방법 논문

비인간 영장류를 위한 신경 임플란트 설계 툴박스

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DOI:

10.3791/66167

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2024년 2월 9일

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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

이 논문에서

요약

이 논문은 자기공명영상(MRI) 스캔을 기반으로 한 비인간 영장류 신경외과 계획을 위한 자동화된 프로세스를 간략하게 설명합니다. 이러한 기술은 프로그래밍 및 설계 플랫폼의 절차적 단계를 사용하여 NHP를 위한 맞춤형 임플란트 설계를 지원합니다. 그런 다음 3차원(3D) 프린팅된 실물 크기 해부학 모델을 사용하여 각 구성 요소의 유효성을 확인할 수 있습니다.

초록

이 논문은 비인간 영장류(NHP) 신경외과 계획에 맞게 조정된 자기공명영상(MRI)에서 3D 뇌 및 두개골 모델링의 자체 방법을 설명합니다. 이 자동화된 컴퓨터 소프트웨어 기반 기술은 이미징 소프트웨어를 사용하는 기존의 수동 추출 기술과 달리 MRI 파일에서 뇌 및 두개골 특징을 추출하는 효율적인 방법을 제공합니다. 또한 이 시술은 직관적인 가상 수술 계획을 위해 뇌와 개두술을 함께 시각화하는 방법을 제공합니다. 이를 통해 반복적인 3D 프린팅에 의존했던 과거 작업에 필요한 시간과 리소스를 크게 줄일 수 있습니다. 두개골 모델링 프로세스는 외과적 이식을 위한 맞춤형 두개실과 헤드포스트를 설계하기 위해 모델링 소프트웨어로 내보내는 발자국을 생성합니다. 맞춤형 수술용 임플란트는 감염이나 안정성 저하 등의 합병증을 유발할 수 있는 임플란트와 두개골 사이의 틈을 최소화합니다. 이러한 수술 전 단계를 시행하면 수술 및 실험 합병증을 줄일 수 있습니다. 이러한 기술은 다른 수술 과정에 적용할 수 있으므로 연구자와 잠재적으로 신경외과 의사를 위한 보다 효율적이고 효과적인 실험 계획을 용이하게 할 수 있습니다.

서론

비인간 영장류(NHP)는 진화론적으로나 행동적으로 인간과 유사하기 때문에 중개 의학 연구에 매우 중요한 모델입니다. NHP는 신경 공학 전임상 연구에서 특히 중요한데, 그 이유는 NHP의 뇌가 신경 기능 및 기능 장애와 관련성이 높은 모델이기 때문입니다1,2,3,4,5,6,7,8. 광유전학, 칼슘 영상 등과 같은 일부 강력한 뇌 자극 및 기록 기술은 두개창을 통해 뇌에 직접 접근할 때 가장 잘 제공됩니다9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. NHP에서 두개골 창은 뇌를 보호하고 장기 실험을 지원하기 위해 챔버와 인공 경막으로 이루어지는 경우가 많습니다8,10,12,17,18,24,25,26,27. 마찬가지로, 헤드포스트는 실험 중에 헤드를 안정화하고 정렬하기 위해 챔버를 동반하는 경우가 많습니다14,15,25,26,28,29,30. 이러한 구성 요소의 효과는 두개골에 얼마나 잘 맞는지에 따라 크게 달라집니다. 두개골에 더 밀착되면 감염, 골괴사 및 임플란트 불안정성의 가능성을 줄여 뼈 통합과 두개골 건강을 촉진합니다31. 수술 중 헤드포스트를 수동으로 구부리는 것과 같은 기존 설계 방법25,29 자기 공명(MR) 스캔의 관상 및 시상 슬라이스에 원을 맞추어 두개골 곡률을 추정합니다9,12 부정확성으로 인해 합병증이 발생할 수 있습니다. 이들 중 가장 정밀한 것조차도 임플란트와 두개골 사이에 1-2mm의 간격을 만들어 육아 조직이 축적될 수 있는 공간을 제공합니다29. 이러한 틈은 수술에 나사를 끼우는 데 어려움을 초래합니다9, 임플란트의 안정성을 손상시킵니다. 최근에는 골유착 및 임플란트 수명을 개선하기 위해 맞춤형 임플란트가 개발되었습니다9,29,30,32. 추가 비용은 컴퓨터 모델에 의존하기 때문에 맞춤형 임플란트 설계의 발전에 수반되었습니다. 가장 정확한 방법에는 MR 영상(MRI) 기계 외에도 컴퓨터 단층 촬영(CT) 기계와 같은 정교한 장비가 필요합니다30,32,33 임플란트 프로토타입 개발을 위한 컴퓨터 수치 제어(CNC) 밀링 머신도 있습니다25,29,32,34. 특히 NHP와 함께 사용하기 위해 MRI와 CT를 모두 사용하는 것은 두개실 및 헤드포스트와 같은 맞춤형 임플란트가 필요한 실험실에서는 불가능할 수 있습니다.

그 결과, 지역 사회에서는 임플란트를 사용하기 전에 설계하고 검증할 수 있는 신경외과 및 실험 계획의 저렴하고 정확하며 비침습적인 기술에 대한 필요성이 있습니다. 이 논문은 개두술 위치 계획 및 두개골에 맞는 맞춤형 두개실 및 헤드포스트 설계를 위해 MR 데이터에서 가상 3D 뇌 및 두개골 표현을 생성하는 방법을 설명합니다. 이 간소화된 절차는 실험 결과와 연구 동물의 복지에 도움이 될 수 있는 표준화된 설계를 제공합니다. 뼈와 연조직이 모두 MRI에 묘사되기 때문에 이 모델링에는 MRI만 필요합니다. CNC 밀링 머신을 사용하는 대신 여러 번 반복해야 하는 경우에도 모델을 저렴하게 3D 프린팅할 수 있습니다. 이를 통해 최종 설계를 이식용 티타늄과 같은 생체 적합성 금속으로 3D 프린팅할 수 있습니다. 또한 이식 시 두개골 챔버 내부에 배치되는 인공 경막의 제작에 대해 설명합니다. 이러한 구성 요소는 모든 부품을 실물 크기의 3D 프린팅 두개골과 뇌 모형에 장착하여 수술 전 검증할 수 있습니다.

프로토콜

동물과 관련된 모든 절차는 워싱턴 대학의 동물 관리 및 사용 위원회 연구소의 승인을 받았습니다. 이 연구에는 총 4마리의 성인 수컷 붉은털원숭이(Macaca mulatta)가 사용되었습니다. MRI 촬영 당시 원숭이 H는 7세, 원숭이 L은 6세, 원숭이 C는 8.5세, 원숭이 B는 5.5세였다. 원숭이 H와 L은 9살이 되었을 때 맞춤형 만성 챔버를 이식받았습니다.

