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Article de méthode

Une boîte à outils de conception d’implants neuronaux pour les primates non humains

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DOI :

10.3791/66167

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9 février 2024

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1Department of Bioengineering, Washington National Primate Research Center, University of Washington, 2Department of Electrical and Computer Engineering, Washington National Primate Research Center, University of Washington, 3Department of Biomedical Engineering, Purdue University

Dans cet article

Résumé

Cet article décrit les processus automatisés de planification neurochirurgicale des primates non humains basés sur l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Ces techniques utilisent des étapes procédurales dans les plateformes de programmation et de conception pour soutenir la conception d’implants personnalisés pour les PSN. La validité de chaque composant peut ensuite être confirmée à l’aide de modèles anatomiques grandeur nature imprimés en trois dimensions (3D).

Résumé

Cet article décrit une méthode interne de modélisation 3D du cerveau et du crâne à partir de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) adaptée à la planification neurochirurgicale des primates non humains (PNH). Cette technique logicielle automatisée et informatique offre un moyen efficace d’extraire les caractéristiques du cerveau et du crâne à partir de fichiers IRM, par opposition aux techniques d’extraction manuelle traditionnelles utilisant un logiciel d’imagerie. De plus, la procédure fournit une méthode pour visualiser le cerveau et le crâne craniotomisé ensemble pour une planification chirurgicale intuitive et virtuelle. Cela génère une réduction drastique du temps et des ressources par rapport à ceux requis par les travaux précédents, qui reposaient sur l’impression 3D itérative. Le processus de modélisation du crâne crée une empreinte qui est exportée dans un logiciel de modélisation pour concevoir des chambres crâniennes et des tenons de tête sur mesure pour l’implantation chirurgicale. Les implants chirurgicaux sur mesure minimisent les espaces entre l’implant et le crâne qui pourraient introduire des complications, notamment une infection ou une diminution de la stabilité. La mise en œuvre de ces étapes préopératoires permet de réduire les complications chirurgicales et expérimentales. Ces techniques peuvent être adaptées à d’autres processus chirurgicaux, ce qui facilite une planification expérimentale plus efficace pour les chercheurs et, éventuellement, les neurochirurgiens.

Introduction

Les primates non humains (PNH) sont des modèles inestimables pour la recherche médicale translationnelle car ils sont similaires aux humains sur le plan de l’évolution et du comportement. Les PSN ont acquis une importance particulière dans les études précliniques d’ingénierie neuronale car leur cerveau est un modèle très pertinent de la fonction et du dysfonctionnement neuronaux1,2,3,4,5,6,7,8. Certaines techniques puissantes de stimulation et d’enregistrement du cerveau, telles que l’optogénétique, l’imagerie calcique et autres, sont mieux servies par un accès direct au cerveau par les fenêtres crâniennes9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Dans les PSN, les fenêtres crâniennes sont souvent réalisées avec une chambre et une dure-mère artificielle pour protéger le cerveau et soutenir l’expérimentation à long terme8,10,12,17,18,24,25,26,27. De même, les poteaux de tête accompagnent souvent les chambres pour stabiliser et aligner la tête pendant les expériences14,15,25,26,28,29,30. L’efficacité de ces composants dépend fortement de leur capacité à s’insérer dans le crâne. Un ajustement plus proche du crâne favorise l’intégration osseuse et la santé crânienne en diminuant le risque d’infection, d’ostéonécrose et d’instabilité de l’implant31. Méthodes de conception conventionnelles, telles que le pliage manuel de la tige de tête pendant la chirurgie25,29 et estimer la courbure du crâne en ajustant des cercles à des tranches coronales et sagittales de résonance magnétique (IRM)9,12 peut introduire des complications dues à l’imprécision. Même les plus précis d’entre eux créent des espaces de 1 à 2 mm entre l’implant et le crâne, offrant un espace pour l’accumulation de tissu de granulation29. Ces lacunes introduisent en outre des difficultés de placement des vis en chirurgie9, compromettant la stabilité de l’implant. Des implants personnalisés ont été développés plus récemment pour améliorer l’ostéointégration et la longévité des implants9,29,30,32. Des coûts supplémentaires ont accompagné les progrès dans la conception d’implants personnalisés en raison de la dépendance aux modèles informatiques. Les méthodes les plus précises nécessitent des équipements sophistiqués tels que des appareils de tomodensitométrie (TDM) en plus des appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM)30,32,33 et même des fraiseuses à commande numérique par ordinateur (CNC) pour le développement de prototypes d’implants25,29,32,34. L’accès à l’IRM et à la TDM, en particulier pour les PSN, peut ne pas être possible pour les laboratoires qui ont besoin d’implants sur mesure comme les chambres crâniennes et les tenons de tête.

Par conséquent, il existe un besoin dans la communauté de techniques peu coûteuses, précises et non invasives de planification neurochirurgicale et expérimentale qui facilitent la conception et la validation des implants avant utilisation. Cet article décrit une méthode de génération de représentations virtuelles 3D du cerveau et du crâne à partir de données IRM pour la planification de l’emplacement de la craniotomie et la conception de chambres crâniennes et de poteaux de tête personnalisés qui s’adaptent au crâne. Cette procédure simplifiée fournit une conception standardisée qui peut bénéficier aux résultats expérimentaux et au bien-être des animaux de recherche. Seule l’IRM est nécessaire pour cette modélisation car les os et les tissus mous sont représentés à l’IRM. Au lieu d’utiliser une fraiseuse CNC, les modèles peuvent être imprimés en 3D à moindre coût, même lorsque plusieurs itérations sont nécessaires. Cela permet également d’imprimer en 3D la conception finale dans des métaux biocompatibles tels que le titane pour l’implantation. De plus, nous décrivons la fabrication d’une dure-mère artificielle, qui est placée à l’intérieur de la chambre crânienne lors de l’implantation. Ces composants peuvent être validés avant la chirurgie en ajustant toutes les pièces sur un modèle grandeur nature imprimé en 3D du crâne et du cerveau.

