Magnetic Resonance-Guided Stereotaxy for Infusions to the Pig Brain

Jesus G. Cruz-Garza; Khaled M. Taghlabi; Lokeshwar S. Bhenderu; Shruti Gupta; Arvind Pandey; Allison M. Frazier; Shawn Brisbay; John D. Patterson; Ernesto A. Salegio; Christopher J. Kantorak; Christof Karmonik; Philip J. Horner; Robert C. Rostomily; Amir H. Faraji

doi:10.3791/64079

סטריאוטקסיה מונחית תהודה מגנטית לעירויים למוח החזיר

JoVE Journal
Neuroscience
Author Produced

This content is Free Access.

JoVE Journal Neuroscience

Magnetic Resonance-Guided Stereotaxy for Infusions to the Pig Brain

סטריאוטקסיה מונחית תהודה מגנטית לעירויים למוח החזיר

Full Text

3,120 Views

08:23 min

March 31, 2023

DOI: 10.3791/64079-v

Jesus G. Cruz-Garza¹, Khaled M. Taghlabi¹, Lokeshwar S. Bhenderu¹, Shruti Gupta², Arvind Pandey¹, Allison M. Frazier¹, Shawn Brisbay¹, John D. Patterson¹, Ernesto A. Salegio², Christopher J. Kantorak², Christof Karmonik³, Philip J. Horner¹, Robert C. Rostomily¹, Amir H. Faraji¹

¹Department of Neurosurgery,Houston Methodist Research Institute, ²ClearPoint Neuro, ³Translational Imaging Center,Houston Methodist Research Institute

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study presents a protocol for performing stereotaxy on the pig brain using convection-enhanced infusions, guided by real-time magnetic resonance imaging (MRI). The aim is to demonstrate the feasibility of delivering and monitoring infusion agents in large animal models, thereby facilitating translational neurosurgical techniques.

Key Study Components

Area of Science

Neurosurgery
Magnetic Resonance Imaging
Infusion Techniques

Background

Pigs provide a valuable large animal model for neurosurgical interventions due to the size of their brains.
Real-time MRI offers guidance for precise surgical planning and infusion delivery.
The study aims to establish protocols for infusing agents effectively into the brain using advanced imaging techniques.

Purpose of Study

To demonstrate MR-guided stereotactic procedures in pigs.
To visualize infusion agent distribution in real-time.
To enable translational applications in neurosurgery.

Methods Used

The study utilizes a 3T MRI suite for imaging and guiding the stereotactic injection.
A pig model is employed for the surgical procedure, including animal positioning and securing the stereotactic frame.
Continuous monitoring of the infusion is conducted with concurrent MRI scans.
Detailed steps for the surgical procedure, including incision, drilling, and cannula insertion, are outlined.

Main Results

The protocol allows for accurate monitoring of infusion distribution in the brain through MR imaging.
Real-time adjustments in infusion parameters can be made as needed based on intraoperative imaging data.
The findings illustrate the capability of integrating imaging techniques with surgical interventions.

Conclusions

This study establishes a protocol for performing precise infusions in the pig brain using MR guidance.
The ability to monitor and adjust the infusion in real-time enhances the feasibility of drug delivery studies.
Utilizing pigs as large animal models supports advanced approaches in studying drug distribution and neurosurgical techniques.

Frequently Asked Questions

What are the advantages of using pig models for stereotactic procedures?

Pigs offer a large brain size conducive to imaging and surgical interventions, providing a more translational model for human neurosurgical applications.

How is the infusion agent distributed in the brain?

The infusion agent's distribution is monitored in real-time through concurrent MRI scans, allowing for precise evaluation of its spread within the brain tissue.

What types of imaging are used during the procedure?

Real-time magnetic resonance imaging (MRI) is employed to guide the stereotactic procedure and monitor the infusion agent's distribution.

How can this method be adapted for other interventions?

The protocol can be modified to accommodate different infusion agents or surgical techniques by adjusting the parameters based on the desired outcomes and imaging feedback.

What are some limitations of this study?

One limitation may include the need for specialized equipment and expertise in MRI guidance, which may not be readily available in all settings.

What outcomes can be measured with this approach?

This approach allows for the measurement of infusion distribution volume and real-time adjustments in infusion parameters, providing insights into drug delivery efficacy.