1. 두개골 및 뇌 분리(그림 1)

  1. 1T MRI 기계를 사용하여 두개골과 뇌의 T3 MPRAGE(Quick Magnetization Prepared Gradient Echo) 파일을 획득합니다. MRI 획득35에 플립 각도 = 8°, 반복 시간/에코 시간 = 7.5/3.69초, 매트릭스 크기 = 432 x 432 x 80, 획득 지속 시간 = 103.7초, 멀티코일, 슬라이스 두께 = 1mm, 평균 수 = 1 파라미터를 사용합니다.
  2. supplemental_code(보충 코딩 파일 1)이라는 폴더를 다운로드합니다. 이 폴더에는 brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37 파일이 포함되어야 합니다.
  3. MRI 파일을 supplemental_code 폴더에 추가합니다. 계산 소프트웨어에서 supplemental_code 폴더를 파일 경로로 선택하고 brain_extract.m을 실행합니다.
  4. 다음 단계는 MATLAB을 사용한 두개골 및 뇌 분리의 반자동 방법을 개략적으로 설명하며(그림 1), 이는 이전 추출 기술(35)에서 집계되었습니다. 명령 창은 뇌 및 두개골 분리 및 개두술 시각화에 필요한 매개변수를 묻는 메시지를 표시합니다. 명령 창에 각 응답을 입력한 후 Enter를 클릭합니다.
    1. 명령 창에 먼저 MPRAGE 파일의 이름을 입력하라는 메시지가 표시됩니다. 파일 이름(예: MRIFile.dcm)을 입력하고 MRI가 제대로 표시되는지 확인합니다(그림 1A).
    2. 두개골을 분리하려면(그림 1B - D) 명령 창에 설명된 자세한 단계를 따릅니다. 두개골 물질을 제거하지 않고 두개골을 주변 조직과 분리하는 적절한 임계값을 식별합니다(보충 그림 1A). (y)를 눌러 임계값을 확인합니다.
    3. 뇌를 분리하는 데에도 비슷한 기술이 사용됩니다(그림 1E - G). 명령 창에 메시지가 표시되면 브레인에 대한 임계값을 입력합니다. 팝업되는 Figure를 평가하고 필요한 경우 임계값을 조정합니다. 뇌가 두개골 및 주변 조직에서 분리되어 있고 그 과정에서 뇌 조직이 제거되지 않는지 확인하십시오. (y)를 눌러 임계값을 확인합니다.
    4. 관심 섹션으로 이동합니다.

2. 개두술 위치 계획(그림 2)

  1. 뇌와 두개골을 추출한 후 개두술의 좌표를 입력합니다. 좌표를 아직 알 수 없는 경우 아니오를 나타내는 (n) 을 표시하면 그림이 표시됩니다(보충 그림 1B). z-프레임(관상면)을 선택하고 개두술 중심에 대해 선택한 z-프레임의 점을 선택하여 개두술 좌표를 결정합니다.
    1. 좌표를 알고 있는 경우 각각의 x (sagittal), y (axial) 및 z (coronal) 값으로 좌표를 표시합니다.
  2. 개두술 반경을 밀리미터(예: 10mm)로 입력하고 외부 반경을 선택하지 않습니다.
  3. 두개골 및 뇌 영상에 축척 막대가 필요한지 여부를 지정합니다. 축척 막대는 모형의 치수가 올바른지 확인하는 데 도움이 됩니다.
  4. 원하는 경우 뇌 및 두개골 파일을 STL로 저장하여 3D 프린팅할 수 있습니다(그림 1D, G).
  5. 다음으로 뇌와 개두술을 받은 두개골이 있는 그림이 표시됩니다. 이것은 표적 뇌 영역에 대한 액세스를 확인하는 데 사용할 수 있습니다. 뇌는 파란색으로, 두개골은 밝은 회색으로 표현되어 있습니다(그림 2B, E).
  6. SLT 크기 축소를 완료하려면 (n)을 선택하며, 이는 이후 단계에 사용될 기능입니다(아래 참조).
  7. 개두술 반복당 섹션 1과 2를 반복합니다.

3. 두개골 챔버 설계(그림 3)

