Name: 非人类灵长类动物神经外科规划基于MRI的工具箱 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-07-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: 学习基于MRI数据提取和3D打印技术的非人类灵长类动物神经外科规划方法。该方案通过构建真实比例的物理模型，提高手术精准度和安全性，帮助研究人员在术前充分准备并优化手术流程。

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本项目由尤妮斯·肯尼迪·施赖弗国家儿童健康研究所资助 &amp;#38; 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 &amp;#38; 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。

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
<ol>
	<li>将猴子转运至3T磁共振成像（MRI）扫描仪，并将动物置于与MRI兼容的立体定位框架中（材料表）。</li>
	<li>采集标准T1加权解剖磁共振图像（翻转角 = 8°，重复时间/回波时间 = 7.5/3.69 s，矩阵大小 = 432 × 432 × 80，采集时间 = 103.7 s，多线圈（材料表），平均次数 = 1，层厚 = 1 mm）。 
	注意：为成功分离颅骨，应采用此处提供的MRI采集参数，以最大化颅骨与脑组织之间的对比度。</li>
</ol>
2. 脑组织提取
<ol>
	<li>在脑提取的磁共振成像软件中，选择 打开 | 打开图像。将步骤 1.2 中获取的 T1 快速磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）扫描图像载入磁共振成像软件（材料表）。</li>
	<li>为提取脑组织，在 插件 下拉菜单中选择 提取脑组织（BET）。将强度阈值设置在约 0.5−0.7 范围内，并将阈值梯度值设为 0。重复使用提取功能，逐步降低强度阈值，直至扫描图像中仅保留皮层解剖结构（图 1B）。 
	注意：此过程为迭代操作，因为该软件并非专为非人灵长类动物（NHP）脑设计，提取结果不够精确。</li>
	<li>在感兴趣区域（ROI）菜单下选择 阈值转为 ROI，并选择 收缩包裹 和 3D 选项，以生成脑组织的位图。此操作将梯度图像转换为二进制位图，便于后续模型生成。选择一个阈值（通常约为 600）以分离脑组织与周围组织。该阈值可通过将光标悬停于灰质区域确定。点击 确定 生成位图。</li>
	<li>为创建表面模型，在图像菜单下选择 构建表面，并输入步骤 2.3 中用于提取脑组织的阈值，然后点击 确定。生成的表面可用于参考，以调整阈值，从而获得目标解剖结构的最高质量表示（图 1C）。</li>
	<li>在文件选项卡下选择 保存 或 另存为，将提取的脑 ROI 保存为 .nii 或 .nii.gz 文件，用于后续脑模型的构建。</li>
</ol>
3. 大脑建模
<ol>
	<li>在医学图像处理软件中选择 加载数据 | 选择要添加的文件，并加载以 .nii 或 .nii.gz 文件格式保存的提取脑图像（材料表）。</li>
	<li>将鼠标悬停在模块工具栏中的“欢迎使用 Slicer”下拉菜单上，然后转至所有模块。从该菜单中选择 编辑器 功能。在弹出的警告窗口中点击 确定。</li>
	<li>在 编辑器 模块菜单中，选择 阈值效果，并调整阈值范围滑块，使三个切片中包含脑部的位图区域均被高亮显示。加载位图时，将两个滑块均调整为 1 的值可选中整个脑部。选择 应用。</li>
	<li>打开模型生成器模块，在输入体积的下拉菜单中选择步骤 3.3 生成的位图文件。在 模型 下，选择 创建新模型层级。为模型层级指定名称后，选择 应用 以生成体积。</li>
	<li>将文件保存为 .stl 格式。</li>
	<li>如需进一步修改脑模型，请在计算机辅助设计软件中将 .stl 文件作为图形&#160;体导入（材料表） 
	注意：此过程可能需要较长时间，因为导入的网格脑表面通常非常复杂。</li>
	<li>文件导入后，在屏幕左侧的特征树中点击图形体的子项，并抑制不必要的图形特征，直至文件中仅保留包含脑部的特征。将剩余文件保存为 .prt 格式以便进一步编辑，同时另存为 .stl 格式用于 3D 打印。将剩余文件保存为 .prt 格式以便进一步编辑，同时另存为 .stl 格式用于 3D 打印。</li>
