以下方法旨在提供一种综合性方案,用于制备非人灵长类动物(NHP)神经外科手术,该方案采用了一种新颖的三维(3D)打印技术与磁共振成像(MRI)数据提取相结合的方法。
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以下方法旨在提供一种综合性方案,用于制备非人灵长类动物(NHP)神经外科手术,该方案采用了一种新颖的三维(3D)打印技术与磁共振成像(MRI)数据提取相结合的方法。
本文介绍了一种外科手术准备方法,该方法仅利用从非人灵长类动物(NHP)磁共振成像(MRI)中提取的数据,即可对多种神经外科手术进行实际规划。本方案可用于生成大脑和颅骨的3D打印解剖精确实体模型,以及模拟大脑部分力学特性的琼脂糖凝胶大脑模型。大脑模型可通过脑组织提取软件从MRI数据中获得,颅骨模型则通过自定义代码生成。该制备方案利用先进的3D打印技术,实现大脑、颅骨及凝胶大脑模型模具的构建与整合。通过在自定义代码中加入颅骨开窗(craniotomy)设计,颅骨和大脑模型可直观展示颅骨内脑组织的空间关系,从而为直接涉及脑组织的手术提供更充分的术前准备。这些方法的应用主要针对神经刺激与记录、以及注射类手术,但该系统的灵活性也为未来将本方案、提取技术及模型拓展至更广泛的手术类型提供了可能。
灵长类动物研究是医学研究从动物模型过渡到人体试验的关键步骤1,2。这一作用在神经科学和神经工程学研究中尤为突出,因为啮齿类动物大脑与非人灵长类动物(NHP)大脑之间存在显著的生理和解剖学差异1,2,3。随着化学遗传学、光遗传学和钙成像等需要神经元基因改造的新兴基因技术的发展,以非人灵长类动物为模型研究神经功能的神经工程学研究作为理解脑功能的临床前模型,受到了特别关注2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16。在大多数非人灵长类动物神经科学研究中,需要通过神经外科手术植入多种装置,例如头部固定杆、刺激与记录腔室、电极阵列以及光学窗口4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18。
目前的非人灵长类动物(NHP)实验室采用多种方法,其中常包含一些无效的操作,例如通过镇静动物来使头柱的支腿贴合,并粗略估计颅骨开颅部位周围的曲率。其他实验室则在手术过程中将头柱直接贴合于颅骨,或采用更先进的方法获取植入所需的测量数据,例如分析非人灵长类动物脑图谱和磁共振(MR)扫描图像,以尝试估算颅骨曲率2,10,11,16。非人灵长类动物的神经外科手术还涉及液体注射,而许多实验室往往无法可视化预设的脑内注射位置2,4,5,13,14,仅依赖立体定位测量结果并与MR扫描图像进行比对。由于无法测试所有植入复杂组件之间的物理兼容性,这些方法不可避免地存在一定程度的不确定性。
因此,灵长类动物神经外科手术规划需要一种准确的无创方法。本文介绍了一种用于准备此类动物植入和注射手术的方案与方法。整个流程始于磁共振成像(MRI)扫描,从中提取大脑和颅骨数据,构建三维(3D)模型,并可进一步进行3D打印。颅骨和大脑模型可结合使用,以更精确地规划开颅手术及头部固定装置的制备。大脑模型还可用于制作脑部解剖结构精确的凝胶脑模型的模具。凝胶脑模型本身,或与提取出的颅骨结合使用,可用于多种注射手术的术前准备。下文将详细描述基于MRI的神经外科术前准备工具箱所需的各个步骤。
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所有动物实验程序均经华盛顿大学动物护理与使用委员会批准。实验使用了两只雄性恒河猴(猴H:14.9 kg,7岁;猴L:14.8 kg,6岁)。
1. 图像采集
2. 脑组织提取
3. 大脑建模
4. 脑组织塑形
5. 颅骨建模
6. 在三维颅骨模型中创建颅骨切口
7. 3D 打印
注意:使用两种类型的用于物理原型的3D打印机(材料表)。对于以下各项参数,除非另有说明,所有3D打印机和打印软件的设置均应为默认设置。
8. 琼脂糖的制备
9. 琼脂糖成型
注意:以下琼脂糖模具制备流程适用于完整半球形模具和上半球形模具
10. 注入琼脂糖凝胶模型
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过去,将磁共振成像(MRI)的处理与分析作为术前开颅手术规划的手段已成功应用2,5,10,16。然而,通过引入脑组织、颅骨及开颅区域的三维建模,该过程得到了显著提升。我们成功构建了能够反映研究关注区域的、解剖结构精确的脑部物理模型(图1)。同样,我们也成功构建了从磁共振图像中提取的灵长类颅骨的解剖结构精确的物理模型(图2)。
通过将颅骨和脑部的两个物理模型进行紧密的过盈配合,验证了这两个模型之间的相对准确性,并证实了外推的MRI分析数据的可靠性(图3A,B)。利用组合模型,我们能够在打印前在颅骨中创建颅骨切开部位,并可...
