מאמר שיטה

ארגז כלים לתכנון שתלים עצביים עבור פרימטים לא אנושיים

2.1K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/66167

⸱

9 בפברואר 2024

 ,  ,  ,  ,  , 
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

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מתאר תהליכים אוטומטיים לתכנון נוירוכירורגי של פרימטים לא אנושיים בהתבסס על סריקות דימות תהודה מגנטית (MRI). טכניקות אלה משתמשות בשלבים פרוצדורליים בפלטפורמות תכנות ועיצוב כדי לתמוך בתכנון שתלים מותאם אישית עבור NHPs. לאחר מכן ניתן לאשר את תוקפו של כל רכיב באמצעות מודלים אנטומיים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) מודפסים בגודל טבעי.

תקציר

מאמר זה מתאר שיטה פנימית של מידול תלת-ממדי של המוח והגולגולת באמצעות דימות תהודה מגנטית (MRI) המותאם לתכנון נוירוכירורגי של פרימטים לא אנושיים (NHP). טכניקה אוטומטית וחישובית מבוססת תוכנה זו מספקת דרך יעילה לחילוץ תכונות המוח והגולגולת מקבצי MRI, בניגוד לטכניקות חילוץ ידניות מסורתיות המשתמשות בתוכנת הדמיה. יתר על כן, ההליך מספק שיטה לדמיין את המוח ואת הגולגולת craniotomized יחד לתכנון כירורגי וירטואלי אינטואיטיבי. זה יוצר הפחתה דרסטית בזמן ובמשאבים מאלה שנדרשו על ידי עבודות קודמות, שהסתמכו על הדפסה תלת ממדית איטרטיבית. תהליך מידול הגולגולת יוצר טביעת רגל המיוצאת לתוכנת מידול לעיצוב תאי גולגולת מותאמים אישית ועמודי ראש להשתלה כירורגית. שתלים כירורגיים בהתאמה אישית ממזערים רווחים בין השתל לגולגולת שעלולים לגרום לסיבוכים, כולל זיהום או ירידה ביציבות. על ידי יישום צעדים טרום ניתוחיים אלה, סיבוכים כירורגיים וניסיוניים מופחתים. טכניקות אלה יכולות להיות מותאמות לתהליכים כירורגיים אחרים, מה שמקל על תכנון ניסויי יעיל ויעיל יותר עבור חוקרים, ופוטנציאלית, נוירוכירורגים.

מבוא

פרימטים לא אנושיים (NHPs) הם מודלים יקרי ערך למחקר רפואי תרגומי מכיוון שהם דומים מבחינה אבולוציונית והתנהגותית לבני אדם. NHPs זכו לחשיבות מיוחדת במחקרים פרה-קליניים של הנדסה עצבית מכיוון שהמוחות שלהם הם מודלים רלוונטיים ביותר של תפקוד עצבי ותפקוד לקוי1,2,3,4,5,6,7,8. כמה טכניקות חזקות לגירוי מוחי והקלטה, כגון אופטוגנטיקה, דימות סידן ואחרות, מוגשות בצורה הטובה ביותר עם גישה ישירה למוח דרך חלונות גולגולת9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. ב- NHPs, חלונות גולגולת מושגים לעתים קרובות עם תא ודורה מלאכותית כדי להגן על המוח ולתמוך בניסויים ארוכי טווח8,10,12,17,18,24,25,26,27. כמו כן, עמודי ראש מלווים לעתים קרובות תאים כדי לייצב וליישר את הראש במהלך ניסויים14,15,25,26,28,29,30. האפקטיביות של רכיבים אלה תלויה במידה רבה עד כמה הם מתאימים לגולגולת. התאמה קרובה יותר לגולגולת מקדמת את שילוב העצם ואת בריאות הגולגולת על ידי הפחתת הסבירות לזיהום, אוסטאונקרוזיס וחוסר יציבות השתל31. שיטות תכנון קונבנציונליות, כגון כיפוף ידני של עמוד הראש במהלך הניתוח25,29 והערכת עקמומיות הגולגולת על ידי התאמת עיגולים לפרוסות קורונליות וסגיטליות של סריקות תהודה מגנטית (MR)9,12 יכול להציג סיבוכים עקב חוסר דיוק. אפילו המדויקים שבהם יוצרים מרווחים של 1-2 מ"מ בין השתל לגולגולת, ומספקים מקום לרקמת הגרגיר להצטבר29. פערים אלה יוצרים גם קושי בהצבת ברגים בניתוח9פגיעה ביציבות השתל., לאחרונה פותחו שתלים מותאמים אישית לשיפור תוחלת החיים של אוסאואינטגרציה ואריכות ימים של השתלים9,29,30,32. עלויות נוספות ליוו את ההתקדמות בתכנון שתלים מותאמים אישית בגלל ההסתמכות על מודלים חישוביים. השיטות המדויקות ביותר דורשות ציוד מתוחכם כגון מכונות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) בנוסף למכשירי דימות MR (MRI)30,32,33 ואפילו מכונות כרסום בקרה נומרית ממוחשבת (CNC) לפיתוח אבי טיפוס של שתלים25,29,32,34. קבלת גישה הן ל- MRI והן ל- CT, במיוחד לשימוש עם NHPs, עשויה שלא להיות ישימה עבור מעבדות הזקוקות לשתלים מותאמים אישית כמו תאי גולגולת ועמודי ראש.

כתוצאה מכך, יש צורך בקהילה בטכניקות זולות, מדויקות ולא פולשניות של תכנון נוירוכירורגי וניסויי המאפשרות תכנון ותיקוף של שתלים לפני השימוש. מאמר זה מתאר שיטה ליצירת ייצוגים וירטואליים תלת-ממדיים של המוח והגולגולת מנתוני MR לצורך תכנון מיקום קרניוטומיה ועיצוב תאי גולגולת מותאמים אישית ועמודי ראש המתאימים לגולגולת. הליך יעיל זה מספק תכנון סטנדרטי שיכול להועיל לתוצאות הניסויים ולרווחת חיות המחקר. רק MRI נדרש עבור מודלים אלה כי הן עצם ורקמות רכות מתוארים ב- MRI. במקום להשתמש במכונת כרסום CNC, ניתן להדפיס מודלים בתלת-ממד בזול, גם כאשר נדרשות חזרות מרובות. זה גם מאפשר לעיצוב הסופי להיות מודפס בתלת-ממד במתכות תואמות ביולוגית כגון טיטניום להשתלה. בנוסף, אנו מתארים ייצור של דורה מלאכותית, אשר ממוקמת בתוך חדר הגולגולת עם ההשתלה. ניתן לאמת רכיבים אלה לפני ניתוח על ידי התאמת כל החלקים למודל בגודל טבעי, מודפס בתלת-ממד של הגולגולת והמוח.

פרוטוקול

כל ההליכים הנוגעים לבעלי חיים אושרו על ידי הוועדה לטיפול ושימוש בבעלי חיים באוניברסיטת וושינגטון. במחקר זה נעשה שימוש בסך הכל בארבעה קופי מקוק רזוס זכרים בוגרים (Macaca mulatta). בעת רכישת MRI, קוף H היה בן 7, קוף L היה בן 6, קוף C היה בן 8.5 שנים וקוף B היה בן 5.5 שנים. קופים H ו-L הושתלו בחדרים כרוניים מותאמים אישית בגיל 9.