</ol>
4. 脑组织塑形
<ol>
	<li>从第3节加载提取的脑模型，通过打开.prt文件将其导入计算机辅助设计软件中。在 特征 部分 插入 菜单，选择 转换为网格体. 选择大脑的图示部分并进行转换.</li>
	<li>制作全脑的右侧和左侧模具
	<ol>
		<li>点击 草图 单击按钮并选择顶面作为草图平面。绘制一个矩形，覆盖大脑右半球或左半球的全部区域。在草图中选择拉伸凸台/基体特征，拉伸形成一个立方矩形，以容纳大脑的上部。 
		注意：可能需要沿两个方向挤出该立方体，以完整包含整个半球。这是因为挤出平面所在的位置（即零点）可能位于脑模型内部。沿两个方向进行挤出可确保模具完全覆盖目标区域的全部体积。</li>
		<li>在……之下 特征 在“插入”菜单部分，选择 转换为网格体在“实体”文件夹中选择挤出的立方体并进行转换。为创建负空间，使用立方体新挤出的模型减去脑模型 混合 特征并选择减去选项。</li>
		<li>重复步骤 4.2.1 和 4.2.2&#160;对大脑的另一侧半球（左侧或右侧）进行相同操作，并将生成的文件保存为用于3D打印的.stl格式和用于进一步处理的.prt格式。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制作大脑上半部分的右侧和左侧模具。
	<ol>
		<li>在顶面创建草图，并绘制一个包含大脑右侧或左侧半球整个区域的矩形。在草图中选择拉伸凸台/基体特征，然后进行拉伸 平面偏移 选择特征。将挤出偏移至脑解剖结构中无悬垂轮廓的位置，仅捕获上方解剖结构。&#160;在……之下 特征&#160;“插入”菜单的该部分，选择 转换为网格体在“实体”文件夹中选择挤出的立方体并进行转换。</li>
		<li>通过使用新挤出的立方体减去脑模型，以创建负空间 结合 特征并选择减去选项。</li>
		<li>在模具的背侧创建一个草绘平面并选择 转换实体 然后选择步骤 4.3.1 中的草图。</li>
		<li>在草图中选择凸台/基体拉伸特征，选择“盲孔拉伸”选项，将实体拉伸约5 mm，以完全包覆模具中被减去的脑部解剖结构。</li>
		<li>重复步骤 4.3.1−4.3.4&#160;对大脑的另一侧半球（左侧或右侧）进行相同操作，并将生成的文件保存为用于3D打印的.stl格式和用于进一步处理的.prt格式。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过改变立方体的尺寸和位置，并遵循相同的方案（步骤 4.1 和 4.2），制备包含不同脑区的模具。</li>
	<li>进行3D打印时，使用约70%的填充密度，并增加打印件外层壳的厚度，以尽量减少成型材料的泄漏。如果打印件存在缝隙或缺陷，使用指甲油或其它粘合剂进行填充。</li>
</ol>
5. 颅骨建模
<ol>
	<li>将步骤 1.2 中的 QUICK MPRAGE MRI 作为 DICOM 文件导入矩阵处理软件中。DICOM 文件可能由多个独立的二维帧组成。如果是这种情况，请将所有帧合并为一个三维矩阵。确保矩阵中的每个二维帧显示的是冠状面切片。</li>
	<li>通过使用大于运算符对三维矩阵中的各个像素值进行阈值分割，创建一个二值掩膜（见补充代码文件 CalibrateMask）。 
	注意：该掩膜将包含四个不同的层次。从外到内依次称为“outside”（外部）、“musculature”（肌肉组织）、&#34;skull”（颅骨）和“brain”（脑组织）。在此阶段，“outside”和“skull”在掩膜中对应值为 0，“musculature”和“brain”对应值为 1。</li>
	<li>为去除“musculature”层，需分别对三维掩膜中的每一帧进行处理，即迭代地从掩膜中提取一个二维切片（例如：3D_Mask(:,:,1)）。
	<ol>
		<li>对每一帧，在“outside”层的帧角位置选择值为 0 的像素作为“种子点”，然后搜索相邻的 0 值像素，直到遇到值为 1 的像素为止。持续搜索直至无法再找到新的 0 值像素。将所有连通的 0 值像素转换为 1。此操作可通过 MATLAB 函数“imfill”实现，其输入输出格式为 [MASK2] = imfill(MASK1, LOCATIONS, CONNECTIVITY)，其中 MASK1 为原始掩膜，MASK2 为填充后的掩膜（见补充代码文件 FillExterior）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在去除过程中部分颅骨信息可能丢失。为减轻信息损失，需在数据的三个维度上分别执行步骤 5.3，并保持结果独立。 