  1. 챔버 설계를 시작하기 전에 개두술 위치 계획 절차를 사용하여 개두술의 위치와 개두술 반경을 확인하십시오.
  2. 두개골과 뇌 분리가 완료된 후 다음 단계는 개두술 중심의 최종 좌표를 입력하는 것입니다. x (시상), y (축) 및 z (코로나) 값을 입력합니다.
  3. 명령 창은 챔버 설계에 사용할 두개골 영역을 결정하는 내부 및 외부 반경을 입력하라는 메시지를 표시합니다. 실제 개두술 반경보다 작은 내부 반경(예: 개두술 반경 10.0mm의 경우 5mm)과 챔버 스커트의 계획된 반경보다 큰 두 번째 외부 반경(예: 반경이 22mm인 챔버 스커트의 경우 26mm)을 선택합니다. 이것은 챔버를 건설할 기초로 고리 모양의 두개골 구조를 제공할 것입니다.
    참고: 개두술 반경이 10mm인 챔버를 설계하기 위해 내부 반경이 5mm로 선택되었습니다. 이렇게 하면 개두술 가장자리에서 두개골을 정확하게 표현할 수 있으며, 두개골 표현을 디자인 소프트웨어로 내보낼 때 개두술 중심을 쉽게 식별할 수 있을 만큼 충분히 작은 원을 유지할 수 있습니다. 추가 두개골 영역을 사용할 수 있도록 반경 22mm의 챔버에 대해 26mm의 외부 반경을 추출했습니다. 챔버의 치수는 실험의 필요에 따라 설정된 제약 조건으로 개발되었습니다. 이 단계에서 사용되는 반경은 개두술 크기와 챔버 스커트의 크기에 따라 결정되며, 이는 나사 크기와 두개골의 사용 가능한 공간에 따라 다릅니다.
  4. 두개골 및 뇌 영상에 척도 막대가 필요한지 여부를 나타냅니다.
  5. 원하는 경우 뇌 및 두개골 파일을 저장합니다.
  6. 선택한 뇌(파란색)와 두개골 영역(회색)이 있는 그림이 나타납니다(그림 3A). 그런 다음 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어에서 파일을 더 쉽게 처리할 수 있도록 선택한 두개골 영역에 STL 크기 축소를 적용해야 합니다.
  7. (y)를 선택하여 STL 크기 축소를 시작합니다. 크기를 줄이면 사용자 정의 하드웨어 설계를 위해 CAD 소프트웨어로 쉽게 가져올 수 있는 파일 크기가 줄어든 STL 파일이 생성됩니다.
  8. 뇌와 두개골이 겹쳐진 그림(그림 3A)을 사용하여 마우스를 사용하여 파일 축소에 사용할 두개골 표면의 점을 선택합니다. Shift 키를 누르고 있으면 두 개 이상의 점을 배치할 수 있습니다.
    1. 관심 영역(이 경우 선택한 두개골 영역)을 덮을 점을 배치합니다. 두개골을 보다 정밀하고 정확하게 표현할 수 있도록 점을 가능한 한 가깝게 배치합니다(보충 그림 2). 일부 사용자는 최종 제품에 대한 모든 관심 지점을 선택하기 전에 ~20개의 임계점을 선택하고 나머지 챔버 설계를 연습으로 완료하는 것을 선호할 수 있습니다.
    2. 점을 선택할 때는 선택한 영역에 가능한 한 많은 점을 배치하는 것이 가장 좋습니다. 일반적으로 ~200개의 점은 두개골 곡률을 잘 나타냅니다. 선택한 영역의 가장자리 주위에 더 많은 점을 배치하여 뇌와 두개골 사이의 경계를 강조합니다.
      참고: 영역 전체에 점 배치를 완료하기 전에 Enter 버튼을 클릭하면 코드가 중간에 진행되고 점 선택 프로세스를 반복해야 하므로 클릭하지 마십시오.
  9. 선택한 해골에 점 배치가 완료되면 Enter 키를 누릅니다. 축소된 파일 이름을 명령 창에 입력합니다.
  10. 맞춤형 챔버 설계를 위해 파일을 CAD 소프트웨어로 가져올 수 있습니다. CAD 소프트웨어를 열어 시작하십시오.
  11. 파일 > 열기를 클릭하고 디렉토리에서 STL 축소의 파일 이름을 선택합니다.
    1. 열기( Open)를 클릭하기 전에 옵션(Options ) 버튼을 클릭하고 다른 이름으로 가져오기(Import as ) 메뉴에서 서피스 바디(Surface Body)를 클릭합니다. OK(확인 )를 클릭한 다음 Open(열기)을 클릭합니다.
  12. STL을 가져온 후 표면에 파란색 선으로 표시된 작은 구멍이 있는지 확인합니다. 챔버가 덮을 두개골 영역에 구멍이 있는 경우(보충 그림 3) 6단계에서 구멍 고정 절차(섹션 3.19.1)를 완료합니다.
  13. 그림 3B와 같이 CAD 소프트웨어에서 챔버의 두개골 표면을 봅니다. 선택한 영역의 가장자리가 두개골 표현에 표시되는지 확인합니다.
  14. 가져온 표면의 중심에서 내부 원의 윤곽을 찾아 개두술의 중심을 찾습니다. 참조 형상 > 평면(Plane)> 삽입(Insert )을 클릭하여 내부 원과 정렬된 평면을 생성합니다. 안쪽 원의 둘레를 따라 고르게 분포된 세 개의 점을 평면의 기준점으로 사용합니다.
  15. 스케치(Sketch) 탭에서 원 아이콘을 클릭하여 내부 원에 해당하는 원을 만듭니다. 이전 단계의 평면을 참조 평면으로 선택하고 원 미리보기가 내부 원 윤곽선을 정확하게 표현할 때까지 가장자리를 따라 점을 식별합니다. 내부 원에 가장 적합한 점을 찾기 위해 여러 가지 다른 점 조합을 테스트해야 할 수 있습니다.
  16. 원을 참조로 사용하여 점 > 참조 형상 삽입(Insert > Reference Geometry Point)을 클릭하여 원의 중간에 점을 생성하고 호 중심(Arc Center) 옵션을 사용합니다. 이 점은 개두술의 중심을 나타냅니다.
  17. 향후 돌출을 위한 참조 평면으로 두 번째 평면을 초기 평면과 평행하게 만들고 10mm 간격띄우기합니다. 간격띄우기 방향을 선택할 때 화살표가 객체에서 위쪽을 가리키는지 확인합니다.
  18. 챔버의 내부 링 만들기(그림 3C)
    1. 참조 형상 > 축에 삽입(Insert > Reference Geometry Axis)을 클릭하고 점 및 면/평면(Point and Face/Plane) 옵션을 강조 표시한 다음 개두의 위쪽 평면과 중심점을 참조로 사용하여 개두술 평면과 위쪽 평면을 모두 수직으로 확장하는 축을 만듭니다. 이 축과 위쪽 평면의 교차점에 다른 점을 만듭니다.
    2. 돌출 보스/베이스(Extrude Boss/Base)와 돌출시킬 서피스로 상부 평면을 선택합니다. 위쪽 평면의 점을 중심점으로 하는 두 개의 동심원을 작성하여 내부 링 횡단면을 스케치합니다(예: 반지름 11.35mm 및 12.25mm). 방향 메뉴에서 서피스까지(Up to Surface)를 선택하고 가져온 서피스를 밀어낼 서피스로 지정합니다.
    3. 서피스 삽입(Insert > Surface) > 이동/복사(Move/Copy)를 선택하여 가져온 서피스를 복사하고 복사한 서피스를 내부 링과 스커트의 높이(예: 3.5mm)로 올립니다. 이동/복사(Move/Copy) 메뉴의 변환(Translate) 옵션을 사용하여 두 평면에 수직인 축을 따라 서피스를 변환합니다.
    4. 위쪽 평면에서 복사된 표면까지 원형 돌출 절단을 수행합니다. 먼저 돌출 컷(Extruded Cut )을 클릭하고 내부 링의 상단 서피스를 돌출 컷의 시작점으로 선택합니다. 복사된 서피스를 끝점으로 선택하여 돌출을 완료합니다.
