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方法論記事

非ヒト霊長類のための神経インプラント設計ツールボックス

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DOI:

10.3791/66167

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2024年2月9日

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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

この記事について

サマリー

この論文では、磁気共鳴画像法(MRI)スキャンに基づく非ヒト霊長類の脳神経外科計画の自動化プロセスについて概説します。これらの技術は、プログラミングおよび設計プラットフォームの手順ステップを使用して、NHP用にカスタマイズされたインプラント設計をサポートします。その後、3次元(3D)印刷された実物大の解剖学的モデルを使用して、各コンポーネントの有効性を確認できます。

要約

この論文では、霊長類(NHP)の脳神経外科計画用に調整された磁気共鳴画像法(MRI)から脳と頭蓋骨の3Dモデリングを行う社内手法について説明します。この自動化された計算ソフトウェアベースの技術は、イメージングソフトウェアを使用した従来の手動抽出技術とは対照的に、MRIファイルから脳と頭蓋骨の特徴を抽出する効率的な方法を提供します。さらに、この手術は、脳と開頭手術された頭蓋骨を一緒に視覚化する方法を提供し、直感的で仮想的な手術計画を実現します。これにより、反復的な3Dプリンティングに依存していた過去の作業で必要な時間とリソースが大幅に削減されます。頭蓋骨モデリングプロセスでは、フットプリントを作成し、それをモデリングソフトウェアにエクスポートして、外科的移植用のカスタムフィットの頭蓋腔とヘッドポストを設計します。カスタムフィットの外科用インプラントは、インプラントと頭蓋骨の間の隙間を最小限に抑え、感染や安定性の低下などの合併症を引き起こす可能性があります。これらの術前ステップを実施することにより、外科的および実験的合併症が軽減されます。これらの技術は、他の外科的プロセスにも適用することができ、研究者や脳神経外科医にとって、より効率的で効果的な実験計画を容易にします。

概要

ヒト以外の霊長類(NHP)は、進化的にも行動的にもヒトと類似しているため、トランスレーショナルメディカル研究にとって非常に貴重なモデルです。NHPは、その脳が神経機能と機能障害の関連性の高いモデルであるため、神経工学の前臨床試験で特に重要性を増しています1,2,3,4,5,6,7,8.オプトジェネティクス、カルシウムイメージングなど、いくつかの強力な脳刺激および記録技術は、頭蓋窓から脳に直接アクセスすることが最適です9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23.NHPでは、脳を保護し、長期的な実験をサポートするために、チャンバーと人工硬膜で頭蓋窓が達成されることがよくあります8,10,12,17,18,24,25,26,27.同様に、ヘッドポストは、実験中にヘッドを安定させ、整列させるためにチャンバーに付随することがよくあります14,15,25,26,28,29,30.これらの成分の有効性は、それらが頭蓋骨にどれだけうまくフィットするかに大きく依存します。頭蓋骨に近づくことで、感染、骨壊死、インプラントの不安定性の可能性を減らすことで、骨の統合と頭蓋の健康が促進されます31.手術中にヘッドポストを手作業で曲げるなどの従来の設計方法25,29 磁気共鳴(MR)スキャンの冠状および矢状スライスに円を当てはめることにより、頭蓋骨の曲率を推定します9,12 不正確さのために合併症を引き起こす可能性があります。これらの中で最も精密なものでも、インプラントと頭蓋骨の間に1〜2mmの隙間ができ、肉芽組織が蓄積するスペースを提供します29.これらのギャップは、手術でネジを配置するのをさらに困難にします9、インプラントの安定性を損なう。最近では、オッセオインテグレーションとインプラントの寿命を改善するために、カスタマイズされたインプラントが開発されています9,29,30,32.計算モデルへの依存により、カスタムインプラント設計の進歩に伴い、追加コストがかかっています。最も正確な方法には、MRI装置に加えて、コンピューター断層撮影装置(CT)などの高度な機器が必要です30,32,33 また、インプラントのプロトタイプを開発するためのコンピューター数値制御(CNC)フライス盤もあります25,29,32,34.MRIとCTの両方へのアクセスを得ることは、特にNHPで使用するために、頭蓋室やヘッドポストなどのカスタムフィットのインプラントを必要とするラボでは実現不可能な場合があります。

その結果、使用前のインプラントの設計と検証を容易にする、安価で正確で非侵襲的な脳神経外科および実験計画の技術が地域社会で必要とされています。この論文では、MRデータから脳と頭蓋骨の仮想3D表現を生成して、開頭術の位置計画と、頭蓋骨にフィットするカスタムの頭蓋室とヘッドポストの設計を行う方法について説明します。この合理化された手順は、実験結果と研究動物の福祉に役立つ標準化されたデザインを提供します。MRIでは骨と軟部組織の両方が描かれるため、このモデリングにはMRIのみが必要です。CNCフライス盤を使用する代わりに、複数の反復が必要な場合でも、モデルを安価に3Dプリントできます。これにより、最終デザインをチタンなどの生体適合性金属で3Dプリントして移植することもできます。さらに、移植時に頭蓋腔内に留置される人工硬膜の製作についても説明します。これらの部品は、頭蓋骨と脳の実物大の3Dプリントモデルにすべての部品をはめ込むことで、手術前に検証することができます。