	注意：此时“outside”和“musculature”均为 1，统称为“outside”（外部）。掩膜现在包含三个不同层次：“outside”（外部）、“skull”（颅骨）和“brain”（脑组织），其中“outside”和“brain”对应值为 1，“skull”对应值为 0。</li>
	<li>使用 ~ 运算符反转掩膜的数值（例如：MASK2 = ~MASK1）。此时“skull”对应值为 1，“outside”和“brain”对应值为 0。</li>
	<li>在每个掩膜中，相互接触的值为 1 的像素可视为一个“对象”。使用 MATLAB 函数“bwconncomp”为每个掩膜中的所有对象建立索引，其输入输出格式为 [CC] = bwconncomp(MASK)，其中 MASK 为三维掩膜矩阵，CC 为结构体对象，包含每个对象的索引值、对象总数以及矩阵尺寸。对于每个掩膜，除保留包含最多体素的最大对象外，将其余所有对象的值设为 0（见补充代码文件 RemoveNoise）。</li>
	<li>将各次处理生成的掩膜相加（见补充代码文件 MergeMasks）。</li>
	<li>将脑组织缩放到一致的分辨率。
	<ol>
		<li>从 DICOM 文件头中获取 MRI 每帧之间的步长，并与每个像素的尺寸进行比较。</li>
		<li>若这两个数值不同，则定义一个缩放因子，以补偿体素在步长与像素尺寸之间的分辨率差异。例如，若每帧间隔为 1 mm，像素尺寸为 0.33 mm × 0.33 mm，则缩放因子为 3。</li>
		<li>向三维掩膜中添加额外的空体素，直到掩膜的最低分辨率维度扩大至由缩放因子所定义的倍数（见补充代码文件 “ScaleMask”）。</li>
		<li>对掩膜中的数值进行线性插值，使掩膜填满新的空间。</li>
		<li>将颅骨导出为 .stl 文件或其他类似的文件格式，用于 3D 打印。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 在三维颅骨模型中创建颅骨切口
<ol>
	<li>使用步骤 5.1 中的 MRI 文件，通过猕猴脑图谱中的解剖标志（例如中央沟）手动确定开颅位置的大致坐标19。
	<ol>
		<li>查看三维矩阵中的单个切片（类似于步骤 5.3）。</li>
		<li>手动在三维矩阵中向前或向后扫描，直至找到可识别的解剖标志。</li>
		<li>将该切片的帧编号保存为 z 坐标（即 3D_Mask(:,:,z)）。</li>
		<li>使用数据选择工具，在该帧上选取开颅中心位置的单个点，并通过 Matlab 函数“getpts”保存其 x 和 y 坐标，函数的输入输出格式为 [x,y] = getpts。“getpts”将打开一个用户界面，请点击目标帧（参见 补充代码文件 LocateCraniotomy）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据 DICOM 文件头中的信息，将预期开颅半径从毫米（mm）转换为体素（voxels）。</li>
	<li>以步骤 6.1 中指定的点为中心，利用 补充代码文件 Craniotomy，在步骤 5.8.4 所得的掩膜中，将步骤 6.2 定义半径范围内的所有体素设为零。函数的输入输出格式为 [craniotomyMask] = Craniotomy(mask, x, y, z, radius, X, Y, Z, resolution)，其中 craniotomyMask 是已去除开颅区域的三维矩阵，mask 是初始三维矩阵，x、y、z 是开颅中心坐标，radius 是开颅半径，X、Y、Z 是三维矩阵的网格向量，resolution 是步骤 6.2 中定义的半径（参见 补充代码文件 Craniotomy）。</li>
	<li>对于多个开颅区域，对每个独立的开颅位置重复执行步骤 6.1–6.3。</li>
	<li>将颅骨导出为 .stl 文件或其他类似的文件格式，用于 3D 打印。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>为了打印原型和模具，使用标准的PLA打印机（材料表），并采用以下打印机和软件设置生成G代码：内部密度&#62;50%（对于需要承载液体的模具而言，这一点尤为重要），内部填充模式为快速蜂窝状，外部填充模式为直线状，打印平台温度 = 50 °C，挤出机温度 = 230 °C。</li>