1. בידוד גולגולת ומוח (איור 1)

  1. רכוש קובץ T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE) של הגולגולת והמוח באמצעות מכשיר MRI 3T. השתמש בפרמטרים הבאים עבור רכישת MRI35: זווית היפוך = 8°, זמן חזרה/זמן הד = 7.5/3.69 שניות, גודל מטריצה = 432 x 432 x 80, משך רכישה = 103.7 שניות, Multicoil, עובי פרוסה = 1 מ"מ, מספר ממוצעים = 1.
  2. הורד את התיקיה שכותרתה supplemental_code (קובץ קידוד משלים 1). תיקיה זו אמורה להכיל את הקבצים הבאים: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37.
  3. הוסף את קובץ ה- MRI לתיקיית supplemental_code . בתוכנה החישובית, בחר את התיקיה supplemental_code כנתיב הקובץ והפעל את brain_extract.m.
  4. השלבים הבאים מתארים שיטה חצי-אוטומטית של בידוד גולגולת ומוח באמצעות MATLAB (איור 1), אשר נצברה מטכניקות חילוץ קודמות35. חלון הפקודה יבקש את הפרמטרים הדרושים לבידוד המוח והגולגולת והדמיית קרניוטומיה. לאחר הזנת כל תגובה בחלון הפקודה, לחץ על Enter.
    1. חלון הפקודה יבקש תחילה את שם קובץ MPRAGE. הקלד את שם הקובץ (לדוגמה, MRIFile.dcm) וודא שה-MRI מוצג כראוי (איור 1A).
    2. כדי לבודד את הגולגולת (איור 1B - D), בצעו את השלבים המפורטים המתוארים בחלון הפקודה. זהו ערך סף מתאים שמפריד בין הגולגולת לרקמה שמסביב מבלי לסלק את חומר הגולגולת (איור משלים 1A). אשר ערך סף על-ידי הקשה על (y).
    3. שיטה דומה משמשת לבידוד המוח (איור 1E – G). כאשר תתבקש לעשות זאת בחלון הפקודה, הזן סף עבור המוח. הערך את הדמות שצצה והתאם את הסף במידת הצורך. ודאו שהמוח מבודד מהגולגולת ומהרקמה הסובבת אותו ושלא מוסרת רקמת מוח בתהליך. אשר ערך סף על-ידי הקשה על (y).
    4. המשך לסעיף העניין.

2. תכנון מיקום קרניוטומיה (איור 2)

  1. לאחר חילוץ המוח והגולגולת, הזן את הקואורדינטות של הקרניוטומיה. אם הקואורדינטות עדיין אינן ידועות, ציין (n) עבור לא, ואיור יוצג (איור משלים 1B). קבע קואורדינטות קרניוטומיה על ידי בחירת מסגרת z (מישור העטרה) ובחירת נקודה על מסגרת z שנבחרה עבור מרכז הקרניוטומיה.
    1. אם הקואורדינטות ידועות, ציין אותן בערכים המתאימים x (sagittal), y (צירית) ו - z (קורונלית).
  2. הזן את רדיוס הקרניוטומיה במילימטרים (למשל, 10 מ"מ) ובחר ללא רדיוס חיצוני.
  3. ציין אם יש צורך בסרגל קנה מידה עבור תמונות הגולגולת והמוח. פסי קנה מידה מסייעים לאשר שהממדים של הדגמים נכונים.
  4. שמרו קובצי מוח וגולגולת כקובצי STL להדפסה תלת-ממדית, במידת הצורך (איור 1D, G).
  5. לאחר מכן, דמות עם המוח גולגולת craniotomized יוצג. זה יכול לשמש כדי לאמת את הגישה לאזורי מוח ממוקדים. המוח מיוצג בכחול, והגולגולת באפור בהיר (איור 2B, E).
  6. בחר (n) להשלמת הקטנת גודל SLT, שהיא תכונה שתשמש לשלבים עתידיים (ראה להלן).
  7. חזור על סעיפים 1 ו -2 לכל איטרציה קרניוטומיה.

3. עיצוב תא גולגולת (איור 3)