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プロトコル

動物に関するすべての処置は、ワシントン大学の動物ケアおよび使用委員会によって承認されました。この研究では、合計4匹の成体のオスのアカゲザル(Macaca mulatta)を使用しました。MRI取得時、サルHは7歳、サルLは6歳、サルCは8.5歳、サルBは5.5歳であった。サルHとLは、9歳でカスタムの慢性チャンバーを移植されました。

1.頭蓋骨と脳の分離(図1)

  1. 3T MRI装置を使用して、頭蓋骨と脳のT1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo(MPRAGE)ファイルを取得します。MRI取得35には、フリップ角度 = 8°、繰り返し時間/エコー時間 = 7.5/3.69秒、マトリックスサイズ = 432 x 432 x 80、取得時間 = 103.7秒、マルチコイル、スライス厚さ = 1 mm、平均回数 = 1 を使用します。
  2. supplemental_code (Supplemental Coding File 1) というラベルの付いたフォルダーをダウンロードします。このフォルダーには 、brain_extract.m、brain_extraction.m、make_stl_of_array.m36、stl_write.m37 のファイルが含まれている必要があります。
  3. MRI ファイルを supplemental_code フォルダーに追加します。計算ソフトウェアで、ファイルパスとして supplemental_code フォルダを選択し、 brain_extract.mを実行します。
  4. 以下のステップは、以前の抽出技術35から集約されたMATLAB(図1)を使用した頭蓋骨と脳の分離の半自動法の概要を示す。コマンドウィンドウには、脳と頭蓋骨の分離と開頭術の視覚化に必要なパラメータの入力が求められます。各応答がコマンド ウィンドウに入力されたら、Enter キーを押します。
    1. コマンド ウィンドウでは、最初に MPRAGE ファイルの名前の入力を求められます。ファイル名(例:MRIFile.dcm)を入力し、MRIが正しく表示されることを確認します(図1A)。
    2. 頭蓋骨を分離するには(図1B-D)、コマンドウィンドウに概説されている詳細な手順に従います。頭蓋骨物質を除去することなく、頭蓋骨を周囲の組織から分離する適切な閾値を特定します(補足図1A)。(y)を押して閾値を確認します。
    3. 同様の手法を用いて脳を分離します(図1E-G)。コマンド ウィンドウでプロンプトが表示されたら、頭脳のしきい値を入力します。ポップアップ表示される数値を評価し、必要に応じてしきい値を調整します。脳が頭蓋骨および周囲の組織から分離され、その過程で脳組織が除去されていないことを確認してください。(y)を押して閾値を確認します。
    4. 目的のセクションに進みます。

2.開頭手術の場所計画(図2)

  1. 脳と頭蓋骨を抜歯したら、開頭手術の座標を入力します。座標がわからない場合は、(n)で「いいえ」と表記すると、図が表示されます(補足図1B)。開頭座標を決定するには、Zフレーム(冠状平面)を選択し、選択したZフレーム上の点を選択して開頭中心にします。
    1. 座標がわかっている場合は、それぞれの x (矢状)、 y (軸)、 z (冠状)の値で示します。
  2. 開頭半径をミリメートル単位(例:10 mm)で入力し、外側の半径を選択しません。
  3. 頭蓋骨と脳の画像に縮尺記号が必要かどうかを指定します。縮尺記号は、モデルの寸法が正しいことを確認するのに役立ちます。
  4. 必要に応じて、脳と頭蓋骨のファイルをSTLとして保存し、3Dプリントします(図1D、G)。
  5. 次に、脳と頭蓋切開された頭蓋骨を持つフィギュアが表示されます。これは、標的の脳領域へのアクセスを検証するために使用できます。脳は青色で、頭蓋骨は薄い灰色で表されています(図2B、E)。
  6. (n) を選択して SLT サイズ縮小を完了すると、これは今後の手順で使用される機能です (下記参照)。
  7. 開頭術の反復ごとにセクション1と2を繰り返します。

3.頭蓋室の設計(図3)

