Magnetic Resonance-Guided Stereotaxy for Infusions to the Pig Brain

Jesus G. Cruz-Garza; Khaled M. Taghlabi; Lokeshwar S. Bhenderu; Shruti Gupta; Arvind Pandey; Allison M. Frazier; Shawn Brisbay; John D. Patterson; Ernesto A. Salegio; Christopher J. Kantorak; Christof Karmonik; Philip J. Horner; Robert C. Rostomily; Amir H. Faraji

doi:10.3791/64079

التجسيم الموجه بالرنين المغناطيسي للحقن إلى دماغ الخنزير

JoVE Journal
Neuroscience
Author Produced

This content is Free Access.

JoVE Journal Neuroscience

Magnetic Resonance-Guided Stereotaxy for Infusions to the Pig Brain

التجسيم الموجه بالرنين المغناطيسي للحقن إلى دماغ الخنزير

Full Text

3,053 Views

08:23 min

March 31, 2023

DOI: 10.3791/64079-v

Jesus G. Cruz-Garza¹, Khaled M. Taghlabi¹, Lokeshwar S. Bhenderu¹, Shruti Gupta², Arvind Pandey¹, Allison M. Frazier¹, Shawn Brisbay¹, John D. Patterson¹, Ernesto A. Salegio², Christopher J. Kantorak², Christof Karmonik³, Philip J. Horner¹, Robert C. Rostomily¹, Amir H. Faraji¹

¹Department of Neurosurgery,Houston Methodist Research Institute, ²ClearPoint Neuro, ³Translational Imaging Center,Houston Methodist Research Institute

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study presents a protocol for performing stereotaxy on the pig brain using convection-enhanced infusions, guided by real-time magnetic resonance imaging (MRI). The aim is to demonstrate the feasibility of delivering and monitoring infusion agents in large animal models, thereby facilitating translational neurosurgical techniques.

Key Study Components

Area of Science

Neurosurgery
Magnetic Resonance Imaging
Infusion Techniques

Background

Pigs provide a valuable large animal model for neurosurgical interventions due to the size of their brains.
Real-time MRI offers guidance for precise surgical planning and infusion delivery.
The study aims to establish protocols for infusing agents effectively into the brain using advanced imaging techniques.

Purpose of Study

To demonstrate MR-guided stereotactic procedures in pigs.
To visualize infusion agent distribution in real-time.
To enable translational applications in neurosurgery.

Methods Used

The study utilizes a 3T MRI suite for imaging and guiding the stereotactic injection.
A pig model is employed for the surgical procedure, including animal positioning and securing the stereotactic frame.
Continuous monitoring of the infusion is conducted with concurrent MRI scans.
Detailed steps for the surgical procedure, including incision, drilling, and cannula insertion, are outlined.

Main Results

The protocol allows for accurate monitoring of infusion distribution in the brain through MR imaging.
Real-time adjustments in infusion parameters can be made as needed based on intraoperative imaging data.
The findings illustrate the capability of integrating imaging techniques with surgical interventions.

Conclusions

This study establishes a protocol for performing precise infusions in the pig brain using MR guidance.
The ability to monitor and adjust the infusion in real-time enhances the feasibility of drug delivery studies.
Utilizing pigs as large animal models supports advanced approaches in studying drug distribution and neurosurgical techniques.

Frequently Asked Questions

What are the advantages of using pig models for stereotactic procedures?

Pigs offer a large brain size conducive to imaging and surgical interventions, providing a more translational model for human neurosurgical applications.

How is the infusion agent distributed in the brain?

The infusion agent's distribution is monitored in real-time through concurrent MRI scans, allowing for precise evaluation of its spread within the brain tissue.

What types of imaging are used during the procedure?

Real-time magnetic resonance imaging (MRI) is employed to guide the stereotactic procedure and monitor the infusion agent's distribution.

How can this method be adapted for other interventions?

The protocol can be modified to accommodate different infusion agents or surgical techniques by adjusting the parameters based on the desired outcomes and imaging feedback.

What are some limitations of this study?

One limitation may include the need for specialized equipment and expertise in MRI guidance, which may not be readily available in all settings.

What outcomes can be measured with this approach?

This approach allows for the measurement of infusion distribution volume and real-time adjustments in infusion parameters, providing insights into drug delivery efficacy.

يوضح البروتوكول المقدم هنا التجسيم لدماغ الخنزير باستخدام الحقن المعززة بالحمل الحراري ، مع إرشادات تصور التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) في الوقت الفعلي وتصور توزيع التسريب في الوقت الفعلي.