  1. לפני תחילת עיצוב התא, לאשר את המיקום של craniotomy ואת רדיוס craniotomy באמצעות הליך תכנון מיקום craniotomy.
  2. לאחר השלמת בידוד הגולגולת והמוח, השלב הבא יהיה להזין את הקואורדינטות הסופיות של מרכז הקרניוטומיה. הזן את הערכים x (sagittal), y (צירית) ו - z (coronal).
  3. חלון הפקודות הבא יבקש להיכנס לרדיוסים הפנימיים והחיצוניים, הקובעים את אזור הגולגולת לעבוד איתו לעיצוב החדר. בחר רדיוס פנימי קטן מרדיוס הקרניוטומיה בפועל (לדוגמה, 5 מ"מ עבור רדיוס קרניוטומיה של 10.0 מ"מ) ורדיוס חיצוני שני גדול יותר מהרדיוס המתוכנן של חצאית התא (למשל, 26 מ"מ עבור חצאית תא שהרדיוס שלה יהיה 22 מ"מ). זה יספק מבנה גולגולת בצורת טבעת כבסיס לתא להיבנות עליו.
    הערה: לתכנון תא עם רדיוס קרניוטומיה של 10 מ"מ, נבחר רדיוס פנימי של 5 מ"מ. זה מספק ייצוג מדויק של הגולגולת בקצה הקרניוטומיה תוך שמירה על עיגול קטן מספיק כך שניתן לזהות בקלות את מרכז הגולגולת כאשר ייצוג הגולגולת מיוצא לתוכנת העיצוב. רדיוס חיצוני של 26 מ"מ חולץ עבור תא ברדיוס של 22 מ"מ כדי להבטיח שטח גולגולת נוסף זמין. ממדי התא פותחו עם אילוצים שנקבעו על ידי צרכי הניסוי. רדיוסים המשמשים בשלב זה ייקבעו על ידי גודל הקרניוטומיה וגודל חצאית התא, התלוי בגודל הבורג ובמקום הפנוי בגולגולת.
  4. ציינו אם פסי קנה מידה נחוצים לתמונות גולגולת ומוח.
  5. שמור קבצי מוח וגולגולת אם תרצה.
  6. איור יופיע עם המוח (בכחול) ואזור הגולגולת (באפור) שנבחר (איור 3A). לאחר מכן יש להחיל הקטנת גודל STL על אזור הגולגולת שנבחר לטיפול קל יותר בקובץ בתוכנת תכנון בעזרת מחשב (CAD).
  7. בחר (y) כדי להתחיל בהפחתת גודל STL. הקטנת הגודל תיצור קובץ STL עם גודל קובץ מוקטן שניתן לייבא בקלות לתוכנת CAD לתכנון חומרה מותאם אישית.
  8. באמצעות האיור עם המוח והגולגולת המכוסים (איור 3A), השתמשו בעכבר כדי לבחור נקודות על פני הגולגולת שישמשו להפחתת הקובץ. הקישו Shift לחוץ כדי למקם יותר מנקודה אחת.
    1. נקודות מקום לכיסוי אזור העניין, שבמקרה זה הוא אזור הגולגולת שנבחר. מקמו את הנקודות קרוב ככל האפשר זו לזו כדי להבטיח ייצוג מדויק ומדויק יותר של הגולגולת (איור משלים 2). משתמשים מסוימים עשויים להעדיף לבחור ~ 20 נקודות קריטיות ולהשלים את שאר עיצוב החדר כתרגול לפני בחירת כל נקודות העניין עבור המוצר הסופי.
    2. בעת בחירת נקודות, עדיף למקם נקודות רבות ככל האפשר באזור שנבחר. באופן כללי, ~ 200 נקודות מייצגות היטב את עקמומיות הגולגולת. מקמו נקודות נוספות סביב קצוות האזור שנבחר כדי להדגיש את הגבול בין המוח לגולגולת.
      הערה: הימנע מלחיצה על לחצן Enter לפני שתסיים למקם נקודות ברחבי האזור, מכיוון שהדבר יגרום לקוד להתקדם מוקדם מדי, ויהיה צורך לחזור על תהליך בחירת הנקודות.
  9. הקש Enter בסיום מיקום נקודות על הגולגולת שנבחרה. הקלד את שם הקובץ המוקטן בחלון הפקודה.
  10. ייבא את הקובץ לתוכנת CAD לעיצוב תא מותאם אישית. התחל על ידי פתיחת תוכנת CAD.
  11. לחץ על File > Open ובחר את שם הקובץ של הפחתת STL מהספרייה.
    1. לפני לחיצה על פתח, לחץ על לחצן אפשרויות ובתפריט יבא כ , לחץ על גוף פני השטח. לחץ על אישור ולאחר מכן על פתח.
  12. לאחר ייבוא STL, בדוק אם קיימים חורים קטנים על פני השטח, המסומנים בקווים כחולים. אם יש חורים באזור הגולגולת שהתא יכסה (איור משלים 3), השלימו את הליך קיבוע החורים (סעיף 6) בשלב 3.19.1.
  13. צפו במשטח הגולגולת של התא בתוכנת CAD כמו באיור 3B. ודא שקצות האזור שנבחר גלויים בייצוג הגולגולת.
  14. מצא את קווי המתאר של המעגל הפנימי במרכז המשטח המיובא כדי לאתר את מרכז הקרניוטומיה. צור מישור המיושר עם העיגול הפנימי בלחיצה על Insert > Reference Geometry > Plane. השתמש בשלוש נקודות המפוזרות באופן שווה לאורך היקף המעגל הפנימי כנקודות ייחוס עבור המישור.
  15. צור עיגול המתאים לעיגול הפנימי על ידי לחיצה על סמל העיגול בכרטיסייה שרטוט . בחרו במישור מהשלב הקודם כמישור הייחוס וזהו נקודות לאורך הקצה עד שהתצוגה המקדימה של העיגול תספק ייצוג מדויק של קו המתאר של העיגול הפנימי. ייתכן שיהיה צורך לבחון מספר שילובים שונים של נקודות כדי למצוא את אלה המתאימים ביותר למעגל הפנימי.
  16. כשהעיגול משמש כהפניה, צור נקודה במרכז העיגול בלחיצה על הוסף > גיאומטריית הפניה > נקודה והשתמש באפשרות מרכז הקשת . נקודה זו מייצגת את מרכז הקרניוטומיה.
  17. כמישור ייחוס לאקסטרוזיות עתידיות, יש ליצור מישור שני מקביל למישור הראשוני ולקזז אותו ב-10 מ"מ. בשעת בחירת כיוון ההסטה, ודא שהחץ מצביע כלפי מעלה מהעצם.
  18. יצירת טבעת פנימית של תא (איור 3C)
    1. צור ציר המשתרע בניצב הן דרך מישור הקרניוטומיה והן דרך המישור העליון על-ידי לחיצה על Insert > Reference Geometry > Axis, הדגשת האפשרות Point and Face/Plane ושימוש במישור העליון ובנקודת המרכז של הקרניוטומיה כהפניות. נקודה נוספת בהצטלבות של ציר זה והמישור העליון.
    2. בחר Extrude Boss/Base ואת המישור העליון כמשטח שממנו יש לחלץ. צור שרטוט של חתך הטבעת הפנימית על-ידי יצירת שני מעגלים קונצנטריים עם הנקודה במישור העליון כנקודת המרכז (לדוגמה, רדיוסים של 11.35 מ"מ ו- 12.25 מ"מ). בחרו 'עד למשטח' בתפריט 'כיוון' וציינו את המשטח המיובא כמשטח שאליו יש להבליט.
    3. העתק את המשטח המיובא על-ידי בחירה באפשרות Insert > Surface > Move/Copy והרם את המשטח המועתק לגובה הטבעת הפנימית והחצאית (לדוגמה, 3.5 מ"מ). השתמשו באפשרות 'תרגם ' בתפריט 'הזזה/העתקה ' ותרגמו את המשטח לאורך הציר בניצב לשני המישורים.
    4. בצע חיתוך מושחל עגול מהמישור העליון למשטח המועתק. התחל בלחיצה על Extruded Cut ובחירת המשטח העליון של הטבעת הפנימית כנקודת ההתחלה לחיתוך האקסטרוזי. השלם את האקסטרוזיה על-ידי בחירת המשטח המועתק כנקודת הקצה.
    5. מחקו את המשטח המיובא המקורי בעזרת הכלי Insert > Features > Delete/Keep Body . בעזרת הכלי הסתרה/הצגה בכרטיסייה 'תצוגה ', ניתן להסתיר את המשטח שהועתק כדי להציג את הטבעת הפנימית ולאמת את העיצוב שלה.
  19. יצירת חצאית תא (איור 3D)
