa en skiss på denna yta med samma inre och yttre radier som denna ring, med den centrala axeln som mittpunkt. Välj Upp till kropp som extruderingsriktning och ange kammarkjolen.
    6. Utför ett extruderat snitt från ytan på kammarens topp som håller flikarna. När du har valt den ytan som extruderingsplan skissar du en cirkel med samma inre radie som den inre ringen. Avsluta skissen och utför ett blindt extruderat snitt som överstiger botten av kammarkjolen (t.ex. 10 mm).
    7. Lägg till tolv skruvhål jämnt fördelade runt kammarkjolen. Placera skruvhålen så att de är jämnt fördelade men också tillräckligt långt ifrån varandra så att de är åtkomliga under operationen men tillräckligt nära för att undvika ett onödigt stort kammarfotavtryck.
    8. Använd verktyget Hålguiden för att placera skruvhål. Välj parametrar i menyn Hålspecifikation - Typ . Parametrarna bör vara i linje med de skruvar som kommer att användas under kirurgisk implantation (t.ex. Standard: ANSI Metrisk, Typ: Platt skruv - ANSI B18.6.7M, Storlek: M2, Passform: Lös, Minsta diameter: 3.20 mm, Maximal diameter: 4.00 mm, Försänkningsvinkel: 90 grader, Sluttillstånd: Genom alla).
    9. Klicka på fliken Positioner för att börja placera hål. För att placera ett hål, håll muspekaren över ett plan på kammaren och högerklicka. Placera alla tolv skruvhålen och se till att de är jämnt placerade och åtkomliga.
    10. Om hinder finns kvar i ett skruvhål efter att det har placerats (tilläggsfigur 6A), välj ett annat plan att placera hålet på eller använd följande steg för att utföra ett uppåtriktat extruderat snitt genom hålet.
      1. Starta det uppåtriktade extruderade snittet genom att skapa ett plan parallellt med det återstående planet men förskjutet nedåt med 0,00001 mm så att planet är direkt under hindret.
      2. Utför det extruderade snittet med planet som skapades i det sista steget som referens. Använd en kombination av bågar och linjer för att skissa formen på det område som behöver tas bort. Se till att skissen innehåller någon del av planet som ligger innanför skruvhålets yttre radie (tilläggsfigur 6B). Extrudera såga 1 mm uppåt.
    11. Efter att ha placerat skruvhålen, trimma kjolen för att minska vassa kanter och minimera onödig kjolyta. Utför ett extruderat snitt från kammarens övre yta ner förbi kammarkjolen (t.ex. 30 mm). Gör extruderingen i en form som jämnar ut eventuella grova kanter och trimmar det yttre kjolområdet.
      1. Ytterligare anpassade snitt kan behövas för att ta bort alla vassa kanter och överflödig kjol. Om delar av kjolen inte kan skäras med kammarens övre yta som referensplan, skapa ett vinklat plan och skapa ytterligare extruderade snitt med detta plan.
    12. Se figur 3F för en slutlig representation av kammardesignen. Denna design kan 3D-printas och placeras på en modellhjärna och kraniotomerad skalle om så önskas (Figur 3G).