	<li>为了打印更高保真度的脑和颅骨模型，使用工业级打印机，采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）与可溶解支撑材料进行组合打印（材料表）。然后使用以下打印机设置生成G代码：填充模式为稀疏-高密度。其余所有设置将自动调整为相应的默认值。
	<ol>
		<li>将模型置于支撑材料溶剂（材料表）中溶解约12小时。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>完成相应的打印机设置后，点击开始，并观察打印的第一层，以确保基底层平整均匀。</li>
	<li>3D打印模具完成后，使用指甲油（材料表）封堵所有可见的孔洞，以确保密封更严密。 
	注：3D打印的脑和颅骨模型可通过将脑模型插入颅骨底部的开口处进行组合。移除眼部解剖结构可便于脑模型的放置，且不会丢失重要信息。当脑模型置于颅骨内部时，会自然对齐至解剖学上的正确位置。</li>
</ol>
8. 琼脂糖的制备
<ol>
	<li>按质量比1:4将琼脂粉（材料表）与刺槐豆胶粉（材料表）混合。</li>
	<li>将粉末混合物加入锥形瓶中的1×磷酸盐缓冲液（材料表），配制成浓度为0.6%的溶液。 
	注：其他实验室使用的浓度范围通常为0.5%–0.6%20,21。</li>
	<li>将微波炉调至最大功率，将装有溶液的锥形瓶放入微波炉中加热2分钟。</li>
	<li>观察溶液状态。当溶液开始冒泡时，立即停止微波炉和计时器，取出锥形瓶并剧烈旋转混匀。随后将锥形瓶放回微波炉，继续加热并重新开始计时。 
	注：此步骤的目的是在尽量减少因沸腾导致蒸发而损失体积的前提下，充分加热溶液。</li>
	<li>重复步骤8.4，直至完成全部两分钟加热时间。</li>
	<li>取出锥形瓶后持续旋转，防止溶液在瓶内提前凝固。</li>
	<li>在锥形瓶外壁冲淋冷水，同时不断旋转，以冷却溶液。冷却至瓶壁仅感温热但可安全触碰为止，以避免后续步骤中高温溶液导致塑料模具变形。</li>
	<li>在将溶液转移至模具的过程中持续旋转锥形瓶，防止溶液过早硬化。</li>
</ol>
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
<ol>
	<li>将琼脂糖溶液倒入其中一个脑模具中，直至装满。继续轻轻摇晃烧瓶中剩余的溶液。</li>
	<li>监测模具中溶液是否有泄漏。如有需要，及时补充溶液，因为凝固的琼脂糖会自动封住模具中的任何漏点。</li>
	<li>让模具中的溶液在室温下静置，直至溶液完全凝固成固体。 
	注意：等待时间可能因溶液体积和其他因素而异，但通常2小时为可靠的等待时间。</li>
	<li>使用刮铲小心地将凝胶模型从模具中取出。插入刮铲时应选择合适的位置，以避免对模具表面造成潜在变形。</li>
	<li>为减缓自然蒸发过程并防止生物污染，应将凝胶模型置于密封容器中，并存放在冰箱内。</li>
</ol>
10. 注入琼脂糖凝胶模型
<ol>
	<li>准备泵以进行输注，并将其固定在立体定位仪框架上的立体定位臂上（材料表）。根据第9节中的凝胶模型表面，将泵调整至正确的注射轨迹和垂直位置。</li>
	<li>使用250 µL注射器（材料表）吸取去离子水。将注射器安装到泵上（材料表）。 
	注意：在吸取任何染料之前，应先用去离子水完全充满注射套管（材料表），以确保当染料通过套管被吸入时，活塞不会压缩或扩张空气，从而影响注射体积。</li>
	<li>使用泵驱动器（材料表）将食用色素（材料表）吸入注射器，直至达到目标注射体积。缓慢注射食用色素，直到套管尖端形成一小滴液珠，以防止将气泡注入凝胶中。随后擦干套管尖端的液珠。</li>
	<li>将凝胶模型置于套管下方。降低套管，使其尖端接触凝胶模型表面，并记录立体定位臂上的测量数值。</li>
	<li>迅速而平稳地将套管插入凝胶模型至目标注射深度，并确保凝胶表面已紧贴套管周围密封。</li>
	<li>启动泵并观察食用色素在凝胶中的扩散情况，直至完成目标体积的注射。起始流速设为1 µL/min，之后每分钟递增1 µL/min，逐步提高至5 µL/min。食用色素在凝胶中的扩散可近似模拟病毒载体在脑组织中的分布情况。</li>
	<li>迅速而平稳地将套管从凝胶中取出。</li>
	<li>使用成像设备（材料表）拍摄食用色素扩散区域的图像，并实际测量栓塞区域的尺寸，以计算注射形成的椭球体积。由于凝胶具有透明特性，该方法得以实现。</li>
</ol>

