Artykuł metodologiczny

Zestaw narzędzi do projektowania implantów neuronowych dla naczelnych

2.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66167

⸱

9 lutego 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

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia zautomatyzowane procesy planowania neurochirurgicznego u naczelnych na podstawie skanów rezonansu magnetycznego (MRI). Techniki te wykorzystują etapy proceduralne w programowaniu i projektowaniu platform w celu wspierania niestandardowego projektowania implantów dla NHP. Ważność każdego komponentu można następnie potwierdzić za pomocą trójwymiarowych (3D) wydrukowanych modeli anatomicznych naturalnej wielkości.

Streszczenie

Ten artykuł opisuje autorską metodę modelowania 3D mózgu i czaszki na podstawie rezonansu magnetycznego (MRI) dostosowaną do planowania neurochirurgicznego na naczelnych (NHP). Ta zautomatyzowana, oparta na oprogramowaniu obliczeniowym technika zapewnia skuteczny sposób wyodrębniania cech mózgu i czaszki z plików MRI, w przeciwieństwie do tradycyjnych technik ekstrakcji ręcznej przy użyciu oprogramowania do obrazowania. Co więcej, procedura zapewnia metodę wizualizacji mózgu i czaszki razem w celu intuicyjnego, wirtualnego planowania chirurgicznego. Generuje to drastyczne skrócenie czasu i zasobów w porównaniu z tymi, które były wymagane w poprzednich pracach, które opierały się na iteracyjnym drukowaniu 3D. Proces modelowania czaszki tworzy odcisk stopy, który jest eksportowany do oprogramowania do modelowania w celu zaprojektowania indywidualnie dopasowanych komór czaszkowych i słupków głowy do implantacji chirurgicznej. Indywidualnie dopasowane implanty chirurgiczne minimalizują szczeliny między implantem a czaszką, które mogłyby powodować powikłania, w tym infekcję lub zmniejszoną stabilność. Wdrażając te kroki przedoperacyjne, zmniejsza się liczba powikłań chirurgicznych i eksperymentalnych. Techniki te można zaadaptować do innych procesów chirurgicznych, ułatwiając badaczom i potencjalnie neurochirurgom bardziej efektywne planowanie eksperymentów.

Wprowadzenie

Naczelne (NHP) są nieocenionymi modelami dla translacyjnych badań medycznych, ponieważ są ewolucyjnie i behawioralnie podobne do ludzi. NHP zyskały szczególne znaczenie w badaniach przedklinicznych inżynierii neuronowej, ponieważ ich mózgi są bardzo istotnymi modelami funkcji i dysfunkcji neuronów1,2,3,4,5,6,7,8. Niektóre potężne techniki stymulacji i rejestracji mózgu, takie jak optogenetyka, obrazowanie wapnia i inne, najlepiej sprawdzają się przy bezpośrednim dostępie do mózgu przez okna czaszkowe9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. W NHP okna czaszkowe są często osiągane z komorą i sztuczną oponą twardą, aby chronić mózg i wspierać długoterminowe eksperymenty8,10,12,17,18,24,25,26,27. Podobnie, słupki czołowe często towarzyszą komorom, aby ustabilizować i wyrównać głowę podczas eksperymentów14,15,25,26,28,29,30. Skuteczność tych składników w dużym stopniu zależy od tego, jak dobrze pasują do czaszki. Ściślejsze dopasowanie do czaszki sprzyja integracji kości i zdrowiu czaszki poprzez zmniejszenie prawdopodobieństwa infekcji, martwicy kości i niestabilności implantu31. Konwencjonalne metody projektowania, takie jak ręczne zginanie szpilki podczas operacji25,29 i szacowanie krzywizny czaszki poprzez dopasowanie okręgów do wycinków koronalnych i strzałkowych skanów rezonansu magnetycznego (MR)9,12 mogą powodować komplikacje z powodu niedokładności. Nawet najbardziej precyzyjne z nich tworzą 1-2 mm szczeliny między implantem a czaszką, zapewniając przestrzeń do gromadzenia się ziarniny29. Luki te dodatkowo utrudniają umieszczanie w chirurgii9, zagrażając stabilności implantu. Niedawno opracowano niestandardowe implanty w celu poprawy osteointegracji i trwałości implantu9,29,30,32. Postępom w projektowaniu implantów na zamówienie towarzyszyły dodatkowe koszty ze względu na zależność od modeli obliczeniowych. Najdokładniejsze metody wymagają zaawansowanego sprzętu, takiego jak tomografy komputerowe (CT) oprócz maszyn do obrazowania MR (MRI) 30,32,33, a nawet frezarki sterowane numerycznie (CNC) do opracowywania prototypów implantów25,29,32,34. Uzyskanie dostępu zarówno do rezonansu magnetycznego, jak i tomografii komputerowej, szczególnie w przypadku NHP, może być niewykonalne dla laboratoriów potrzebujących indywidualnie dopasowanych implantów, takich jak komory czaszkowe i słupki głowy.

W rezultacie, istnieje zapotrzebowanie na niedrogie, dokładne i nieinwazyjne techniki planowania neurochirurgicznego i eksperymentalnego, które ułatwiają projektowanie i walidację implantów przed ich użyciem. W artykule opisano metodę generowania wirtualnych reprezentacji 3D mózgu i czaszki na podstawie danych MR w celu planowania lokalizacji kraniotomii oraz projektowania niestandardowych komór czaszkowych i słupków głowy, które pasują do czaszki. Ta uproszczona procedura zapewnia ustandaryzowany projekt, który może przynieść korzyści wynikom eksperymentalnym i dobrostanowi badanych zwierząt. Do tego modelowania wymagany jest tylko rezonans magnetyczny, ponieważ zarówno kość, jak i tkanka miękka są przedstawiane w rezonansie magnetycznym. Zamiast korzystać z frezarki CNC, modele można niedrogo drukować w 3D, nawet jeśli wymagane jest wiele iteracji. Pozwala to również na wydrukowanie końcowego projektu w 3D w biokompatybilnych metalach, takich jak tytan do implantacji. Dodatkowo opisujemy wytwarzanie sztucznej opony twardej, która po implantacji jest umieszczana w komorze czaszki. Komponenty te można zweryfikować przed operacją, dopasowując wszystkie części do naturalnej wielkości, wydrukowanego w 3D modelu czaszki i mózgu.