4. Huvudstolpens utformning (figur 4)

  1. Observera att den slutliga kraniotomicentrumplaceringen och den maximala kjolytan i kammaren kommer att krävas för huvudstolpsdesignen.
  2. Mata in de kända kraniotomikoordinaterna (x-, y- och z-värden) i kommandofönstret.
  3. För huvudstolpsens design krävs endast en radie för att representera det område på skallen som finns tillgängligt runt kammaren. I detta steg anger du den maximala radien för kammaren som designades i föregående avsnitt (t.ex. 25 mm). Ange sedan att ingen yttre radie behövs.
  4. Använd kommandofönstret för att ange om skalstaplar behövs för att bekräfta dimensioner.
  5. I likhet med föregående avsnitt, spara hjärn- och skalle STL-filer om det behövs för 3D-utskrift.
    Nästa figur som visas kommer att visa den del av skallen som omger kammaren för att skapa ett fotavtryck från huvudstolpen. Extrahera den här regionen med hjälp av en STL-storleksminskning som ska importeras till designprogramvaran.
  6. Välj (y) för att indikera att en STL-storleksminskning önskas. Välj punkter på figuren med hjärnan (i blått) och skallen (i grått) överlagrade tillsammans. Se till att punkterna väljs så nära varandra som möjligt och jämnt fördelade över det grå skallområdet (tilläggsfigur 7A). För mer information om poängvalsprocessen, se steg 3.8.
  7. Tryck på enter efter att ha slutfört punktvalet för att täcka det grå dödskalleområdet där huvudstolpen kommer att sitta. Ange ett filnamn för den nedladdade reducerade filen i kommandofönstret.
  8. Importera den reducerade filen till CAD-programvara för att designa det anpassade fotavtrycket för huvudstolpen. Kontrollera att filen importeras som en Surface Body.
  9. När du har importerat filen kontrollerar du om det finns hål i ytan som indikeras med blå linjer. Om det finns hål i det allmänna området som huvudstolpen kommer att täcka, måste fixeringshålsproceduren (avsnitt 6) slutföras i steg 4.11.
  10. Det första steget i huvudstolpens design är att hitta ett plan på ytan som är i linje med det axiella planet så att huvudstolpens topp och botten är vinkelrät mot skallen när huvudstolpens topp och botten kombineras (tilläggsfigur 7B, C). Om ett plan som är direkt i linje med det axiella planet inte kan hittas på skallens yta, skapa ett nytt plan med hjälp av ett befintligt plan på ytan och rotera det för att rikta in det korrekt. Det är bra att ha en fysisk 3D-skallmodell som kan användas för jämförelse med den virtuella skallrepresentationen.
    1. Detta steg kan behöva modifieras flera gånger för att skapa en huvudstolpstopp som är direkt vinkelrät mot skallen. För att ändra vinkeln på huvudstolpens topp i förhållande till stolpens fotavtryck, ändra planet som används i detta steg. Ett par plan kan behöva testas för att hitta ett som sitter parallellt med axialplanet.
  11. Använd det plan som hittades eller skapades i föregående steg för att skapa ett parallellt plan 3 mm ovanför ytan som ger en referens för orienteringen av huvudstolpens topp.
    1. Slutför proceduren för fästhålen som beskrivs i avsnitt 6 med luckor som uppstår i huvudstolpsområdet.
  12. Skapa huvudstolpsbotten (Figur 4C)
    1. Klicka på Extrude Boss/Base, välj det nya planet och skapa en skiss av huvudstolpens fotavtryck med hjälp av en kombination av bågar och linjer. Gör huvudstolpsbenen av samma längd och vinklarna mellan dem kongruenta (se exempel i figur 4A). Använd bågar för att ansluta benen på huvudstolpen för att säkerställa släta kanter runt fotavtrycket och extrudera skissen på importerad yta.
      OBS: Antalet huvudstolpsben beror på det tillgängliga utrymmet runt kammaren. Huvudstolpen bör dock ha minst tre ben för att säkerställa korrekt mekanisk stabilitet.
      1. Se steg 6.2 för instruktioner om hur du ritar runt de befintliga profilerna från fixeringshålsproceduren.
    2. Vid denna tidpunkt är den nedre ytan av huvudstolpen tillgänglig för att bekräfta att ytan matchar skallens krökning. Om 3D-utskrift önskas för att kontrollera passformen, slutför följande fyra steg.
      1. Ta bort den importerade ytkroppen. Spegla fotavtrycket över planet som skapades i steg 4.10. I menyn Spegling bekräftar du att rutan Sammanfoga fasta ämnen är avmarkerad.
      2. För att verifiera fotavtrycket matchar skallens krökning, använd Delete/Keep Body för att ta bort det ursprungliga fotavtrycket och lämna bara den speglade versionen.