هنا نقوم بتوسيع تطبيق التجسيم الموجه بالرنين المغناطيسي إلى دماغ الخنزير لتقديم ومراقبة توزيع عامل التسريب. يسمح حجم دماغ الخنازير بالتصوير والتدخلات الجراحية العصبية الانتقالية. نستخدم نموذج الخنزير للحقن التجسيمي الموجه بالرنين المغناطيسي في مجموعة التصوير بالرنين المغناطيسي 3T.

نبلغ بصريا عن تنفيذ الإجراء التجسيمي في الخنازير ونصف تعديلات مجموعة التصوير بالرنين المغناطيسي لاستيعاب الخنزير ، وتصور الإجراء في كل من الفيديو والتصوير بالرنين المغناطيسي المتزامن لتقييم توزيع الانغماسات. تحديد مواقع الحيوانات. ضع موضوعا في جدول التصوير بالرنين المغناطيسي استعدادا لفحص التصوير بالرنين المغناطيسي.

ارفع الجذع بالمناشف ومنصات الرغوة. الهدف هو أن يسقط الرأس قليلا إلى أسفل مع ثني الرقبة ولمس الخطم الطاولة تقريبا. تم تثبيت دبابيس حامل رأس التصوير بالرنين المغناطيسي على الزيجوما الثنائية للحفاظ على الرأس مثبتا على طاولة التصوير بالرنين المغناطيسي.

بمجرد ضبطه ، يتم نقل جدول التصوير بالرنين المغناطيسي إلى تجويف الماسح الضوئي حتى يصل رأس الشخص إلى نهاية التجويف. التخطيط للإدخال الجراحي مع إرشادات التصور بمساعدة التصوير بالرنين المغناطيسي. تحضير المنطقة بطريقة معقمة.

ضع شبكة التخطيط الائتماني على فروة رأس الشخص عن طريق تثبيت الجانب اللاصق للشبكة فوق رأس المريض ، متمركزا حول موقع وجود ثقب الأزيز. قم بإجراء فحص التصوير بالرنين المغناطيسي الكشفي مع ضبط الشبكة في مكانها. اضبط المسار المقترح ، بما في ذلك نقاط الدخول والهدف المطلوبة ، عن طريق سحب نقاط الدخول والهدف المتوقعة يدويا في البرنامج لتجنب الأوعية الدموية وتقليل تجاوزات التقشير والتلمي.

بمجرد تحديد المسار المطلوب بناء على تفضيل الجراح ، قم بتشغيل برنامج توجيه التصوير بالرنين المغناطيسي للعثور على نقطة الدخول على الشبكة. تأمين الإطار التجسيمي وضبط المحاذاة بشكل متكرر من خلال إسقاط البرامج. قم بتجميع الإطار التجسيمي حول إحداثيات نقطة الدخول المطلوبة على الشبكة عن طريق تأمين القاعدة أولا بستة براغي مثبتة بالعظام وأربعة براغي إزاحة.

ثبت البراغي الستة المثبتة بالعظام على الجمجمة فوق الشبكة من خلال فروة الرأس. تستخدم مسامير التثبيت الستة لتثبيت الإطار التجسيمي وتجنب أي حركات أثناء الحفر. قم بتأمين مسامير الإزاحة الأربعة الموجودة في قاعدة البرج من خلال الجلد ، مثبتة على الجمجمة.

إنها تعمل كقوة مضادة لتشديد مسامير العظم المركزية عن طريق رفع قاعدة الإطار إلى البراغي المركزية وتثبيت القاعدة. بمجرد أن تصبح قاعدة الإطار التجسيمي آمنة ، تابع تجميع الإطار. قم بإجراء فحص التصوير بالرنين المغناطيسي عالي الدقة ، T1 ، MP-RAGE MRI ، وهو خيار في برنامج التصوير بالرنين المغناطيسي ، مع وضع الإطار في مكانه لالتقاط إطارات الإطار وتأكيد المسار.

قم بتأكيد مسار إدخال القنية المتوقع المطلوب باستخدام البرنامج. قم بإجراء تعديلات الملعب واللف و XY عن طريق تدوير عجلات الإبهام ، كما هو موضح في معلمات ضبط الإخراج في البرنامج. باستخدام برنامج التوجيه بالرنين المغناطيسي ، قم بقياس سمك جمجمة المسار المطلوب والمسافة الإجمالية إلى الدماغ.