Protokół

Wszystkie procedury dotyczące zwierząt zostały zatwierdzone przez Komitet Instytutu Opieki i Użytkowania Zwierząt na Uniwersytecie Waszyngtońskim. W badaniu wykorzystano łącznie cztery dorosłe samce makaków rezusów (Macaca mulatta). W momencie akwizycji MRI małpa H miała 7 lat, małpa L 6 lat, małpa C 8,5 roku, a małpa B 5,5 roku. Małpom H i L wszczepiono specjalne chroniczne komory w wieku 9 lat.

1. Izolacja czaszki i mózgu (Rysunek 1)

  1. Uzyskaj plik T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE) czaszki i mózgu za pomocą maszyny do rezonansu magnetycznego 3T. Użyj następujących parametrów do akwizycji MRI35: kąt odwrócenia = 8°, czas powtórzenia/czas echa = 7,5/3,69 s, rozmiar matrycy = 432 x 432 x 80, czas akwizycji = 103,7 s, Multicoil, grubość warstwy = 1 mm, liczba średnich = 1.
  2. Pobierz folder oznaczony jako supplemental_code (Supplemental Coding File 1). Ten folder powinien zawierać następujące pliki: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37.
  3. Dodaj plik MRI do folderu supplemental_code. W oprogramowaniu obliczeniowym wybierz folder supplemental_code jako ścieżkę do pliku i uruchom polecenie brain_extract.m.
  4. Poniższe kroki przedstawiają półautomatyczną metodę izolacji czaszki i mózgu przy użyciu MATLAB (Rysunek 1), który został zagregowany z poprzednich technik ekstrakcji35. W oknie poleceń pojawi się pytanie o parametry potrzebne do izolacji mózgu i czaszki oraz wizualizacji kraniotomii. Po wprowadzeniu każdej odpowiedzi w oknie poleceń kliknij Enter.
    1. W oknie poleceń najpierw pojawi się monit o nazwę pliku MPRAGE. Wpisz nazwę pliku (np. MRIFile.dcm) i potwierdź, że rezonans magnetyczny jest prawidłowo wyświetlany (Rysunek 1A).
    2. Aby wyizolować czaszkę (Rysunek 1B - D), postępuj zgodnie ze szczegółowymi krokami opisanymi w oknie poleceń. Zidentyfikuj odpowiednią wartość progową, która oddziela czaszkę od otaczającej tkanki bez eliminowania materii czaszki (rysunek uzupełniający 1A). Potwierdź wartość progową, naciskając (y).
    3. Podobną technikę stosuje się do izolowania mózgu (Rysunek 1E - G). Po wyświetleniu monitu w oknie poleceń wprowadź próg dla mózgu. Oceń liczbę, która się pojawi i w razie potrzeby dostosuj próg. Upewnij się, że mózg jest odizolowany od czaszki i otaczającej tkanki i że żadna tkanka mózgowa nie jest usuwana w tym procesie. Potwierdź wartość progową, naciskając (y).
    4. Przejdź do interesującej Cię sekcji.

2. Planowanie lokalizacji kraniotomii (Rysunek 2)

  1. Po wyjęciu mózgu i czaszki wprowadź współrzędne kraniotomii. Jeśli współrzędne nie są jeszcze znane, wskaż (n) dla no, a zostanie wyświetlony rysunek (Uzupełniający Rysunek 1B). Określ współrzędne kraniotomii, wybierając ramkę z (płaszczyznę koronalną) i wybierając punkt na wybranej ramce z jako środek kraniotomii.
    1. Jeśli współrzędne są znane, wskaż je odpowiednimi wartościami x (strzałkowy), y (osiowy) i z (koronalny).
  2. Wprowadź promień kraniotomii w milimetrach (np. 10 mm) i nie wybieraj promienia zewnętrznego.
  3. Określ, czy podziałka liniowa jest potrzebna dla obrazów czaszki i mózgu. Paski skali pomagają potwierdzić, że wymiary modeli są poprawne.
  4. Zapisz pliki mózgu i czaszki jako STL do druku 3D w razie potrzeby (Rysunek 1D, G).
  5. Następnie zostanie wyświetlona postać z mózgiem i czaszką zmasakrowaną w krationomii. Można to wykorzystać do weryfikacji dostępu do docelowych obszarów mózgu. Mózg jest reprezentowany na niebiesko, a czaszka na jasnoszarym (Ryc. 2B, E).
  6. Wybierz (n), aby zakończyć zmniejszanie rozmiaru SLT, która jest funkcją, która będzie używana w przyszłych krokach (patrz poniżej).
  7. Powtórz sekcje 1 i 2 dla każdej iteracji kraniotomii.