      3. 3D-printa objektet som en STL och placera det på 3D-dödskallemodellen för att fysiskt testa om det matchar skallens krökning.
      4. Om du vill fortsätta med huvudstolpsdesignen använder du pilen Ångra högst upp i verktygsfältet för att ångra de två föregående stegen (spegling och borttagning). Detta bör återställa det ursprungliga fotavtrycket och ytkroppen.
    3. Skapa en punkt i mitten av den plana ytan på fotavtrycket. Skapa en axel med hjälp av denna punkt och det övre referensplanet.
    4. Klicka på verktyget Flytta/kopiera och skapa en kopia av den importerade ytan upphöjd till tjockleken på huvudstolpens botten (t.ex. 1,35 mm). Använd axeln som skapades i det här steget som translationsreferens och kontrollera att rutan Kopiera är markerad för att förhindra att den ursprungliga ytan ändras.
    5. Utför ett extruderat snitt från den plana ytan på huvudstolpens fotavtryck till den kopierade (upphöjda) ytan. Ta bort den ursprungliga ytan och dess kopia. Den resulterande delen kan ses i figur 4B.
      1. Följ steg 6.3 för befintliga profiler från fixeringshålsproceduren.
    6. Skapa ett nytt plan parallellt med referensplanet men förflyttat uppåt eller nedåt för att sväva minst 1 mm ovanför huvudstolpens botten. Om du vill bestämma längden på översättningen använder du mätverktyget på fliken Utvärdera . Gör en cirkulär extrudering från det nya planet till huvudstolpens botten för att skapa en plattform där basen på huvudstolpens topp kommer att sitta och se till att plattformen är centrerad runt skallens mittlinje.
    7. Använd verktyget Filé i menyn Funktioner för att jämna ut skärningspunkten mellan profilen och huvudstolpens fotavtryck. Testa olika radievärden med hjälp av parametern Asymmetric och välj största möjliga radievärden.
    8. Kontrollera nu placeringen av huvudstolens toppplattform genom att 3D-printa den aktuella versionen och testa den mot en dödskallemodell.
    9. Placera skruvhål längs huvudstolpens botten med samma teknik som användes för kammarens skruvhål (steg 3.20.7). Lägg till minst tre skruvhål på varje huvudstolpsben. Se till att mittpunkten för varje skruvhål är minst 5 mm från mitten av nästa hål, och kanterna på varje hål är minst 2.5 mm från benets kant.
      1. För att undvika blodkärl som löper under skallen och nära mittlinjen, kontrollera att skruvhålen inte korsar mittlinjen och flytta dem om det behövs. Produkten ska likna designen i figur 4C.
    10. Spegla delen med hjälp av spegelverktyget för att kompensera för speglingen som uppstår under importen av skallens yta. Använd toppen av den cirkulära basen som spegelplan.
    11. Ta bort originaldelen med hjälp av funktionen Ta bort/behåll brödtext så att endast den speglade versionen återstår.
  13. Kombinera huvudstolpens över- och undersida (Figur 4D)
    1. Importera huvudstolpens överkant som en del från menyn Infoga . När delen har markerats i menyn klickar du var som helst på skärmen för att lägga till delen.
    2. Använd funktionen Flytta/kopiera för att justera huvudstolpens övre och nedre del. Börja med att ange huvudstolpens topp som den kropp som ska flyttas. Gör sedan följande tre kompisar på menyn Begränsningar :
      1. Se till att den övre ytan på den cirkulära stolpplattformen och den nedre ytan på huvudstolpens topp passade ihop.
      2. Se till att de konturerade kanterna på ytorna i det sista partnerparet passade koncentriskt.
      3. Para ihop en linje som går vertikalt längs det bakre benet på huvudstolpen och en linje som löper horisontellt längs baksidan av huvudstolpens topp (den platta sidan) vinkelrätt. Se till att den böjda ytan på toppen är vänd framåt (främre) och att den platta ytan är vänd närmare huvudstolpens bakre ben (bakre).
      4. Bekräfta att varje anslutning är i rätt riktning och byt parningsriktningar i menyn om det behövs (se kompletterande figur 8 för ett example av kompisar).
        OBS: Proceduren för att kombinera den anpassade huvudstolpens botten och topp använder en generisk huvudstolpstopp som designades med CAD-programvara. Här är den övre delen designad utifrån Crist Instruments huvudstolpe. Parningsproceduren som beskrivs ovan är specifik för dessa delar och kan behöva justeras om olika parningsdelar används.
    3. Se till att den kombinerade huvudstolpens övre och nedre del ser ut som i figur 4D.
      1. Om huvudstolpens överdel inte är korrekt inriktad, ändra referensplanet som användes i steg 4.11.

