Une boîte à outils basée sur l’IRM pour la planification neurochirurgical chez les primates non humains

La méthode décrite ci-dessous vise à fournir un protocole complet pour la préparation de la neurochirurgie non humaine des primates (PSN) à l’aide d’une nouvelle combinaison de méthodes d’impression tridimensionnelles (3D) et d’extraction de données IRM.

Ce protocole est important pour le domaine de l’ingénierie neuronale parce qu’il offre une procédure concise et nonimodale conçue pour améliorer la précision et la sécurité de la neurochirurgie chez les primates non humains. Cette technique offre aux chercheurs la capacité unique de visualiser tous les aspects de leur implantation ou de leur procédure d’injection, et garantit qu’ils peuvent entrer dans une salle d’opération aussi préparée que possible. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle parce qu’elle met en évidence l’impact et la clarté que les modèles physiques grandeur nature peuvent avoir sur la planification chirurgicale.

Pour extraire le cerveau dans le logiciel d’imagerie par résonance magnétique, ouvrez le menu plugins drop-down et sélectionnez extraire le cerveau. Fixez le seuil d’intensité d’extraction à 2,5, 2,7 et la valeur du gradient de seuil à zéro. Après avoir créé un bitmap de l’image du cerveau, sélectionnez construire la surface sous le menu de l’image et entrez le seuil utilisé pour créer la bitmap contenant la région d’intérêt.

Ensuite, cliquez bien pour créer la surface. Et sauver la région du cerveau extrait d’intérêt comme un NII ou NII. Fichier GZ.

Pour générer un modèle cérébral, ouvrez le fichier cérébral extrait dans le logiciel de traitement d’image médical approprié. Et dans le menu du module éditeur, sélectionnez l’effet seuil, ajustez les curseurs de plage de seuil de sorte que la partie de la bitmap contenant le cerveau est mise en évidence dans les trois tranches. Ouvrez le module de fabricant de modèles et dans le menu dropdown des volumes d’entrée, sélectionnez le fichier bitmap.

Sous les modèles, sélectionnez créer une nouvelle hiérarchie de modèle et cliquez sur appliquer pour créer le volume. Lorsque la surface du cerveau en maille importée a été importée, sélectionnez graphique. Et supprimer toutes les fonctionnalités graphiques inutiles jusqu’à ce que seules les fonctionnalités contenant le cerveau restent dans le fichier.

Ensuite, enregistrez les fichiers dans le format PRT pour d’autres manipulations, et comme un STL pour l’impression 3D. Pour le moulage du cerveau, chargez le modèle de cerveau extrait dans un logiciel de conception informatisé approprié. Sous la section caractéristiques du menu insert sélectionner convertir en corps en maille et le corps graphique du cerveau pour le convertir, et ouvrir cet onglet croquis et cliquez sur croquis pour sélectionner le plan supérieur comme le plan de croquis.

Dessinez un rectangle autour de tout l’hémisphère d’intérêt, et sélectionnez la fonction de base de boss extrude pour extruder un rectangle cubique contenant la partie supérieure du cerveau. Sous la section caractéristiques du menu insert, sélectionnez convertir en corps en maille et sélectionnez le cube extrudé dans le dossier corps solides pour le convertir. Pour créer l’espace négatif, utilisez la fonction combiner et sélectionnez l’option de soustracte pour soustraire le modèle du cerveau du cube nouvellement extrudé.

Pour la modélisation du crâne, importez l’IRM MPRAGE rapide dans un logiciel de manipulation matricielle approprié en tant que fichier DICOM. Et utilisez les commandes pour combiner tous les cadres en une seule matrice 3D si nécessaire. Assurez-vous que chaque image 2D de la matrice affiche une tranche coronale et utilisez une tranche plus grande que l’opérateur pour les valeurs de pixels individuels pour seuilr la matrice 3D pour créer un masque binaire.