  1. チャンバーの設計を開始する前に、開頭位置計画手順を使用して、開頭術の位置と開頭橈骨の位置を確認します。
  2. 頭蓋骨と脳の分離が完了した後、次のステップは、開頭術の中心の最終的な座標を入力することです。 x (矢状)、 y (軸)、 z (冠状)の値を入力します。
  3. 次に、コマンドウィンドウに、チャンバー設計に使用する頭蓋骨の領域を決定する内側半径と外側半径を入力するよう求められます。実際の開頭半径よりも小さい内径(例:開頭半径10.0 mmの場合は5 mm)を選択し、チャンバースカートの計画半径よりも大きい2番目の外側半径(例:半径22 mmのチャンバースカートの場合は26 mm)を選択します。これにより、リング状の頭蓋骨構造が、その上に構築されるチャンバーの基礎として提供されます。
    注:開頭半径10mmのチャンバーを設計するために、内径5mmを選択しました。これにより、頭蓋骨の表現をデザインソフトウェアにエクスポートしたときに開頭中心を簡単に識別できるほど小さな円を維持しながら、開頭術の端で頭蓋骨を正確に表現できます。半径22mmのチャンバーに対して26mmの外径を抽出し、余分な頭蓋骨領域を確保しました。チャンバーの寸法は、実験の必要性によって確立された制約に基づいて開発されました。このステップで使用される半径は、開頭手術のサイズとチャンバースカートのサイズによって決定され、これはスクリューのサイズと頭蓋骨の使用可能なスペースに依存します。
  4. 頭蓋骨と脳の画像に縮尺記号が必要かどうかを示します。
  5. 必要に応じて、脳と頭蓋骨のファイルを保存します。
  6. 選択した脳(青色)と頭蓋骨領域(灰色)の図がポップアップ表示されます(図3A)。次に、コンピューター支援設計(CAD)ソフトウェアでファイルを簡単に処理できるように、選択した頭蓋骨領域にSTLサイズの縮小を適用する必要があります。
  7. (y)を選択して、STLサイズの縮小を開始します。サイズを小さくすると、ファイルサイズが縮小されたSTLファイルが作成され、カスタムハードウェア設計のためにCADソフトウェアに簡単にインポートできます。
  8. 脳と頭蓋骨を重ねた図(図3A)を使用して、マウスを使用して、ファイル縮小に使用する頭蓋骨表面上のポイントを選択します。Shift キーを押したままにすると、複数のポイントを配置できます。
    1. 関心領域(この場合は選択した頭蓋骨領域)をカバーするようにポイントを配置します。頭蓋骨をより正確かつ正確に表現するために、ポイントをできるだけ近づけて配置します(補足図2)。一部のユーザーは、最終製品に関心のあるすべてのポイントを選択する前に、練習として~20のクリティカルポイントを選択し、残りのチャンバー設計を完了することを好む場合があります。
    2. ポイントを選択するときは、選択した領域にできるだけ多くのポイントを配置するのが最善です。一般に、~200 点は頭蓋骨の曲率をよく表します。選択した領域のエッジの周囲にさらに多くの点を配置して、脳と頭蓋骨の境界を強調します。
      注: 領域全体にポイントを配置し終える前に[Enter]ボタンをクリックすると、コードの進行が早まり、ポイント選択プロセスを繰り返す必要があるため、クリックしないでください。
  9. 選択した頭蓋骨に点を配置し終えたら、[ Enter ]を押します。縮小したファイル名をコマンドウィンドウに入力します。
  10. ファイルをCADソフトウェアにインポートして、カスタムチャンバーを設計します。まず、CADソフトウェアを開きます。
  11. [ファイル] > [開く] をクリックし、ディレクトリから STL リダクションのファイル名を選択します。
    1. [開く]をクリックする前に、[オプション]ボタンをクリックし、[名前を付けてインポート]メニューで[サーフェス ボディ]をクリックします。「OK」をクリックし、「開く」をクリックします。
  12. STLがインポートされたら、青い線で示された表面上の小さな穴を確認します。チャンバーが覆う頭蓋骨の領域に穴がある場合(補足図3)、ステップ6.19.1で穴の固定手順(セクション3.19.1)を完了します。
  13. チャンバーの頭蓋骨表面をCADソフトウェアで図 3Bのように表示します。選択した領域のエッジが頭蓋骨の表現に表示されていることを確認します。
  14. インポートされたサーフェスの中心にある内側の円の輪郭を見つけて、開頭術の中心を見つけます。「参照ジオメトリ>平面>挿入」(Insert Reference Geometry Plane)をクリックして、内側の円に整列する平面を作成します。内側の円の円周に沿って均等に分布した 3 つの点を平面の参照点として使用します。
  15. [ スケッチ ]タブの円アイコンをクリックして、内側の円に対応する円を作成します。前の手順の平面を参照平面として選択し、円のプレビューで内側の円の輪郭が正確に表現されるまで、エッジに沿った点を特定します。内側の円に最も適したポイントを見つけるために、いくつかの異なるポイントの組み合わせをテストする必要がある場合があります。