הפרוטוקול המוצג כאן מדגים סטריאוטקסיה למוח החזיר באמצעות עירויים משופרים בהסעה, עם הדרכה להדמיית דימות תהודה מגנטית בזמן אמת (MRI) והדמיית התפלגות עירוי בזמן אמת.

כאן אנו מרחיבים את היישום של סטריאוטקסיה מונחית MR למוח החזיר כדי לספק ולפקח על התפלגות של סוכן עירוי. גודלו של מוח החזירים מאפשר הדמיה והתערבויות נוירוכירורגיות שהן תרגומיות. אנו משתמשים במודל החזיר להזרקה סטריאוטקטית מונחית MR בחבילת MRI 3T.

אנו מדווחים באופן חזותי על יישום הפרוצדורה הסטריאוטקסית בחזירים ומתארים את ההתאמות של חבילת ה- MRI כך שתתאים לחזיר, מדמיינים את ההליך הן בווידאו והן בהדמיית MR בו זמנית כדי להעריך את התפלגות החדירה. מיצוב בעלי חיים. מקם נושא בטבלת ה- MRI כהכנה לסריקת ה- MRI.

הרימו את פלג הגוף העליון בעזרת מגבות ורפידות קצף. המטרה היא שהראש ייפול מעט כלפי מטה כשהצוואר מכופף והחוטם כמעט נוגע בשולחן. סיכות מחזיק הראש MRI היו מעוגנות על הזיגומה הדו-צדדית כדי לשמור על הראש מודבק לשולחן MR.

לאחר ההגדרה, טבלת ה-MRI מועברת לבור הסורק עד שראשו של הנבדק מגיע לקצה הבור. תכנון החדרה כירורגית עם הדרכה ויזואלית בסיוע MRI. הכינו את האזור בצורה סטרילית.

הניחו את רשת התכנון על הקרקפת של הנבדק על ידי הדבקת הצד הדביק של הרשת מעל ראשו של המטופל, שבמרכזו המיקום שבו יהיה חור הבור. בצע את סריקת ה- MRI כאשר הרשת מוגדרת במקומה. התאם את המסלול המוצע, כולל נקודות הכניסה והיעד הרצויות, על ידי גרירה ידנית של נקודות הכניסה והיעד הצפויות בתוכנה כדי להימנע מכלי דם ולמזער עבירות פילינג וסולקל.

לאחר זיהוי המסלול הרצוי על סמך העדפת המנתח, הפעל את תוכנת ההנחיה MR כדי למצוא את נקודת הכניסה ברשת. אבטחת המסגרת הסטריאוטקטית והתאמת היישור באופן איטרטיבי באמצעות הקרנת תוכנה. הרכיבו את המסגרת הסטריאוטקטית סביב קואורדינטות נקודת הכניסה הרצויות ברשת על ידי אבטחת הבסיס תחילה באמצעות שישה ברגים מעוגני עצם וארבעה ברגי היסט.

הצמידו את ששת הברגים המעוגנים לגולגולת דרך הקרקפת. ששת ברגי העיגון משמשים לייצוב המסגרת הסטריאוטקטית ולמניעת כל תזוזה במהלך הקידוח. אבטח את ארבעת ברגי הקיזוז הממוקמים בבסיס המגדל דרך העור, המעוגנים על הגולגולת.

הם פועלים ככוח נגדי להידוק ברגי העצם המרכזיים על ידי הרמת בסיס המסגרת אל הברגים המרכזיים וייצוב הבסיס. לאחר שבסיס המסגרת הסטריאוטקטי מאובטח, המשך בהרכבת המסגרות. בצע את סריקת ה-MP-RAGE MRI ברזולוציה גבוהה, המשוקללת ב-T1, אפשרות בתוכנת ה-MRI, כאשר המסגרת מוגדרת במקום כדי ללכוד את ה-fiducials של המסגרת ולאשר את המסלול.

אשר את מסלול החדרת הצינורית המוקרן הרצוי באמצעות התוכנה. בצע את התאמות המגרש, הגלגול וה- XY על ידי סיבוב גלגלי האגודל, כפי שמצוין על ידי פרמטרי כוונון הפלט בתוכנה. באמצעות תוכנת ההנחיה MR, מדוד את עובי הגולגולת של המסלול הרצוי ואת המרחק הכולל למוח.