Ajustez ensuite le seuil de telle sorte que l’anatomie du crâne soit capturée par le masque. Pour enlever la couche de musculature, saisir itérativement une tranche 2D du masque pour traiter chaque cadre du masque 3D séparément, et utiliser l’opérateur tilde pour inverser les valeurs du masque. Les valeurs du crâne seront les unes.

L’extérieur et le cerveau auront des valeurs de zéro. Ajoutez des voxels vides supplémentaires au masque 3D jusqu’à ce que la dimension de résolution la plus basse du masque soit plus grande par un facteur défini par le facteur d’échelle. Et interpoler linéairement les valeurs dans le masque jusqu’à ce que le masque remplit le nouvel espace.

Ensuite, exportez le crâne comme un fichier STL, ou un type de fichier similaire pour l’impression 3D. Pour créer une craniotomie dans le modèle du crâne 3D, ouvrez le fichier IRM et numérisez manuellement dans les deux sens à travers la matrice 3D pour identifier l’emplacement approximatif de la craniotomie à l’aide de repères anatomiques trouvés dans l’atlas du cerveau macaque. Pour créer un moule d’agarose, versez la solution d’agarose dans un moule plein ou demi de cerveau d’hémisphère et permettez à la solution de solidifier dans le moule pendant environ deux heures.

Lorsque l’agarose a pris, utiliser une spatule pour enlever doucement le modèle de gel du moule, en prenant soin, de ne pas endommager la surface du moule. Pour une fausse infusion du modèle de gel agarose, montez une pompe à seringues sur un bras stéréotaxique sur un cadre stéréotaxique et remplissez une seringue de 250 microlitres avec l’eau ionisée. Chargez la seringue sur la pompe à seringues et remplissez complètement la canule d’injection avec l’eau.

Utilisez le conducteur de la pompe pour charger le volume cible de colorant alimentaire dans la seringue pour l’injection. Et éjecter la coloration des aliments jusqu’à ce qu’une petite perle se forme à la pointe de la canule. Séchez la perle de la pointe de la canule et placez le modèle de gel sous la canule.

Abaissez la canule jusqu’à ce que la pointe touche la surface du modèle de gel, et notez les mesures sur le bras stéréotaxique. Puis baisser en douceur et rapidement la canule dans le modèle de gel à la profondeur d’injection cible. S’assurer que la surface du gel s’est scellée autour de la canule et faire fonctionner la pompe tout en observant la propagation du dé jusqu’à ce que le volume cible ait été livré.

En utilisant ce protocole, un modèle physique anatomiquement précis du cerveau des primates non humains peut être créé. De même, un modèle physique anatomiquement précis du crâne de primate extrait des images de résonance magnétique peut également être généré. Les modèles physiques du crâne et du cerveau peuvent être combinés avec un ajustement serré d’interférence, validant l’exactitude des deux modèles par rapport à l’un l’autre et légitimant les données extrapolées d’analyse d’IRM.

L’insertion d’une craniotomie dans le crâne avant l’impression, permet la combinaison de toutes les parties de l’interface de l’échantillon pour l’évaluation de la géométrie de divers composants par rapport au crâne et au cerveau. Par exemple, dans cette expérience, les pieds du poteau de tête ont été manipulés et montés à la courbure du crâne à l’emplacement de l’implantation avant la procédure. Ce qui réduit le temps chirurgical d’environ 2,5 heures à une heure de l’ouverture à l’implantation, réduisant considérablement le risque de complications opératoires.

Les modèles cérébraux de mélange d’agarose peuvent être injectés avec le colorant jaune dans une zone d’intérêt pour estimer le volume de l’infusion proposée et combiner le modèle d’agarose avec un crâne imprimé 3D peut être employé pour modéliser la chirurgie virale d’injection de vecteur. Compte tenu des variations de l’anatomie du crâne et du cerveau chez différents animaux, le succès dans le processus d’extraction nécessitera des ajustements dans les étapes itératives. Ainsi, cette boîte à outils peut être utilisée pour réduire les risques dans la neurochirurgie des primates non humains et les techniques de fabrication peuvent améliorer le processus expérimental à la fine pointe des neurosciences.