    1. יש להסיט משטח מועתק שני נמוך יותר מהמשטח הקיים בעובי חצאית התא (למשל, 1.5- מ"מ). בתפריט 'תרגום ', בחרו בציר הניצב למישורים כנקודת התייחסות ובערך הסטה ליצירת המשטח החדש מתחת למשטח הראשוני.
      הערה: בהתאם לכיוון ברירת המחדל של כיוון ההסטה, ייתכן שיהיה צורך להגדיר את ערך ההסטה כשלילי כדי לעבור בכיוון הנכון.
      1. אם יש חורים באזור שהחדר יכסה, בצע את השלבים המפורטים בסעיף 6 (תיקון חורים) לפני שתמשיך בשאר הליך עיצוב החדר.
    2. בצע אקסטרוזיה מהמישור העליון למשטח התחתון בצורת החדר. התחל על ידי בחירת Extrude Boss/Base ובחירת המישור העליון כמישור האקסטרוזיה.
      1. בצע את שלב 6.2 לטיפול באקסטרוזיות קיימות מהליך קיבוע חור.
    3. שרטט את צורת החצאית התאית על מישור זה. הפכו את העיגול הפנימי של החדר לעיגול בגודל זהה לרדיוס הקטן יותר של הטבעת הפנימית (למשל, 11.35 מ"מ), מרכזו את הנקודה במישור העליון, והפכו את הגבול החיצוני של חצאית התא לשילוב של קשתות וקווים כדי למקסם את שטח החצאית. יש להבליט לחלק התחתון מבין שני המשטחים.
      הערה: אם מתעוררת שגיאה באקסטרוזיה, סביר להניח שהסקיצה רחבה יותר מפני השטח. במקרה זה, הקטן את גודל גבול החצאית החיצונית.
    4. הבלטה חתוכה מהמישור העליון לגבוה מבין שני המשטחים המועתקים בצורת מתאר החדר.
      1. ראה שלב 6.2 לקבלת מידע נוסף על אקסטרוזיות שנותרו מהליך קיבוע חורים.
    5. כדי לחשוף את חצאית התא ואת הטבעת הפנימית, מחק את שני העותקים הנותרים של המשטח המיובא. העצם שנוצר אמור להיראות דומה לזה שבאיור 3D.
    6. במהלך תהליך ביצוע הפחתת STL וייבואו, המודל של הגולגולת הוא שיקוף. כדי לפצות על כך, החצאית המתקבלת צריכה להיות משוקפת. בתפריט תכונות , לחץ על שקף ושקף את החצאית לאורך המישור העליון. מחקי את החצאית המקורית באמצעות הפונקציה Delete/Keep Body .
  20. שילוב החלק העליון והחצאית (איור 3E)
    1. פתח את קובץ STL העליון בתוכנה המשמשת לעיצוב חצאית התא. לאחר מכן, הוסף את חצאית התא כחלק על-ידי לחיצה על הוסף חלק >, בחירת החצאית המותאמת אישית בתפריט ולחיצה במקום כלשהו במסך כדי לייבא את החלק.
    2. כדי ליישר את החלק העליון והחצאית של התא, לחצו על 'הוסף' > 'תכונות' >'הזזה/העתקה'. בחרו בחצאית התא ולחצו על הלחצן 'אילוצים' בתחתית התפריט. הדגישו את הטבעת הפנימית של החצאית ואת המשטח הפנימי של החלק העליון של התא כבני זוג קונצנטריים (איור משלים 4A).
      1. יש לוודא שהחלק העליון של החצאית מיושר עם החלק התחתון של החלק העליון של התא, ולשנות את כיוון היישור במידת הצורך.
    3. השתמשו ב-Move/Copy כדי לתרגם את החצאית כלפי מטה ישירות מתחת לחלק העליון של התא. לשם כך יידרשו חזרות מרובות כדי למצוא את המרחק הנכון, כך שהחלק העליון של התא לא יימתח מתחת לחצאית התא ויחסום את החצאית (איור משלים 4B, ואיור משלים 5).
    4. סובב את החלק העליון של התא כדי ליישר את הרווחים בין הכרטיסיות כך שאחת תהיה ניצבת ואחת מקבילה לקו האמצע של המוח. השתמשו בכלי סיבוב ובציר הקיים במרכז העצם כציר הסיבוב. התאימו את דרגות הסיבוב עד שהחלק העליון והחצאית יהיו בכיוון הנכון זה ביחס לזה.
    5. חברו חפצים זה לזה על ידי שחול מהחלק התחתון של החלק העליון של התא ישירות כלפי מטה לכיוון החצאית. השתמשו ב-Extrude Boss/Base, בחרו במשטח התחתון של החלק העליון של התא, וצרו סקיצה על משטח זה עם אותם רדיוסים פנימיים וחיצוניים כמו טבעת זו, תוך שימוש בציר המרכזי כנקודת האמצע. בחר עד לגוף ככיוון האקסטרוזיה וציין את חצאית התא.
    6. בצע חיתוך אקסטרוזיה מפני השטח של החלק העליון של התא המחזיק את הלשוניות. לאחר בחירת משטח זה כמישור האקסטרוזיה, שרטט מעגל עם אותו רדיוס פנימי כמו הטבעת הפנימית. צאו מהסקיצה ובצעו גזרה מושחלת עיוורת העולה על החלק התחתון של חצאית התא (למשל, 10 מ"מ).
    7. הוסף שנים עשר חורי בורג במרווחים שווים סביב חצאית התא. מקמו את חורי הבורג כך שהם יהיו מרווחים באופן שווה אך גם רחוקים מספיק זה מזה כך שיהיו נגישים במהלך הניתוח, אך קרובים מספיק כדי למנוע טביעת רגל גדולה שלא לצורך של החדר.
    8. השתמש בכלי אשף החורים למיקום חורי הברגה. בחר פרמטרים בתפריט Hole Specification - Type . הפרמטרים צריכים להתיישר עם הברגים שישמשו במהלך ההשתלה הכירורגית (למשל, תקן: ANSI מטרי, סוג: בורג ראש שטוח - ANSI B18.6.7M, גודל: M2, התאמה: רופף, קוטר מינימלי: 3.20 מ"מ, קוטר מקסימלי: 4.00 מ"מ, זווית צלעות נגדיות: 90 מעלות, מצב סופי: דרך הכל).
    9. לחץ על הכרטיסיה מיקומים כדי להתחיל למקם חורים. כדי למקם חור, רחף מעל מישור בתא ולחץ באמצעות לחצן העכבר הימני. מקמו את כל שנים-עשר חורי הברגים, וודאו שהם ממוקמים באופן שווה ונגישים.
    10. אם החסימות נשארות בתוך חור בורג לאחר הצבתו (איור משלים 6A), בחרו מישור אחר למקם עליו את החור או השתמשו בשלבים הבאים כדי לבצע חתך מושחל כלפי מעלה דרך החור.
      1. התחל את חיתוך האקסטרוזיה כלפי מעלה על ידי יצירת מישור מקביל למישור הנותר אך מוסט כלפי מטה ב- 0.00001 מ"מ כך שהמטוס נמצא ישירות מתחת לחסימה.
      2. בצע את חיתוך האקסטרוזיה עם המישור שנוצר בשלב האחרון כהפניה. באמצעות שילוב של קשתות וקווים, שרטט את צורת האזור שיש להסיר. ודא שהסקיצה מכילה כל חלק של המישור שנמצא ברדיוס החיצוני של חור הבורג (איור משלים 6B). אקסטרוד חותך 1 מ"מ כלפי מעלה.
    11. לאחר הנחת חורי הברג, גזרו את החצאית כדי להפחית קצוות חדים ולמזער שטח חצאית מיותר. בצעו חיתוך אקסטרוזי מהמשטח העליון של התא כלפי מטה מעבר לחצאית התא (למשל, 30 מ"מ). הכינו את האקסטרוזיה בצורה שתחליק את כל הקצוות המחוספסים ותקצצו את אזור החצאית החיצונית.
      1. ייתכן שיהיה צורך בגזרות מותאמות אישית נוספות כדי להסיר את כל הקצוות החדים והחצאית העודפת. אם לא ניתן לחתוך אזורים בחצאית באמצעות המשטח העליון של התא כמישור הייחוס, צרו מישור זוויתי וצרו חיתוכים מושחלים נוספים באמצעות מישור זה.
    12. ראו איור 3F לייצוג סופי של עיצוב התא. העיצוב הזה יכול להיות מודפס בתלת-ממד ולמקם אותו על מוח מודל וגולגולת קרניוטומית אם רוצים בכך (איור 3G).