5. Tillverkning av konstgjord dura 11 (figur 5)

  1. Skaffa den konstgjorda duraformen (Figur 5B).
  2. Skapa den konstgjorda dura-silikonblandningen genom att blanda silikon KE1300-T och CAT-1300 i förhållandet 10:1.
  3. Häll 1 ml av blandningen på cylinderns ovansida i mitten av formen.
  4. För att förhindra luftbubblor, placera formen i en vakuumkammare i cirka 15 min.
  5. Lägg till det andra lagret av formen med hjälp av stolparna på vardera sidan av cylindern för att styra inriktningen av biten.
  6. Häll 3-4 ml silikonblandning i formen och placera den genomskinliga akrylbiten på toppen av formen (Figur 5A). Använd en C-klämma för att klämma ihop formen.
  7. Kontrollera om det finns luftbubblor i det optiska fönstret och ta bort dem med en vakuumkammare vid behov.
  8. Härda den resulterande kompositionen över natten i rumstemperatur. Överblivna luftbubblor avlägsnas genom det tryck som skapas när formen kläms fast före härdning.
  9. Demontera efter härdning genom att ta bort varje formdel och försiktigt ta bort silikondura.

6. Procedur för fixering av hål

  1. Utför fixeringshålsproceduren om hål har hittats på skallrepresentationen (indikeras med blå linjer i CAD-programvara). Utför följande steg efter att de nedre ytorna (ytorna som avslutar profilerna) har skapats. För kammaren följer detta steg 3.19. För huvudstolpen, starta denna procedur efter att steg 4.12 har slutförts.
    1. Dölj alla ytor eller profiler förutom den nedre ytan så att den nedre ytan kan visualiseras oberoende av varandra.
    2. Använd Insert > Surface > Planar för att skapa en plan yta på varje yta som är i kontakt med gapet, samt över gapet om tillämpligt. Om du vill ange en yta väljer du varje kant som en avgränsningsentitet.
    3. Gör plana ytor tills varje mellanrum är omringat, inklusive hörn av luckor och kanter av linjer.
    4. Klicka på Infoga > Surface > Knit och markera alla plana ytor som omger mellanrummet. Se kompletterande figur 9A för en bild av de stickade ytorna.
    5. Skapa en referensaxel vid varje punkt längs kanten på den stickade ytan genom att välja Punkt och Yta/Plan som referenstyp och välja en punkt på kanten av ytan och det övre planet. Upprepa för varje punkt på kanten av den stickade ytan (kompletterande figur 9B).
    6. Skapa en punkt i skärningspunkten mellan varje axel runt den stickade ytan och det övre referensplanet. Välj Skärningspunkt som referenstyp och välj en axel och det övre planet. Se till att en punkt skapas som motsvarar varje axel.
    7. Gör en skiss som kopplar ihop varje referenspunkt som gjordes i föregående steg. Välj Upp till yta för riktningen och välj den stickade ytan som yta att extrudera till.
    8. Upprepa steg 6.1.2-6.1.7 för alla luckor i området som kammaren eller huvudstolpen kommer att täcka (se kompletterande figur 9C för slutresultatet av fixeringshålsproceduren).
  2. När du utför profilen från det övre referensplanet till den lägsta ytan (steg 3.19.2 eller steg 4.12.1), se till att kammarens/huvudstolpens kontur dras runt de befintliga profilerna.
  3. På samma sätt, när du utför de extruderade snitten från det övre planet till det högre av de två ytorna (steg 3.19.4 eller steg 4.12.5), utför det huvudsakliga extruderade snittet separat från de profiler som blev resultatet av fixeringshålsproceduren (tilläggsfigur 10A).
    1. För att utföra extruderade snitt från fästhål, extrudera den översta ytan av de befintliga profilerna till ett plan på den upphöjda ytan som ger en slät toppyta för kammaren eller huvudstolpen (tilläggsfigur 10B). Om det extruderade snittet skapar en styv yta, använd ett annat plan eller utför efterföljande profiler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dessa komponenter har tidigare validerats med hjälp av en kombination av MRI-visualiseringar och 3D-printade anatomiska modeller. Genom att jämföra den automatiserade kraniotomivisualiseringen med den 3D-printade kraniotomin och MRT på platsen för kraniotomin, är det uppenbart att den virtuella kraniotomirepresentationen korrekt återspeglar den region i hjärnan som kan nås med den angivna kraniotomiplatsen (Figur 2A-F). Dessutom utvärderades noggrannheten i den automatiserade kraniotomivisualiseringen ytterligare genom att jämföra den virtuella representationen med befintliga kraniotomier från implantationsoperationer (Figur 2E,G). Den 3D-printade modellen, automatiserad visualisering, MRI och faktisk kraniotomi markerar samma region och visar de viktigaste sulci på samma plats och med proportionell konsistens. Processen med hjärn- och skallisolering och efterföljande kraniotomivisualisering tar mindre än 15 minuter att slutföra, vilket gör att flera platser kan testas på mindre än 1 timme.