  16. 円を参照として、「参照ジオメトリを 挿入」(Insert > Reference Geometry > Point ) をクリックし、「 円弧の中心」(Arc Center ) オプションを使用して、円の中心に点を作成します。この点は開頭術の中心を表します。
  17. 今後の押し出しの参照面として、最初の平面に平行な 2 番目の平面を作成し、10 mm オフセットします。オフセットの方向を選択するときは、矢印がオブジェクトから上を向いていることを確認してください。
  18. チャンバーの内輪の作成(図3C)
    1. 「 参照ジオメトリ>軸に挿入」(Insert > Reference Geometry Axis) をクリックし、「 点」(Point) オプションと「面/平面」(Face/Plane ) オプションをハイライト表示し、開頭面の上面と中心点を参照として使用して、開頭面と上面の両方を垂直に延長する軸を作成します。この軸と上面の交点に別の点を作成します。
    2. 押し出しボス /ベース(Extrude Boss/Base )を選択し、押し出すサーフェスとして上面を選択します。上面の点を中心点とする 2 つの同心円(半径 11.35 mm と 12.25 mm など)を作成して、内輪断面のスケッチを作成します。方向メニューの「 サーフェス指定」(Up to Surface ) を選択し、インポートしたサーフェスを押し出すサーフェスとして指定します。
    3. 「サーフェスを挿入」(Insert > Surface) >「移動/コピー」(Move/Copy) を選択してインポートしたサーフェスをコピーし、コピーしたサーフェスを内側のリングとスカートの高さ (3.5 mm など) まで持ち上げます。「移動/コピー」(Move/Copy) メニューの「移動」(Translate) オプションを使用して、両方の平面に垂直な軸に沿ってサーフェスを移動します。
    4. 上面からコピーしたサーフェスへの円形押し出しカットを実行します。まず、「 押し出しカット」(Extruded Cut ) をクリックし、押し出しカットの開始点として内輪の上面サーフェスを選択します。コピーしたサーフェスを端点として選択して、押し出しを完了します。
    5. インポートした元のサーフェスを、フィーチャーの挿入(Insert > Features > Delete/Keep Body)ツールを使用して削除します。[表示]タブの[非表示/表示]ツールを使用すると、コピーしたサーフェスを非表示にして、内側のリングを表示し、その設計を検証できます。
  19. チャンバースカートの作成(図3D)
    1. 2番目のコピーサーフェスのオフセットを、チャンバースカートの厚さ(例:-1.5 mm)だけ既存のサーフェスよりも低くします。 移動(Translate) メニューで、参照点として平面に垂直な軸とオフセット値を選択して、最初のサーフェスの下に新しいサーフェスを作成します。
      注: オフセット方向の既定の方向によっては、正しい方向に進むためにオフセット値を負に設定する必要がある場合があります。
      1. チャンバーが覆う領域に穴がある場合は、セクション6(穴の固定)で概説されている手順に従ってから、チャンバー設計手順の残りの部分に進みます。
    2. チャンバーの形状で上面から下面への押し出しを行います。まず、 押し出しボス/ベース(Extrude Boss/Base )を選択し、押し出し平面として上面を選択します。
      1. 手順6.2に従って、固定穴手順から既存の押し出しを処理します。
    3. チャンバースカートの形状をこの平面にスケッチします。チャンバーの内側の円を内側のリングの小さい半径と同じサイズの円(例:11.35 mm)にし、上面上の点を中心にし、円弧と線の組み合わせを使用してチャンバースカートの外側の境界を作り、スカート面積を最大にします。2 つのサーフェスの下部に押し出します。
      注: 押し出しでエラーが発生した場合は、スケッチがサーフェスよりも広くなっている可能性があります。この場合、外側のスカート境界のサイズを小さくします。
    4. 上面から、チャンバー外形の形状で 2 つのコピー面の上面に押し出します。
      1. 穴の固定手順で残った押し出しの詳細については、手順6.2を参照してください。
    5. チャンバースカートと内側のリングを表示するには、インポートしたサーフェスの残りのコピーを両方とも削除します。結果のオブジェクトは 、図 3D のようになります。
    6. STLリダクションを行ってインポートするプロセス中に、頭蓋骨のモデルがミラーリングされます。これを補うには、出来上がったスカートを鏡面化する必要があります。 [機能 ]メニューで[ ミラー ]をクリックし、スカートを上面全体にミラーします。元のスカートを削除するには、 Delete/Keep Body 機能を使用します。
