Eine MRT-basierte Toolbox für neurochirurgische Planung bei nichtmenschlichen Primaten

Dieses Protokoll ist für den bereichleitenden Ingenieurssektor von Bedeutung, da es ein prägnantes und unimodales Verfahren bietet, das entwickelt wurde, um die Präzision und Sicherheit der Neurochirurgie bei nichtmenschlichen Primaten zu verbessern. Diese Technik bietet Forschern die einzigartige Möglichkeit, jeden Aspekt ihrer Implantation oder Injektion zu visualisieren, und stellt sicher, dass sie einen Operationssaal so vorbereitet wie möglich betreten können. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Auswirkungen und die Klarheit hervorhebt, die lebensgroße physikalische Modelle auf die chirurgische Planung haben können.

Um das Gehirn in der Magnetresonanztomographie-Software zu extrahieren, öffnen Sie das Dropdown-Menü der Plugins und wählen Sie Extrakt Gehirn. Legen Sie den Extraktionsintensitätsschwellenwert auf 2,5, 2,7 und den Schwellenwert für den Gradientenwert auf Null fest. Nachdem Sie eine Bitmap des Gehirnbildes erstellt haben, wählen Sie unter dem Bildmenü build surface aus, und geben Sie den Schwellenwert ein, der zum Erstellen der Bitmap verwendet wird, die den Interessenbereich enthält.

Klicken Sie dann auf OKAY, um die Oberfläche zu erstellen. Und speichern Sie die extrahierte Hirnregion von Interesse als NII oder NII. GZ-Datei.

Um ein Gehirnmodell zu generieren, öffnen Sie die extrahierte Gehirndatei in der entsprechenden medizinischen Bildverarbeitungssoftware. Und wählen Sie im Editormodulmenü den Schwellenwerteffekt aus, passen Sie die Schieberegler für den Schwellenwertbereich an, damit der Teil der Bitmap, der das Gehirn enthält, in allen drei Slices hervorgehoben wird. Öffnen Sie das Modell-Maker-Modul, und wählen Sie im Dropdown-Menü Eingabevolumina die Bitmapdatei aus.

Wählen Sie unter Modelle neue Modellhierarchie erstellen aus, und klicken Sie auf Anwenden, um das Volume zu erstellen. Wenn die importierte Netzhirnoberfläche importiert wurde, wählen Sie Grafik aus. Und unterdrücken Sie alle unnötigen grafischen Features, bis nur die Features, die das Gehirn enthalten, in der Datei verbleiben.

Speichern Sie dann die Dateien im PRT-Format zur weiteren Bearbeitung und als STL für den 3D-Druck. Für das Gehirnformen, laden Sie das extrahierte Gehirnmodell in ein entsprechendes computergesteuertes Design-Softwareprogramm. Wählen Sie im Features-Bereich des Menüs Einfügen "In Netzkörper und den grafischen Körper des Gehirns konvertieren" aus, und öffnen Sie diese Skizzierungsregisterkarte, und klicken Sie auf Skizze, um die obere Ebene als Skizzierebene auszuwählen.

Zeichnen Sie ein Rechteck um die gesamte Hemisphäre von Interesse, und wählen Sie das Extrudieren Boss Basis-Feature, um ein kubisches Rechteck mit dem oberen Teil des Gehirns zu extrudieren. Wählen Sie im Menü Features des Menüs Einfügen aus, und wählen Sie den extrudierten Würfel im Ordner "Volumenkörper" aus, um ihn zu konvertieren. Um den negativen Raum zu erstellen, verwenden Sie das Kombinations-Feature, und wählen Sie die Subtrahierungsoption aus, um das Modell des Gehirns vom neu extrudierten Würfel zu subtrahieren.

Importieren Sie für die Schädelmodellierung das schnelle MPRAGE MRT als DICOM-Datei in ein entsprechendes Matrix-Manipulationssoftwareprogramm. Und verwenden Sie die Befehle, um alle Frames bei Bedarf in einer einzigen 3D-Matrix zu kombinieren. Stellen Sie sicher, dass jeder 2D-Frame der Matrix ein koronales Slice anzeigt, und verwenden Sie einen größer als Operator für einzelne Pixelwerte, um die 3D-Matrix zu schwellenwerten, um eine binäre Maske zu erstellen.

Passen Sie dann die Schwelle so an, dass die Schädelanatomie von der Maske erfasst wird. Um die Muskulaturschicht zu entfernen, greifen Sie iterativ ein 2D-Slice aus der Maske, um jeden Frame aus der 3D-Maske separat zu verarbeiten, und verwenden Sie den Tildenoperator, um die Werte der Maske umzukehren. Die Schädelwerte werden eins sein.

Außen und Gehirn haben Werte von Null. Fügen Sie der 3D-Maske zusätzliche leere Voxel hinzu, bis die Dimension mit der niedrigsten Auflösung der Maske um einen Faktor größer ist, der durch den Skalierungsfaktor definiert wird. Und interpoliert die Werte in der Maske linear, bis die Maske den neuen Raum ausfüllt.

Exportieren Sie dann den Schädel als STL-Datei oder einen ähnlichen Dateityp für den 3D-Druck. Um eine Kraniotomie im 3D-Schädelmodell zu erstellen, öffnen Sie die MRT-Datei und scannen manuell durch die 3D-Matrix hin und her, um die ungefähre Position der Kraniotomie anhand anatomischer Landmarken im Makaken-Gehirnatlas zu identifizieren. Um eine Agarose-Form zu erstellen, gießen Sie Agarose-Lösung in eine volle oder halbe Hemisphäre Gehirnform und lassen Sie die Lösung innerhalb der Form für etwa zwei Stunden zu erstarren.

Wenn die Agarose gesetzt hat, verwenden Sie einen Spachtel, um das Gelmodell vorsichtig aus der Form zu entfernen, wobei darauf zu achten ist, dass die Oberfläche der Form nicht beschädigt wird. Für eine Mock-Infusion des Agarose-Gel-Modells eine Spritzenpumpe auf einen stereotaxic-Arm auf einem stereotaxic-Rahmen montieren und eine 250-Mikroliter-Spritze mit dem ionisierten Wasser füllen. Laden Sie die Spritze auf die Spritzenpumpe und füllen Sie die Injektionskanüle vollständig mit dem Wasser.

Verwenden Sie den Pumpentreiber, um das Zielvolumen der Lebensmittelfarbe zur Injektion in die Spritze zu laden. Und werfen Sie die Lebensmittelfarbe aus, bis sich an der Spitze der Kanüle eine kleine Perle bildet. Trocknen Sie die Perle von der Kanülenspitze und positionieren Sie das Gelmodell unter der Kanüle.

Senken Sie die Kanüle, bis die Spitze die Oberfläche des Gelmodells berührt, und beachten Sie die Messungen am stereotaxic Arm. Dann sanft und schnell senken Sie die Kanüle in das Gelmodell auf die Zielinjektionstiefe. Sicherstellen, dass die Oberfläche des Gels um die Kanüle herum versiegelt ist und die Pumpe laufen lässt, während die Ausbreitung der Matrize beobachtet wird, bis das Zielvolumen geliefert ist.

Mit diesem Protokoll kann ein anatomisch genaues physikalisches Modell des nicht-menschlichen Primatenhirns erstellt werden. Ebenso kann ein anatomisch genaues physikalisches Modell des Primatenschädels erzeugt werden, das aus Magnetresonanzbildern extrahiert wird. Die physikalischen Modelle des Schädels und des Gehirns können mit einer engen Interferenzpassung kombiniert werden, die die Genauigkeit der beiden Modelle relativ zueinander validiert und die extrapolierten MRT-Analysedaten legitimiert.

Das Einbringen einer Kraniotomie in den Schädel vor dem Druck ermöglicht die Kombination aller Teile der Probenschnittstelle zur Auswertung der Geometrie verschiedener Komponenten in Bezug auf Schädel und Gehirn. In diesem Experiment wurden beispielsweise die Füße des Kopfpfostens manipuliert und vor dem Eingriff an die Krümmung des Schädels an der Stelle der Implantation angepasst. Dies führte zu einer reduzierten Operationszeit von ca. 2,5 Stunden auf eine Stunde von der Öffnung bis zur Implantation, wodurch das Risiko operativer Komplikationen erheblich reduziert wird.

Agarose-Mischung Gehirnmodelle können mit gelben Farbstoff in einem Bereich von Interesse injiziert werden, um das Volumen der vorgeschlagenen Infusion zu schätzen und die Kombination des Agarose-Modells mit einem 3D-gedruckten Schädel kann verwendet werden, um virale Vektorinjektion Chirurgie zu modellieren. Unter Berücksichtigung der Variationen der Schädel- und Hirnanatomie bei verschiedenen Tieren erfordert der Erfolg des Extraktionsprozesses Anpassungen in den iterativen Schritten. So kann diese Toolbox verwendet werden, um das Risiko in der nicht-menschlichen Primaten-Neurochirurgie zu reduzieren und die Herstellungstechniken können den experimentellen Prozess an der Spitze der Neurowissenschaften verbessern.