Effekten av hjärnisoleringsproceduren bekräftades genom att jämföra den virtuella kraniotomin med MRT-representationen av kraniotomins läge (Figur 2B,C,E,F). Likheterna indikerade att hjärnisoleringsproceduren har förmågan att representera rätt storlek, plats och form på anatomiska strukturer på hjärnan som är måltavla, såsom sulci.

Den kombinerade 3D-printade hjärnan och skallen användes som en anatomiskt korrekt modell för att validera kammarens och huvudstolparnas design. Innan man investerade i titandelar 3D-printades kammaren och huvudstolpen i plast. Det bekräftades att implantaten passade in i skallen och att de inte överlappade varandra eller hindrade viktiga anatomiska markörer. Kammar- och huvudstolpsdesignprocessen producerade komponenter som matchade skallens krökning (Figur 3G, I, Figur 4E, Figur 6, Figur 7). Det bekräftades också att den konstgjorda duran passade intill kammarens innerväggar med en mindre lucka för att ta hänsyn till justeringar som gjorts under implantationen. Anpassade kammare implanterades i två makaker. Till skillnad från tidigare kammardesignmetoder9 kunde varje skruv som man försökte sätta in skruvas in. Detta beror på den drastiska minskningen av mellanrummen mellan kammaren och skallen med den anpassade passformen jämfört med kammaren utformad från MRT-krökningsapproximationer9 (Figur 6A-F). En specialanpassad kammare har implanterats i över 2 år och den andra ett och ett halvt år. Med korrekt underhåll har det inte förekommit några skruvförlust-, infektions- eller stabilitetsproblem som har uppstått på grund av dessa implantat (figur 3I).

De anpassade designprocesserna för huvudstolpe och kammare förhindrar behovet av manuella justeringar under operationen, vilket annars skulle kunna lägga till timmar till operationstiden. Dessa tekniker minskar också de 1-2 mm mellanrum som är resultatet av krökningsapproximationer29, vilket främjar bättre implantathälsa och förbättrar experimentella resultat. Förbättringarna förhindrar komplikationer med implantatet och förlänger implantatets livslängd, vilket också förbättrar djurens välbefinnande.

Figure 1
Figur 1: Isolering av hjärna och skalle. (A) Skiktad magnetisk resonanstomografi (MRT) koronaskivor. (B) Binär mask i lager från skalltröskel. (C) Skiktade skivor av den isolerade skallen från en inverterad binär mask. (D) Rekonstruerad 3D-skalle. (E) Skiktad binär mask från hjärnans trösklar. (F) Skiktade MRT-skivor av isolerad hjärna. (G) Rekonstruerad 3D-hjärna. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: Planering av kraniotomi. (A) Kraniotomivisualisering med 3D-printad hjärn- och skallmodell för apa B. (B) Kraniotomivisualisering i beräkningsprogram för apa B. (C) Kraniotomivisualisering i magnetisk resonansbild (MR) för apa B. (D) Kraniotomivisualisering med 3D-printad hjärn- och skallmodell för apa H. (E) Kraniotomivisualisering i beräkningsprogram för apa H. (F) Kraniotomivisualisering i magnetisk resonans (MR) bild för apa H. (G) Bild av kraniotomi hos apa H. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Utformning av kammarimplantat. (A) Skallregion (grå) som används för STL-upplösningsreduktion. (B) Minskning av skallens STL-upplösning i SOLIDWORKS. (C) Kammarens inre ring, markerad. (d) Kammarkjoldesign i SOLIDWORKS. (E) Anslutande kammarkjol och topp. (F) Kammare STL i SOLIDWORKS. (G) 3D-printad hjärna, skalle och kammare. (H) Kammare av titan. (I) Implanterad kammare i Monkey H. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Huvudstolpens utformning. (A) Huvudstolpens nedre kontur på skallens STL-upplösningsreduktion. (B) Anpassat fotavtryck för huvudstolpen. (C) Nedtill till huvudstolpe. (D) Konstruktion av huvudstolpe i SOLIDWORKS. (E) 3D-printad huvudstolpe på skallen. (F) Huvudstolpe av titan. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 5
Figur 5: Tillverkning av konstgjord dura. (A) Fastspänning av silikonblandning med hjälp av form. b) Konstgjord Dura. Denna figur har anpassats med tillstånd från Griggs et al.11. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 6
Figur 6: Skräddarsydd passform kontra skallkrökningskammare. Kammaren är utformad utifrån MRT-krökningsuppskattningar på skalle9 från en (A) framifrån, (B) sedd från sidan och (C) bakifrån. Specialdesignad kammare från en (D) framsida, (E) sidovy och (F) bakifrån. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 7
Figur 7: Kammare, huvudstolpe och konstgjord dura på överlagrad hjärna och skalle Klicka här för att se en större version av den här figuren.