3. Konstrukcja komory czaszkowej (Rysunek 3)

  1. Przed przystąpieniem do projektowania komory należy potwierdzić lokalizację kraniotomii i promień kraniotomii, korzystając z procedury planowania lokalizacji kraniotomii.
  2. Po zakończeniu izolacji czaszki i mózgu, kolejnym krokiem będzie wprowadzenie ostatecznych współrzędnych środka kraniotomii. Wprowadź wartości x (strzałkowe), y (osiowe) i z (koronalne).
  3. W oknie poleceń pojawi się następnie monit o wprowadzenie wewnętrznego i zewnętrznego promienia, które określają obszar czaszki do pracy przy projektowaniu komory. Należy wybrać promień wewnętrzny mniejszy niż rzeczywisty promień kraniotomii (np. 5 mm w przypadku promienia kraniotomii 10,0 mm) i drugi promień zewnętrzny większy niż planowany promień fartucha komory (np. 26 mm w przypadku fartucha komory, który będzie miał promień 22 mm). Zapewni to strukturę czaszki w kształcie pierścienia jako podstawę dla komory, na której zostanie zbudowana komora.
    UWAGA: Do zaprojektowania komory o promieniu kraniotomii 10 mm wybrano promień wewnętrzny 5 mm. Zapewnia to dokładne odwzorowanie czaszki na krawędzi kraniotomii przy zachowaniu na tyle małego koła, że środek kraniotomii można łatwo zidentyfikować, gdy reprezentacja czaszki jest eksportowana do oprogramowania do projektowania. Zewnętrzny promień 26 mm został wydobyty dla komory o promieniu 22 mm, aby zapewnić dodatkową powierzchnię czaszki. Wymiary komory zostały opracowane z ograniczeniami wynikającymi z potrzeb eksperymentu. Promienie używane na tym etapie będą określane przez rozmiar kraniotomii i rozmiar spódnicy komory, który zależy od rozmiarów i dostępnej przestrzeni na czaszce.
  4. Wskaż, czy podziałka liniowa jest potrzebna w przypadku obrazów czaszki i mózgu.
  5. W razie potrzeby zapisz pliki mózgu i czaszki.
  6. Pojawi się rysunek z mózgiem (w kolorze niebieskim) i obszarem czaszki (w kolorze szarym), który został wybrany (Rysunek 3A). Następnie należy zastosować redukcję rozmiaru STL do wybranego obszaru czaszki, aby ułatwić obsługę pliku w oprogramowaniu do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD).
  7. Wybierz (y), aby rozpocząć zmniejszanie rozmiaru STL. Zmniejszenie rozmiaru spowoduje utworzenie pliku STL o zmniejszonym rozmiarze pliku, który można łatwo zaimportować do oprogramowania CAD w celu zaprojektowania niestandardowego sprzętu.
  8. Korzystając z rysunku z nałożonym mózgiem i czaszką (Rysunek 3A), użyj myszki, aby wybrać punkty na powierzchni czaszki, które mają zostać użyte do redukcji pliku. Przytrzymaj wciśnięty Shift, aby umieścić więcej niż jeden punkt.
    1. Umieść punkty, aby pokryć obszar zainteresowania, którym w tym przypadku jest wybrany obszar czaszki. Umieść punkty jak najbliżej siebie, aby zapewnić bardziej precyzyjne i dokładne odwzorowanie czaszki (rysunek uzupełniający 2). Niektórzy użytkownicy mogą preferować wybranie ~20 punktów krytycznych i wykonanie reszty projektu komory jako praktykę przed wybraniem wszystkich interesujących punktów dla produktu końcowego.
    2. Podczas wybierania punktów najlepiej jest umieścić jak najwięcej punktów w wybranym regionie. Ogólnie rzecz biorąc, ~200 punktów dobrze reprezentuje krzywiznę czaszki. Umieść więcej punktów wokół krawędzi zaznaczonego obszaru, aby podkreślić granicę między mózgiem a czaszką.
      UWAGA: Unikaj klikania przycisku Enter przed zakończeniem umieszczania punktów w regionie, ponieważ spowoduje to przedwczesny postęp kodu, a proces wyboru punktów będzie musiał zostać powtórzony.
  9. Naciśnij Enter po zakończeniu umieszczania punktów na wybranej czaszce. Wpisz skróconą nazwę pliku w oknie poleceń.
  10. Zaimportuj plik do oprogramowania CAD w celu zaprojektowania niestandardowej studzienki. Zacznij od otwarcia oprogramowania CAD.
  11. Kliknij Plik > Otwórz i wybierz nazwę pliku redukcji STL z katalogu.
    1. Przed kliknięciem przycisku Otwórz kliknij przycisk Opcje, a następnie w menu Importuj jako kliknij opcję Ciało powierzchniowe. Kliknij przycisk OK, a następnie przycisk Otwórz.
  12. Po zaimportowaniu pliku STL sprawdź, czy na powierzchni nie ma małych, oznaczonych niebieskimi liniami. Jeśli w obszarze czaszki, który zostanie zakryty przez komorę (rysunek uzupełniający 3), należy wykonać procedurę mocowania otworów (sekcja 6) w kroku 3.19.1.
  13. Zobacz powierzchnię czaszki dla komory w oprogramowaniu CAD, jak w Rysunek 3B. Upewnij się, że krawędzie zaznaczonego obszaru są widoczne w reprezentacji czaszki.
  14. Znajdź kontur wewnętrznego okręgu w środku importowanej powierzchni, aby zlokalizować środek kraniotomii. Utwórz płaszczyznę wyrównaną z wewnętrznym okręgiem, klikając Wstaw > geometrii odniesienia > płaszczyzny. Użyj trzech punktów równomiernie rozmieszczonych na obwodzie wewnętrznego okręgu jako punktów odniesienia dla płaszczyzny.