<ol><li>Phillips, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Why+primate+models+matter%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Primatology%22%5BJournal%5D)">Why primate models matter.</a> American Journal of Primatology. 76 (9), 801-827 (2014).</li>
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<li>Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Convection+Enhanced+Delivery+of+Optogenetic+Adeno-associated+Viral+Vector+to+the+Cortex+of+Rhesus+Macaque+Under+Guidance+of+Online+MRI+Images%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Convection Enhanced Delivery of Optogenetic Adeno-associated Viral Vector to the Cortex of Rhesus Macaque Under Guidance of Online MRI Images.</a> Journal of Visualized Experiments. (147), (2019).</li>
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<li>Schweizer-Gorgas, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+imaging+features+of+canine+gliomatosis+cerebri%5BTitle%5D)+AND+%22Veterinary+Radiology+%26+Ultrasound%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance imaging features of canine gliomatosis cerebri.</a> Veterinary Radiology & Ultrasound. 59 (2), 180-187 (2018).</li>
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<li>Galvan, A., Caiola, M. J., Albaugh, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+optogenetic+and+chemogenetic+methods+to+study+brain+circuits+in+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Transmission%22%5BJournal%5D)">Advances in optogenetic and chemogenetic methods to study brain circuits in nonhuman primates.</a> Journal of Neural Transmission. 125 (3), 547-563 (2018).</li>
</ol>