    5. > 피쳐 삽입(Insert Features) > 바디 삭제/유지(Delete/Keep Body) 도구를 사용하여 원래 가져온 서피스를 삭제합니다. 뷰 탭의 숨기기/표시 도구를 사용하면 복사된 표면을 숨겨 내부 링을 보고 설계를 검증할 수 있습니다.
  19. 챔버 스커트 만들기(그림 3D)
    1. 두 번째 복사된 표면을 챔버 스커트의 두께(예: -1.5mm)만큼 기존 표면보다 낮게 간격띄우기합니다. 변환( Translate ) 메뉴에서 평면에 수직인 축을 참조점으로 선택하고 오프셋 값을 선택하여 초기 서피스 아래에 새 서피스를 만듭니다.
      참고: 오프셋 방향의 기본 방향에 따라 올바른 방향으로 이동하려면 오프셋 값을 음수로 설정해야 할 수 있습니다.
      1. 챔버가 덮을 영역에 구멍이 있는 경우 나머지 챔버 설계 절차를 계속하기 전에 섹션 6(구멍 고정)에 설명된 단계를 따르십시오.
    2. 챔버 모양으로 상부 평면에서 하부 표면으로 압출을 수행합니다. 먼저 돌출 보스/베이스 를 선택하고 위쪽 평면을 돌출 평면으로 선택합니다.
      1. 고정 구멍 절차에서 기존 돌출을 처리하려면 6.2단계를 따르십시오.
    3. 챔버 스커트의 모양을 이 평면에 스케치합니다. 챔버의 내부 원을 내부 링의 더 작은 반경(예: 11.35mm)과 동일한 크기의 원으로 만들고, 상부 평면의 점을 중심으로 중앙에 배치하고, 스커트 면적을 최대화하기 위해 호와 선의 조합을 사용하여 챔버 스커트의 외부 경계를 만듭니다. 두 서피스 중 아래쪽으로 돌출시킵니다.
      주: 돌출에 오류가 발생하면 스케치가 표면보다 넓을 수 있습니다. 이 경우 바깥쪽 치마 경계의 크기를 줄입니다.
    4. 위쪽 평면에서 챔버 외곽선의 형태로 복사된 두 서피스 중 위쪽으로 절단합니다.
      1. 구멍 고정 절차에서 남은 돌출에 대한 추가 정보는 6.2단계를 참조하십시오.
    5. 챔버 스커트와 내부 링을 표시하려면 가져온 표면의 나머지 복사본을 모두 삭제합니다. 결과 개체는 그림 3D와 비슷해야 합니다.
    6. STL 축소를 하고 가져오는 과정에서 두개골 모델이 미러링됩니다. 이를 보완하려면 결과 스커트를 미러링해야 합니다. 피처( Features ) 메뉴에서 미러(Mirror )를 클릭하고 위쪽 평면을 가로질러 스커트를 미러링합니다. Delete/Keep Body 기능을 사용하여 원본 스커트를 삭제합니다.
  20. 챔버 탑과 스커트를 결합 (그림 3E)
    1. 챔버 스커트를 설계하는 데 사용된 소프트웨어에서 챔버 상단 STL 파일을 엽니다. 그런 다음 부품 삽입(Insert > Part)을 클릭하고 메뉴에서 사용자 정의 스커트를 선택한 다음 화면의 아무 곳이나 클릭하여 부품을 가져와서 챔버 스커트를 부품으로 삽입합니다.
    2. 챔버 상단과 스커트를 정렬하려면 이동/복사(Move/Copy)> 피처 삽입(Insert > Features)을 클릭합니다. 챔버 스커트를 선택하고 메뉴 하단의 제약 조건 버튼을 클릭합니다. 스커트의 내부 링과 챔버 상단의 내부 표면을 동심원 메이트로 강조 표시합니다(보충 그림 4A).
      1. 스커트의 상단이 챔버 상단의 하단과 정렬되어 있는지 확인하고, 필요한 경우 메이트 정렬 방향을 전환합니다.
    3. 이동/복사를 사용하여 치마를 챔버 상단 바로 아래로 변환합니다. 이를 위해서는 챔버 상단이 챔버 스커트 아래로 확장되어 스커트를 방해하지 않도록 정확한 거리를 찾기 위해 여러 번 반복해야 합니다(보충 그림 4B 및 보충 그림 5).
    4. 챔버 상단을 회전하여 탭 사이의 간격을 정렬하여 하나는 수직이고 하나는 뇌의 정중선과 평행하도록 합니다. [회전 ] 도구와 개체 중앙에 있는 기존 축을 회전축으로 사용합니다. 챔버 상단과 스커트가 서로에 대해 올바른 방향이 될 때까지 회전 각도를 조정합니다.
    5. 챔버 상단의 바닥에서 스커트를 향해 직접 아래쪽으로 돌출하여 물체를 함께 연결합니다. 돌출 보스/베이스를 사용하여 챔버 상단의 하단 곡면을 선택하고 중심축을 중심점으로 사용하여 이 링과 동일한 내부 및 외부 반지름으로 이 곡면에 스케치를 작성합니다. 돌출 방향으로 바디까지 를 선택하고 챔버 스커트를 지정합니다.
    6. 탭을 고정하는 챔버 상단의 표면에서 압출 절단 을 수행합니다. 해당 표면을 돌출 평면으로 선택한 후 내부 링과 동일한 내부 반지름을 가진 원을 스케치합니다. 스케치를 종료 하고 챔버 스커트의 바닥을 능가하는 블라인드 돌출 절단(예: 10mm)을 수행합니다.
    7. 챔버 스커트 주위에 균일한 간격으로 12개의 나사 구멍을 추가합니다. 나사 구멍은 균등하게 배치되 수술 중에 접근할 수 있을 만큼 충분히 멀리 떨어져 있지만 불필요하게 큰 챔버 공간을 피할 수 있을 만큼 충분히 가깝습니다.
    8. 구멍 가공 마법사 도구를 사용하여 나사 구멍을 배치합니다. 구멍 사양명세 - 유형(Hole Specification - Type) 메뉴에서 매개변수를 선택합니다. 매개변수는 외과적 이식 시 사용할 나사와 일치해야 합니다(예: 표준: ANSI 미터법, 유형: 납작머리 나사 - ANSI B18.6.7M, 크기: M2, 맞춤: 느슨함, 최소 직경: 3.20mm, 최대 직경: 4.00mm, 카운터싱크 각도: 90도, 최종 조건: 모두 관통).
    9. 위치(Positions) 탭을 클릭하여 구멍 배치를 시작합니다. 구멍을 배치하려면 챔버의 평면 위로 마우스를 가져간 다음 마우스 오른쪽 버튼을 클릭합니다. 12개의 나사 구멍을 모두 배치하여 고르게 배치되고 접근할 수 있도록 합니다.
    10. 나사 구멍을 배치한 후 나사 구멍 내부에 장애물이 남아 있는 경우(보충 그림 6A) 구멍을 배치할 다른 평면을 선택하거나 다음 단계를 사용하여 구멍을 통해 위쪽으로 압출 절단을 수행합니다.
      1. 나머지 평면에 평행한 평면을 작성하되 평면이 장애물 바로 아래에 있도록 아래쪽으로 0.00001mm 간격띄우기하여 위쪽 돌출 컷을 시작합니다.
      2. 마지막 단계에서 생성된 평면을 참조로 하여 돌출 컷을 수행합니다. 호와 선의 조합을 사용하여 제거해야 하는 영역의 모양을 스케치합니다. 스케치에 나사 구멍의 외부 반경 내부에 있는 평면의 일부가 포함되어 있는지 확인합니다(보충 그림 6B). 위쪽으로 1mm 정도 돌출 절단합니다.
    11. 나사 구멍을 뚫은 후 스커트를 다듬어 날카로운 모서리를 줄이고 불필요한 스커트 면적을 최소화합니다. 챔버의 상단 표면에서 챔버 스커트를 지나 아래로 압출 절단 을 수행합니다(예: 30mm). 거친 가장자리를 매끄럽게 하고 바깥쪽 스커트 영역을 다듬을 수 있는 모양으로 돌출부를 만듭니다.
      1. 모든 날카로운 모서리와 과도한 스커트를 제거하기 위해 추가 맞춤 절단이 필요할 수 있습니다. 챔버의 상단 표면을 참조 평면으로 사용하여 스커트 영역을 절단할 수 없는 경우 각진 평면을 작성하고 이 평면을 사용하여 추가 돌출 컷을 생성합니다.
    12. 최종 챔버 설계 표현은 그림 3F 를 참조하십시오. 이 디자인은 3D 프린팅하여 원하는 경우 모형 뇌와 개두술된 두개골에 배치할 수 있습니다(그림 3G).