  15. Utwórz okrąg odpowiadający wewnętrznemu okręgowi, klikając ikonę okręgu na karcie Szkic. Wybierz płaszczyznę z poprzedniego kroku jako płaszczyznę odniesienia i zidentyfikuj punkty wzdłuż krawędzi, aż podgląd okręgu zapewni dokładne odwzorowanie wewnętrznego konturu okręgu. Może być konieczne przetestowanie kilku różnych kombinacji punktów, aby znaleźć te, które najlepiej pasują do wewnętrznego okręgu.
  16. Mając okrąg jako odniesienie, utwórz punkt w środku okręgu, klikając opcję Wstaw > geometrii odniesienia > Punkt i użyj opcji Środek łuku. Ten punkt reprezentuje środek kraniotomii.
  17. Jako płaszczyznę odniesienia dla przyszłych wyciągnięć należy utworzyć drugą płaszczyznę równoległą do płaszczyzny początkowej i przesuniętą o 10 mm. Wybierając kierunek przesunięcia, upewnij się, że strzałka jest skierowana w górę od obiektu.
  18. Tworzenie wewnętrznego pierścienia komory (Rysunek 3C)
    1. Utwórz oś, która rozciąga się prostopadle zarówno przez płaszczyznę kraniotomii, jak i górną płaszczyznę, klikając Wstaw > geometrii odniesienia > osi, podświetlając opcję Punkt i Ściana/płaszczyzna, a następnie używając górnej płaszczyzny i punktu środkowego kraniotomii jako odniesień. Zrób kolejny punkt na przecięciu tej osi i górnej płaszczyzny.
    2. Wybierz Wyciągnięcie dodania/podstawy i górną płaszczyznę jako powierzchnię, z której ma zostać wyciągnięte. Wykonaj szkic przekroju poprzecznego pierścienia wewnętrznego, tworząc dwa koncentryczne okręgi, w których punktem środkowym jest punkt na górnej płaszczyźnie (np. promienie 11,35 mm i 12,25 mm). Wybierz opcję Do powierzchni w menu kierunku i określ importowaną powierzchnię jako powierzchnię, do której ma zostać wyciągnięte.
    3. Skopiuj zaimportowaną powierzchnię, wybierając opcję Wstaw > powierzchni > Przesuń/Kopiuj i podnieś skopiowaną powierzchnię do wysokości pierścienia wewnętrznego i spódnicy (np. 3,5 mm). Użyj opcji Przekształć w menu Przesuń/Kopiuj i przesuń powierzchnię wzdłuż osi prostopadłej do obu płaszczyzn.
    4. Wykonaj okrągłe wyciągnięcie proste od górnej płaszczyzny do kopiowanej powierzchni. Zacznij od kliknięcia opcji Wyciągnięcie proste i wybrania górnej powierzchni pierścienia wewnętrznego jako punktu początkowego wyciągniętego cięcia. Zakończ wyciągnięcie, wybierając skopiowaną powierzchnię jako punkt końcowy.
    5. Usuń oryginalną zaimportowaną powierzchnię za pomocą narzędzia Wstaw > elementy > Usuń/Zachowaj bryłę. Za pomocą narzędzia Ukryj/Pokaż na karcie Widok skopiowaną powierzchnię można ukryć, aby wyświetlić pierścień wewnętrzny i sprawdzić poprawność jego projektu.
  19. Tworzenie spódnicy komory (Rysunek 3D)
    1. Drugą skopiowaną powierzchnię należy wykonać z przesunięciem niższym niż istniejąca powierzchnia o grubość fartucha komory (np. -1,5 mm). Z menu Przekształć wybierz oś prostopadłą do płaszczyzn jako punkt odniesienia oraz wartość odsunięcia, aby utworzyć nową powierzchnię poniżej początkowej.
      UWAGA: W zależności od domyślnego kierunku odsunięcia, może być konieczne ustawienie wartości odsunięcia jako ujemnej, aby można było poruszać się we właściwym kierunku.
      1. Jeśli w obszarze, który komora będzie zakrywać, znajdują się otwory, wykonaj czynności opisane w sekcji 6 (Mocowanie otworów) przed kontynuowaniem pozostałej części procedury projektowania komory.
    2. Wykonaj ekstruzję od górnej płaszczyzny do dolnej powierzchni w kształcie komory. Zacznij od wybrania opcji Wyciągnięcie dodania/podstawy i wybrania górnej płaszczyzny jako płaszczyzny wyciągnięcia.
      1. Postępuj zgodnie z krokiem 6.2, aby poradzić sobie z istniejącymi profilami z procedury mocowania otworu.
    3. Naszkicuj kształt fartucha komory na tej płaszczyźnie. Spraw, aby wewnętrzny okrąg komory był okręgiem o tym samym rozmiarze, co mniejszy promień pierścienia wewnętrznego (np. 11,35 mm), wyśrodkuj go wokół punktu na górnej płaszczyźnie i utwórz zewnętrzną granicę fartucha komory, używając kombinacji łuków i linii, aby zmaksymalizować powierzchnię spódnicy. Wyciągnięcie do dolnej z dwóch powierzchni.
      UWAGA: Jeśli wystąpi błąd podczas wyciągania, prawdopodobnie szkic jest szerszy niż powierzchnia. W takim przypadku należy zmniejszyć rozmiar zewnętrznej obwiedni spódnicy.
    4. Wyciągnięcie proste wycięte od górnej płaszczyzny do wyższej z dwóch kopiowanych powierzchni w kształcie obrysu komory.
      1. Zobacz krok 6.2, aby uzyskać dodatkowe informacje na temat profili pozostałych po procedurze mocowania otworów.
    5. Aby odsłonić osłonę komory i pierścień wewnętrzny, usuń obie pozostałe kopie zaimportowanej powierzchni. Wynikowy obiekt powinien wyglądać podobnie do tego w Rysunek 3D.
    6. Podczas procesu dokonywania redukcji STL i jej importu, model czaszki jest odbijany w lustrzanym odbiciu. Aby to zrekompensować, powstała spódnica musi być odbita w lustrze. W menu Funkcje kliknij opcję Lustro i odbij spódnicę w poprzek górnej płaszczyzny. Usuń oryginalną spódnicę za pomocą funkcji Usuń/Zachowaj ciało.
