Una cassetta degli attrezzi basata sulla risonanza testurtica per la pianificazione neurochirurgica in primati non umani

Questo protocollo è significativo per il campo dell'ingegneria neurale perché offre una procedura concisa e unimodale progettata per migliorare la precisione e la sicurezza della neurochirurgia nei primati non umani. Questa tecnica offre ai ricercatori la capacità unica di visualizzare ogni aspetto della loro procedura di impianto o iniezione e garantisce che possano entrare in una sala operatoria il più preparata possibile. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale perché evidenzia l'impatto e la chiarezza che i modelli fisici a grandezza naturale possono avere sulla pianificazione chirurgica.

Per estrarre il cervello nel software di risonanza magnetica, aprire il menu a discesa dei plugin e selezionare il cervello estratto. Impostare la soglia di intensità di estrazione su 2,5, 2,7 e il valore del gradiente di soglia su zero. Dopo aver creato una bitmap dell'immagine cerebrale, selezionare la superficie di compilazione sotto il menu immagine e immettere la soglia utilizzata per creare la bitmap contenente l'area di interesse.

Quindi fare clic su OK per creare la superficie. E salvare la regione cerebrale estratta di interesse come NII o NII. GZ.

Per generare un modello cerebrale, aprire il file cerebrale estratto nel software di elaborazione delle immagini mediche appropriato. E nel menu del modulo editor, selezionare l'effetto soglia, regolare i cursori dell'intervallo di soglia in modo che la parte della bitmap contenente il cervello sia evidenziata in tutte e tre le fette. Aprire il modulo creatore di modelli e nel menu a discesa volumi di input selezionare il file bitmap.

In Modelli selezionare Crea nuova gerarchia di modelli e fare clic su Applica per creare il volume. Quando la superficie cerebrale della mesh importata è stata importata, selezionare una grafica. E sopprimere eventuali funzionalità grafiche non necessarie fino a quando solo le funzionalità contenenti il cervello rimangono nel file.

Quindi, salvare i file nel formato PRT per ulteriori manipolazioni e come STL per la stampa 3D. Per lo stampaggio cerebrale, caricare il modello cerebrale estratto in un programma software di progettazione computerato appropriato. Nella sezione feature del menu inserisci selezionare converti in corpo mesh e corpo grafico del cervello per convertirlo, quindi aprire questa scheda di schizzo e fare clic su Schizzo per selezionare il piano superiore come piano di sketch.

Disegna un rettangolo intorno all'intero emisfero di interesse e seleziona la funzione di base del boss estruso per estrudere un rettangolo cubico contenente la parte superiore del cervello. Nella sezione Feature del menu inserisci (Insert), selezionate converti in corpo mesh e selezionate il cubo estruso nella cartella corpi solidi per convertirlo. Per creare lo spazio negativo, utilizzate la feature di combinazione e selezionate l'opzione sottrai per sottrarre il modello del cervello dal cubo appena estruso.

Per la modellazione del teschio, importare la risonanza rapida MPRAGE in un programma software di manipolazione delle matrici appropriato come file DICOM. E usa i comandi per combinare tutti i fotogrammi in un'unica matrice 3D, se necessario. Assicurate che ogni fotogramma 2D della matrice visualizza una sezione coronale e usate un operatore maggiore di per i singoli valori di pixel per sogliare la matrice 3D per creare una maschera binaria.

Quindi regolare la soglia in modo che l'anatomia del cranio sia catturata dalla maschera. Per rimuovere il livello di muscolatura, afferrare iterativamente una fetta 2D dalla maschera per elaborare ogni fotogramma dalla maschera 3D separatamente e utilizzare l'operatore tilde per invertire i valori della maschera. I valori del cranio saranno quelli.

L'esterno e il cervello avranno valori pari a zero. Aggiungere ulteriori voxel vuoti alla maschera 3D fino a quando la dimensione di risoluzione più bassa della maschera non è maggiore di un fattore definito dal fattore di scala. E interpolare linearmente i valori nella maschera fino a quando la maschera riempie il nuovo spazio.

Quindi, esportare il teschio come file STL o un tipo di file simile per la stampa 3D. Per creare una craniotomia nel modello del cranio 3D, aprire il file MRI e scansionare manualmente avanti e indietro attraverso la matrice 3D per identificare la posizione approssimativa della craniotomia usando punti di riferimento anatomici trovati nell'atlante cerebrale macaco. Per creare uno stampo di agarosio, versare la soluzione di agarosio in uno stampo cerebrale completo o mezzo emisfero e consentire alla soluzione di solidificarsi all'interno dello stampo per circa due ore.

Quando l'agarosio è impostato, utilizzare una spatola per rimuovere delicatamente il modello di gel dallo stampo, facendo attenzione, non danneggiare la superficie dello stampo. Per una finta infusione del modello di gel di agarosio, montare una pompa per siringhe su un braccio stereotassico su un telaio stereotassico e riempire una siringa da 250 microliter con l'acqua ionizzata. Caricare la siringa sulla pompa della siringa e riempire completamente la cannula di iniezione con l'acqua.

Utilizzare il driver della pompa per caricare il volume target di colorante alimentare nella siringa per iniezione. Ed espellere la colorazione del cibo fino a quando una piccola perla si forma sulla punta della cannula. Asciugare la perla dalla punta della cannula e posizionare il modello di gel sotto la cannula.

Abbassare la cannula fino a quando la punta tocca la superficie del modello di gel e notare le misure sul braccio stereotassico. Quindi abbassare uniformemente e rapidamente la cannula nel modello di gel alla profondità di iniezione del bersaglio. Assicurarsi che la superficie del gel si sia sigillata intorno alla cannula ed eseguire la pompa osservando la diffusione dello dao fino a quando il volume di destinazione non è stato consegnato.

Usando questo protocollo, è possibile creare un modello fisico anatomicamente accurato del cervello dei primati non umani. Allo stesso modo, può anche essere generato un modello fisico anatomicamente accurato del cranio del primate estratto dalle immagini di risonanza magnetica. I modelli fisici del cranio e del cervello possono essere combinati con una stretta vestibilità di interferenza, convalidando l'accuratezza dei due modelli l'uno rispetto all'altro e legittimando i dati di analisi della risonanza prima estrapolati.

L'inserimento di una craniotomia nel cranio prima della stampa, consente la combinazione di tutte le parti dell'interfaccia del campione per la valutazione della geometria di vari componenti in relazione al cranio e al cervello. Ad esempio, in questo esperimento, i piedi del palo della testa sono stati manipolati e montati sulla curvatura del cranio nel punto dell'impianto prima della procedura. Con conseguente riduzione del tempo chirurgico da circa 2,5 ore a un'ora dall'apertura all'impianto, riducendo notevolmente il rischio di complicanze operative.

I modelli cerebrali della miscela di agarosio possono essere iniettati con colorante giallo in un'area di interesse per stimare il volume dell'infusione proposta e combinare il modello di agarosio con un cranio stampato in 3D può essere utilizzato per modellare la chirurgia dell'iniezione vettoriale virale. Tenendo conto delle variazioni nell'anatomia del cranio e del cervello in diversi animali, il successo nel processo di estrazione richiederà regolazioni nelle fasi iterativi. Quindi questa cassetta degli attrezzi può essere usata per ridurre il rischio nella neurochirurgia dei primati non umani e le tecniche di fabbricazione possono migliorare il processo sperimentale all'avanguardia delle neuroscienze.