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Protocole

Toutes les procédures impliquant des animaux ont été approuvées par le comité de l’Institute for Animal Care and Use de l’Université de Washington. Au total, quatre macaques rhésus mâles adultes (Macaca mulatta) ont été utilisés dans cette étude. Au moment de l’acquisition de l’IRM, le singe H avait 7 ans, le singe L 6 ans, le singe C 8,5 ans et le singe B 5,5 ans. Les singes H et L ont été implantés avec des chambres chroniques personnalisées à l’âge de 9 ans.

1. Isolement du crâne et du cerveau (Figure 1)

  1. Acquérir un fichier d’écho de gradient préparé par magnétisation rapide (MPRAGE) T1 du crâne et du cerveau à l’aide d’un appareil IRM 3T. Utilisez les paramètres suivants pour l’acquisition IRM35 : angle de basculement = 8°, temps de répétition/temps d’écho = 7,5/3,69 s, taille de la matrice = 432 x 432 x 80, durée d’acquisition = 103,7 s, Multicoil, épaisseur de la coupe = 1 mm, nombre de moyennes = 1.
  2. Téléchargez le dossier intitulé supplemental_code (Fichier de codage supplémentaire 1). Ce dossier doit contenir les fichiers suivants : brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37.
  3. Ajoutez le fichier MRI au dossier supplemental_code . Dans le logiciel de calcul, sélectionnez le dossier supplemental_code comme chemin d’accès au fichier et exécutez brain_extract.m.
  4. Les étapes suivantes décrivent une méthode semi-automatisée d’isolation du crâne et du cerveau à l’aide de MATLAB (Figure 1), qui a été agrégée à partir de techniques d’extraction précédentes35. La fenêtre de commande vous demandera les paramètres nécessaires à l’isolement du cerveau et du crâne et à la visualisation de la craniotomie. Une fois chaque réponse entrée dans la fenêtre de commande, cliquez sur Entrée.
    1. La fenêtre de commande vous demandera d’abord le nom du fichier MPRAGE. Saisissez le nom du fichier (p. ex., MRIFile.dcm) et confirmez que l’IRM s’affiche correctement (Figure 1A).
    2. Pour isoler le crâne (Figure 1B - D), suivez les étapes détaillées décrites dans la fenêtre de commande. Déterminer une valeur seuil appropriée qui sépare le crâne des tissus environnants sans éliminer la matière crânienne (figure supplémentaire 1A). Confirmez une valeur de seuil en appuyant sur (y).
    3. Une technique similaire est utilisée pour isoler le cerveau (Figure 1E - G). Lorsque vous y êtes invité dans la fenêtre de commande, entrez un seuil pour le cerveau. Évaluez le chiffre qui apparaît et ajustez le seuil si nécessaire. Assurez-vous que le cerveau est isolé du crâne et des tissus environnants et qu’aucun tissu cérébral n’est retiré au cours du processus. Confirmez une valeur de seuil en appuyant sur (y).
    4. Passez à la section qui vous intéresse.

2. Planification de l’emplacement de la craniotomie (Figure 2)

  1. Une fois le cerveau et le crâne extraits, entrez les coordonnées de la craniotomie. Si les coordonnées ne sont pas encore connues, indiquez (n) pour non, et un chiffre s’affichera (figure supplémentaire 1B). Déterminez les coordonnées de la craniotomie en choisissant un repère en Z (plan coronal) et en sélectionnant un point sur le repère en Z choisi pour le centre de craniotomie.
    1. Si les coordonnées sont connues, indiquez-les avec les valeurs respectives x (sagittale), y (axiale) et z (coronale).
  2. Entrez le rayon de la craniotomie en millimètres (par exemple, 10 mm) et choisissez aucun rayon extérieur.
  3. Indiquez si une barre d’échelle est nécessaire pour les images du crâne et du cerveau. Les barres d’échelle permettent de confirmer que les dimensions des modèles sont correctes.
  4. Enregistrez les fichiers du cerveau et du crâne au format STL pour l’impression 3D si vous le souhaitez (Figure 1D, G).
  5. Ensuite, une figure avec le cerveau et le crâne craniotomisé sera affichée. Cela peut être utilisé pour vérifier l’accès aux zones cérébrales ciblées. Le cerveau est représenté en bleu et le crâne en gris clair (Figure 2B, E).
  6. Choisissez (n) pour effectuer une réduction de taille SLT, qui est une fonctionnalité qui sera utilisée pour les étapes ultérieures (voir ci-dessous).
  7. Répétez les sections 1 et 2 par itération de craniotomie.