  20. Łączenie górnej części komory i spódnicy (Rysunek 3E)
    1. Otwórz plik STL górnej części komory w oprogramowaniu użytym do zaprojektowania fartucha komory. Następnie wstaw spódnicę komory jako część, klikając Wstaw > części, wybierając niestandardową osłonę w menu i klikając w dowolnym miejscu na ekranie, aby zaimportować część.
    2. Aby wyrównać górną część komory i listwę dolną, kliknij przycisk Wstaw elementy > > Przesuń/Kopiuj. Zaznacz spódnicę komory i kliknij przycisk Ograniczenia u dołu menu. Podświetlić wewnętrzny pierścień fartucha i wewnętrzną powierzchnię górnej części komory jako wiązania koncentryczne (Rysunek uzupełniający 4A).
      1. Upewnij się, że górna część fartucha jest wyrównana z dolną częścią górnej części komory i w razie potrzeby zmień kierunek wyrównania partnera.
    3. Użyj opcji Przesuń/Kopiuj, aby przesunąć spódnicę w dół, bezpośrednio pod górną częścią komory. Będzie to wymagało wielu iteracji, aby znaleźć właściwą odległość, tak aby górna część komory nie wystawała poniżej spódnicy komory i nie zasłaniała spódnicy (rysunek uzupełniający 4B i rysunek uzupełniający 5).
    4. Obróć górną część komory, aby wyrównać przerwy między zakładkami tak, aby jedna była prostopadła, a druga równoległa do linii środkowej mózgu. Użyj narzędzia Obrót i istniejącej osi w środku obiektu jako osi obrotu. Dostosuj stopnie obrotu, aż górna część komory i osłona znajdą się we właściwej orientacji względem siebie.
    5. Połącz ze sobą obiekty, wyciskając od dołu górnej części komory bezpośrednio w dół w kierunku spódnicy. Użyj wyciągnięcia dodania/podstawy, wybierz dolną powierzchnię górnej części komory i utwórz szkic na tej powierzchni o tych samych promieniach wewnętrznych i zewnętrznych co ten pierścień, używając osi środkowej jako punktu środkowego. Wybierz Do Korpusu jako kierunek wytłaczania i wskaż fartuch komory.
    6. Wykonaj wytłaczane cięcie od powierzchni górnej części komory, w której znajdują się zaczepy. Po wybraniu tej powierzchni jako płaszczyzny wyciągnięcia naszkicuj okrąg o tym samym promieniu wewnętrznym co pierścień wewnętrzny. Wyjdź ze szkicu i wykonaj wytłoczone cięcie na ślepo, które wykracza poza dolną część spódnicy komory (np. 10 mm).
    7. Dodaj dwanaście otworów na równomiernie rozmieszczonych wokół osłony komory. Umieść otwory na tak, aby były rozmieszczone równomiernie, ale także na tyle daleko od siebie, aby były dostępne podczas operacji, ale wystarczająco blisko, aby uniknąć niepotrzebnie dużej powierzchni komory.
    8. Użyj narzędzia Kreator otworów do umieszczania otworów na. Wybierz parametry z menu Specyfikacja otworu - Typ. Parametry powinny być zgodne ze, które będą używane podczas implantacji chirurgicznej (np. Standard: ANSI metryczny, Typ: Śruba z płaskim - ANSI B18.6.7M, Rozmiar: M2, Dopasowanie: Luźne, Minimalna średnica: 3,20 mm, Maksymalna średnica: 4,00 mm, Kąt stożka: 90 stopni, Stan końcowy: Przez wszystko).
    9. Kliknij kartę Pozycje, aby rozpocząć umieszczanie otworów. Aby umieścić otwór, najedź kursorem na płaszczyznę komory i kliknij prawym przyciskiem myszy. Umieść wszystkie dwanaście otworów na, upewniając się, że są równomiernie rozmieszczone i dostępne.
    10. Jeśli przeszkody pozostają w otworze na po jego umieszczeniu (Rysunek uzupełniający 6A), wybierz inną płaszczyznę, na której chcesz umieścić otwór, lub wykonaj następujące czynności, aby wykonać wytłaczane w górę cięcie przez otwór.
      1. Rozpocznij wyciągnięcie w górę, tworząc płaszczyznę równoległą do pozostałej płaszczyzny, ale przesuniętą w dół o 0,00001 mm, tak aby płaszczyzna znajdowała się bezpośrednio pod przeszkodą.
      2. Wykonaj wyciągnięte cięcie z płaszczyzną utworzoną w ostatnim kroku jako odniesieniem. Używając kombinacji łuków i linii, naszkicuj kształt obszaru, który ma zostać usunięty. Upewnij się, że szkic zawiera dowolną część płaszczyzny, która znajduje się wewnątrz zewnętrznego promienia otworu na (Rysunek uzupełniający 6B). Wytnij cięcie 1 mm w górę.
    11. Po umieszczeniu otworów na przytnij spódnicę, aby zredukować ostre krawędzie i zminimalizować niepotrzebną powierzchnię spódnicy. Wykonaj wytłaczanie od górnej powierzchni komory w dół za osłoną komory (np. 30 mm). Wykonaj wytłoczenie w kształcie, który wygładzi wszelkie szorstkie krawędzie i przytnie zewnętrzny obszar spódnicy.
      1. Mogą być konieczne dodatkowe niestandardowe cięcia, aby usunąć wszystkie ostre krawędzie i nadmiar spódnicy. Jeśli obszary spódnicy nie mogą być wycięte przy użyciu górnej powierzchni komory jako płaszczyzny odniesienia, utwórz płaszczyznę kątową i utwórz dodatkowe wyciągnięte cięcia przy użyciu tej płaszczyzny.
    12. Zobacz Rysunek 3F, aby zobaczyć ostateczną reprezentację projektu komory. Ten projekt można wydrukować w 3D i umieścić na modelu mózgu i czaszki kraniotomii, jeśli jest to pożądane (Rysunek 3G).