4. 헤드포스트 디자인(그림 4)

  1. 최종 개두술 센터 위치와 챔버의 최대 스커트 면적은 헤드 포스트 설계에 필요합니다.
  2. 알려진 개두술 좌표(x, y, z 값)를 명령 창에 입력합니다.
  3. 헤드포스트 설계의 경우, 챔버 주변에서 사용할 수 있는 두개골 영역을 나타내기 위해 하나의 반경만 필요합니다. 이 단계에서 이전 섹션에서 설계된 챔버의 최대 반경(예: 25mm)을 입력합니다. 그런 다음 외부 반경이 필요하지 않음을 나타냅니다.
  4. 명령 윈도우를 사용하여 치수를 확인하는 데 축척 막대가 필요한지 여부를 나타냅니다.
  5. 이전 섹션과 마찬가지로 3D 인쇄에 필요한 경우 뇌 및 두개골 STL 파일을 저장합니다.
    표시되는 다음 그림은 헤드포스트 발자국을 만들기 위해 챔버를 둘러싸고 있는 두개골 영역을 보여줍니다. STL 크기 축소를 사용하여 이 영역을 추출하여 설계 소프트웨어로 가져옵니다.
  6. (y)를 선택하여 STL 크기 축소가 필요함을 나타냅니다. 뇌(파란색)와 두개골(회색)이 함께 겹쳐진 그림의 점을 선택합니다. 점이 가능한 한 가깝게 선택되고 회색 두개골 영역에 고르게 분포되어 있는지 확인합니다(보충 그림 7A). 포인트 선택 프로세스에 대한 자세한 내용은 3.8단계를 참조하십시오.
  7. 포인트 선택을 완료한 후 Enter 키를 눌러 헤드포스트가 놓일 회색 두개골 영역을 덮습니다. 명령 창에서 다운로드한 축소 파일의 파일 이름을 지정합니다.
  8. 축소된 파일을 CAD 소프트웨어로 가져와 사용자 정의 헤드포스트 풋프린트를 설계할 수 있습니다. 파일을 곡면 본체로 가져오고 있는지 확인합니다.
  9. 파일을 가져온 후 서피스에 파란색 선으로 표시된 구멍이 있는지 확인합니다. 헤드포스트가 덮을 일반 영역에 구멍이 있는 경우 6단계에서 고정 구멍 절차(섹션 4.11)를 완료해야 합니다.
  10. 헤드포스트 설계의 첫 번째 단계는 헤드포스트 상단과 하단이 결합될 때 헤드포스트 상단이 두개골에 수직이 되도록 축면과 정렬되는 표면의 평면을 찾는 것입니다(보충 그림 7B, C). 두개골 표면에서 축 평면과 직접 정렬되는 평면을 찾을 수 없는 경우 표면의 기존 평면을 사용하여 새 평면을 만들고 회전하여 올바르게 정렬합니다. 가상 두개골 표현과 비교하는 데 사용할 수 있는 실제 3D 두개골 모델이 있으면 도움이 됩니다.
    1. 이 단계는 두개골에 직접 수직인 헤드포스트 상단을 만들기 위해 여러 번 수정해야 할 수 있습니다. 헤드포스트 외곽설정을 기준으로 헤드포스트 상단의 각도를 변경하려면 이 단계에서 사용된 평면을 수정합니다. 축 평면과 평행한 평면을 찾기 위해 몇 개의 평면을 테스트해야 할 수도 있습니다.
  11. 이전 단계에서 찾거나 작성한 평면을 사용하여 헤드포스트 상단의 방향에 대한 참조를 제공하는 표면 위 3mm의 평행 평면을 작성합니다.
    1. 헤드포스트 영역에 틈이 생기면 섹션 6에 설명된 고정 구멍 절차를 완료하십시오.
  12. 헤드포스트 하단 만들기(그림 4C)
    1. 보스/베이스 돌출을 클릭하고 새 평면을 선택한 다음 호와 선의 조합을 사용하여 헤드포스트 외곽설정의 스케치를 작성합니다. 비슷한 길이의 헤드포스트 다리와 다리 사이의 각도를 일치시킵니다(예:amp그림 4A에서). 호를 사용하여 헤드포스트의 레그를 연결하여 외곽설정 주위의 모서리를 매끄럽게 만들고 스케치를 가져온 곡면으로 돌출시킵니다.
      알림: 헤드포스트 다리의 수는 챔버를 둘러싼 사용 가능한 공간에 따라 다릅니다. 그러나 헤드포스트에는 적절한 기계적 안정성을 보장하기 위해 최소 3개의 다리가 있어야 합니다.
      1. 구멍 고정 절차에서 기존 돌출 주위를 그리는 방법에 대한 지침은 6.2단계를 참조하십시오.
    2. 이 시점에서 헤드포스트의 바닥면은 표면이 두개골의 곡률과 일치하는지 확인하는 데 사용할 수 있습니다. 적합성을 확인하기 위해 3D 프린팅을 원하는 경우 다음 4단계를 완료하십시오.
      1. 가져온 곡면 본체를 삭제합니다. 4.10단계에서 만든 평면에서 외곽설정을 미러링합니다. 대칭복사(Mirror ) 메뉴에서 솔리드 병합(Merge Solids) 상자가 선택 취소되어 있는지 확인합니다.
      2. 외곽설정이 두개골 곡률과 일치하는지 확인하려면 바디 삭제/유지 를 사용하여 원래 외곽설정을 삭제하고 대칭복사된 버전만 남깁니다.
      3. 물체를 STL로 3D 인쇄하고 3D 두개골 모델에 배치하여 두개골 곡률과 일치하는지 물리적으로 테스트합니다.
      4. 헤드포스트 디자인을 계속하려면 도구 모음 맨 위에 있는 실행 취소 화살표를 사용하여 이전 두 단계(미러링 및 삭제)를 실행 취소합니다. 이렇게 하면 원래 풋프린트와 표면 본체가 복원됩니다.
    3. 외곽설정에서 평평한 표면의 중심에 점을 작성합니다. 이 점과 위쪽 참조 평면을 사용하여 축을 생성합니다.
    4. 이동/복사(Move/Copy) 도구를 클릭하고 헤드포스트 하단의 두께(예: 1.35mm)로 올린 가져온 서피스의 복사본을 생성합니다. 이 단계에서 만든 축을 변환 참조로 사용하고 원본 서피스가 수정되지 않도록 복사(Copy) 상자가 선택되어 있는지 확인합니다.
    5. 헤드포스트 외곽설정의 평평한 서피스에서 복사된(융기된) 서피스까지 돌출 컷을 수행합니다. 원본 서피스와 복사본을 삭제합니다. 결과 부품은 그림 4B에서 볼 수 있습니다.
      1. 고정 구멍 절차에서 기존 돌출부에 대해 6.3단계를 따릅니다.
    6. 참조 평면과 평행하지만 위쪽 또는 아래쪽으로 변환되어 헤드포스트 맨 아래 위로 최소 1mm 위에 있는 새 평면을 작성합니다. 평행 이동 길이를 결정하려면 평가 탭의 측정 도구를 사용합니다. 새 평면에서 헤드포스트 하단까지 원형 돌출을 만들어 헤드포스트 상단의 바닥이 놓일 플랫폼을 만들고 플랫폼이 두개골의 정중선 중앙에 오도록 합니다.
    7. 피쳐 메뉴의 모깎기 도구를 사용하여 돌출과 헤드포스트 외곽설정 사이의 교차를 부드럽게 합니다. 비대칭 파라미터를 사용하여 다양한 반지름 값을 테스트하고 가능한 가장 큰 반지름 값을 선택합니다.
    8. 이 시점에서 현재 버전을 3D 프린팅하고 두개골 모델에 대해 테스트하여 헤드포스트 상단 플랫폼의 배치를 확인합니다.
    9. 챔버 나사 구멍에 사용된 것과 동일한 기술을 사용하여 헤드포스트 바닥을 따라 나사 구멍을 놓습니다(3.20.7단계). 각 헤드포스트 다리에 최소 3개의 나사 구멍을 추가합니다. 각 나사 구멍의 중심점이 다음 구멍의 중심에서 최소 5mm 떨어져 있고 각 구멍의 가장자리가 다리 가장자리에서 최소 2.5mm 떨어져 있는지 확인하십시오.
      1. 두개골 아래와 정중선 근처를 흐르는 혈관을 피하려면 나사 구멍이 정중선을 가로지르지 않는지 확인하고 필요한 경우 이동합니다. 제품은 그림 4C의 디자인과 유사해야 합니다.
    10. Mirror 도구를 사용하여 파트를 미러링하여 두개골 표면을 가져오는 동안 발생하는 미러링을 보정합니다. 원형 밑면의 상단을 미러 평면으로 사용합니다.
    11. 바디 삭제/유지(Delete/Keep Body) 기능을 사용하여 원본 파트를 삭제하여 대칭복사된 버전만 남게 합니다.
  13. 헤드포스트 상단과 하단 결합(그림 4D)
    1. 헤드포스트 상단을 삽입(Insert) 메뉴에서 파트로 가져옵니다. 메뉴에서 부품을 강조 표시한 후 화면의 아무 곳이나 클릭하여 부품을 추가합니다.
    2. 이동/복사 기능을 사용하여 헤드포스트를 위쪽과 아래쪽으로 정렬합니다. 먼저 헤드포스트 상단을 이동할 바디(Body to Move)로 지정합니다. 그런 다음, 구속조건 메뉴에서 다음 세 개의 메이트를 만듭니다.
      1. 원형 헤드포스트 플랫폼의 상단 표면과 헤드포스트 상단의 하단 표면이 우연히 결합되었는지 확인합니다.
      2. 마지막 메이트 쌍에 있는 곡면의 윤곽선 모서리가 동심원으로 메이트되었는지 확인합니다.
      3. 헤드포스트의 뒤쪽 다리를 따라 수직으로 가는 선과 헤드포스트 상단의 뒤쪽(평평한 면)을 따라 수직으로 수평으로 이어지는 선을 메이트합니다. 상단의 구부러진 면이 앞쪽(앞쪽)을 향하고 평평한 면이 헤드포스트의 뒤쪽 다리(뒤쪽)에 더 가깝게 향하도록 합니다.
      4. 각 연결이 올바른 방향인지 확인하고 필요한 경우 메뉴에서 결합 방향을 전환합니다(메이트의 예는 보충 그림 8 참조).
        참고: 사용자 헤드포스트 하단과 상단을 결합하는 절차에서는 CAD 소프트웨어를 사용하여 설계된 일반 헤드포스트 상단을 사용합니다. 여기에서 상단 부분은 Crist Instrument의 헤드포스트를 기반으로 설계되었습니다. 위에서 설명한 결합 절차는 이러한 부품에만 해당되며 다른 결합 부품을 사용하는 경우 조정해야 할 수 있습니다.
    3. 결합된 헤드포스트 상단과 하단이 그림 4D와 같은지 확인합니다.
      1. 헤드포스트 상단이 제대로 정렬되지 않은 경우 4.11단계에서 사용한 참조 평면을 수정합니다.