4. עיצוב עמוד ראש (איור 4)

  1. שימו לב שמיקום מרכז הקרניוטומיה הסופי ואזור החצאית המקסימלי של החדר יידרשו לעיצוב עמוד הראש.
  2. הזן את קואורדינטות הקרניוטומיה הידועות (ערכי x, y ו- z) בחלון הפקודה.
  3. עבור עיצוב עמוד הראש, נדרש רדיוס אחד בלבד כדי לייצג את האזור על הגולגולת הזמין המקיף את החדר. בשלב זה, הזן את הרדיוס המרבי של התא שתוכנן בסעיף הקודם (למשל, 25 מ"מ). לאחר מכן, ציין כי אין צורך ברדיוס חיצוני.
  4. השתמש בחלון הפקודה כדי לציין אם יש צורך בסרגלי קנה מידה כדי לאשר מידות.
  5. בדומה לסעיפים הקודמים, שמור קבצי STL של המוח והגולגולת במידת הצורך להדפסה תלת-ממדית.
    האיור הבא שמוצג יציג את אזור הגולגולת המקיף את החדר ליצירת טביעת רגל של עמוד ראש. חלץ אזור זה באמצעות הקטנת גודל STL לייבוא לתוכנת עיצוב.
  6. בחר (y) כדי לציין שנדרשת הקטנת גודל STL. בחר נקודות על האיור כאשר המוח (בכחול) והגולגולת (באפור) מכוסים יחד. ודאו שהנקודות נבחרות קרוב ככל האפשר זו לזו ומפוזרות באופן שווה על פני אזור הגולגולת האפור (איור משלים 7A). לקבלת פרטים נוספים על תהליך בחירת הנקודה, עיין בשלב 3.8.
  7. הקש Enter לאחר השלמת בחירת הנקודה כדי לכסות את אזור הגולגולת האפור שבו ימוקם עמוד הראש. ציין שם קובץ עבור הקובץ המופחת שהורדת בחלון הפקודה.
  8. ייבא את הקובץ המופחת לתוכנת CAD כדי לעצב את טביעת הרגל המותאמת אישית של עמוד הראש. ודא שהקובץ מיובא כ - Surface Body.
  9. לאחר ייבוא הקובץ, בדוק אם קיימים חורים במשטח המסומנים בקווים כחולים. אם יש חורים באזור הכללי שעמוד הראש יכסה, יהיה צורך להשלים את הליך תיקון החורים (סעיף 6) בשלב 4.11.
  10. השלב הראשון בעיצוב עמוד הראש הוא למצוא מישור על המשטח שמתיישר עם מישור הציר, כך שכאשר הראש העליון והתחתון משולבים, ראש הראש ניצב לגולגולת (איור משלים 7B, C). אם לא ניתן למצוא מישור המתיישר ישירות עם מישור הציר על פני הגולגולת, צור מישור חדש באמצעות מישור קיים על פני השטח וסובב אותו כדי ליישר אותו כראוי. כדאי שיהיה מודל גולגולת תלת-ממדי פיזי שניתן להשתמש בו להשוואה לייצוג הגולגולת הווירטואלי.
    1. ייתכן שיהיה צורך לשנות שלב זה מספר פעמים כדי ליצור ראש עליון המאונך ישירות לגולגולת. כדי לשנות את הזווית של ראש העמוד ביחס לטביעת הרגל של עמוד הראש, שנה את המישור המשמש בשלב זה. ייתכן שיהיה צורך לבדוק כמה מטוסים כדי למצוא אחד שיושב במקביל למישור הצירים.
  11. השתמש במישור שנמצא או נוצר בשלב הקודם כדי ליצור מישור מקביל בגובה 3 מ"מ מעל פני השטח שיספק התייחסות לכיוון ראש המיטה.
    1. השלם את הליך תיקון החורים המתואר בסעיף 6 עם רווחים שנוצרו באזור עמוד הראש.
  12. יצירת תחתית עמוד ראש (איור 4C)
    1. לחצו על Extrude Boss/Base, בחרו את המישור החדש וצרו סקיצה של טביעת הרגל של עמוד הראש באמצעות שילוב של קשתות וקווים. צרו רגלי עמוד ראש באורך דומה והזוויות ביניהן תואמות (ראו דוגמה באיור 4A). השתמשו בקשתות כדי לחבר את רגלי עמוד הראש כדי להבטיח קצוות חלקים סביב טביעת הרגל, והעבירו את השרטוט למשטח מיובא.
      הערה: מספר רגלי עמוד הראש יהיה תלוי בשטח הזמין המקיף את החדר. עם זאת, עמוד הראש צריך להיות מינימום של שלוש רגליים כדי להבטיח יציבות מכנית נאותה.
      1. ראה שלב 6.2 לקבלת הוראות כיצד לעקוף את האקסטרוזיות הקיימות מהליך קיבוע חור.
    2. בשלב זה, המשטח התחתון של עמוד הראש זמין לאישור כי פני השטח תואמים את העקמומיות של הגולגולת. אם יש צורך בהדפסה תלת-ממדית כדי לבדוק את ההתאמה, בצע את ארבעת השלבים הבאים.
      1. מחק את גוף המשטח המיובא. שקף את טביעת הרגל על פני המישור שנוצרה בשלב 4.10. בתפריט מראה , ודא שהתיבה מזג מוצקים אינה מסומנת.
      2. כדי לוודא שטביעת הרגל תואמת את עקמומיות הגולגולת, השתמשו באפשרות 'מחק/שמור גוף ' כדי למחוק את טביעת הרגל המקורית, והשאירו רק את הגרסה המשוקפת.
      3. הדפס בתלת-ממד את האובייקט כ-STL והנח אותו על מודל הגולגולת התלת-ממדי כדי לבדוק פיזית אם הוא תואם את עקמומיות הגולגולת.
      4. כדי להמשיך בעיצוב עמוד הראש, השתמש בחץ בטל בחלק העליון של סרגל הכלים כדי לבטל את שני השלבים הקודמים (שיקוף ומחיקה). פעולה זו אמורה לשחזר את טביעת הרגל המקורית ואת גוף פני השטח.
    3. צרו נקודה במרכז המשטח השטוח על טביעת הרגל. צור ציר באמצעות נקודה זו ומישור ההתייחסות העליון.
    4. לחצו על הכלי הזזה/העתקה וצרו עותק של המשטח המיובא המורם לעובי תחתית עמוד הראש (לדוגמה, 1.35 מ"מ). השתמש בציר שנוצר בשלב זה כהפניה התרגומית וודא שהתיבה העתק מסומנת כדי למנוע שינוי של המשטח המקורי.
    5. בצע חיתוך אקסטרוזי מהמשטח השטוח של טביעת הרגל של עמוד הראש למשטח המועתק (המוגבה). מחק את המשטח המקורי ואת העותק שלו. את החלק שנוצר ניתן לראות באיור 4B.
      1. בצע את שלב 6.3 עבור אקסטרוזיות קיימות מהליך קיבוע חור.
    6. צור מישור חדש מקביל למישור הייחוס, אך מתורגם כלפי מעלה או כלפי מטה כדי לרחף לפחות 1 מ"מ מעל עמוד הראש התחתון. כדי לקבוע את אורך התרגום, השתמש בכלי מדידה בכרטיסיה הערכה . בצע אקסטרוזיה מעגלית מהמישור החדש לתחתית עמוד הראש כדי ליצור פלטפורמה שבה יישב בסיס ראש הראש וודא שהפלטפורמה ממורכזת סביב קו האמצע של הגולגולת.
    7. השתמשו בכלי פילה בתפריט 'תכונות ' כדי להחליק את ההצטלבות בין האקסטרוזיה לטביעת הרגל של עמוד הראש. בדוק ערכי רדיוסים שונים באמצעות הפרמטר אסימטרי ובחר את ערכי הרדיוסים הגדולים ביותר האפשריים.
    8. בשלב זה, ודא את המיקום של פלטפורמת הראש העליונה על ידי הדפסת תלת מימד של הגרסה הנוכחית ובדיקתה מול מודל גולגולת.
    9. מקמו חורי הברגה לאורך תחתית עמוד הראש באותה טכניקה ששימשה לחורי הברגת התא (שלב 3.20.7). הוסף לפחות שלושה חורי בורג בכל רגל של עמוד ראש. ודא שנקודת המרכז של כל חור בורג נמצאת לפחות 5 מ"מ ממרכז החור הבא, ושקצוות כל חור נמצאים במרחק של לפחות 2.5 מ"מ מקצה הרגל.
      1. כדי להימנע מכלי דם העוברים מתחת לגולגולת ובסמוך לקו האמצע, יש לוודא שחורי הברגה אינם חוצים את קו האמצע ולהזיזים אותם במידת הצורך. המוצר צריך להיראות דומה לעיצוב באיור 4C.
    10. שקפו את החלק באמצעות הכלי שיקוף כדי לפצות על השיקוף המתרחש במהלך ייבוא משטח הגולגולת. השתמש בחלק העליון של הבסיס העגול כמישור המראה.
    11. מחק את החלק המקורי באמצעות התכונה מחק/שמור את הגוף כך שרק הגרסה המשוקפת תישאר.
  13. שילוב עמוד הראש למעלה ולמטה (איור 4D)
    1. יבא את ראש הראש כחלק מתפריט הוספה. לאחר שהחלק סומן בתפריט, לחץ במקום כלשהו במסך כדי להוסיף את החלק.
    2. בעזרת הפונקציה Move/Copy , יישרו את עמוד הראש למעלה ולמטה. התחל על-ידי ציון החלק העליון של עמוד הראש כגוף שיש לזוז. לאחר מכן, צור את שלושת בני הזוג הבאים בתפריט אילוצים :
      1. ודא שהמשטח העליון של משטח הראש העגול והמשטח התחתון של החלק העליון של עמוד הראש הזדווגו במקרה.
      2. ודא שהקצוות המסומנים של המשטחים בזוג בני הזוג האחרון הזדווגו באופן מרוכז.
      3. חבר קו העובר אנכית לאורך הרגל האחורית של עמוד הראש וקו העובר אופקית לאורך החלק האחורי של ראש הראש (הצד השטוח) בניצב. ודא שהפנים המעוקלות של החלק העליון פונות קדימה (קדמית) והפנים השטוחות פונות קרוב יותר לרגל האחורית של עמוד הראש (אחורי).
      4. ודאו שכל חיבור נמצא בכיוון הנכון והחליפו את כיווני ההזדווגות בתפריט במידת הצורך (ראו איור משלים 8 לדוגמה של בני זוג).
        הערה: ההליך לשילוב החלק התחתון והעליון של הראש המותאם אישית משתמש בחלק עליון גנרי של הראש שעוצב באמצעות תוכנת CAD. כאן, החלק העליון מעוצב על בסיס עמוד הראש של מכשיר כריסט. הליך ההזדווגות המתואר לעיל הוא ספציפי לחלקים אלה וייתכן שיהיה צורך להתאים אותו אם נעשה שימוש בחלקי הזדווגות שונים.
    3. ודאו שעמוד הראש המשולב למעלה ולמטה נראה כמו איור 4D.
      1. אם ראש העמוד אינו מיושר כהלכה, שנה את מישור הייחוס המשמש בשלב 4.11.