4. Projekt słupka czołowego (Rysunek 4)

  1. Należy pamiętać, że do projektu słupka głównego wymagane będzie ostateczne umiejscowienie środka kraniotomii i maksymalna powierzchnia spódnicy komory.
  2. Wprowadź znane współrzędne kraniotomii (wartości x, y i z) do okna poleceń.
  3. W przypadku konstrukcji słupka czołowego wymagany jest tylko jeden promień, aby reprezentować obszar na czaszce, który jest dostępny wokół komory. Na tym etapie należy wprowadzić maksymalny promień studzienki, który został zaprojektowany w poprzedniej sekcji (np. 25 mm). Następnie wskaż, że promień zewnętrzny nie jest potrzebny.
  4. Użyj okna poleceń, aby określić, czy podziałka liniowa jest potrzebna do potwierdzenia wymiarów.
  5. Podobnie jak w poprzednich sekcjach, zapisz pliki STL mózgu i czaszki, jeśli jest to potrzebne do drukowania 3D.
    Następna figura, która zostanie wyświetlona, pokaże obszar czaszki, który otacza komorę w celu utworzenia odcisku stopy słupka głównego. Wyodrębnij ten obszar za pomocą zmniejszenia rozmiaru STL, aby zaimportować go do oprogramowania do projektowania.
  6. Wybierz (y), aby wskazać, że pożądane jest zmniejszenie rozmiaru STL. Zaznacz punkty na rysunku z mózgiem (w kolorze niebieskim) i czaszką (w kolorze szarym) nałożonymi na siebie. Upewnij się, że punkty są wybrane jak najbliżej siebie i równomiernie rozmieszczone w szarym obszarze czaszki (rysunek uzupełniający 7A). Aby uzyskać więcej informacji na temat procesu wyboru punktów, zapoznaj się z krokiem 3.8.
  7. Naciśnij Enter po zakończeniu wyboru punktu, aby zakryć szary obszar czaszki, w którym będzie znajdował się słupek główny. Wskaż nazwę pobranego zredukowanego pliku w oknie polecenia.
  8. Zaimportuj zredukowany plik do oprogramowania CAD, aby zaprojektować niestandardowy ślad słupka głównego. Upewnij się, że plik jest importowany jako obiekt powierzchniowy.
  9. Po zaimportowaniu pliku sprawdź, czy w powierzchni nie ma oznaczonych niebieskimi liniami. Jeśli w ogólnym obszarze, który zakryje słupek główny, znajdują się otwory, procedurę mocowania otworów (sekcja 6) należy wykonać w kroku 4.11.
  10. Pierwszym krokiem projektowania sztycy jest znalezienie płaszczyzny na powierzchni, która wyrównuje się z płaszczyzną osiową, tak aby po połączeniu górnej i dolnej części słupka górna część sztycy była prostopadła do czaszki (rysunek uzupełniający 7B, C). Jeśli na powierzchni czaszki nie można znaleźć płaszczyzny, która jest bezpośrednio wyrównana z płaszczyzną osiową, utwórz nową płaszczyznę, używając istniejącej płaszczyzny na powierzchni i obracając ją, aby prawidłowo ją wyrównać. Pomocne jest posiadanie fizycznego modelu czaszki 3D, który można wykorzystać do porównania z wirtualną reprezentacją czaszki.
    1. Ten krok może wymagać kilkukrotnej modyfikacji, aby stworzyć górną część słupka, która jest bezpośrednio prostopadła do czaszki. Aby zmienić kąt nachylenia górnej części słupka w stosunku do obrysu słupka głównego, zmodyfikuj płaszczyznę użytą w tym kroku. Może być konieczne przetestowanie kilku płaszczyzn, aby znaleźć taką, która jest równoległa do płaszczyzny osiowej.
  11. Użyj płaszczyzny znalezionej lub utworzonej w poprzednim kroku, aby utworzyć równoległą płaszczyznę znajdującą się 3 mm nad powierzchnią, która będzie stanowić odniesienie dla orientacji górnej części słupka.
    1. Zakończ procedurę mocowania otworów opisaną w rozdziale 6 z przerwami powstającymi w obszarze słupka głównego.
  12. Tworzenie dna słupka czołowego (Rysunek 4C)
    1. Kliknij Wyciągnięcie dodanie/podstawę, wybierz nową płaszczyznę i utwórz szkic obrysu słupka głównego, używając kombinacji łuków i linii. Nogi sztyftu powinny mieć podobną długość, a kąty między nimi powinny być zgodne (patrz przykład w Rysunek 4A). Użyj łuków, aby połączyć ramiona słupka, aby zapewnić gładkie krawędzie wokół obrysu i wyciągnąć szkic do zaimportowanej powierzchni.
      UWAGA: Liczba nóg słupka górnego będzie zależeć od dostępnej przestrzeni wokół komory. Słupek czołowy powinien jednak mieć minimum trzy nogi, aby zapewnić odpowiednią stabilność mechaniczną.
      1. Zobacz krok 6.2, aby uzyskać instrukcje dotyczące rysowania istniejących profili z procedury mocowania otworu.
    2. W tym momencie dolna powierzchnia słupka głównego jest dostępna w celu potwierdzenia, że powierzchnia pasuje do krzywizny czaszki. Jeśli chcesz wydrukować 3D w celu sprawdzenia dopasowania, wykonaj następujące cztery kroki.
      1. Usuń zaimportowany obiekt powierzchniowy. Odbić footprint w poprzek płaszczyzny utworzonej w kroku 4.10. W menu Lustro upewnij się, że pole Scal bryły nie jest zaznaczone.
      2. Aby sprawdzić, czy footprint pasuje do krzywizny czaszki, użyj opcji Usuń/Zachowaj ciało, aby usunąć oryginalny ślad, pozostawiając tylko lustrzaną wersję.
      3. Wydrukuj obiekt w 3D jako STL i umieść go na modelu czaszki 3D, aby fizycznie sprawdzić, czy pasuje do krzywizny czaszki.
      4. Aby kontynuować projektowanie słupka głównego, użyj strzałki Cofnij u góry paska narzędzi, aby cofnąć poprzednie dwa kroki (odbicie lustrzane i usunięcie). Powinno to przywrócić oryginalny ślad i powierzchnię ciała.
    3. Utwórz punkt w środku płaskiej powierzchni na footprintzie. Utwórz oś, korzystając z tego punktu i górnej płaszczyzny odniesienia.
    4. Kliknij narzędzie Przesuń/Kopiuj i utwórz kopię importowanej powierzchni podniesionej do grubości dolnej części słupka (np. 1,35 mm). Użyj osi utworzonej w tym kroku jako odniesienia translacyjnego i sprawdź, czy pole Kopiuj jest zaznaczone, aby zapobiec modyfikowaniu oryginalnej powierzchni.
    5. Wykonaj wyciągnięcie proste od płaskiej powierzchni obrysu słupka górnego do skopiowanej (podniesionej) powierzchni. Usuń oryginalną powierzchnię i jej kopię. Wynikową część można zobaczyć w Rysunek 4B.
      1. Wykonaj krok 6.3 dla istniejących profili z procedury mocowania otworu.
    6. Utwórz nową płaszczyznę równoległą do płaszczyzny odniesienia, ale przesuniętą w górę lub w dół, aby zawisnąć co najmniej 1 mm nad dnem słupka. Aby określić długość tłumaczenia, użyj narzędzia Zmierz na karcie Oceń. Wykonaj okrągłe wytłoczenie od nowej płaszczyzny do dna słupka głównego, aby utworzyć platformę, na której będzie znajdować się podstawa górnej części słupka i upewnij się, że platforma jest wyśrodkowana wokół linii środkowej czaszki.
    7. Użyj narzędzia Zaokrąglenie w menu Funkcje, aby wygładzić przecięcie między wyciągnięciem a obrysem słupka głównego. Przetestuj różne wartości promieni za pomocą parametru Asymetryczny i wybierz największe możliwe wartości promieni.
    8. W tym momencie sprawdź położenie górnej platformy słupka, drukując 3D aktualną wersję i testując ją na modelu czaszki.
    9. Umieść otwory na wzdłuż dna sztycy, stosując tę samą technikę, która została użyta do otworów na komory (krok 3.20.7). Dodaj co najmniej trzy otwory na na każdej nodze słupka. Upewnij się, że punkt środkowy każdego otworu na znajduje się co najmniej 5 mm od środka następnego otworu, a krawędzie każdego otworu są oddalone od krawędzi nogi co najmniej 2.5 mm.
      1. Aby uniknąć naczyń krwionośnych biegnących pod czaszką i w pobliżu linii środkowej, upewnij się, że otwory na nie przecinają linii środkowej i przesuń je w razie potrzeby. Produkt powinien wyglądać podobnie do projektu w Rysunek 4C.
    10. Odbij część za pomocą narzędzia Lustro, aby skompensować odbicie lustrzane, które występuje podczas importowania powierzchni czaszki. Użyj górnej części okrągłej podstawy jako płaszczyzny lustra.
    11. Usuń oryginalną część za pomocą funkcji Usuń/Zachowaj bryłę, aby pozostała tylko wersja lustrzana.
  13. Łączenie górnej i dolnej części słupka (Rysunek 4D)
    1. Zaimportuj górną część słupka jako część z menu Wstaw. Po podświetleniu części w menu kliknij w dowolnym miejscu na ekranie, aby dodać część.
    2. Korzystając z funkcji Move/Copy, wyrównaj górną i dolną część słupka głównego. Zacznij od określenia górnej części słupka jako korpusu do przesunięcia. Następnie należy wykonać następujące trzy wiązania w menu Ograniczenia:
      1. Upewnij się, że górna powierzchnia okrągłej platformy słupka głównego i dolna powierzchnia górnej części słupka górnego pasują do siebie przypadkowo.
      2. Upewnij się, że zarysowane krawędzie powierzchni w ostatniej parze wiązań są połączone koncentrycznie.
      3. Połączyć linię biegnącą pionowo wzdłuż tylnej nogi słupka czołowego i linię biegnącą poziomo wzdłuż grzbietu górnej części słupka (płaska strona) prostopadle. Upewnij się, że zakrzywiona powierzchnia górnej części jest skierowana do przodu (do przodu), a płaska powierzchnia jest skierowana bliżej tylnej nogi słupka czołowego (do tyłu).
      4. Upewnij się, że każde połączenie jest we właściwym kierunku i w razie potrzeby zmień kierunki łączenia w menu (patrz Rysunek Uzupełniający 8 dla przykładu wiązań).
        UWAGA: Procedura łączenia niestandardowej górnej części sztycy i góry wykorzystuje ogólną górę sztycy, która została zaprojektowana przy użyciu oprogramowania CAD. W tym przypadku górna część została zaprojektowana w oparciu o słupek czołowy instrumentu Crist. Opisana powyżej procedura łączenia jest specyficzna dla tych części i może być konieczna regulacja, jeśli używane są różne współpracujące części.
    3. Upewnij się, że połączona górna i dolna część słupka wygląda następującoRysunek 4D.
      1. Jeśli górna część słupka nie jest prawidłowo wyrównana, zmodyfikuj płaszczyznę odniesienia użytą w kroku 4.11.