Kompletterande figur 1: Tröskelvärde och kraniotomi platsplanering. (A) Exempel på binär mask med ett lämpligt tröskelvärde. (B) Koronal skiva på MRT för att identifiera kraniotomi. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 2: Process för STL-filreduktion i MATLAB för kammardesignen. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 3: Visuell representation av ett hål i skallen STL-upplösningsminskning. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 4: Skärmdumpar av programvara för kammarkjol .(A) Kammarkjolens inre ring och kammarens ovansidas inre yta som koncentriska kompisar. (B) Översättning av kammarens kjol nedåt. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 5: Kammarkjol och kammartopp med och utan överlappning. (A) Underview exempel på överlappning mellan kammarkjolen och kammartoppen (modifierar den nedre ytan av kammarkjolen). (B) Exempel på ingen överlappning mellan kammarkjolen och kammartoppen. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 6: Hyvlar som blockerar skruvhål och eliminering av hinder. (A) Exempel på plan som blockerar skruvhålen efter skruvhålsplacering. (B) Kontur av extruderad skärning för att eliminera ytor inuti skruvhålen. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 7: Val av punkt och skallens axiella plan. (A) Val av punkt för utformning av huvudstolpe. B) Övre vy av planet parallellt med skallens axiella plan. C) Sidovy av planet parallellt med skallens axiella plan. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 8: Exempel på kompisar. (A) Förste styrman: Ovansidan av den cirkulära plattformen för sadelstolpen och undersidan av sadelstolpens överdel som koncentriska styrmän. (B) andrestyrman: Kanten på ovansidan av den cirkulära sadelstolpeplattformen och kanten på undersidan av sadelstolpens överdel som koncentriska styrmän. (C) Tredje styrman - En linje som går vertikalt längs den bakre delen av huvudstolpen och en linje som löper horisontellt längs baksidan av huvudstolpens topp som vinkelräta kamrater. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 9: Procedur för fixering av hål. A) Stickade ytor som omger mellanrummet i den importerade ytan. (B) Axel på varje punkt vid kanten av den stickade ytan. (C) Slutresultat av fixeringshålsproceduren. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande bild 10: Utföra extruderad skärning. (A) Extruderat snitt som omger profiler från fixeringshål. (B) Exempel på extruderad skärning till ett plan på ovansidan av kammarens botten. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande kodningsfil 1: Kodningsfiler för protokollet. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denna artikel beskriver en enkel och exakt metod för neurokirurgisk planering som inte bara är fördelaktig för utvecklingen av komponenter som används för NHP kranial fönsterimplantation utan också överförbar till andra områden av NHP neurovetenskaplig forskning 13,15,25. I jämförelse med andra nuvarande metoder för planering och design av NHP-implantat 25,29,30 har denna procedur potential att antas av fler neurovetenskapliga laboratorier eftersom den är enkel och ekonomisk. Medan CT vanligtvis används för skallmodellering32,38, ger detta protokoll tillräcklig modelleringsdetalj för både hjärnan och skallen med hjälp av endast MRI-skanningar. Befintliga metoder kräver både MRT- och CT-skanningar för hjärn- och skallisolering 30,32,33, medan denna metod eliminerar ytterligare kostnader och utmaningar med CT-avbildning. En ytterligare fördel är att denna modell inte kräver justering av MRT- och CT-skanningar, vilket sparar mycket tid och förhindrar problem i samband med dålig inriktning39. Genom att generera både hjärn- och skallmodeller från en enda bildfil får du mycket kompatibla modeller som enkelt kan kombineras för visualisering av kraniotomi. Den här funktionen är särskilt användbar för iterativa kraniotomitestprocesser eftersom båda modellerna genereras i en programvara från en enda indatafil och visas automatiskt inom några sekunder i stället för att kombinera och justera filer från separata program30,33. Detta möjliggör effektiv bekräftelse av hjärnans och skallens modelleringsnoggrannhet och säkerställer att implantaten kommer att matcha skallens krökning in vivo. Detta eliminerar också iterativ 3D-utskrift av skallen som tidigare krävdes för att bestämma den optimala kraniotomiplatsen35, vilket sparar tiotals timmars utskrift per iteration. Vår mjukvarubaserade teknik, som jämförelse, tar cirka 10-15 minuter att generera varje kraniotomiiteration.