5. 인공 경막 제조 11 (그림 5)

  1. 인공 경막 몰드를 얻습니다(그림 5B).
  2. 실리콘 KE1300-T와 CAT-1300을 10:1 비율로 혼합하여 인공 경막 실리콘 혼합물을 만듭니다.
  3. 혼합물 1mL를 금형 중앙에 있는 실린더의 상단 표면에 붓습니다.
  4. 기포를 방지하려면 금형을 진공 챔버에 약 15분 동안 놓습니다.
  5. 조각의 정렬을 안내하기 위해 실린더의 양쪽에 있는 기둥을 사용하여 금형의 두 번째 레이어를 추가합니다.
  6. 3-4mL의 실리콘 혼합물을 몰드에 붓고 투명 아크릴 조각을 몰드 상단에 놓습니다(그림 5A). C-클램프를 사용하여 금형을 함께 고정합니다.
  7. 광학 창에 기포가 있는지 확인하고 필요에 따라 진공 챔버로 기포를 제거합니다.
  8. 생성된 구조를 실온에서 밤새 경화시킵니다. 남은 기포는 경화 전에 금형을 고정할 때 생성되는 압력을 통해 제거됩니다.
  9. 경화 후 각 성형 부분을 제거하고 실리콘 경막을 조심스럽게 제거하여 분해합니다.

6. 구멍 고정 절차

  1. 두개골 표현에서 구멍이 발견된 경우(CAD 소프트웨어에서 파란색 선으로 표시됨) 구멍 고정 절차를 수행합니다. 아래쪽 곡면(돌출을 끝낼 곡면)을 생성한 후 다음 단계를 완료합니다. 챔버의 경우 3.19단계를 따릅니다. 헤드포스트의 경우 4.12단계가 완료된 후 이 절차를 시작합니다.
    1. 아래쪽 표면을 독립적으로 시각화할 수 있도록 아래쪽 표면 외에 모든 표면이나 돌출을 숨깁니다.
    2. 서피스 > 평면(Planar)> 삽입(Insert Surface)을 사용하여 간격과 접촉하는 모든 면과 간격 위에 평면형 서피스를 생성합니다(해당하는 경우). 서피스를 지정하려면 모든 모서리를 경계 요소로 선택합니다.
    3. 간격의 모서리와 선의 가장자리를 포함하여 각 간격이 둘러싸일 때까지 평면형 표면을 만듭니다.
    4. 서피스 > 삽입(Insert Surface) > 니트(Knit)를 클릭하고 간격을 둘러싼 모든 평면 서피스를 선택합니다. 편직 표면의 시각을 위해 보충 그림 9A를 참조하십시오.
    5. 참조 유형으로 점(Point) 및 면/평면(Face/Plane )을 선택하고 서피스 모서리와 위쪽 평면의 점을 선택하여 붙은 서피스의 가장자리를 따라 각 점에 참조 축을 생성합니다. 편직 표면의 가장자리에 있는 모든 점에 대해 반복합니다(보충 그림 9B).
    6. 붙은 곡면 주위의 각 축이 위쪽 참조 평면과 교차하는 지점에 점을 작성합니다. 참조 유형으로 교차(Intersection )를 선택하고 하나의 축과 위쪽 평면을 선택합니다. 각 축에 해당하는 점이 생성되었는지 확인합니다.
    7. 이전 단계에서 만든 각 참조점을 연결하는 스케치를 만듭니다. 방향으로 곡면까지(Up to Surface )를 선택하고 밀어낼 곡면으로 부착된 곡면을 선택합니다.
    8. 챔버 또는 헤드포스트가 덮을 영역의 모든 틈에 대해 6.1.2-6.1.7단계를 반복합니다(고정 구멍 절차의 최종 결과는 보충 그림 9C 참조).
  2. 상부 참조 평면에서 가장 낮은 표면으로 압출을 수행할 때(3.19.2단계 또는 4.12.1단계) 챔버/헤드포스트 아웃라인이 기존 돌출 주위에 그려졌는지 확인합니다.
  3. 유사하게, 상부 평면에서 두 표면 중 상부로 압출 절단을 수행할 때(3.19.4단계 또는 4.12.5단계) 고정 구멍 절차에서 발생한 압출과 별도로 주 압출 절단을 수행합니다(보충 그림 10A).
    1. 고정 구멍에서 압출 절단을 수행하려면 기존 돌출부의 최상면을 챔버 또는 헤드포스트에 매끄러운 상단 표면을 제공하는 돌출면의 평면으로 돌출시킵니다(보충 그림 10B). 돌출된 컷이 강체 서피스를 생성하는 경우 다른 평면을 사용하거나 후속 돌출을 수행합니다.

결과

이러한 구성 요소는 이전에 MRI 시각화와 3D 프린팅 해부학 모델의 조합을 사용하여 검증되었습니다. 자동화된 개두술 시각화를 3D 프린팅된 개두술 및 개두술 위치의 MRI와 비교하면 가상 개두술 표현이 지정된 개두술 위치로 접근할 수 있는 뇌 영역을 정확하게 반영한다는 것이 분명합니다(그림 2A-F). 또한 자동 개두술 시각화의 정확도는 이식 수술의 기존 개두술과 가상 표현을 비교하여 추가로 평가되었습니다(그림 2E,G). 3D 프린팅 모델, 자동 시각화, MRI 및 실제 개두술은 동일한 영역을 강조하여 동일한 위치에서 비례 일관성으로 주요 설치를 보여줍니다. 뇌 및 두개골 분리 및 후속 개두술 시각화 과정은 완료하는 데 15분 미만이 소요되므로 1시간 이내에 여러 위치를 테스트할 수 있습니다.

뇌 격리 절차의 효능은 가상 개두술을 개두술 위치의 MRI 표현과 비교하여 확인되었습니다(그림 2B,C,E,F). 이러한 유사성은 뇌 격리 절차가 뇌의 해부학적 구조(예: 설시)의 정확한 크기, 위치 및 모양을 나타낼 수 있음을 나타냅니다.