  20. チャンバートップとスカートの組み合わせ(図 3E)
    1. チャンバースカートの設計に使用したソフトウェアでチャンバートップSTLファイルを開きます。次に、「 部品を挿入」(Insert > Part) をクリックし、メニューでカスタムスカートを選択し、画面上の任意の場所をクリックして部品をインポートして、チャンバースカートを部品として挿入します。
    2. チャンバーの上部とスカートを位置合わせするには、「 >フィーチャーを挿入」(Insert Features) >「移動/コピー」(Move/Copy) をクリックします。チャンバースカートを選択し、メニューの下部にある [拘束 ]ボタンをクリックします。スカートの内輪とチャンバートップの内面を同心円状の合致としてハイライトします(補足図4A)。
      1. スカートの上部がチャンバー上部の下部と位置合わせされていることを確認し、必要に応じて合致の位置合わせ方向を切り替えます。
    3. [移動/コピー]を使用して、スカートをチャンバー上部の真下に移動します。これには、チャンバーの上部がチャンバースカートの下に伸びてスカートを妨げないように、正しい距離を見つけるために複数回の反復が必要になります(補足図4Bおよび補足図5)。
    4. チャンバーの上部を回転させて、タブ間の隙間を揃えて、一方が脳の正中線に垂直になり、もう一方が平行になるようにします。 回転 ツールと、オブジェクトの中心にある既存の軸を回転軸として使用します。チャンバートップとスカートが互いに正しい向きになるまで、回転角度を調整します。
    5. チャンバー上部の底部からスカートに向かって真下に押し出すことで、オブジェクトをつなぎます。 押し出しボス/ベース(Extrude Boss/Base)を使用し、チャンバー上部の底面サーフェスを選択し、中心軸を中心点として、このリングと同じ内径と外径でこのサーフェス上にスケッチを作成します。押し出し方向として[ ボディまで ]を選択し、チャンバースカートを指定します。
    6. タブを保持しているチャンバー上部の表面から 押し出しカット を実行します。そのサーフェスを押し出し平面として選択した後、内側のリングと同じ内径の円をスケッチします。 スケッチを終了 し、チャンバースカートの底部(例:10 mm)を超えるブラインド押し出しカットを実行します。
    7. チャンバースカートの周囲に等間隔で12個のネジ穴を追加します。ネジ穴は、等間隔で配置しますが、手術中にアクセスできるように十分な間隔を空けて配置しますが、チャンバーの設置面積が不必要に大きくならないように十分に近づけます。
    8. 穴ウィザード(Hole Wizard)ツールを使用して、ねじ穴を配置します。「穴仕様 - タイプ」(Hole Specification - Type) メニューでパラメータを選択します。パラメータは、外科的移植中に使用されるネジに合わせる必要があります(例:標準:ANSIメートル法、タイプ:皿頭ねじ-ANSI B18.6.7M、サイズ:M2、はめあい:緩い、最小直径:3.20 mm、最大直径:4.00 mm、皿穴角度:90度、端面状態:すべて貫通)。
    9. [ 位置 ]タブをクリックして、穴の配置を開始します。穴を配置するには、チャンバー上の平面にカーソルを合わせて右クリックします。12個のネジ穴をすべて配置し、均等に配置され、アクセス可能であることを確認します。
    10. ネジ穴を配置した後、ネジ穴の内側に障害物が残っている場合は(補足図6A)、穴を配置する別の平面を選択するか、次の手順を使用して穴を上向きに押し出しカットします。
      1. 残りの平面に平行な平面を作成し、平面が障害物の真下になるように 0.00001 mm オフセットして、上向きに押し出しカットを開始します。
      2. 最後のステップで作成した平面を参照として押し出しカットを実行します。円弧と線分を組み合わせて、削除する必要がある領域の形状をスケッチします。スケッチに、ねじ穴の外側の半径の内側にある平面の任意の部分が含まれていることを確認します(補足図 6B)。1mm上向きにカットを押し出します。
    11. ネジ穴を配置した後、スカートをトリミングして鋭いエッジを減らし、不要なスカート領域を最小限に抑えます。チャンバーの上面からチャンバースカート(例:30 mm)まで押し 出しカット を実行します。粗いエッジを滑らかにし、外側のスカート部分をトリミングする形状に押し出しを作成します。
      1. すべての鋭いエッジと余分なスカートを取り除くために、追加のカスタムカットが必要になる場合があります。チャンバーの上面を参照面として使用してスカートの領域をカットできない場合は、角度付き平面を作成し、この平面を使用して追加の押し出しカットを作成します。
    12. 最終的なチャンバー設計の図 については、図3F を参照してください。このデザインは、必要に応じて3Dプリントして、モデルの脳と頭蓋切開された頭蓋骨に配置することができます(図3G)。