5. ייצור דורה מלאכותית 11 (איור 5)

  1. השיגו את תבנית הדורה המלאכותית (איור 5B).
  2. צור את תערובת הסיליקון המלאכותית של דורה על ידי ערבוב סיליקון KE1300-T ו- CAT-1300 ביחס של 10:1.
  3. יוצקים 1 מ"ל מהתערובת על המשטח העליון של הגליל במרכז התבנית.
  4. למניעת בועות אוויר, מניחים את התבנית בתא ואקום למשך כ-15 דקות.
  5. מוסיפים את השכבה השנייה של התבנית, בעזרת העמודים משני צדי הגליל כדי לכוון את יישור היצירה.
  6. שפכו 3-4 מ"ל של תערובת סיליקון לתוך התבנית והניחו את פיסת האקריליק השקופה על החלק העליון של התבנית (איור 5A). השתמש מהדק C כדי להדק את התבנית יחד.
  7. בדוק אם יש בועות אוויר בחלון האופטי והסר אותן עם תא ואקום לפי הצורך.
  8. לרפא את המבנה שנוצר במשך הלילה בטמפרטורת החדר. שאריות בועות האוויר מוסרות באמצעות הלחץ שנוצר כאשר התבנית מהודקת לפני הריפוי.
  9. יש לפרק לאחר הריפוי על ידי הסרת כל חלק יציקה והסרה זהירה של דורה סיליקון.

6. הליך תיקון חורים

  1. בצע את הליך קיבוע חורים אם נמצאו חורים בייצוג הגולגולת (מסומן בקווים כחולים בתוכנת CAD). בצע את השלבים הבאים לאחר יצירת המשטחים התחתונים (המשטחים שיסיימו את האקסטרוזיות). עבור הלשכה, זהו שלב 3.19. עבור עמוד הראש, התחל הליך זה לאחר השלמת שלב 4.12.
    1. הסתירו את כל המשטחים או האקסטרוזיות מלבד המשטח התחתון כדי שניתן יהיה להציג את המשטח התחתון באופן עצמאי.
    2. השתמש ב - Insert > Surface > Planar כדי ליצור משטח מישורי בכל משטח שנמצא במגע עם הרווח, וכן מעל הרווח, אם רלוונטי. לציון משטח, בחרו כל קצה כישות תוחמת.
    3. צור משטחים מישוריים עד שכל רווח מוקף, כולל פינות של רווחים וקצוות של קווים.
    4. לחץ על Insert > Surface > Knit ובחר כל משטח מישורי המקיף את הרווח. ראו איור משלים 9A לתצוגה חזותית של המשטחים הסרוגים.
    5. צרו ציר התייחסות בכל נקודה לאורך קצה המשטח הסרוג באמצעות בחירה באפשרות 'נקודה' ו'פאה/מישור ' כסוג ההתייחסות ובחירת נקודה בקצה המשטח ובמישור העליון. חזרו על הפעולה עבור כל נקודה בקצה המשטח הסרוג (איור משלים 9B).
    6. צור נקודה בהצטלבות של כל ציר סביב המשטח הסרוג עם מישור הייחוס העליון. בחרו 'הצטלבות' כסוג ההפניה ובחרו ציר אחד ואת המישור העליון. ודא שתיווצר נקודה המתאימה לכל ציר.
    7. צור סקיצה המחברת כל נקודת התייחסות שנעשתה בשלב הקודם. בחרו 'למעלה למשטח ' עבור הכיוון, ובחרו את המשטח הסרוג כמשטח שאליו יש להבליט.
    8. חזור על שלבים 6.1.2-6.1.7 עבור כל הרווחים באזור שהתא או עמוד הראש יכסו (ראה איור משלים 9C לתוצאה הסופית של הליך קיבוע חורים).
  2. בעת ביצוע האקסטרוזיה ממישור הייחוס העליון למשטח הנמוך ביותר (שלב 3.19.2 או שלב 4.12.1), ודא שקווי המתאר של התא/עמוד הכותרת משורטטים סביב האקסטרוזיות הקיימות.
  3. באופן דומה, בעת ביצוע החתכים המורחבים מהמישור העליון לגבוה מבין שני המשטחים (שלב 3.19.4 או שלב 4.12.5), בצע את החתך האקסטרוזי העיקרי בנפרד מהאקסטרוזיות שנבעו מהליך קיבוע החורים (איור משלים 10A).
    1. לביצוע חיתוכים מושחלים מקיבועי חורים, יש למתוח את המשטח העליון ביותר של האקסטרוזיות הקיימות למישור על המשטח המוגבה המספק משטח עליון חלק לתא או לעמוד הראש (איור משלים 10B). אם החתך המושחל יוצר משטח קשיח, השתמש במישור אחר או בצע אקסטרוזיות עוקבות.

תוצאות

רכיבים אלה אומתו בעבר באמצעות שילוב של הדמיות MRI ומודלים אנטומיים מודפסים בתלת-ממד. על-ידי השוואת הדמיית הקרניוטומיה האוטומטית לקרניוטומיה המודפסת בתלת-ממד ול-MRI במיקום הקרניוטומיה, ברור שייצוג הקרניוטומיה הווירטואלי משקף במדויק את האזור במוח שניתן לגשת אליו עם מיקום הקרניוטומיה שצוין (איור 2A-F). נוסף על כך, הדיוק של הדמיה אוטומטית של קרניוטומיה הוערך עוד יותר על-ידי השוואת הייצוג הווירטואלי לקרניוטומיות קיימות מניתוחי השתלה (איור 2E,G). המודל המודפס בתלת-ממד, ההדמיה האוטומטית, ה-MRI והקרניוטומיה בפועל מדגישים את אותו אזור, ומציגים את הסולצי העיקרי באותו מיקום ובעקביות פרופורציונלית. התהליך של בידוד המוח והגולגולת והדמיית קרניוטומיה לאחר מכן לוקח פחות מ -15 דקות כדי להשלים, המאפשר מספר מיקומים להיבדק בתוך פחות מ 1 שעות.

היעילות של הליך בידוד המוח אושרה על-ידי השוואת הקרניוטומיה הווירטואלית לייצוג MRI של מיקום הקרניוטומיה (איור 2B,C,E,F). קווי הדמיון הצביעו על כך שלהליך בידוד המוח יש את היכולת לייצג את הגודל, המיקום והצורה הנכונים של מבנים אנטומיים במוח המותקפים, כגון הסולצי.

המוח והגולגולת המשולבים שהודפסו בתלת-ממד שימשו כמודל אנטומי מדויק כדי לאמת את עיצובי החדר והראש. לפני ההשקעה בחלקי טיטניום, התא ועמוד הראש הודפסו בתלת-ממד בפלסטיק. אושר כי השתלים מתאימים לגולגולת וכי הם אינם חופפים זה לזה או חוסמים סמנים אנטומיים חשובים. תהליך עיצוב התא ועמוד הראש ייצר רכיבים שהתאימו לעקמומיות הגולגולת (איור 3G,I, איור 4E, איור 6, איור 7). כמו כן, אושר כי הדורה המלאכותית מתאימה בסמוך לדפנות הפנימיות של החדר עם מרווח קל כדי להתחשב בהתאמות שנעשו במהלך ההשתלה. תאים מותאמים אישית הושתלו בשני קופי מקוק. בניגוד לשיטות תכנון תא קודמות9, כל בורג שניסו להחדיר היה ניתן להברגה פנימה. הסיבה לכך היא צמצום דרסטי של רווחים בין התא לגולגולת בהתאמה אישית בהשוואה לחדר שתוכנן מקירובים של עקמומיות MRI9 (איור 6A-F). תא אחד בהתאמה אישית מושתל כבר למעלה משנתיים, והשני שנה וחצי. עם תחזוקה נאותה, לא היו אובדן בורגים, זיהום או בעיות יציבות שנוצרו עקב השתלים האלה (איור 3I).