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本文介绍了一种用于非人灵长类动物神经外科手术准备的工具箱,该工具箱基于从MR扫描中提取的颅骨和脑部解剖结构的物理模型和计算机辅助设计(CAD)模型。
尽管提取并3D打印的颅骨和脑模型是专门为开颅手术和头固定柱植入的准备而设计的,但该方法也可适用于多种其他应用场景。如前所述,颅骨的物理模型允许在手术前对头固定柱进行预弯折,从而使其与颅骨良好贴合。此外,从MRI中提取的颅骨可用于设计3D头固定柱,使其更精确地匹配颅骨解剖结构。虽然传统上CT成像是提取颅骨的更优成像方式,但在本方法中,脑和颅骨解剖结构来自同一种成像模态,这有助于增强骨组织与软组织模型之间的解剖一致性。这种解剖一致性可提高精度,确保开颅区域覆盖目标皮层区域,并使所有植入部件(如刺激和记录腔室)均能贴合颅骨曲率。已有研究通过定量比较从MRI提取的颅骨表面与从其他扫描类型提取的结果,支持了这一优势23,24。该领域的其他研究已提出用于创建头固定柱植入模型和3D打印原型的方法2...
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作者们目前没有需要披露的利益冲突。
本项目由尤妮斯·肯尼迪·施赖弗国家儿童健康研究所资助 & 美国国立卫生研究院人类发展研究所资助号 K12HD073945、华盛顿国家灵长类研究中心(WaNPCR,P51 OD010425)、神经技术中心(CNT,美国国家科学基金会工程研究中心,资助号 EEC-1028725)以及华盛顿大学专利研究基金。本项目对Macknik实验室和Martinez-Conde实验室的资助来自美国国家科学基金会BRAIN计划NCS奖项1734887,以及美国国家科学基金会奖项1523614 & 1829474 以及纽约州立大学帝国创新学者奖(SUNY Empire Innovator Scholarships)对每位教授的资助。我们感谢 Karam Khateeb 在琼脂糖制备方面的帮助,以及 Toni J Huan 提供的技术支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印软件 (GrabCAD Print) | Stratasys | 版本 1.36 | 用于高质量 3D 打印 |
| 3D 打印软件 (Simplify 3D) | Simplify3D | 版本 4.1 | 用于 PLA 3D 打印 |
| 琼脂糖 | Benchmark Scientific | A1700 | 用于制作凝胶脑模型 |
| 黑色指甲油 | L.A. Colors | CNP637 | 用于凝胶成型 |
| 套管(内径 450 µm,外径 666 µm) | Polymicro Technologies | 1068150625 | 用于向凝胶脑中注射染料 |
| 导管连接器 | B Braun | PCC2000 | 适用于 20–24 G 硬膜外导管;每包 50 个单位 |
| Dremel 3D Digilab 3D45 打印机 | Dremel | F0133D45AA | 用于 PLA 快速原型制作 |
| ECOWORKS | Stratasys | 300-00104 | 用于溶解 QSR 支撑结构 |
| 锥形瓶 | Pyrex | 4980 | 用于凝胶成型 |
| 氰基丙烯酸乙酯 | The Original Super Glue Corp. | 15187 | 用于制作组合套管 |
| 量筒 | 3023 | 用于凝胶成型 | |
| HATCHBOX PLA 3D 打印机线材 | HATCHBOX | 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK | 1 公斤卷,1.75 毫米,红色/黑色 |
| 刺槐豆胶 | Modernist Pantry | 1018 | 凝胶脑混合物中的增稠剂 |
| MATLAB | MathWorks | R2019b | 用于颅骨提取 |
| McCormick 黄色食用色素 | McCormick | 用于染料注射 | |
| 微波炉 | Panasonic | NN-SD975S | 用于琼脂糖固化 |
| MR 成像软件 (3D Slicer) | 3D Slicer | 版本 4.10.2 | 用于三维模型生成 |
| MR 成像软件 (带 BET 插件的 Mango) | Reasearch Imaging Institute | 版本 4.1 | 用于脑组织提取 |
| Philips Acheiva MRI 系统 | Philips | 4522 991 19391 | 用于非人灵长类动物成像 |
| 磷酸盐缓冲液 | Gibco | 70011-044 | 用去离子水稀释 10 倍至 1X |
| 泵 | WPI | UMP3T-1 | 用于染料注射 |
| 泵驱动器 | WPI | UMP3T-1 | 用于染料注射 |
| 冰箱 | 通用电气 | 用于保存琼脂糖凝胶 | |
| 科学刮刀 | VWR | 82027-494 | 用于取出凝胶模具 |
| SolidWorks | Dassault Systemes | 2019 | |
| Stratasys ABS-M30 线材 | Stratasys | 333-60304 | 用于高质量 3D 打印 |
| Stratasys F170 3D 打印机 | Stratasys | 123-10000 | 用于高质量 3D 打印 |
| Stratasys QSR 支撑材料 | Stratasys | 333-63500 | 用于与 ABS 模型配合创建支撑结构 |
| 注射器 | SGE | SGE250TLL | 用于染料注射 |
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