作者们目前没有需要披露的利益冲突。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>3D 打印软件 (GrabCAD Print)</td><td>Stratasys</td><td>版本 1.36</td><td>用于高质量 3D 打印</td></tr><tr><td>3D 打印软件 (Simplify 3D)</td><td>Simplify3D</td><td>版本 4.1</td><td>用于 PLA 3D 打印</td></tr><tr><td>琼脂糖</td><td>Benchmark Scientific</td><td>A1700</td><td>用于制作凝胶脑模型</td></tr><tr><td>黑色指甲油</td><td>L.A. Colors</td><td>CNP637</td><td>用于凝胶成型</td></tr><tr><td>套管（内径 450 µm，外径 666 µm）</td><td>Polymicro Technologies</td><td>1068150625</td><td>用于向凝胶脑中注射染料</td></tr><tr><td>导管连接器</td><td>B Braun</td><td>PCC2000</td><td>适用于 20–24 G 硬膜外导管；每包 50 个单位</td></tr><tr><td>Dremel 3D Digilab 3D45 打印机</td><td>Dremel</td><td>F0133D45AA</td><td>用于 PLA 快速原型制作</td></tr><tr><td>ECOWORKS</td><td>Stratasys</td><td>300-00104</td><td>用于溶解 QSR 支撑结构</td></tr><tr><td>锥形瓶</td><td>Pyrex</td><td>4980</td><td>用于凝胶成型</td></tr><tr><td>氰基丙烯酸乙酯</td><td>The Original Super Glue Corp.</td><td>15187</td><td>用于制作组合套管</td></tr><tr><td>量筒</td><td></td><td>3023</td><td>用于凝胶成型</td></tr><tr><td>HATCHBOX PLA 3D 打印机线材</td><td>HATCHBOX</td><td>3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK</td><td>1 公斤卷，1.75 毫米，红色/黑色</td></tr><tr><td>刺槐豆胶</td><td>Modernist Pantry</td><td>1018</td><td>凝胶脑混合物中的增稠剂</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks</td><td>R2019b</td><td>用于颅骨提取</td></tr><tr><td>McCormick 黄色食用色素</td><td>McCormick</td><td></td><td>用于染料注射</td></tr><tr><td>微波炉</td><td>Panasonic</td><td>NN-SD975S</td><td>用于琼脂糖固化</td></tr><tr><td>MR 成像软件 (3D Slicer)</td><td>3D Slicer</td><td>版本 4.10.2</td><td>用于三维模型生成</td></tr><tr><td>MR 成像软件 (带 BET 插件的 Mango)</td><td>Reasearch Imaging Institute</td><td>版本 4.1</td><td>用于脑组织提取</td></tr><tr><td>Philips Acheiva MRI 系统</td><td>Philips</td><td>4522 991 19391</td><td>用于非人灵长类动物成像</td></tr><tr><td>磷酸盐缓冲液</td><td>Gibco</td><td>70011-044</td><td>用去离子水稀释 10 倍至 1X</td></tr><tr><td>泵</td><td>WPI</td><td>UMP3T-1</td><td>用于染料注射</td></tr><tr><td>泵驱动器</td><td>WPI</td><td>UMP3T-1</td><td>用于染料注射</td></tr><tr><td>冰箱</td><td>通用电气</td><td></td><td>用于保存琼脂糖凝胶</td></tr><tr><td>科学刮刀</td><td>VWR</td><td>82027-494</td><td>用于取出凝胶模具</td></tr><tr><td>SolidWorks</td><td>Dassault Systemes</td><td>2019</td><td></td></tr><tr><td>Stratasys ABS-M30 线材</td><td>Stratasys</td><td>333-60304</td><td>用于高质量 3D 打印</td></tr><tr><td>Stratasys F170 3D 打印机</td><td>Stratasys</td><td>123-10000</td><td>用于高质量 3D 打印</td></tr><tr><td>Stratasys QSR 支撑材料</td><td>Stratasys</td><td>333-63500</td><td>用于与 ABS 模型配合创建支撑结构</td></tr><tr><td>注射器</td><td>SGE</td><td>SGE250TLL</td><td>用于染料注射</td></tr></tbody></table>