Att identifiera implantatets placering i förhållande till de frontala, parietala och temporala skallregionerna, såväl som andra skallfunktioner, har enorma fördelar för kirurgisk och experimentell planering. Denna funktion utnyttjas för att anpassa huvudstolpens fotavtryck med avseende på kammarens fotavtryck. För all NHP-neurovetenskaplig forskning kan denna rumsliga modelleringsfunktion anpassas för att designa komponenter från anatomiska plan, MRI-koordinater, anatomiska egenskaper hos hjärnan och skallen och med avseende på befintliga implantat. Genom att göra detta minskar risken för oförutsedda problem under eller efter implantationen drastiskt. Denna procedur har också förmågan att skapa implantat som spänner över flera hjärnområden från olika plan samtidigt som de bibehåller en tät passform till skallen.

Metoden som beskrivs här skapar en cirkulär kammare och gör det möjligt att utforma en huvudstolpe runt kammaren. Proceduren här har dock potential att rymma andra former genom modifieringen av Chamber Skirt Design-sektionen. Samma sak gäller för huvudstolpsens design – proceduren gör det möjligt att skapa olika antal ben och andra anpassade former, där formen främst beror på det tillgängliga utrymmet runt kammaren. Formen på skallens STL-reduktion, som för närvarande är en ring för kammardesignen, skulle kunna modifieras ytterligare för att skapa olika skall-STL-reduktionsformer som är skräddarsydda för behovet av särskilda kammar- eller huvudstolpskonstruktioner, vilket underlättar en effektivare anpassning.

Även om denna process effektivt skapar skräddarsydda implantat, finns det steg som kan förbättras för effektivare produktion. Som tidigare nämnts är det en iterativ process att rikta in toppen av huvudstolpen vinkelrätt mot skallen med den beskrivna metoden i detta dokument på grund av svårigheten att identifiera skallens orientering i designprogramvaran. För att effektivisera processen med att placera huvudstolpens topp på den nedre delen kan ytterligare markörer placeras på den virtuella skallrepresentationen för att indikera axiella, sagittala och koronala plan. Protokollet har också potential att automatiseras ytterligare för ökad användarvänlighet. Även om skallens STL-reduktionsmetod som diskuteras i detta protokoll är effektiv för att designa implantat, kan den göras snabbare och mer konsekvent med ytterligare automatisering. Vår valideringsprocedur kräver 3D-utskrift av skallen och implantatprototyper för verifiering av att implantaten matchade skallens krökning. Detta steg skulle potentiellt kunna elimineras genom att skapa en metod för virtuell 3D-visualisering som kombinerar hjärnan, skallen, kammaren, huvudstolpen och den artificiella duran tillsammans.

Vår plattform erbjuder en helt virtuell process för kraniotomiplanering och anpassad implantatdesign. De slutliga designerna kan 3D-printas och verifieras på en fysisk modell35 i naturlig storlek. Till skillnad från befintliga metoder kräver vårt protokoll inte kostsamma produktiterationer eller tillgång till dyra maskiner som CNC-fräsmaskiner29,34. I likhet med andra befintliga metoder för implantatdesign 9,12,29,30,32,33,40, förlitar sig denna metod helt på en avbildningsmodalitet för att exakt avbilda anatomiska strukturer. Eventuella felaktigheter i MRT-undersökningen eller förändringar i hjärnans eller skallens anatomi mellan MRT och operation kan äventyra implantatets effektivitet. Därför är det viktigt att planera för MRT-insamling för att optimera implantatdesignen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Inget att avslöja.

Acknowledgments

Vi vill tacka Toni Haun, Keith Vogel och Shawn Fisher för deras tekniska hjälp och support. Detta arbete stöddes av University of Washington Mary Gates Endowment (R.I.), 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 (EEG-1028725, Z.A., D.J.G.) och 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

Denna månad i JoVE nummer 204
En verktygslåda för design av neurala implantat för icke-mänskliga 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