4. ヘッドポストの設計(図4)

  1. ヘッドポストの設計には、最終的な開頭術の中心位置とチャンバーの最大スカート面積が必要になることに注意してください。
  2. 既知の開頭座標(x、y、z値)をコマンドウィンドウに入力します。
  3. ヘッドポストの設計では、チャンバーを囲む頭蓋骨の領域を表すために必要な半径は 1 つだけです。このステップでは、前のセクションで設計したチャンバーの最大半径(例:25 mm)を入力します。次に、外側半径が不要であることを示します。
  4. コマンド ウィンドウを使用して、ディメンションの確認に縮尺記号が必要かどうかを示します。
  5. 前のセクションと同様に、3Dプリントに必要な場合は、脳と頭蓋骨のSTLファイルを保存します。
    次に表示される図は、ヘッドポストフットプリントを作成するためのチャンバーを囲む頭蓋骨の領域を示しています。STLサイズ縮小を使用してこの領域を抽出し、設計ソフトウェアにインポートします。
  6. (y)を選択すると、STLサイズを縮小することを示します。脳(青)と頭蓋骨(灰色)が重なっている図形上の点を選択します。ポイントができるだけ近く選択され、灰色の頭蓋骨領域全体に均等に分散されていることを確認します(補足図7A)。ポイント選択プロセスの詳細については、手順 3.8 を参照してください。
  7. ポイント選択の完了後に Enter キーを押して、ヘッドポストが配置される灰色の頭蓋骨領域を覆います。ダウンロードした縮小ファイルのファイル名をコマンドウィンドウに指定します。
  8. 削減したファイルをCADソフトウェアにインポートして、カスタムヘッドポストフットプリントを設計します。ファイルが サーフェス ボディとしてインポートされていることを確認します。
  9. ファイルをインポートした後、青い線で示されたサーフェスに穴がないか確認します。ヘッドポストが覆う一般的な領域に穴がある場合は、手順6で穴の固定手順(セクション4.11)を完了する必要があります。
  10. ヘッドポスト設計の最初のステップは、ヘッドポストの上部と下部を組み合わせたときに、ヘッドポストの上部が頭蓋骨に対して垂直になるように、軸平面と一直線に並ぶ表面上の平面を見つけることです(補足図7B、C)。頭蓋骨の表面に軸平面と直接整列する平面が見つからない場合は、表面上の既存の平面を使用して新しい平面を作成し、それを回転させて適切に位置合わせします。仮想の頭蓋骨表現との比較に使用できる物理的な3D頭蓋骨モデルがあると便利です。
    1. このステップは、頭蓋骨に直接垂直なヘッドポストトップを作成するために、何度か変更する必要がある場合があります。ヘッドポストのフットプリントに対するヘッドポスト上部の角度を変更するには、このステップで使用する平面を修正します。軸平面に平行な平面を見つけるために、いくつかの平面をテストする必要がある場合があります。
  11. 前の手順で見つけた平面または作成した平面を使用して、ヘッドポスト上部の向きの基準となるサーフェスから 3 mm 上に平行な平面を作成します。
    1. セクション6で概説されている固定穴の手順を完了し、ヘッドポスト領域に隙間が生じます。
  12. ヘッドポストボトム(図4C)
    1. ボス/ベースを押し出し(Extrude Boss/Base)をクリックし、新しい平面を選択して、円弧と線分の組み合わせを使用してヘッドポストフットプリントのスケッチを作成します。ヘッドポストの脚の長さを同じにし、それらの間の角度を一致させます(図4Aの例を参照)。円弧を使用してヘッドポストの脚を接続し、フットプリントの周りのエッジを滑らかにし、スケッチをインポートされたサーフェスに押し出します。
      注意: ヘッドポストの脚の数は、チャンバーの周囲の利用可能なスペースによって異なります。ただし、ヘッドポストには、適切な機械的安定性を確保するために、最低3本の脚が必要です。
      1. 固定穴手順から既存の押し出しの周囲を描画する方法については、手順6.2を参照してください。
    2. この時点で、ヘッドポストの底面は、表面が頭蓋骨の曲率と一致していることを確認するために使用できます。フィット感を確認するために3Dプリントが必要な場合は、次の4つの手順を実行します。
      1. インポートしたサーフェス ボディを削除します。手順4.10で作成した平面全体にフットプリントをミラーリングします。 Mirror メニューで、 Merge Solids ボックスがオフになっていることを確認します。
      2. フットプリントが頭蓋骨の曲率と一致することを確認するには、[ ボディの削除/保持 ]を使用して元のフットプリントを削除し、ミラー バージョンのみを残します。
      3. オブジェクトをSTLとして3Dプリントし、3D頭蓋骨モデルに配置して、頭蓋骨の曲率と一致するかどうかを物理的にテストします。