基于mri的非人灵长类神经外科手术规划工具箱

A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates

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。

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...

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。

基于MRI的非人灵长类神经外科手术规划工具箱

本文中，我们概述了一种外科手术准备方法，该方法可实现在非人灵长类动物（NHPs）中仅使用……即可对多种神经外科手术进行切实可行的规划。

本方案对神经工程领域具有重要意义，因为它提供了一种简洁且单一的流程，旨在提高非人灵长类动物神经外科手术的精确性和安全性。该技术使研究人员能够直观地观察其植入或注射操作的每一个细节，并确保他们能够以尽可能充分的准备进入手术室。对该方法进行可视化演示至关重要，因为它突显了全尺寸物理模型在手术规划中所能带来的显著影响和清晰指导作用。在磁共振成像软件中提取脑组织时，打开插件下拉菜单并选择“提取脑组织”。将提取强度阈值设置为2.5、2.7，阈值梯度值设为零。创建脑图像的位图后，在图像菜单下选择“生成表面”，并输入用于创建包含感兴趣区域位图的阈值。然后单击“确定”以生成表面。并将提取的感兴趣脑区保存为 NII 或 NII.GZ 文件。为了生成脑部模型，使用相应的医学图像处理软件打开已提取的脑部文件。在编辑器模块菜单中，选择阈值效果，调节阈值范围滑块，使包含脑部的位图区域在所有三个切片中均被高亮显示。打开模型生成器模块，在输入体数据的下拉菜单中选择该位图文件。在模型下，选择创建新模型层级结构，然后单击应用以创建体数据。当导入的网格化脑表面已导入后，选择图形一，并抑制任何不必要的图形特征，直到文件中仅保留包含脑部的特征为止。然后，将文件保存为 PRT 格式以进行进一步处理，并保存为 STL 格式用于 3D 打印。对于脑部模具制作，将提取出的脑模型导入合适的计算机辅助设计软件程序中。在“插入”菜单的“特征”部分，选择“转换为网格实体”，将脑部的图形实体进行转换，然后打开草图选项卡，点击草图并选择顶面作为草图平面。围绕整个目标半脑绘制一个矩形，然后选择“拉伸凸台基体”特征，以拉伸出一个包含脑顶部的立方矩形。在“插入”菜单的“特征”部分，选择“转换为网格体”，然后在“实体体”文件夹中选择已拉伸的立方体进行转换。为了创建负空间，使用“组合”特征并选择“减除”选项，将脑模型从新拉伸的立方体中减去。进行颅骨建模时，将快速MPRAGE MRI以DICOM文件格式导入适当的矩阵处理软件程序中，并根据需要使用命令将所有帧合并为一个三维矩阵。确保矩阵的每个二维帧显示冠状切片，并对单个像素值使用大于运算符，对三维矩阵进行阈值处理，以生成二值掩膜。然后调整阈值，使掩膜能够覆盖颅骨解剖结构。为去除肌肉层，需从掩膜中逐次提取一个二维切片，对三维掩膜中的每一帧进行单独处理，并使用波浪号操作符反转掩膜的数值，此时颅骨对应的值将为1。外部和脑组织的值将为零。向三维掩膜中添加额外的空体素，直到掩膜的最低分辨率维度大于由缩放因子定义的倍数为止。然后在掩膜中进行线性插值，直至掩膜填满新的空间。然后，将颅骨导出为 STL 文件或适用于 3D 打印的类似文件格式。要在 3D 颅骨模型中创建颅骨开窗，需打开 MRI 文件，并在 3D 矩阵中手动前后扫描，参照猕猴脑图谱中的解剖标志，确定颅骨开窗的大致位置。为制作琼脂糖模具，将琼脂糖溶液倒入全脑或半脑模具中，并让溶液在模具内凝固约两个小时。当琼脂糖凝固后，使用刮铲小心地将凝胶模型从模具中取出，注意不要损坏模具表面。为了模拟琼脂糖凝胶模型的灌注，将注射泵安装在立体定位仪框架的立体定位臂上，并用250微升注射器吸取去离子水。将注射器装入注射泵，并用去离子水完全充满注射套管。使用泵驱动器将目标体积的食用色素注入注射器中。然后推出食用色素，直至套管尖端形成一小滴液珠。擦干套管尖端的液珠，并将凝胶模型置于套管下方。将套管缓慢下放，直至其尖端接触凝胶模型表面，并记录立体定位仪臂上的读数。随后平稳而迅速地将套管插入凝胶模型，达到目标注射深度。确保凝胶表面已紧贴套管周围密封，启动泵的同时观察染料的扩散情况，直至注入目标体积。通过使用本方案，可创建出解剖结构精确的非人灵长类动物大脑物理模型。同样，也可根据磁共振成像数据生成解剖结构精确的灵长类头骨物理模型。头骨与大脑的物理模型能够通过紧密的过盈配合组合在一起，从而验证两个模型之间的相对准确性，并证实外推的磁共振成像分析数据的可靠性。在打印前将颅骨开孔插入颅骨，可实现样本接口所有部件的组合，以便评估各组件相对于颅骨和脑组织的几何关系。例如，在本实验中，手术前对头固定柱的底脚进行了调整，使其适配于植入位置处颅骨的曲率。这使得手术时间从开颅到植入由原来的约2.5小时缩短至1小时，显著降低了手术并发症的风险。可在琼脂糖混合物脑模型的感兴趣区域注射黄色染料，以估算预期输注的体积，将琼脂糖模型与3D打印的颅骨结合可用于模拟病毒载体注射手术。考虑到不同动物颅骨和脑解剖结构的差异，提取过程的成功需要对迭代步骤进行调整。因此，该工具箱可用于降低非人灵长类动物神经外科手术的风险，其制备技术可提升神经科学前沿领域的实验流程。