5. Sztuczna produkcja opony twardej 11 (Rysunek 5)

  1. Uzyskaj sztuczną formę opony twardej (Rysunek 5B).
  2. Stwórz sztuczną mieszankę silikonu twardego, mieszając silikon KE1300-T i CAT-1300 w stosunku 10:1.
  3. Wlej 1 ml mieszanki na górną powierzchnię cylindra w środku formy.
  4. Aby zapobiec powstawaniu pęcherzyków powietrza, umieść formę w komorze próżniowej na około 15 minut.
  5. Dodaj drugą warstwę formy, używając słupków po obu stronach cylindra, aby poprowadzić wyrównanie elementu.
  6. Wlej 3-4 ml mieszanki silikonu do formy i umieść przezroczysty kawałek akrylu na wierzchu formy (Rysunek 5A). Użyj zacisku C, aby zacisnąć formę razem.
  7. Sprawdź, czy w okienku optycznym nie ma pęcherzyków powietrza i w razie potrzeby usuń je za pomocą komory próżniowej.
  8. Powstałą strukturę utwardź przez noc w temperaturze pokojowej. Resztki pęcherzyków powietrza są usuwane pod wpływem ciśnienia wytworzonego, gdy forma zostaje zaciśnięta przed utwardzeniem.
  9. Zdemontuj po utwardzeniu, usuwając każdą część formującą i ostrożnie usuwając oponę silikonową.