עמודי הראש המותאמים אישית ותהליכי עיצוב החדר מונעים את הצורך בהתאמות ידניות במהלך הניתוח, שאחרת היו יכולות להוסיף שעות למשך הניתוח. טכניקות אלה גם מקטינות את המרווחים של 1-2 מ"מ הנובעים מקירובים של עקמומיות29, ובכך מעודדות בריאות שתלים טובה יותר ומשפרות את תוצאות הניסוי. השכלולים מונעים סיבוכים עם השתל ומאריכים את תוחלת החיים של השתל, ובכך גם משפרים את רווחת בעלי החיים.

figure-results-1
איור 1: בידוד המוח והגולגולת. (A) תמונת תהודה מגנטית שכבתית (MRI) פרוסות העטרה. (B) מסיכה בינארית שכבתית מסף הגולגולת. (C) פרוסות שכבות של הגולגולת המבודדת ממסיכה בינארית הפוכה. (D) גולגולת תלת-ממדית משוחזרת. (E) מסיכה בינארית שכבתית מסף המוח. (F) פרוסות MRI שכבתיות של מוח מבודד. (G) מוח תלת-ממדי משוחזר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-2
איור 2: תכנון קרניוטומיה. (A) הדמיה קרניוטומית עם מודל מוח וגולגולת מודפס בתלת-ממד עבור Monkey B. (B) הדמיה קרניוטומית בתוכנה חישובית עבור Monkey B. (C) הדמיה קרניוטומית בתמונת תהודה מגנטית (MR) עבור Monkey B. (D) הדמיה קרניוטומית עם מודל מוח וגולגולת מודפס בתלת-ממד עבור Monkey H. (E) הדמיה קרניוטומית בתוכנה חישובית עבור Monkey H. (F) הדמיית קרניוטומיה בתמונת תהודה מגנטית (MR) עבור Monkey H. (G) תמונה של קרניוטומיה בקוף H. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-3
איור 3: עיצוב שתל קאמרי. (A) אזור גולגולת (אפור) המשמש להפחתת רזולוציית STL. (B) הפחתת רזולוציית STL גולגולת ב- SOLIDWORKS. (C) טבעת פנימית של התא, מודגשת. (D) עיצוב חצאית קאמרית ב-SOLIDWORKS. (E) חצאית תא חיבור וחלק עליון. (F) תא STL ב SOLIDWORKS. (G) מוח, גולגולת ותא מודפסים בתלת-ממד. (H) תא טיטניום. (I) תא מושתל בקוף H. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-4
איור 4: עיצוב עמוד ראש. (A) קו מתאר תחתון של עמוד ראש בנושא הפחתת רזולוציית STL של הגולגולת. (B) טביעת רגל מותאמת אישית של עמוד ראש. (C) תחתית עמוד הראש. (D) עיצוב עמוד ראש ב-SOLIDWORKS. (E) עמוד ראש מודפס בתלת-ממד על הגולגולת. (F) עמוד ראש מטיטניום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-5
איור 5: ייצור דורה מלאכותית. (A) הידוק תערובת סיליקון באמצעות עובש. (ב) דורה מלאכותית. נתון זה הותאם באישור Griggs et al.11. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-6
איור 6: תא התאמה מותאם אישית לעומת תא התאמה לעקמומיות גולגולת. תא שתוכנן מהערכות עקמומיות MRI על גולגולת9 ממבט קדמי (A), (B) מבט צדדי ו-(C) מבט אחורי. תא מעוצב בהתאמה אישית ממבט קדמי (D), (E) מבט צדדי ו-(F) מבט אחורי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-7
איור 7: תא, עמוד ראש ודורה מלאכותית על המוח והגולגולת לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

תרשים משלים 1: תכנון מיקום סף וקרניוטומיה. (A) מסיכה בינארית לדוגמה עם סף מתאים. (B) פרוסה קורונלית ב-MRI לזיהוי מיקום קרניוטומיה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 2: תהליך הפחתת קבצי STL ב- MATLAB עבור עיצוב התא. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 3: ייצוג חזותי של חור בהפחתת רזולוציית STL בגולגולת. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 4: צילומי מסך של תוכנת חצאית קאמרית. (A) הטבעת הפנימית של חצאית התא והמשטח הפנימי של החלק העליון של התא כבני זוג קונצנטריים. (B) תרגום חצאית התא כלפי מטה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 5: חצאית קאמרית וחלק עליון קאמרי עם ובלי חפיפה. (A) דוגמה מתחת לתצוגה של חפיפה בין חצאית התא לחלק העליון של התא (משנה את המשטח התחתון של חצאית התא). (B) דוגמה לכך שאין חפיפה בין חצאית תא לטופ קאמרי. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 6: מטוסים החוסמים חורי ברגים וביטול חסימה. (A) דוגמה למטוסים החוסמים את חורי הבורג לאחר מיקום חורי בורג. (B) מתאר של חתך מושחל לסילוק משטחים בתוך חורי בורג. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 7: בחירת נקודות ומישור הציר של הגולגולת. (א) בחירת נקודות לעיצוב עמוד ראש. (B) מבט עליון על המישור המקביל למישור הצירי של הגולגולת. (C) מבט צדדי על המישור המקביל למישור הצירי של הגולגולת. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 8: דוגמה לבני זוג. (A) בן זוג ראשון - המשטח העליון של משטח הראש העגול והמשטח התחתון של ראש הראש כבני זוג קונצנטריים. (B) בן זוג שני - קצה המשטח העליון של משטח הראש העגול וקצה המשטח התחתון של ראש הראש כבני זוג קונצנטריים. (C) בן זוג שלישי - קו העובר אנכית לאורך הרגל האחורית של עמוד הראש וקו העובר אופקית לאורך גב ראש העמוד כבני זוג מאונכים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 9: הליך תיקון חורים. (א) משטחים סרוגים המקיפים את המרווח במשטח המיובא. (B) ציר בכל נקודה בקצה המשטח הסרוג. (ג) התוצאה הסופית של הליך תיקון חורים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 10: ביצוע חיתוך אקסטרוזי. (A) חתך אקסטרוזיה מסביב מהליך קיבוע חורים. (B) דוגמה חתוכה מושחלת למישור על המשטח העליון של החלק התחתון של התא. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ קידוד משלים 1: קבצי קידוד עבור הפרוטוקול. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

דיון

מאמר זה מתאר שיטה פשוטה ומדויקת לתכנון נוירוכירורגי שלא רק מועילה לפיתוח רכיבים המשמשים להשתלת חלון גולגולתי NHP, אלא גם ניתנת להעברה לתחומים אחרים של מחקר NHP במדעי המוח 13,15,25. בהשוואה לשיטות עכשוויות אחרות של תכנון ועיצוב שתל NHP 25,29,30, להליך זה יש פוטנציאל להיות מאומץ על ידי מעבדות מדעי המוח נוספות מכיוון שהוא פשוט וחסכוני. בעוד CT משמש בדרך כלל עבור מודלים גולגולת32,38, פרוטוקול זה מספק פירוט מידול מספיק הן עבור המוח והן את הגולגולת באמצעות סריקות MRI בלבד. שיטות קיימות דורשות סריקות MRI ו- CT לבידוד המוח והגולגולת30,32,33, בעוד שיטה זו מבטלת עלויות ואתגרים נוספים של הדמיית CT. יתרון נוסף הוא שמודל זה אינו דורש יישור של סריקות MRI ו-CT, ובכך חוסך זמן משמעותי ומונע בעיות הקשורות ליישור לקוי39. יצירת מודלים של מוח וגולגולת מקובץ הדמיה יחיד מייצרת מודלים תואמים ביותר המשולבים בקלות להדמיית קרניוטומיה. תכונה זו שימושית במיוחד עבור תהליכי בדיקת קרניוטומיה איטרטיבית מכיוון שבמקום לשלב וליישר קבצים מתוכניות נפרדות30,33, שני המודלים נוצרים בתוכנה אחת מקובץ קלט יחיד ומוצגים אוטומטית תוך שניות. זה מאפשר אישור יעיל של דיוק מידול המוח והגולגולת ומבטיח שתלים יתאימו לעקמומיות הגולגולת in vivo. זה גם מבטל הדפסה תלת ממדית איטרטיבית של הגולגולת שנדרשה בעבר לקביעת מיקום קרניוטומיה אופטימלי35, ובכך חוסך עשרות שעות הדפסה לכל איטרציה. הטכניקה מבוססת התוכנה שלנו, לשם השוואה, אורכת כ-10-15 דקות כדי ליצור כל איטרציה של קרניוטומיה.