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生物工程

非人类灵长类动物神经外科规划基于MRI的工具箱

非人灵长类动物是我们理解大脑正常功能的重要转化研究物种。灵长类动物大脑的解剖结构可为人类正常及病理状态提供重要的研究依据。...

在立体定位空间中解剖非人灵长类动物大脑

我们介绍了使用自主设计的软件进行癫痫手术中图像整合、可视化和手术规划的步骤。...

癫痫手术中三维多模态影像整合与计算机辅助规划的流程

本方案描述了将七种不同的自动化分割工具应用于结构T1加权MRI扫描，以勾画可用于灰质体积定量的灰质区域的过程。...

基于T1加权MRI图像的皮层灰质自动分割

本文展示了一种利用磁共振（MR）引导对流增强递送（CED）将病毒载体注入猕猴大脑皮层的方法，该方法可高效、简便地实现光遗传学表达在大脑皮层大范围区域的分布。...

在在线磁共振成像引导下向恒河猴大脑皮层进行对流增强递送光遗传学腺相关病毒载体

本文概述了一项多模态脑图谱计划，旨在识别支持个体神经外科患者关键认知功能的脑区。...

罗切斯特大学医学中心的转化脑图谱研究：通过个性化脑图谱保护大脑功能

我们提出了一种将扩散MRI纤维束成像整合到颅底肿瘤经鼻内镜手术患者诊疗中的方案。文中描述了在术前和术中阶段应用这些神经影像学研究的方法。...

弥散 MRI 示踪成像在内镜经鼻颅底手术中的作用

本方案展示了利用对流增强输注技术对猪脑进行立体定向操作，并结合实时磁共振成像（MRI）可视化引导以及输注分布的实时可视化监测。...

磁共振引导下向猪脑灌注的立体定向技术

本文概述了基于磁共振成像（MRI）扫描的非人灵长类动物神经外科手术规划的自动化流程。这些技术利用编程和设计平台中的操作步骤，支持为非人灵长类动物（NHP）定制化设计植入物。随后可通过三维（3D）打印的等比例解剖模型验证各个组件的有效性。...

非人灵长类神经植入物设计工具箱

一种结合多种磁共振成像（MRI）数据模态指导下的个性化经颅磁刺激与脑电图（TMS-EEG）皮层网络定位的新方案。...

神经影像引导的经颅磁刺激–脑电图用于实时皮层网络定位

本文介绍了一种使用重复经颅磁刺激（nTMS）结合基于扩散张量成像（DTI）的皮质脊髓束（CST）重建进行运动区定位的标准化操作流程。该方案具有可重复性，临床可行性高，可轻松整合到常规临床工作流程中，为运动通路评估、神经可塑性研究以及康复方案制定提供了可靠且有价值的技术框架。...

使用导航经颅磁刺激进行功能性运动定位的标准化方案

学习基于MRI数据提取和3D打印技术的非人类灵长类动物神经外科规划方法。该方案通过构建真实比例的物理模型，提高手术精准度和安全性，帮助研究人员在术前充分准备并优化手术流程。

基于MRI的非人灵长类神经外科手术规划工具箱

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