      4. ヘッドポストのデザインを続行するには、ツールバーの上部にある[ 元に戻す ]矢印を使用して、前の 2 つの手順(ミラーリングと削除)を元に戻します。これにより、元のフットプリントとサーフェス ボディが復元されます。
    3. フットプリント上の平坦なサーフェスの中心に点を作成します。この点と上側の参照平面を使用して軸を作成します。
    4. [ 移動/コピー ]ツールをクリックし、ヘッドポストの底面の厚さ(例:1.35 mm)まで上げたインポートされたサーフェスのコピーを作成します。このステップで作成した軸を並進参照として使用し、元のサーフェスが変更されないように[ コピー] ボックスがオンになっていることを確認します。
    5. ヘッドポストフットプリントの平坦なサーフェスからコピーされた(隆起した)サーフェスへの押し出しカットを実行します。元のサーフェスとそのコピーを削除します。その結果の部品を 図4Bに示します。
      1. 手順6.3に従って、固定穴手順の既存の押し出しを使用します。
    6. 参照面に平行な新しい平面を作成しますが、ヘッドポストの下部から少なくとも 1 mm 上にホバリングするように上向きまたは下向きに移動します。平行移動の長さを決定するには、[評価]タブの[測定]ツールを使用します。新しい平面からヘッドポストの下部まで円形に押し出して、ヘッドポスト上部のベースが配置されるプラットフォームを作成し、プラットフォームが頭蓋骨の正中線を中心に配置されるようにします。
    7. [フィーチャ]メニューの[フィレット]ツールを使用して、押し出しとヘッドポストフットプリントの交差を滑らかにします。[非対称] パラメーターを使用してさまざまな半径値をテストし、可能な限り大きな半径値を選択します。
    8. この時点で、現在のバージョンを3Dプリントし、頭蓋骨モデルに対してテストすることで、ヘッドポストトッププラットフォームの配置を確認します。
    9. チャンバーのネジ穴に使用したのと同じ方法を使用して、ヘッドポストの底に沿ってネジ穴を配置します(手順3.20.7)。各ヘッドポストレッグに少なくとも3つのネジ穴を追加します。各ネジ穴の中心点が次の穴の中心から少なくとも5mm離れており、各穴の端が脚の端から少なくとも2.5mm離れていることを確認してください。
      1. 頭蓋骨の下や正中線付近を走る血管を避けるために、ネジ穴が正中線を横切らないことを確認し、必要に応じてずらします。製品は 図4Cのデザインのようになります。
    10. ミラー(Mirror)ツールを使用してパーツをミラーし、頭蓋骨サーフェスのインポート中に発生するミラーリングを補正します。円形のベースの上部をミラー平面として使用します。
    11. 「ボディを削除/保持」(Delete/Keep Body) 機能を使用して元の部品を削除し、ミラーバージョンのみが残るようにします。
  13. ヘッドポストの上部と下部の組み合わせ(図4D)
    1. ヘッドポストトップを「挿入」(Insert) メニューから「部品」(Part) としてインポートします。メニューで部品がハイライトされたら、画面上の任意の場所をクリックして部品を追加します。
    2. 移動/コピー機能を使用して、ヘッドポストの上下を揃えます。まず、ヘッドポストの上部を移動するボディ(Body to Move)として指定します。次に、拘束(Constraints)メニューで次の 3 つの合致を作成します。
      1. 円形のヘッドポストプラットフォームの上面とヘッドポストトップの底面が一致して嵌合していることを確認します。
      2. 最後の合致ペアのサーフェスの輪郭を描いたエッジが同心円状に合致していることを確認します。
      3. ヘッドポストの後ろ脚に沿って垂直に伸びる線と、ヘッドポスト上部の背面(平らな面)に沿って垂直に水平に走る線を合致します。天板の湾曲した面が前方(前方)を向いており、平らな面がヘッドポストの後ろ脚に近い方(後方)を向いていることを確認してください。
      4. 各接続が正しい方向にあることを確認し、必要に応じてメニューで嵌合方向を切り替えます(合致の例については、 補足図 8 を参照してください)。
        注意: カスタムヘッドポストの下部と上部を組み合わせる手順では、CADソフトウェアを使用して設計された一般的なヘッドポスト上部を使用します。ここでは、上部がクリストインストゥルメントのヘッドポストに基づいて設計されています。上記で概説した嵌合手順は、これらの部品に固有であり、異なる嵌合部品を使用する場合は調整が必要な場合があります。
    3. ヘッドポストの上部と下部が組み合わさった状態が 図4Dのようになることを確認します。
      1. ヘッドポスト上部が正しく位置合わせされていない場合は、手順4.11で使用する参照面を修正します。