3. Conception de la chambre crânienne (figure 3)

  1. Avant de commencer la conception de la chambre, confirmez l’emplacement de la craniotomie et le rayon de la craniotomie à l’aide de la procédure de planification de l’emplacement de la craniotomie.
  2. Une fois l’isolement du crâne et du cerveau terminé, l’étape suivante consistera à saisir les coordonnées finalisées du centre de la craniotomie. Entrez les valeurs x (sagittale), y (axiale) et z (coronale).
  3. La fenêtre de commande vous demandera ensuite d’entrer les rayons intérieur et extérieur, qui déterminent la zone du crâne avec laquelle travailler pour la conception de la chambre. Choisissez un rayon intérieur plus petit que le rayon réel de la craniotomie (par exemple, 5 mm pour un rayon de craniotomie de 10,0 mm) et un deuxième rayon extérieur plus grand que le rayon prévu de la jupe de la chambre (par exemple, 26 mm pour une jupe de chambre qui aura un rayon de 22 mm). Cela fournira une structure de crâne en forme d’anneau comme base pour la chambre sur laquelle construire.
    REMARQUE : Pour la conception d’une chambre avec un rayon de craniotomie de 10 mm, un rayon intérieur de 5 mm a été choisi. Cela fournit une représentation précise du crâne au bord de la craniotomie tout en maintenant un cercle suffisamment petit pour que le centre de craniotomie puisse être facilement identifié lorsque la représentation du crâne est exportée vers le logiciel de conception. Un rayon extérieur de 26 mm a été extrait pour une chambre de rayon de 22 mm afin de s’assurer qu’une zone supplémentaire du crâne est disponible. Les dimensions de la chambre ont été développées avec des contraintes établies par les besoins de l’expérience. Les rayons utilisés à cette étape seront déterminés par la taille de la craniotomie et la taille de la jupe de la chambre, qui dépend de la taille des vis et de l’espace disponible sur le crâne.
  4. Indiquez si des barres d’échelle sont nécessaires pour les images du crâne et du cerveau.
  5. Enregistrez les fichiers du cerveau et du crâne si vous le souhaitez.
  6. Une figure apparaîtra avec le cerveau (en bleu) et la région du crâne (en gris) qui a été sélectionnée (Figure 3A). Une réduction de taille STL doit ensuite être appliquée sur la région du crâne sélectionnée pour faciliter la manipulation du fichier dans le logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO).
  7. Sélectionnez (y) pour commencer la réduction de la taille STL. La réduction de taille créera un fichier STL avec une taille de fichier réduite qui peut être facilement importé dans un logiciel de CAO pour la conception de matériel personnalisé.
  8. À l’aide de la figure avec le cerveau et le crâne superposés (Figure 3A), utilisez la souris pour sélectionner les points de la surface du crâne à utiliser pour la réduction du fichier. Maintenez la touche Maj enfoncée pour placer plus d’un point.
    1. Placez des points pour couvrir la région d’intérêt, qui dans ce cas est la région du crâne sélectionnée. Placez les pointes aussi près que possible les unes des autres pour assurer une représentation plus précise et plus exacte du crâne (Figure supplémentaire 2). Certains utilisateurs peuvent préférer sélectionner ~20 points critiques et terminer le reste de la conception de la chambre avant de sélectionner tous les points d’intérêt pour le produit final.
    2. Lors de la sélection des points, il est préférable de placer autant de points que possible dans la région sélectionnée. En général, ~200 points représentent bien la courbure du crâne. Placez plus de points autour des bords de la région sélectionnée pour souligner la limite entre le cerveau et le crâne.
      REMARQUE : Évitez de cliquer sur le bouton Entrée avant d’avoir fini de placer des points dans la région, car cela entraînerait une progression prématurée du code et le processus de sélection des points devra être répété.
  9. Appuyez sur Entrée lorsque vous avez terminé de placer des points sur le crâne sélectionné. Tapez le nom de fichier réduit dans la fenêtre de commande.
  10. Importez le fichier dans un logiciel de CAO pour la conception de chambres personnalisées. Commencez par ouvrir le logiciel de CAO.
  11. Cliquez sur Fichier > Ouvrir et sélectionnez le nom de fichier de la réduction STL dans le répertoire.
    1. Avant de cliquer sur Ouvrir, cliquez sur le bouton Options et, dans le menu Importer sous , cliquez sur Corps de surface. Cliquez sur OK , puis sur Ouvrir.
  12. Une fois le STL importé, vérifiez s’il y a de petits trous sur la surface, indiqués par des lignes bleues. S’il y a des trous dans la région du crâne que la chambre couvrira (Figure supplémentaire 3), effectuez la procédure de fixation des trous (Section 6) à l’étape 3.19.1.
  13. Visualisez la surface du crâne pour la chambre dans un logiciel de CAO comme sur la figure 3B. Assurez-vous que les bords de la zone sélectionnée sont visibles dans la représentation du crâne.
  14. Trouvez le contour du cercle intérieur au centre de la surface importée pour localiser le centre de la craniotomie. Créez un plan aligné sur le cercle intérieur en cliquant sur Insérer > géométrie de référence > plan. Utilisez trois points uniformément répartis le long de la circonférence du cercle intérieur comme points de référence pour le plan.