حفر وإدخال قنية للتسريب. استخدم مقشر اليود قبل إجراء الشق لمنع العدوى. قم بعمل شق بطول ثلاثة سنتيمترات على فروة الرأس باستخدام مشرط تحت الإطار التجسيمي.

قم بإعداد الإطار لإدخال المثقاب عن طريق إجراء التعديلات قبل إنشاء فتحة الوصول. قم بإزالة واستبدال أنبوب التوجيه المركزي بالأنبوب الذي يناسب مثقاب 3.4 ملم للحفر. تأكد من وجود مساعد لتثبيت الإطار في مكانه أثناء قيام الجراح بالحفر باستخدام المثقاب اليدوي لإضافة ثبات إضافي إلى الإطار.

قم بإعداد إطار لإدخال المثقاب الثاني لتوسيع فتحة النتوء وتجنب الاصطدامات العظمية التي قد تغير المسار. قم بإعداد المثقاب باستخدام مثقاب 4.5 ملم. استبدل الدليل المركزي لها بالدليل الذي يناسب لقمة الثقب الأكبر هذه.

قم بإنشاء ثقب لدغ 4.5 ملم. بيرس الجافية مع stylet حاد. أدخل قنية التسريب المعدة مسبقا والمتوافقة مع الإطار.

يرجى التأكد من أن القنية لديها ضغط خلفي محايد أو إيجابي ثابت للتخلص من فقاعات الهواء التي يتم إدخالها. يوفر البرنامج عمقا محددا للهدف المخطط له. قم بقياس العمق على قنية التسريب المتوافقة مع الإطار التجسيمي ، واستخدم توقف العمق المرتبط بالقنية.

مراقبة التسريب بفحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي المتكررة. ابدأ ضخ العامل المطلوب كتسريب مشترك مع عامل تباين قائم على الجادولينيوم. قم بإجراء فحص التصوير بالرنين المغناطيسي على فترات زمنية منتظمة لمراقبة ضخ وحجم توزيع العامل الذي تم إدخاله في القنية في الدماغ ، والذي يمكن الاستدلال عليه بسبب التسريب المشترك للجادولينيوم.

تشير المنطقة شديدة الكثافة حول طرف القنية إلى وجود عامل التباين القائم على الجادولينيوم. بمجرد انتهاء التسريب ، أوقف المضخة. دع القنية تبقى في الدماغ لمدة خمس دقائق بعد إنهاء التسريب قبل إزالة القنية.

يوفر موضع الخنزير في ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي وصولا مثاليا للجراح للعمل وتخليص الإطار التجسيمي وقنية التسريب. يسمح التصور الموجه بالتصوير بالرنين المغناطيسي بالتخطيط الدقيق وإدخال قنية إلى الدماغ. يتم مسح الإطار التجسيمي في البرنامج ، ويتم ضبطه للوصول بشكل فعال إلى الموقع المطلوب.

تظهر فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي التكرارية بين العمليات الجراحية بعد تسريب الكانيولا كيف يتم توصيل التسريب إلى أنسجة المخ. يسمح الإطار التجسيمي بالتسريب الدقيق والمتحكم فيه في نماذج دماغ الخنزير. باستخدام هذا البروتوكول ، أثبتنا أن المعلمات مثل معدل التسريب أو دقة إدخال القنية يمكن تغييرها في الوقت الفعلي أو إيقافها مؤقتا وفقا لما يمليه التصوير داخل الإجراء.

يسمح نظام التصوير بالرنين المغناطيسي في الوقت الفعلي بتحديد حجم التوزيع بدقة. تقدم الخنازير ، كنماذج حيوانية كبيرة للحقن التي يتم تتبعها في التصوير بالرنين المغناطيسي في الوقت الفعلي ، إمكانية دراسة توصيل الدواء إلى الدماغ مع توصيل الخلايا وعوامل أخرى ذات قيمة انتقالية. يوفر التصور الموجه بالرنين المغناطيسي إرشادات في الوقت الفعلي للوصول إلى دماغ الخنزير ، وإدخال الكانيولا ، ومراقبة عامل التسريب.

تم الإبلاغ عن أن عملية الحفر وتشوه الأنسجة و / أو تعطيل مساحات المادة البيضاء تساهم في الصعوبات وتوصيل العامل إلى الدماغ. توفر فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي التكرارية أثناء التخطيط وإدخال القنية القدرة على إجراء تعديلات صغيرة.

View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos