Una caja de herramientas basada en RMN para la planificación neuroquirúrgica en primates no humanos

El método descrito a continuación tiene como objetivo proporcionar un protocolo completo para la preparación de neurocirugía de primates no humanos (NHP) utilizando una novedosa combinación de métodos de impresión tridimensionales (3D) y extracción de datos por resonancia magnética.

Este protocolo es significativo para el campo de la ingeniería neuronal porque ofrece un procedimiento conciso y no suimodal diseñado para mejorar la precisión y seguridad de la neurocirugía en primates no humanos. Esta técnica ofrece a los investigadores la capacidad única de visualizar cada aspecto de su procedimiento de implantación o inyección, y asegura que pueden entrar en un quirófano lo más preparado posible. La demostración visual de este método es fundamental porque pone de relieve el impacto y la claridad que los modelos físicos de tamaño natural pueden tener en la planificación quirúrgica.

Para extraer el cerebro en el software de imágenes por resonancia magnética, abra el menú desplegable de plugins y seleccione extraer cerebro. Establezca el umbral de intensidad de extracción en 2,5, 2,7 y el valor de degradado de umbral en cero. Después de crear un mapa de bits de la imagen cerebral, seleccione la superficie de compilación en el menú de la imagen e introduzca el umbral utilizado para crear el mapa de bits que contiene la región de interés.

A continuación, haga clic en Aceptar para crear la superficie. Y salvar la región cerebral extraída de interés como un NII o NII. GZ.

Para generar un modelo cerebral, abra el archivo cerebral extraído en el software de procesamiento de imágenes médicas adecuado. Y en el menú del módulo del editor, seleccione el efecto de umbral, ajuste los controles deslizantes del rango de umbral para que la parte del mapa de bits que contiene el cerebro se resalte en los tres sectores. Abra el módulo de creación de modelos y, en el menú desplegable volúmenes de entrada, seleccione el archivo de mapa de bits.

En Modelos, seleccione crear una nueva jerarquía de modelos y haga clic en Aplicar para crear el volumen. Cuando se haya importado la superficie del cerebro de malla importada, seleccione la superficie gráfica. Y suprima las características gráficas innecesarias hasta que solo las entidades que contienen el cerebro permanezcan en el archivo.

A continuación, guarde los archivos en el formato PRT para su posterior manipulación y como STL para la impresión 3D. Para el moldeo cerebral, cargue el modelo cerebral extraído en un programa de software de diseño computar financiado adecuado. En la sección de operaciones del menú de inserción, seleccione Convertir en sólido de malla y el cuerpo gráfico del cerebro para convertirlo, abra esta ficha de croquis y haga clic en croquis para seleccionar el plano superior como plano de croquis.

Dibuje un rectángulo alrededor de todo el hemisferio de interés y seleccione la entidad de base de saliente de extrusión para extruir un rectángulo cúbico que contenga la parte superior del cerebro. En la sección de operaciones del menú insertar, seleccione Convertir en sólido de malla y seleccione el cubo extruido en la carpeta de sólidos para convertirlo. Para crear el espacio negativo, utilice la función de combinación y seleccione la opción de restar para restar el modelo del cerebro del cubo recién extruido.

Para el modelado de cráneos, importe la RMN MPRAGE rápida en un programa de software de manipulación de matriz adecuado como un archivo DICOM. Y utilice los comandos para combinar todos los fotogramas en una sola matriz 3D según sea necesario. Asegúrese de que cada fotograma 2D de la matriz muestra un sector coronal y utilice un operador mayor que para los valores de píxel individuales para umbralar la matriz 3D para crear una máscara binaria.

A continuación, ajuste el umbral de tal manera que la anatomía del cráneo sea capturada por la máscara. Para eliminar la capa de musculatura, agarre iterativamente un corte 2D de la máscara para procesar cada fotograma de la máscara 3D por separado y utilice el operador tilde para invertir los valores de la máscara. Los valores del cráneo serán los que.

El exterior y el cerebro tendrán valores de cero. Agregue vóxeles vacíos adicionales a la máscara 3D hasta que la dimensión de resolución más baja de la máscara sea mayor por un factor definido por el factor de escala. Y interpola linealmente los valores en la máscara hasta que la máscara llene el nuevo espacio.

A continuación, exporte el cráneo como un archivo STL o un tipo de archivo similar para la impresión 3D. Para crear una craneotomía en el modelo de cráneo 3D, abra el archivo de RMN y escanee manualmente de un lado a otro a través de la matriz 3D para identificar la ubicación aproximada de la craneotomía utilizando puntos de referencia anatómicos que se encuentran en el atlas cerebral macaco. Para crear un molde de agarosa, vierta la solución de agarosa en un molde cerebral de hemisferio completo o medio y permita que la solución se solidifique dentro del molde durante unas dos horas.

Cuando la agarosa se haya establecido, utilice una espátula para quitar suavemente el modelo de gel del molde, teniendo cuidado, no dañar la superficie del molde. Para una infusión simulada del modelo de gel de agarosa, monte una bomba de jeringa en un brazo estereotaxico en un marco estereotaxico y llene una jeringa de 250 microlitros con agua ionizada. Cargue la jeringa en la bomba de la jeringa y llene completamente la cánula de inyección con el agua.

Utilice el controlador de la bomba para cargar el volumen objetivo de colorante de alimentos en la jeringa para inyección. Y expulse el colorante de los alimentos hasta que se forme un pequeño cordón en la punta de la cánula. Seque el cordón de la punta de la cánula y coloque el modelo de gel debajo de la cánula.

Baje la cánula hasta que la punta toque la superficie del modelo de gel, y observe las medidas en el brazo estereotaxico. A continuación, baje suavemente y rápidamente la cánula en el modelo de gel a la profundidad de inyección objetivo. Asegurarse de que la superficie del gel se ha sellado alrededor de la cánula y ejecutar la bomba mientras observa la propagación del troquel hasta que se haya entregado el volumen objetivo.

Usando este protocolo, se puede crear un modelo físico anatómicamente preciso del cerebro de primate no humano. Del mismo modo, también se puede generar un modelo físico anatómicamente preciso del cráneo de primate extraído de imágenes de resonancia magnética. Los modelos físicos del cráneo y el cerebro se pueden combinar con un ajuste de interferencia apretado, validando la precisión de los dos modelos en relación entre sí y legitimando los datos de análisis de RMN extrapolados.

La inserción de una craneotomía en el cráneo antes de la impresión, permite la combinación de todas las partes de la interfaz de la muestra para la evaluación de la geometría de varios componentes en relación con el cráneo y el cerebro. Por ejemplo, en este experimento, los pies del poste de la cabeza fueron manipulados y ajustados a la curvatura del cráneo en la ubicación de la implantación antes del procedimiento. Resultando en un tiempo quirúrgico reducido de aproximadamente 2,5 horas a una hora desde la apertura hasta la implantación, reduciendo en gran medida el riesgo de complicaciones operativas.

Los modelos cerebrales de mezcla de agarosa se pueden inyectar con tinte amarillo en un área de interés para estimar el volumen de la perfusión propuesta y combinar el modelo de agarosa con un cráneo impreso en 3D se puede utilizar para modelar la cirugía de inyección de vectores virales. Teniendo en cuenta las variaciones en el cráneo y la anatomía cerebral en diferentes animales, el éxito en el proceso de extracción requerirá ajustes en los pasos iterativos. Así que esta caja de herramientas se puede utilizar para reducir el riesgo en la neurocirugía de primates no humanos y las técnicas de fabricación pueden mejorar el proceso experimental a la vanguardia de la neurociencia.