  15. Créez un cercle correspondant au cercle intérieur en cliquant sur l’icône du cercle dans l’onglet Esquisse . Choisissez le plan de l’étape précédente comme plan de référence et identifiez les points le long de l’arête jusqu’à ce que l’aperçu du cercle fournisse une représentation précise du contour du cercle intérieur. Plusieurs combinaisons différentes de points devront peut-être être testées pour trouver celles qui correspondent le mieux au cercle intérieur.
  16. Avec le cercle comme référence, créez un point au milieu du cercle en cliquant sur Insérer > géométrie de référence > point et utilisez l’option Centre de l’arc . Ce point représente le centre de la craniotomie.
  17. Comme plan de référence pour les extrusions futures, faites un deuxième plan parallèle au plan initial et décalé de 10 mm. Lorsque vous choisissez la direction du décalage, assurez-vous que la flèche pointe vers le haut par rapport à l’objet.
  18. Création de l’anneau intérieur de la chambre (Figure 3C)
    1. Créez un axe qui s’étend perpendiculairement à travers le plan de craniotomie et le plan supérieur en cliquant sur Insérer > géométrie de référence > axe, en mettant en surbrillance l’option Point et Face/Plan et en utilisant le plan supérieur et le point central de la craniotomie comme références. Faites un autre point à l’intersection de cet axe et du plan supérieur.
    2. Sélectionnez Extruder bossage/base et le plan supérieur comme surface à partir de laquelle extruder. Faites un croquis de la section transversale de la bague intérieure en créant deux cercles concentriques avec le point sur le plan supérieur comme point central (par exemple, 11,35 mm et 12,25 mm de rayon). Sélectionnez Jusqu’à la surface dans le menu de direction et spécifiez la surface importée comme surface d’extrusion.
    3. Copiez la surface importée en sélectionnant Insérer > surface > Déplacer/Copier et soulevez la surface copiée à la hauteur de l’anneau intérieur et de la jupe (par exemple, 3,5 mm). Utilisez l’option Translation (Translater ) du menu Déplacer/Copier (Move/Copy ) et transférez la surface le long de l’axe perpendiculaire aux deux plans.
    4. Effectuez une coupe extrudée circulaire du plan supérieur à la surface copiée. Commencez par cliquer sur Coupe extrudée et sélectionnez la surface supérieure de la bague intérieure comme point de départ de la coupe extrudée. Terminez l’extrusion en choisissant la surface copiée comme extrémité.
    5. Supprimez la surface importée d’origine à l’aide de l’outil Insérer > fonctions > Supprimer/Conserver le corps . Avec l’outil Masquer/Afficher de l’onglet Affichage , la surface copiée peut être masquée pour afficher l’anneau intérieur et valider sa conception.
  19. Création d’une jupe de chambre (Figure 3D)
    1. Faire en sorte qu’une deuxième surface copiée soit décalée plus bas que la surface existante d’une épaisseur de la jupe de la chambre (par exemple, -1,5 mm). Dans le menu Translation , choisissez l’axe perpendiculaire aux plans comme point de référence et une valeur de décalage pour créer la nouvelle surface sous la surface initiale.
      REMARQUE : Selon la direction par défaut de la direction de décalage, la valeur de décalage peut devoir être définie comme négative pour aller dans la bonne direction.
      1. S’il y a des trous dans la région que la chambre couvrira, suivez les étapes décrites à la section 6 (fixation des trous) avant de poursuivre le reste de la procédure de conception de la chambre.
    2. Effectuez une extrusion du plan supérieur vers la surface inférieure en forme de chambre. Commencez par sélectionner Extrusion bossage/base et sélectionnez le plan supérieur comme plan d’extrusion.
      1. Suivez l’étape 6.2 pour manipuler les extrusions existantes à partir de la procédure de trou de fixation.
    3. Esquissez la forme de la jupe de la chambre sur ce plan. Faites du cercle intérieur de la chambre un cercle de la même taille que le plus petit rayon de la bague intérieure (par exemple, 11,35 mm), centrez-le autour du point sur le plan supérieur et faites en sorte que la limite extérieure de la chambre soit utilisée en utilisant une combinaison d’arcs et de lignes pour maximiser la surface de la jupe. Extrudez vers la plus basse des deux surfaces.
      REMARQUE : Si une erreur survient lors de l’extrusion, il est probable que l’esquisse soit plus large que la surface. Dans ce cas, diminuez la taille de la limite de la jupe extérieure.
    4. Extrudez la coupe du plan supérieur vers la plus haute des deux surfaces copiées en forme de contour de la chambre.
      1. Voir l’étape 6.2 pour plus d’informations sur les extrusions restantes de la procédure de fixation des trous.
    5. Pour afficher la jupe de la chambre et la bague intérieure, supprimez les deux copies restantes de la surface importée. L’objet résultant doit apparaître similaire à celui de la figure 3D.
    6. Pendant le processus de réduction STL et d’importation, le modèle du crâne est reflété. Pour compenser cela, la jupe résultante doit être reflétée. Dans le menu Fonctions , cliquez sur Symétrie et symétrie de la jupe sur le plan supérieur. Supprimez la jupe d’origine à l’aide de la fonction Supprimer/Conserver le corps .