קידוח והכנסת הצינורית לעירוי. יש להשתמש בקרצוף יוד לפני ביצוע החתך כדי למנוע זיהום. בצע חתך של שלושה סנטימטרים על הקרקפת באמצעות אזמל מתחת למסגרת הסטריאוטקטית.

הגדר את המסגרת להכנסת מקדחה על-ידי ביצוע ההתאמות לפני יצירת חור הגישה. הסר והחלף את צינור המדריך המרכזי בזה שמתאים למקדחה של 3.4 מילימטר לקידוח. ודא שעוזר נוכח כדי להחזיק את המסגרת במקומה בזמן שהמנתח קודח עם המקדחה הידנית כדי להוסיף יציבות נוספת למסגרת.

הגדר את המסגרת להכנסת המקדח השני כדי להרחיב את חור הבור ולמנוע התנגשויות בוני שעלולות לשנות את המסלול. הגדר את המקדחה עם מקדחה של 4.5 מילימטר. החלף את המדריך המרכזי לזה שמתאים למקדחה הגדולה יותר הזו.

צור חור בור של 4.5 מילימטר. חודרים את הדורה בסגנון חד. הכנס את צינורית העירוי המוכנה מראש, תואמת מסגרת.

אנא ודאו שלצינורית יש לחץ גב נייטרלי או חיובי עקבי כדי למנוע החדרת בועות אוויר. התוכנה מספקת עומק ספציפי למטרה המתוכננת. מדוד את העומק בצינורית העירוי הסטריאוטקטית התואמת למסגרת, והשתמש במעצור העומק הקשור לצינורית.

ניטור העירוי באמצעות סריקות MRI חוזרות ונשנות. התחל את העירוי של הסוכן הרצוי כמו עירוי משותף עם סוכן ניגוד מבוסס גדוליניום. בצע סריקת MRI במרווחי זמן קבועים כדי לפקח על עירוי ונפח ההפצה של סוכן צינורית מוכנס במוח, אשר ניתן להסיק עקב עירוי משותף של גדוליניום.

אזור היפר-אינטנסיבי סביב קצה הצינורית מציין את נוכחותו של חומר הניגוד המבוסס על גדוליניום. לאחר סיום העירוי, להפסיק את המשאבה. תנו לצינורית להישאר במוח במשך חמש דקות לאחר הפסקת העירוי לפני הסרת הצינורית.

מיקום החזיר בסורק ה-MRI מספק גישה אופטימלית למנתח לניתוח ופינוי למסגרת הסטריאוטקטית ולצינורית העירוי. ההדמיה מונחית ה-MRI מאפשרת תכנון מדויק והחדרה של צינורית למוח. המסגרת הסטריאוטקטית נסרקת בתוכנה, והיא מותאמת כדי להגיע ביעילות למיקום הרצוי.

סריקות MRI בין-ניתוחיות איטרטיביות לאחר עירוי הצינורית מראות כיצד העירוי מועבר לרקמת המוח. המסגרת הסטריאוטקטית מאפשרת עירוי מדויק ומבוקר למודלים של מוח חזיר. בעזרת פרוטוקול זה, קבענו כי פרמטרים כגון קצב העירוי או הדיוק של החדרת הצינורית ניתנים לשינוי בזמן אמת או מושהים כפי שמוכתב על ידי ההדמיה התוך-פרוצדורלית.

מערכת הדמיית MR בזמן אמת מאפשרת קביעה מדויקת של נפח ההפצה. חזירים, כמודלים של בעלי חיים גדולים לעירויים הנמצאים במעקב ב-MRI בזמן אמת, מציגים את האפשרות של מחקר של אספקת תרופות למוח עם אספקת תאים וסוכנים אחרים בעלי ערך תרגומי. ההדמיה מונחית MR מספקת הדרכה בזמן אמת לגישה למוח החזיר, החדרת צינוריות וניטור של חומר העירוי.

דווח כי תהליך הקידוח, עיוות הרקמות ו/או שיבוש דרכי החומר הלבן תורמים לקשיים ולהעברת סוכנים למוח. סריקות MRI איטרטיביות במהלך התכנון והחדרת צינורית מספקות את היכולת להתאמות קטנות.