결합된 3D 프린팅 뇌와 두개골은 챔버와 헤드포스트 디자인을 검증하기 위해 해부학적으로 정확한 모델로 사용되었습니다. 티타늄 부품에 투자하기 전에는 챔버와 헤드포스트를 플라스틱으로 3D 프린팅했습니다. 임플란트가 두개골에 맞고 서로 겹치거나 중요한 해부학적 마커를 방해하지 않는 것이 확인되었습니다. 챔버 및 헤드포스트 설계 프로세스는 두개골의 곡률과 일치하는 구성 요소를 생성했습니다(그림 3G, I, 그림 4E, 그림 6, 그림 7). 인공 경막은 또한 이식 중 조정을 설명하기 위해 약간의 간격이 있는 챔버의 내벽에 인접하게 맞는 것으로 확인되었습니다. 세관 챔버는 두 마리의 원숭이에게 이식되었습니다. 이전의 챔버 설계 방법9과는 반대로, 삽입을 시도한 모든 나사는 나사로 고정할 수 있었다. 이는 MRI 곡률 근사치9(그림 6A-F)로 설계된 챔버와 비교하여 맞춤형 핏으로 챔버와 두개골 사이의 간격이 크게 감소했기 때문입니다. 하나의 맞춤형 챔버는 2년 이상, 다른 하나는 1년 반 동안 이식되었습니다. 적절한 유지 관리를 통해 이러한 임플란트로 인해 발생한 나사 손실, 감염 또는 안정성 문제가 발생하지 않았습니다(그림 3I).

맞춤형 헤드포스트 및 챔버 설계 프로세스는 수술 중 수동 조정의 필요성을 방지하여 수술 시간을 연장할 수 있습니다. 이러한 기술은 또한 곡률 근사치(curvature approximations)29로 인한 1-2mm의 간격을 줄여 임플란트 건강을 개선하고 실험 결과를 개선한다. 이러한 개선은 임플란트의 합병증을 예방하고 임플란트 수명을 연장하여 동물 복지를 개선합니다.

figure-results-1
그림 1: 뇌 및 두개골 분리. (A) 층상 자기 공명 이미지(MRI) 관상 절편. (B) 두개골 임계값 설정의 레이어드 바이너리 마스크. (C) 거꾸로 된 바이너리 마스크에서 분리된 두개골의 겹겹이 쌓인 조각. (D) 재구성된 3D 두개골. (E) 뇌 임계치로 인한 계층화된 바이너리 마스크. (F) 고립된 뇌의 층상 MRI 절편. (G) 재구성 된 3D 뇌. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-2
그림 2: 개두술 계획. (A) Monkey B의 3D 프린팅된 뇌 및 두개골 모델을 사용한 개두술 시각화. (B) Monkey B의 계산 소프트웨어에서 개두술 시각화. (C) Monkey B의 자기 공명(MR) 이미지에서 개두술 시각화. (D) Monkey H.의 3D 프린팅 뇌 및 두개골 모델을 사용한 개두술 시각화 (E) Monkey H.용 컴퓨터 소프트웨어의 개두술 시각화(F) Monkey H의 자기 공명(MR) 이미지의 개두술 시각화 (G) Monkey H의 개두술 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-3
그림 3: 챔버 임플란트 설계. (A) STL 해상도 감소에 사용되는 두개골 영역(회색). (B) SOLIDWORKS의 해골 STL 해상도 감소. (C) 챔버 내부 링, 강조 표시. (D) SOLIDWORKS의 챔버 스커트 설계. (E) 챔버 스커트와 탑을 연결합니다. (F) SOLIDWORKS의 챔버 STL. (G) 3D 프린팅된 뇌, 두개골 및 챔버. (H) 티타늄 챔버. (I) Monkey H의 이식된 챔버. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-4
그림 4: 헤드포스트 디자인. (A) 두개골 STL 해상도 감소의 헤드포스트 하단 윤곽선. (B) 맞춤형 헤드포스트 설치 공간. (C) 헤드포스트 바닥. (D) SOLIDWORKS의 헤드포스트 설계. (E) 두개골의 3D 프린팅 헤드포스트. (F) 티타늄 헤드포스트. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 5: 인공 경막 제조. (A) 금형을 이용한 실리콘 혼합물의 클램핑. (B) 인공 경막. 이 그림은 Griggs et al.11의 허가를 받아 각색되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 6: 맞춤형 피팅 대 두개골 곡률 피팅 챔버. (A) 전방 보기, (B) 측면 보기 및 (C) 후방 보기에서 두개골9에 대한 MRI 곡률 추정으로 설계된 챔버. (D) 전방 보기, (E) 측면 보기 및 (F) 후방 보기에서 맞춤 설계된 챔버. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 7: 겹쳐진 뇌와 두개골의 챔버, 헤드포스트, 인공 경막 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 1: 임계값 설정 및 개두술 위치 계획. (A) 적절한 임계값이 있는 이진 마스크의 예. (B) 개두술 위치를 식별하기 위한 MRI의 관상 절편. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 2: 챔버 설계를 위한 MATLAB의 STL 파일 축소 프로세스. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 3: 두개골 STL 해상도 감소의 구멍에 대한 시각적 표현. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 4: 챔버 스커트 소프트웨어 스크린샷. (A) 챔버 스커트의 내부 링과 동심원 메이트로서의 챔버 상단의 내부 표면. (B) 챔버 스커트를 아래쪽으로 이동시킵니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 5: 챔버 스커트와 챔버 탑이 겹치거나 겹치지 않음. (A) 챔버 스커트와 챔버 상부 사이의 오버랩의 언더뷰 예(챔버 스커트의 하부 표면을 수정함). (B) 챔버 스커트와 챔버 탑 사이에 겹치지 않는 예. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 6: 나사 구멍을 막는 평면 및 장애물 제거. (A) 나사 구멍 배치 후 나사 구멍을 막는 평면의 예. (B) 나사 구멍 내부의 표면을 제거하기 위한 압출 절단의 개요. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 7: 점 선택과 두개골의 축 평면. (ᅡ) 헤드포스트 설계를 위한 점 선택. (B) 두개골의 축 평면에 평행한 평면의 위쪽 모습. (C) 두개골의 축 평면에 평행한 평면의 측면도. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 8: 메이트의 예. (A) 일등 메이트 - 원형 헤드포스트 플랫폼의 윗면과 헤드포스트 윗면의 아랫면을 동심 메이트로 사용합니다. (B) 제2 메이트 - 원형 헤드포스트 플랫폼의 윗면 가장자리와 헤드포스트 윗면의 아랫면 가장자리를 동심원 메이트로 합니다. (C) 제3 메이트 - 헤드포스트의 뒤쪽 다리를 따라 수직으로 가는 선과 수직 메이트로서 헤드포스트 상단의 뒤쪽을 따라 수평으로 이어지는 선. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 9: 구멍 고정 절차. (A) 가져온 표면의 틈을 둘러싼 편직 표면. (B) 편직 표면의 가장자리에 있는 각 점의 축. (C) 구멍 고정 절차의 최종 결과. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 10: 압출 절단 수행. (A) 고정 구멍 절차에서 주변 돌출부를 압출 절단합니다. (B) 챔버 바닥의 상부 표면 상부에 평면으로 압출된 예. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 코딩 파일 1: 프로토콜에 대한 코딩 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