  20. En combinant le haut de la chambre et la jupe (Graphique 3E)
    1. Ouvrez le fichier STL de la partie supérieure de la chambre dans le logiciel utilisé pour concevoir la jupe de la chambre. Ensuite, insérez la jupe de chambre en tant que pièce en cliquant sur Insérer > pièce, en sélectionnant la jupe personnalisée dans le menu et en cliquant n’importe où sur l’écran pour importer la pièce.
    2. Pour aligner le haut et la jupe de la chambre, cliquez sur Insérer > fonctions > Déplacer/Copier. Sélectionnez la jupe de chambre et cliquez sur le bouton Contraintes en bas du menu. Mettez en évidence l’anneau intérieur de la jupe et la surface intérieure du haut de la chambre comme des accouplements concentriques (Figure supplémentaire 4A).
      1. Vérifiez que le haut de la jupe est aligné avec le bas du haut de la chambre et changez le sens d’alignement de l’accouplement si nécessaire.
    3. Utilisez Déplacer/Copier pour déplacer la jupe vers le bas directement sous le haut de la chambre. Cela nécessitera plusieurs itérations pour trouver la bonne distance afin que le haut de la chambre ne s’étende pas sous la jupe de la chambre et n’obstrue pas la jupe (Figure supplémentaire 4B et Figure supplémentaire 5).
    4. Faites pivoter le haut de la chambre pour aligner les espaces entre les languettes de sorte que l’une soit perpendiculaire et l’autre parallèle à la ligne médiane du cerveau. Utilisez l’outil Rotation et l’axe existant au centre de l’objet comme axe de rotation. Ajustez les degrés de rotation jusqu’à ce que le haut et la jupe de la chambre soient dans la bonne orientation l’un par rapport à l’autre.
    5. Connectez les objets ensemble en extrudant du bas du haut de la chambre directement vers le bas vers la jupe. Utilisez l’option Bossage/Base d’extrusion, sélectionnez la surface inférieure du haut de la chambre et créez une esquisse sur cette surface avec les mêmes rayons intérieur et extérieur que cet anneau, en utilisant l’axe central comme point central. Choisissez Jusqu’au corps comme direction d’extrusion et indiquez la jupe de la chambre.
    6. Effectuez une coupe extrudée à partir de la surface du haut de la chambre qui contient les languettes. Après avoir sélectionné cette surface comme plan d’extrusion, esquissez un cercle avec le même rayon intérieur que l’anneau intérieur. Sortez du croquis et effectuez une coupe extrudée aveugle qui dépasse le bas de la jupe de la chambre (par exemple, 10 mm).
    7. Ajoutez douze trous de vis régulièrement espacés autour de la jupe de la chambre. Placez les trous de vis de manière à ce qu’ils soient espacés uniformément mais aussi suffisamment éloignés pour qu’ils soient accessibles pendant la chirurgie, mais suffisamment proches pour éviter une empreinte inutilement grande de la chambre.
    8. Utilisez l’outil Assistant de perçage pour le placement des trous de vis. Choisissez les paramètres dans le menu Spécification de perçage - Type . Les paramètres doivent être alignés sur les vis qui seront utilisées lors de l’implantation chirurgicale (par exemple, Norme : ANSI métrique, Type : Vis à tête plate - ANSI B18.6.7M, Taille : M2, Ajustement : Lâche, Diamètre minimum : 3,20 mm, Diamètre maximum : 4,00 mm, Angle de fraisage : 90 degrés, État final : À travers tout).
    9. Cliquez sur l’onglet Positions pour commencer à placer des trous. Pour placer un trou, survolez un plan de la chambre et cliquez avec le bouton droit de la souris. Placez les douze trous de vis en vous assurant qu’ils sont placés uniformément et accessibles.
    10. Si des obstructions subsistent à l’intérieur d’un trou de vis après sa mise en place (Figure supplémentaire 6A), choisissez un autre plan sur lequel placer le trou ou utilisez les étapes suivantes pour effectuer une coupe extrudée vers le haut à travers le trou.
      1. Commencez la coupe extrudée vers le haut en créant un plan parallèle au plan restant mais décalé vers le bas de 0,00001 mm de sorte que le plan soit directement sous l’obstacle.
      2. Effectuez la coupe extrudée avec le plan créé à la dernière étape comme référence. À l’aide d’une combinaison d’arcs et de lignes, tracez la forme de la zone à supprimer. Assurez-vous que l’esquisse contient une partie du plan qui se trouve à l’intérieur du rayon extérieur du trou de vis (Figure supplémentaire 6B). Extruder coupé de 1 mm vers le haut.
    11. Après avoir placé les trous de vis, coupez la jupe pour réduire les arêtes vives et minimiser la zone inutile de la jupe. Effectuez une coupe extrudée de la surface supérieure de la chambre au-delà de la jupe de la chambre (par exemple, 30 mm). Faites l’extrusion dans une forme qui lissera les bords rugueux et coupera la zone extérieure de la jupe.
      1. Des coupes personnalisées supplémentaires peuvent être nécessaires pour éliminer toutes les arêtes vives et l’excès de jupe. Si des zones de la jupe ne peuvent pas être coupées en utilisant la surface supérieure de la chambre comme plan de référence, créez un plan incliné et créez des coupes extrudées supplémentaires à l’aide de ce plan.
    12. Voir la figure 3F pour une représentation finale de la conception de la chambre. Ce design peut être imprimé en 3D et placé sur un modèle de cerveau et de crâne craniotomisé si vous le souhaitez (Figure 3G).