5. 人工硬膜作製 11 (図5)

  1. 人工硬膜型を入手します(図5B)。
  2. シリコーンKE1300-TとCAT-1300を10:1の比率で混合して、人工硬膜シリコーン混合物を作成します。
  3. 1 mLの混合物を金型中央のシリンダーの上面に注ぎます。
  4. 気泡を防ぐため、金型を真空チャンバーに約15分間入れます。
  5. シリンダーの両側にある支柱を使用して、金型の2番目の層を追加し、ピースの位置合わせをガイドします。
  6. 3〜4 mLのシリコーン混合物を型に注ぎ、透明なアクリル片を型の上部に置きます(図5A)。Cクランプを使用して金型をクランプします。
  7. 光学窓に気泡がないか確認し、必要に応じて真空チャンバーで気泡を取り除きます。
  8. 得られた構造物を室温で一晩硬化させます。残った気泡は、硬化前に金型をクランプするときに発生する圧力によって除去されます。
  9. 硬化後、各成形部品を取り外し、シリコン硬膜を慎重に取り外して分解します。

6.穴の固定手順

  1. 頭蓋骨の表現に穴が見つかった場合は、穴の固定手順を実行します(CADソフトウェアでは青い線で示されています)。下側のサーフェス(押し出しを終了するサーフェス)を作成した後、次の手順を実行します。チャンバーの場合、これはステップ3.19に従います。ヘッドポストについては、手順 4.12 の完了後にこの手順を開始します。
    1. 下面以外の面や押し出しを非表示にして、下面を個別に視覚化できるようにします。
    2. 「サーフェス>挿入」(Insert Surface) > 平面(Planar)を使用して、ギャップに接触するすべての面と、該当する場合はギャップ上に平面サーフェスを作成します。サーフェスを指定するには、すべてのエッジを境界エンティティとして選択します。
    3. ギャップの角や線のエッジなど、各ギャップが囲まれるまで平面を作成します。
    4. 「サーフェス>挿入」(Insert Surface > Knit) をクリックし、ギャップを囲むすべての平面サーフェスを選択します。ニット面のビジュアルについては、補足図9Aを参照してください。
    5. 編み物サーフェスのエッジに沿った各点に参照軸を作成するには、参照タイプとして 「点」(Point) と「面/平面」(Face/Plane ) を選択し、サーフェスのエッジと上面の点を選択します。編み物の表面の端にあるすべてのポイントについて繰り返します(補足図9B)。
    6. 編み物面と上側の参照面を中心とする各軸の交点に点を作成します。参照タイプとして [交差 ]を選択し、1 つの軸と上面を選択します。各軸に対応するポイントが作成されていることを確認します。
    7. 前の手順で作成した各参照点を接続するスケッチを作成します。方向として「 サーフェスまで」(Up to Surface ) を選択し、押し出し先のサーフェスとしてニットサーフェスを選択します。
    8. チャンバーまたはヘッドポストが覆う領域のすべてのギャップについて、手順6.1.2〜6.1.7を繰り返します(固定穴手順の最終結果については、 補足図9C を参照してください)。
  2. 上側の参照面から下面への押し出し(ステップ3.19.2またはステップ4.12.1)を実行する場合は、チャンバー/ヘッドポストの輪郭が既存の押し出しの周囲に描かれていることを確認します。
  3. 同様に、上面から上面への押し出しカットを実行する場合(ステップ3.19.4またはステップ4.12.5)、固定穴手順(補足図10A)の結果として生じた押し出しとは別にメイン押し出しカットを実行します。
    1. 固定穴から押し出しカットを実行するには、既存の押し出しの最上面を、チャンバーまたはヘッドポストに滑らかな上面を提供する隆起面上の平面に押し出します(補足図10B)。押し出しカットによって剛体サーフェスが作成される場合は、別の平面を使用するか、後続の押し出しを実行します。

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結果

これらのコンポーネントは、MRIによる可視化と3Dプリントされた解剖学的モデルを組み合わせて検証されました。自動開頭術の視覚化を、3Dプリントされた開頭術および開頭部位のMRIと比較すると、仮想開頭術の表現が、指定された開頭部位でアクセスできる脳の領域を正確に反映していることが明らかになります(図2A-F)。さらに、自動開頭術の視覚化の精度は、仮想表現を移植手術からの既存の開頭術と比較することによってさらに評価されました(図2E、G)。3Dプリントされたモデル、自動視覚化、MRI、および実際の開頭術は、同じ領域を強調し、同じ場所にある主要な溝を比例した一貫性で示しています。脳と頭蓋骨の分離とその後の開頭術の視覚化のプロセスは、完了するまでに15分未満で完了し、1時間以内に複数の場所をテストできます。

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ディスカッション

この論文は、NHP頭蓋窓移植に使用されるコンポーネントの開発に有益であるだけでなく、NHP神経科学研究の他の分野にも転用可能な脳神経外科計画の簡単で正確な方法を概説します13,15,25。NHPインプラントの計画と設計の他の現在の方法と比較して25,29,30、この手順は、シンプルで経済的であるため、より多くの神経科学ラボで採用される可能性があります。CTは頭蓋骨のモデリングに一般的に使用されますが32,38、このプロトコルは、MRIスキャンのみを使用して、脳と頭蓋骨の両方に十分なモデリングの詳細を提供します。既存の方法では、脳と頭蓋骨の分離のためにM...

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開示事項

開示するものはありません。

謝辞

Toni Haun氏、Keith Vogel氏、Shawn Fisher氏の技術的な支援とサポートに感謝します。この研究は、ワシントン大学メアリー・ゲイツ基金(RI)、国立衛生研究所NIH 5R01NS116464(T.B.、A.Y.)、NIH R01 NS119395(D.J.G.、A.Y.)、ワシントン国立霊長類研究センター(WaNPRC、NIH P51 OD010425、U42 OD011123)、Center for Neurotechnology(EEC-1028725、Z.A.、D.J.G.)、Weill Neurohub(Z.I.)の支援を受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
3D印刷ソフトウェア(Simplify 3D)(有料)Simplify3Dバージョン4.1MakerGearプリンターC-Clamp
BesseyCM22人工硬膜製造に使用、2-1 / 2インチ容量、1-3 / 8インチスロート
Formlabs Form 3+ 3DプリンターFormlabsForm 3 +正確な3D印刷に使用
MakerGear M2 3DプリンターMakerGearM2 revG3Dプリントインプラントプロトタイプに使用
MATLAB(有料)MathWorksR2021b脳と頭蓋骨の分離、仮想開頭術の視覚化、頭蓋骨縮小に使用 STL縮小
Phillips Acheiva MRIシステムPhilips4522 991 19391非ヒト霊長類イメージングに使用
フォトポリマー レジンFormlabsFLGPGR041L, グレー, Formlabsプリンタで精密な3Dプリントに使用 
Formlabsによる3Dプリントに使用したFormlabsバージョン2.17.0
印刷フィラメント(PLA)MatterHackers88331PLA 1.75 mm ホワイト。MakerGearプリンターでの3Dプリントに使用
Silicone CAT-1300信越人工硬膜製作に使用
シリコーン KE1300-T信越人工硬膜製作に使用
SolidWorks(有料)Dassault Systems2020チャンバー・ヘッドポスト設計に使用
Syn.Flex-S マルチコイルフィリップス45221318123非人間に使用霊長類イメージング
を使用した3D印刷に使用 プリンタ PreFormプリント準備ソフトウェア 

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