토론

이 논문은 NHP 두개골 창 이식에 사용되는 구성 요소의 개발에 도움이 될 뿐만 아니라 NHP 신경 과학 연구의 다른 영역으로 이전할 수 있는 간단하고 정확한 신경외과 계획 방법을 설명합니다 13,15,25. NHP 임플란트 계획 및 설계의 다른 현재 방법과 비교하여25,29,30, 이 절차는 간단하고 경제적이기 때문에 더 많은 신경 과학 실험실에서 채택될 가능성이 있습니다. CT가 두개골 모델링(32,38)에 일반적으로 사용되는 반면, 이 프로토콜은 MRI 스캔만을 사용하여 뇌와 두개골 모두에 대한 충분한 모델링 세부 정보를 제공한다. 기존 방법은 뇌 및 두개골 분리를 위해 MRI와 CT 스캔을 모두 필요로 하는 반면(30,32,33), 이 방법은 CT 영상의 추가 비용과 문제를 제거합니다. 또 다른 이점은 이 모델이 MRI 및 CT 스캔의 정렬을 필요로 하지 않아 상당한 시간을 절약하고 정렬 불량과 관련된 문제를 예방한다는 것이다39. 단일 이미징 파일에서 뇌 및 두개골 모델을 모두 생성하면 개두술 시각화를 위해 쉽게 결합할 수 있는 호환성이 높은 모델을 생성할 수 있습니다. 이 특징은 반복적인 개두술 검사 프로세스에 특히 유용한데, 그 이유는 별개의 프로그램(30,33)으로부터의 파일들을 결합하고 정렬하는 대신에, 두 모델들이 단일 입력 파일로부터 하나의 소프트웨어에서 생성되고 몇 초 내에 자동적으로 디스플레이되기 때문이다. 이를 통해 뇌 및 두개골 모델링 정확도를 효율적으로 확인할 수 있으며 임플란트가 생체 내 두개골 곡률과 일치하도록 할 수 있습니다. 이것은 또한 최적의 개두술 위치(35)를 결정하기 위해 이전에 필요했던 두개골의 반복적인 3D 프린팅을 제거하여, 반복당 프린팅의 수십 시간을 절약한다. 이에 비해 당사의 소프트웨어 기반 기술은 각 개두술 반복을 생성하는 데 약 10-15분이 걸립니다.

전두엽, 두정엽 및 측두엽 두개골 영역과 기타 두개골 특징을 기준으로 임플란트 위치를 식별하는 것은 수술 및 실험 계획에 엄청난 이점을 제공합니다. 이 기능은 챔버 설치 공간과 관련하여 헤드 포스트 설치 공간을 맞춤 설계하는 데 활용됩니다. 모든 NHP 신경 과학 연구에서 이 공간 모델링 기능은 해부학적 평면, MRI 좌표, 뇌 및 두개골의 해부학적 특징, 기존 임플란트와 관련된 구성 요소를 설계하는 데 적용할 수 있습니다. 이렇게 하면 이식 중 또는 이식 후에 예상치 못한 문제가 발생할 가능성이 크게 줄어듭니다. 이 절차는 또한 두개골에 꼭 맞도록 유지하면서 서로 다른 평면에서 여러 뇌 영역에 걸쳐 있는 임플란트를 만들 수 있습니다.

여기서 강조된 방법은 원형 챔버를 만들고 챔버 주위에 헤드포스트를 설계할 수 있도록 합니다. 그러나 여기의 절차는 챔버 스커트 디자인 섹션의 수정을 통해 다른 모양을 수용할 수 있습니다. 헤드포스트 설계도 마찬가지인데, 이 절차를 통해 다양한 수의 다리와 기타 맞춤형 형상을 만들 수 있으며, 형상은 주로 챔버 주변의 사용 가능한 공간에 따라 달라집니다. 현재 챔버 설계의 링인 두개골 STL 축소의 모양은 특정 챔버 또는 헤드포스트 설계의 필요에 맞는 다양한 두개골 STL 축소 모양을 만들기 위해 추가로 수정되어 보다 효율적인 적응을 용이하게 할 수 있습니다.

이 프로세스는 맞춤형 임플란트를 효과적으로 만들지만 보다 효율적인 생산을 위해 개선할 수 있는 단계가 있습니다. 앞서 언급했듯이 헤드포스트의 상단을 두개골에 수직으로 정렬하는 것은 설계 소프트웨어에서 두개골 방향을 식별하기 어렵기 때문에 이 문서에 설명된 방법을 사용하는 반복적인 프로세스입니다. 하단 부분에 헤드포스트 상단을 배치하는 프로세스를 간소화하기 위해 가상 두개골 표현에 추가 마커를 배치하여 축면, 시상면 및 관상면을 나타낼 수 있습니다. 이 프로토콜은 또한 사용 편의성을 높이기 위해 더욱 자동화될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이 프로토콜에서 논의된 두개골 STL 축소 방법은 임플란트 설계에 효과적이지만 추가 자동화를 통해 더 빠르고 일관성 있게 만들 수 있습니다. 검증 절차에는 두개골의 3D 프린팅과 임플란트 프로토타입이 필요하며, 임플란트가 두개골의 곡률과 일치하는지 검증해야 합니다. 이 단계는 뇌, 두개골, 챔버, 헤드포스트 및 인공 경막을 결합하는 가상 3D 시각화 방법을 만들어 잠재적으로 제거할 수 있습니다.

우리의 플랫폼은 개두술 계획 및 맞춤형 임플란트 설계의 완전한 가상 프로세스를 제공합니다. 최종 설계는 3D 프린팅되어 실물 크기의 물리적 모델(35)에서 검증될 수 있다. 기존 방법과 달리 당사의 프로토콜은 비용이 많이 드는 제품 반복이나 CNC 밀링 머신과 같은 고가의 기계에 대한 액세스를 필요로 하지 않습니다 29,34. 기존의 다른 임플란트 설계 방법(9,12,29,30,32,33,40)과 유사하게, 이 방법은 해부학적 구조를 정확하게 묘사하기 위해 이미징 양식에 전적으로 의존합니다. MRI 스캔에 부정확성이 있거나 MRI와 수술 사이에 뇌 또는 두개골 해부학적 구조가 변경되면 임플란트의 효능이 저하될 수 있습니다. 따라서 MRI 획득을 위한 적절한 계획은 임플란트 설계를 최적화하는 데 필수적입니다.

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감사의 글

기술적인 도움과 지원을 아끼지 않은 Toni Haun, Keith Vogel 및 Shawn Fisher에게 감사의 말씀을 전합니다. 이 연구는 워싱턴 대학교 메리 게이츠 기금(R.I.), 국립보건원(NIH 5R01NS116464, T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395(D.J.G., A.Y.), 워싱턴 국립 영장류 연구 센터(WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), 신경기술 센터(EEC-1028725, ZA, D.J.G.) 및 웨일 뉴로허브(Weill Neurohub, Z. I.)의 지원을 받았습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
3D 프린팅 소프트웨어 (Simplify 3D) (유료)Simplify3D버전 4.1사용하여 3D 프린팅에 사용
듀라 제작에 사용, 2-1 / 2 인치 용량, 1-3 / 8 인치 목
Formlabs Form 3 + 3D 프린터FormlabsForm 3 +정확한 3D 인쇄에 사용
MakerGear M2 3D 프린터MakerGearM2 revG3D 프린팅 임플란트 프로토타입에 사용됨
MATLAB (유료)MathWorksR2021b뇌 및 두개골 분리, 가상 개두술 시각화 및 두개골 STL 축소에 사용됨
Phillips Acheiva MRI 시스템Philips4522 991 19391비인간 영장류 이미징에 사용됨
Photopolymer ResinFormlabsFLGPGR04 1L, Grey, Formlabs 프린터로 정밀한 3D 프린팅에 사용됨 
PreForm 인쇄 준비 소프트웨어Formlabs버전 2.17.0Formlabs 프린터를 사용한 3D 프린팅에 사용 
인쇄 필라멘트(PLA)MatterHackers88331PLA 1.75mm 흰색. MakerGear 프린터로 3D 프린팅에 사용
실리콘 CAT-1300Shin-Etsu인공 듀라 제작에 사용
실리콘 KE1300-TShin-Etsu인공 듀라 제작에 사용
SolidWorks(유료)Dassault Systems2020챔버 및 헤드포스트 설계에 사용
Syn.Flex-S MulticoilPhilips45221318123비인간에 사용 영장류 이미징
MakerGear 프린터 C-Clamp Bessey CM22를 인공

참고문헌

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