4. Conception du poteau de tête (Figure 4)

  1. Notez que l’emplacement final du centre de craniotomie et la zone maximale de la jupe de la chambre seront nécessaires pour la conception du poteau de tête.
  2. Entrez les coordonnées connues de la craniotomie (valeurs x, y et z) dans la fenêtre de commande.
  3. Pour la conception du poteau de tête, un seul rayon est nécessaire pour représenter la zone du crâne qui est disponible autour de la chambre. À cette étape, entrez le rayon maximum de la chambre qui a été conçu dans la section précédente (par exemple, 25 mm). Ensuite, indiquez qu’aucun rayon extérieur n’est nécessaire.
  4. Utilisez la fenêtre de commande pour indiquer si des barres d’échelle sont nécessaires pour confirmer les cotes.
  5. Comme dans les sections précédentes, enregistrez les fichiers STL du cerveau et du crâne si nécessaire pour l’impression 3D.
    La figure suivante qui s’affiche montrera la région du crâne qui entoure la chambre pour la création d’une empreinte de poteau de tête. Extrayez cette région à l’aide d’une réduction de taille STL à importer dans le logiciel de conception.
  6. Sélectionnez (y) pour indiquer qu’une réduction de taille STL est souhaitée. Sélectionnez des points sur la figure avec le cerveau (en bleu) et le crâne (en gris) superposés. Assurez-vous que les points sont sélectionnés aussi près que possible les uns des autres et uniformément répartis dans la région grise du crâne (Figure supplémentaire 7A). Pour plus de détails sur le processus de sélection des points, reportez-vous à l’étape 3.8.
  7. Appuyez sur Entrée après avoir terminé la sélection des points pour couvrir la région grise du crâne où se trouvera le poteau de tête. Indiquez un nom de fichier pour le fichier réduit téléchargé dans la fenêtre de commande.
  8. Importez le fichier réduit dans un logiciel de CAO pour concevoir l’empreinte personnalisée du poteau de tête. Assurez-vous que le fichier est importé en tant que corps de surface.
  9. Après avoir importé le fichier, vérifiez les trous dans la surface indiqués par des lignes bleues. S’il y a des trous dans la région générale que le montant de tête couvrira, la procédure de fixation des trous (section 6) devra être effectuée à l’étape 4.11.
  10. La première étape de la conception du poteau de tête consiste à trouver un plan sur la surface qui s’aligne avec le plan axial de sorte que lorsque le haut et le bas du poteau de tête sont combinés, le haut du poteau de tête soit perpendiculaire au crâne (figure supplémentaire 7B, C). Si un plan qui s’aligne directement avec le plan axial ne peut pas être trouvé à la surface du crâne, créez un nouveau plan en utilisant un plan existant sur la surface et faites-le pivoter pour l’aligner correctement. Il est utile d’avoir un modèle physique de crâne 3D qui peut être utilisé pour la comparaison avec la représentation virtuelle du crâne.
    1. Cette étape peut devoir être modifiée plusieurs fois pour créer un sommet de poteau directement perpendiculaire au crâne. Pour modifier l’angle de la tête par rapport à l’empreinte de la tige de tête, modifiez le plan utilisé dans cette étape. Il faudra peut-être tester quelques plans pour en trouver un qui soit parallèle au plan axial.
  11. Utilisez le plan trouvé ou créé à l’étape précédente pour créer un plan parallèle à 3 mm au-dessus de la surface qui fournira une référence pour l’orientation du haut du poteau de tête.
    1. Complétez la procédure de fixation des trous décrite à la section 6 avec des espaces apparaissant dans la région du poteau de tête.
  12. Création du bas du poteau (Graphique 4C)
    1. Cliquez sur Extruder bossage/base, sélectionnez le nouveau plan et créez une esquisse de l’empreinte du poteau de tête à l’aide d’une combinaison d’arcs et de lignes. Faites en sorte que les pieds des tenons de longueur similaire et les angles entre eux soient congruents (voir l’exemple de la figure 4A). Utilisez des arcs pour connecter les pieds du poteau de tête afin d’assurer des bords lisses autour de l’empreinte et d’extruder l’esquisse sur la surface importée.
      REMARQUE : Le nombre de pieds de tige de tête dépendra de l’espace disponible autour de la chambre. Cependant, le poteau de tête doit avoir un minimum de trois pieds pour assurer une bonne stabilité mécanique.
      1. Voir l’étape 6.2 pour obtenir des instructions sur la façon de dessiner autour des extrusions existantes à partir de la procédure de trou de fixation.
    2. À ce stade, la surface inférieure de la tige de tête est disponible pour confirmer que la surface correspond à la courbure du crâne. Si vous souhaitez imprimer en 3D pour vérifier l’ajustement, suivez les quatre étapes suivantes.
      1. Supprimez le corps de surface importé. Reflétez l’empreinte sur le plan créé à l’étape 4.10. Dans le menu Symétrie , vérifiez que la case Fusionner les solides n’est pas cochée.
      2. Pour vérifier que l’empreinte correspond à la courbure du crâne, utilisez l’option Supprimer/Conserver le corps pour supprimer l’empreinte d’origine, en ne laissant que la version en miroir.