לזיהוי מיקום השתל ביחס לאזור הגולגולת המצחית, הקודקודית והרקתית, כמו גם למאפייני גולגולת אחרים, יש יתרונות עצומים לתכנון כירורגי וניסויי. תכונה זו מנוצלת לעיצוב מותאם אישית של טביעת הרגל של עמוד הראש ביחס לטביעת הרגל של התא. עבור כל מחקר במדעי המוח של NHP, ניתן להתאים את תכונת המידול המרחבי הזו לתכנון רכיבים ממישורים אנטומיים, קואורדינטות MRI, תכונות אנטומיות של המוח והגולגולת, וביחס לשתלים קיימים. על ידי כך, האפשרות של בעיות בלתי צפויות במהלך או לאחר ההשתלה מופחתת באופן דרסטי. להליך זה יש גם את היכולת ליצור שתלים המשתרעים על פני אזורי מוח מרובים ממישורים שונים תוך שמירה על התאמה הדוקה לגולגולת.

השיטה המודגשת כאן יוצרת תא עגול ומאפשרת לעצב עמוד ראש סביב החדר. עם זאת, להליך כאן יש פוטנציאל להתאים לצורות אחרות באמצעות שינוי החלק של עיצוב חצאית קאמרית. הדבר נכון גם לגבי עיצוב עמוד הראש – ההליך מאפשר ליצור מספר שונה של רגליים וצורות מותאמות אישית אחרות, כאשר הצורה תלויה בעיקר בשטח הפנוי סביב החדר. ניתן לשנות עוד יותר את צורת הפחתת STL הגולגולת, שהיא כיום טבעת לעיצוב התא, כדי ליצור צורות שונות להפחתת STL גולגולת המותאמות לצורך בעיצובים מסוימים של תא או עמוד ראש, מה שמקל על הסתגלות יעילה יותר.

למרות שתהליך זה יוצר ביעילות שתלים מותאמים אישית, ישנם שלבים שניתן לשפר לייצור יעיל יותר. כאמור, יישור החלק העליון של עמוד הראש בניצב לגולגולת הוא תהליך איטרטיבי עם השיטה המתוארת במאמר זה בשל הקושי לזהות את כיוון הגולגולת בתוכנת העיצוב. כדי לייעל את תהליך מיקום עמוד הראש בחלק התחתון, ניתן היה להציב סמנים נוספים על ייצוג הגולגולת הווירטואלי כדי לציין מישורים ציריים, קשת ועטרה. לפרוטוקול יש גם פוטנציאל להפוך לאוטומטי עוד יותר כדי להגביר את קלות השימוש. בעוד ששיטת הפחתת STL הגולגולת הנדונה בפרוטוקול זה יעילה לתכנון שתלים, ניתן לבצע אותה מהר יותר ועקבית יותר עם אוטומציה נוספת. הליך התיקוף שלנו דורש הדפסה תלת ממדית של אבות הטיפוס של הגולגולת והשתל כדי לוודא שהשתלים תואמים את עקמומיות הגולגולת. שלב זה עשוי להתבטל על ידי יצירת שיטה של הדמיה תלת-ממדית וירטואלית המשלבת את המוח, הגולגולת, החדר, עמוד הראש והדורה המלאכותית יחד.

הפלטפורמה שלנו מספקת תהליך וירטואלי לחלוטין של תכנון קרניוטומיה ועיצוב שתלים בהתאמה אישית. ניתן להדפיס את העיצובים הסופיים בתלת-ממד ולאמת אותם על דגם פיזי בגודל טבעי35. בניגוד לשיטות הקיימות, הפרוטוקול שלנו אינו דורש איטרציות מוצר יקרות או גישה למכונות יקרות כמו מכונות כרסום CNC29,34. בדומה לשיטות קיימות אחרות של תכנון שתלים 9,12,29,30,32,33,40, שיטה זו מסתמכת לחלוטין על שיטת הדמיה כדי לתאר במדויק מבנים אנטומיים. כל אי דיוק בסריקת MRI או שינויים באנטומיה של המוח או הגולגולת בין MRI לניתוח עלולים לפגוע ביעילות השתל. לכן, תכנון נכון של רכישת MRI חיוני לאופטימיזציה של תכנון השתל.

גילויים

אין מה לחשוף.

תודות

ברצוננו להודות לטוני הון, קית' ווגל ושון פישר על עזרתם הטכנית ותמיכתם. עבודה זו נתמכה על ידי קרן מרי גייטס של אוניברסיטת וושינגטון (R.I.), המכון הלאומי לבריאות NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), המרכז הלאומי לחקר פרימטים בוושינגטון (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), המרכז לנוירוטכנולוגיה (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) ו-Weill Neurohub (Z. I).

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
תוכנת הדפסת תלת מימד (פשט תלת מימד) (בתשלום)Simplify3Dגרסה 4.1משמשת להדפסת תלת מימד באמצעות מדפסת MakerGear
C-ClampBesseyCM22משמשת לייצור דורה מלאכותית, קיבולת 2-1/2 אינץ', 1-3/8 אינץ'
Throatlabs Form 3+ מדפסת תלת מימדטופס 3+להדפסת תלת מימד מדויקת
MakerGear M2 מדפסת תלת מימדMakerGearM2 revGמשמש להדפסת תלת מימד אבות טיפוס של שתלים
MATLAB (בתשלום)MathWorksR2021bמשמש לבידוד מוח וגולגולת, הדמיית גולגולת וירטואלית והפחתת STL גולגולת
מערכת MRI פיליפס Achivaפיליפס4522 991 19391משמש להדמיית פרימטים לא אנושיים
פלטופולימר שרףFormlabsFLGPGR041L, אפור, משמש להדפסות תלת מימד מדויקות עם מדפסת Formlabs 
תוכנת הכנת הדפסה PreFormFormlabsגרסה 2.17.0משמשת להדפסת תלת מימד עם מדפסת Formlabs 
נימה להדפסה (PLA)MatterHackers88331PLA 1.75 מ"מ לבן. משמש להדפסת תלת מימד עם מדפסת MakerGear
סיליקון CAT-1300Shin-Etsuמשמש לייצור דורה מלאכותית
סיליקון KE1300-TShin-Etsuמשמש לייצור דורה מלאכותית
SolidWorks (בתשלום)Dassault Systems2020משמש לעיצוב תא ועמוד ראש
Syn.Flex-S MulticoilPhilips45221318123משמש עבור לא אנושי הדמיית פרימטים
משמש

מקורות

  1. Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
  2. Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates. STAR Protocols. 4 (3), 102496(2023).
  3. Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
  4. Zhou, J., et al. Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates. 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).
  5. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke. 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034(2018).
  7. Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  8. Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  10. Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
  11. Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  12. Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
  13. Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239(2021).
  14. Hacking, S. A., et al. Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).
  15. Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level. Nature Communications. 10 (1), 2642(2019).
  16. Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183(2022).
  17. Griggs, D. J., Khateeb, K., Zhou, J., Liu, T., Wang, R., Yazdan-Shahmorad, A. Multi-modal artificial dura for simultaneous large-scale optical access and large-scale electrophysiology in nonhuman primate cortex. Journal of Neural Engineering. 18 (5), 055006(2021).
  18. Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866(2023).
  19. Khateeb, K., et al. A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).
  20. Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , Humana. New York, NY. (2023).
  21. Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Convection enhanced delivery of optogenetic adeno-associated viral vector to the cortex of Rhesus Macaque under guidance of online MRI images. Journal of Visualized Experiments. (147), e59232(2019).
  22. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
  23. Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435(2022).
  24. Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey. Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).
  25. Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. C. A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys. Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).
  26. Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex. iScience. 25 (5), 104285(2022).
  27. Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O'Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).
  28. Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).
  29. Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899(2023).
  30. Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. 3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).
  31. Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521(2021).
  32. Basso, M. A., et al. Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys). NeuroImage. 228, 117667(2021).
  33. Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls. eNeuro. 9 (3), (2022).
  34. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  35. Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098(2020).
  36. Safari, A. H. Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks. , Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing (2018).
  37. Lohsen, G. stlwrite - Write binary or ascii STL file. , Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file (2023).
  38. Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516(2017).
  39. Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  40. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

MRICADSTL

מאמרים קשורים