      3. Imprimez en 3D l’objet en tant que STL et placez-le sur le modèle 3D Skull pour tester physiquement s’il correspond à la courbure du crâne.
      4. Pour poursuivre la conception de la tige de tête, utilisez la flèche Annuler en haut de la barre d’outils pour annuler les deux étapes précédentes (mise en miroir et suppression). Cela devrait restaurer l’empreinte et la carrosserie d’origine.
    3. Créez un point au centre de la surface plane sur l’empreinte. Créez un axe à l’aide de ce point et du plan de référence supérieur.
    4. Cliquez sur l’outil Déplacer/Copier et créez une copie de la surface importée surélevée à l’épaisseur du bas du montant (par exemple, 1,35 mm). Utilisez l’axe créé dans cette étape comme référence de translation et vérifiez que la case Copier est cochée pour empêcher la modification de la surface d’origine.
    5. Effectuez une coupe extrudée de la surface plane de l’empreinte du poteau de tête à la surface copiée (surélevée). Supprimez la surface d’origine et sa copie. La partie résultante peut être vue sur la figure 4B.
      1. Suivez l’étape 6.3 pour les extrusions existantes de la procédure de trou de fixation.
    6. Créez un nouveau plan parallèle au plan de référence mais décalé vers le haut ou vers le bas pour planer à au moins 1 mm au-dessus du bas du poteau de tête. Pour déterminer la longueur de la traduction, utilisez l’outil Mesurer dans l’onglet Évaluer . Faites une extrusion circulaire du nouveau plan vers le bas du poteau de tête pour créer une plate-forme où la base du haut du poteau de tête reposera et assurez-vous que la plate-forme est centrée autour de la ligne médiane du crâne.
    7. Utilisez l’outil Raccord du menu Fonctions pour lisser l’intersection entre l’extrusion et l’empreinte du montant de tête. Testez différentes valeurs de rayon à l’aide du paramètre Asymétrique et choisissez les valeurs de rayon les plus grandes possibles.
    8. À ce stade, vérifiez l’emplacement de la plate-forme supérieure du poteau de tête en imprimant en 3D la version actuelle et en la testant par rapport à un modèle de crâne.
    9. Placez les trous de vis le long du bas du poteau de tête en utilisant la même technique que celle utilisée pour les trous de vis de la chambre (étape 3.20.7). Ajoutez un minimum de trois trous de vis sur chaque pied de poteau. Assurez-vous que le point central de chaque trou de vis est à au moins 5 mm du centre du trou suivant et que les bords de chaque trou sont à au moins 2,5 mm du bord de la jambe.
      1. Pour éviter les vaisseaux sanguins qui passent sous le crâne et près de la ligne médiane, vérifiez que les trous de vis ne traversent pas la ligne médiane et déplacez-les si nécessaire. Le produit doit ressembler au design de la figure 4C.
    10. Miroir de la pièce à l’aide de l’outil Miroir pour compenser la symétrie qui se produit lors de l’importation de la surface du crâne. Utilisez le haut de la base circulaire comme plan de miroir.
    11. Supprimez la pièce d’origine à l’aide de la fonction Supprimer/Conserver le corps afin que seule la version symétrique reste.
  13. Combinaison du haut et du bas du poteau de tête (Figure 4D)
    1. Importez le haut du poteau en tant que pièce dans le menu Insertion . Une fois la partie mise en surbrillance dans le menu, cliquez n’importe où sur l’écran pour l’ajouter.
    2. À l’aide de la fonction Déplacer/Copier , alignez le haut et le bas de la tige de tête. Commencez par spécifier le haut du montant comme corps à déplacer. Ensuite, créez les trois contraintes suivantes dans le menu Contraintes :
      1. Assurez-vous que la surface supérieure de la plate-forme circulaire du poteau de tête et la surface inférieure du haut du poteau de tête se sont accouplées par coïncidence.
      2. Assurez-vous que les bords délimités des surfaces de la dernière paire de partenaires se sont accouplés concentriquement.
      3. Accouplez une ligne allant verticalement le long de la jambe arrière du poteau de tête et une ligne horizontale le long de l’arrière du haut du poteau de tête (le côté plat) perpendiculairement. Assurez-vous que la face incurvée du haut est tournée vers l’avant (antérieure) et que la face plate est orientée plus près de la jambe arrière du montant de tête (postérieur).
      4. Vérifiez que chaque connexion est dans la bonne direction et changez les directions d’accouplement dans le menu si nécessaire (voir la figure supplémentaire 8 pour un exemple d’accouplements).
        REMARQUE : La procédure de combinaison du bas et du haut du poteau de tête personnalisé utilise un haut de poteau générique qui a été conçu à l’aide d’un logiciel de CAO. Ici, la partie supérieure est conçue sur la base de la tige de tête de l’instrument Crist. La procédure d’accouplement décrite ci-dessus est spécifique à ces pièces et peut devoir être ajustée si différentes pièces d’accouplement sont utilisées.
    3. Assurez-vous que le haut et le bas combinés du montant de tête ressemblent à la figure 4D.
      1. Si le haut du montant de tête n’est pas correctement aligné, modifiez le plan de référence utilisé à l’étape 4.11.

5. Fabrication de dure-mère artificielle 11 (Figure 5)

  1. Procurez-vous la dure-mère artificielle (Figure 5B).
  2. Créez le mélange de silicone artificiel dura en mélangeant le silicone KE1300-T et CAT-1300 dans un rapport de 10:1.
  3. Verser 1 mL du mélange sur la surface supérieure du cylindre au centre du moule.
  4. Pour éviter les bulles d’air, placez le moule dans une chambre à vide pendant environ 15 min.
  5. Ajoutez la deuxième couche du moule, en utilisant les poteaux de chaque côté du cylindre pour guider l’alignement de la pièce.
  6. Versez 3 à 4 ml de mélange de silicone dans le moule et placez le morceau d’acrylique transparent sur le dessus du moule (Figure 5A). Utilisez une pince en C pour serrer le moule ensemble.
  7. Vérifiez s’il y a des bulles d’air dans la fenêtre optique et éliminez-les avec une chambre à vide si nécessaire.
  8. Durcissez la structure résultante pendant la nuit à température ambiante. Les bulles d’air restantes sont éliminées par la pression créée lorsque le moule est serré avant le durcissement.
  9. Démontez après durcissement en retirant chaque pièce de moulage et en retirant soigneusement la dure-mère en silicone.

6. Procédure de fixation des trous

  1. Effectuez la procédure de fixation des trous si des trous ont été trouvés sur la représentation du crâne (indiqués par des lignes bleues dans le logiciel de CAO). Effectuez les étapes suivantes après avoir créé les surfaces inférieures (les surfaces qui termineront les extrusions). Pour la chambre, il s’agit de l’étape 3.19. Pour le poteau principal, lancez cette procédure une fois l’étape 4.12 terminée.
    1. Masquez toutes les surfaces ou extrusions en dehors de la surface inférieure afin que la surface inférieure puisse être visualisée indépendamment.
    2. Utilisez Insérer > surface > Planaire pour créer une surface plane sur chaque face en contact avec l’espace, ainsi que sur l’espace, le cas échéant. Pour spécifier une surface, sélectionnez chaque arête en tant qu’entité de délimitation.
    3. Créez des surfaces planes jusqu’à ce que chaque espace soit entouré, y compris les coins des espaces et les arêtes des lignes.
    4. Cliquez sur Insérer > surface > souder et sélectionnez toutes les surfaces planes entourant l’espace. Voir la figure supplémentaire 9A pour un visuel des surfaces tricotées.
    5. Créez un axe de référence à chaque point le long de l’arête de la surface tricotée en choisissant Point et Face/Plan comme type de référence et en sélectionnant un point sur l’arête de la surface et le plan supérieur. Répétez l’opération pour chaque point sur le bord de la surface tricotée (figure supplémentaire 9B).
    6. Créez un point à l’intersection de chaque axe autour de la surface tricotée avec le plan de référence supérieur. Choisissez Intersection comme type de référence et sélectionnez un axe et le plan supérieur. Assurez-vous qu’un point correspondant à chaque axe est créé.
    7. Faites un croquis qui relie chaque point de référence réalisé à l’étape précédente. Choisissez Jusqu’à la surface pour la direction et sélectionnez la surface tricotée comme surface d’extrusion.
    8. Répéter les étapes 6.1.2 à 6.1.7 pour tous les espaces dans la région que la chambre ou le montant de tête couvrira (voir la figure supplémentaire 9C pour le résultat final de la procédure de fixation des trous).
  2. Lorsque vous effectuez l’extrusion du plan de référence supérieur à la surface la plus basse (étape 3.19.2 ou étape 4.12.1), assurez-vous que le contour de la chambre/du montant de tête est dessiné autour des extrusions existantes.
  3. De même, lorsque vous effectuez les coupes extrudées du plan supérieur à la plus haute des deux surfaces (étape 3.19.4 ou étape 4.12.5), effectuez la coupe extrudée principale séparément des extrusions résultant de la procédure des trous de fixation (figure supplémentaire 10A).
    1. Pour effectuer des coupes extrudées à partir de trous de fixation, extrudez la surface supérieure des extrusions existantes jusqu’à un plan sur la surface surélevée qui fournit une surface supérieure lisse pour la chambre ou le montant de tête (Figure supplémentaire 10B). Si la coupe extrudée crée une surface rigide, utilisez un plan différent ou effectuez des extrusions ultérieures.

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Résultats

Ces composants ont été préalablement validés à l’aide d’une combinaison de visualisations IRM et de modèles anatomiques imprimés en 3D. En comparant la visualisation automatisée de la craniotomie à la craniotomie imprimée en 3D et à l’IRM à l’emplacement de la craniotomie, il est évident que la représentation virtuelle de la craniotomie reflète fidèlement la région du cerveau à laquelle on peut accéder avec l’emplacement de craniotomie spécifié (Figure 2A-F

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Discussion

Cet article décrit une méthode simple et précise de planification neurochirurgicale qui est non seulement bénéfique pour le développement de composants utilisés pour l’implantation de fenêtres crâniennes de PSN, mais également transférable à d’autres domaines de la recherche en neurosciences des PSN 13,15,25. Par rapport à d’autres méthodes actuelles de planification et de conception d’implants de PSN 25,29,30, cette procédure a...

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Déclarations de divulgation

Rien à divulguer.

Remerciements

Nous tenons à remercier Toni Haun, Keith Vogel et Shawn Fisher pour leur aide et leur soutien techniques. Ce travail a été soutenu par le Mary Gates Endowment (R.I.), le National Institute of Health NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), le Washington National Primate Research Center (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), le Center for Neurotechnology (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) et Weill Neurohub (Z. I.).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Logiciel d’impression 3D (Simplify 3D) (Payant)Simplify3DVersion 4.1Utilisé pour l’impression 3D à l’aide de l’imprimante MakerGear
C-ClampBesseyCM22Utilisé pour la fabrication de dure-mère artificielle, capacité de 2-1/2 pouce, gorge de 1-3/8 pouce
Formlabs Form 3+ Imprimante 3DFormlabsForm 3+Utilisé pour l’impression 3D précise
MakerGear M2 Imprimante 3DMakerGearM2 revGUtilisé pour l’impression 3D de prototypes d’implants
MATLAB (Payant)MathWorksR2021bUtilisé pour l’isolation du cerveau et du crâne, la visualisation virtuelle de la craniotomie et la réduction du STL du crâne
Système d’IRM Phillips AcheivaPhilips4522 991 19391Utilisé pour l’imagerie des primates non humains
Résine photopolymèreFormlabsFLGPGR041L, Gris, utilisé pour des impressions 3D précises avec l’imprimante Formlabs  ;
Logiciel de préparation d’impression PreFormFormlabsVersion 2.17.0Utilisé pour l’impression 3D avec l’imprimante Formlabs  ;
Filament d’impression (PLA)MatterHackers88331PLA 1,75 mm Blanc. Utilisé pour l’impression 3D avec l’imprimante MakerGear
Silicone CAT-1300Shin-EtsuUtilisé pour la fabrication de dura artificielle
Silicone KE1300-TShin-EtsuUtilisé pour la fabrication de dura artificielle
SolidWorks (Payant)Dassault Systems2020Utilisé pour la conception de chambres et de poteaux de tête
Syn.Flex-S MulticoilPhilips45221318123Utilisé pour les non-humains Imagerie des primates

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