6. Procedura mocowania otworów

  1. Wykonaj procedurę mocowania otworów, jeśli znaleziono otwory w reprezentacji czaszki (oznaczone niebieskimi liniami w oprogramowaniu CAD). Poniższe kroki należy wykonać po utworzeniu dolnych powierzchni (powierzchni, które zakończą wyciągnięcia). W przypadku komory należy wykonać krok 3.19. W przypadku słupka głównego rozpocznij tę procedurę po wykonaniu kroku 4.12.
    1. Ukryj wszystkie powierzchnie lub wyciągnięcia poza dolną powierzchnią, aby dolna powierzchnia mogła być wizualizowana niezależnie.
    2. Użyj opcji Wstaw > powierzchnię > Planar, aby utworzyć powierzchnię płaską na każdej ścianie, która styka się z szczeliną, a także nad szczeliną, jeśli ma to zastosowanie. Aby określić powierzchnię, należy wybrać każdą krawędź jako element ograniczający.
    3. Powierzchnie płaskie należy wykonować, aż każda szczelina zostanie otoczona, w tym narożniki odstępów i krawędzie linii.
    4. Kliknij opcję Wstaw powierzchnię > powierzchnię > dzianinę i zaznacz każdą powierzchnię płaską otaczającą szczelinę. Patrz rysunek uzupełniający 9A, aby zapoznać się z wizualizacją powierzchni dzianych.
    5. Utwórz oś odniesienia w każdym punkcie wzdłuż krawędzi powierzchni dzianej, wybierając Punkt i Powierzchnię/Płaszczyznę jako typ odniesienia i wybierając punkt na krawędzi powierzchni i górnej płaszczyźnie. Powtórz te czynności dla każdego punktu na krawędzi dzianiny (rysunek uzupełniający 9B).
    6. Utwórz punkt na przecięciu każdej osi wokół powierzchni dzianej z górną płaszczyzną odniesienia. Wybierz Przecięcie jako typ odniesienia i wybierz jedną oś oraz górną płaszczyznę. Upewnij się, że został utworzony punkt odpowiadający każdej osi.
    7. Wykonaj szkic, który połączy każdy punkt odniesienia utworzony w poprzednim kroku. Wybierz opcję Do powierzchni jako kierunek i wybierz powierzchnię dzianą jako powierzchnię do wyciągnięcia.
    8. Powtórzyć kroki 6.1.2-6.1.7 dla wszystkich szczelin w obszarze, które zostanie pokryta przez komorę lub słupek główny (patrz rysunek uzupełniający 9C, aby zapoznać się z końcowym wynikiem procedury mocowania otworów).
  2. Wykonując wytłaczanie od górnej płaszczyzny odniesienia do najniższej powierzchni (Krok 3.19.2 lub Krok 4.12.1), należy upewnić się, że obrys komory/wrześnika jest narysowany wokół istniejących profili.
  3. Podobnie, wykonując wytłoczone cięcia od górnej płaszczyzny do wyższej z dwóch powierzchni (krok 3.19.4 lub krok 4.12.5), należy wykonać główne wycięcie wytłaczane oddzielnie od wyciągnięć, które powstały w wyniku procedury mocowania otworów (Rysunek uzupełniający 10A).
    1. W przypadku wykonywania wytłaczanych cięć z otworów mocujących, należy wyciągnąć najwyższą powierzchnię istniejących profili do płaszczyzny na podniesionej powierzchni, która zapewnia gładką górną powierzchnię komory lub słupka głównego (rysunek uzupełniający 10B). Jeśli wyciągnięte cięcie tworzy sztywną powierzchnię, należy użyć innej płaszczyzny lub wykonać kolejne wyciągnięcia.

Wyniki

Komponenty te zostały wcześniej zwalidowane przy użyciu kombinacji wizualizacji MRI oraz wydrukowanych w technologii 3D modeli anatomicznych. Porównanie automatycznej wizualizacji kraniotomii z wydrukowaną w 3D kraniotomią oraz obrazem MRI w miejscu wykonania kraniotomii wykazuje, że wirtualna reprezentacja kraniotomii dokładnie odzwierciedla obszar mózgu, do którego można uzyskać dostęp w określonej lokalizacji kraniotomii (Rysunek 2A-F). Dodatkowo dokładność automatycznej wizualizacji kraniotomii została oceniona poprzez porównanie reprezentacji wirtualnej z istniejącymi kraniotomiami z operacji implantacyjnych (Rysunek 2E,G). Model wydrukowany w 3D, automatyczna wizualizacja, MRI oraz faktyczna kraniotomia wskazują ten sam obszar, ukazując główne bruzdy w tej samej lokalizacji i z zachowaniem proporcji. Proces izolacji mózgu i czaszki oraz późniejsza wizualizacja kraniotomii trwa mniej niż 15 min, co pozwala na przetestowanie kilku lokalizacji w czasie poniżej 1 h.

Skuteczność procedury izolacji mózgu potwierdzono poprzez porównanie wirtualnej kraniotomii z obrazem MRI miejsca kraniotomii (Rysunek 2B,C,E,F). Podobieństwa te wskazały, że procedura izolacji mózgu pozwala na prawidłowe odwzorowanie rozmiaru, położenia i kształtu ukierunkowanych struktur anatomicznych mózgu, takich jak bruzdy).

Połączony wydruk 3D mózgu i czaszki posłużył jako anatomicznie dokładny model do walidacji konstrukcji komory i trzpienia głownego. Przed zainwestowaniem w części tytanowe, komora i trzpień głowny zostały wydrukowane w 3D z tworzywa sztucznego. Potwierdzono, że implanty pasują do czaszki, nie nakładają się na siebie i nie przesłaniają ważnych punktów anatomicznych. Proces projektowania komory i trzpienia głownego pozwolił na stworzenie komponentów dopasowanych do krzywizny czaszki (Rys. 3G,I, Rys. 4E, Rys. 6, Rys. 7). Potwierdzono również, że sztuczna opona twarda pasuje do wewnętrznych ścian komory, pozostawiając niewielką szczelinę w celu umożliwienia korekt podczas implantacji. Niestandardowe komory wszczepiono dwóm makakom. W przeciwieństwie do poprzednich metod projektowania komór9, każda próba wkręcenia śruby zakończyła się powodzeniem. Wynika to z drastycznego zmniejszenia szczelin między komorą a czaszką dzięki dopasowaniu indywidualnemu, w porównaniu do komory zaprojektowanej na podstawie przybliżeń krzywizny z MRI9 (Rys. 6A-F). Jedna dopasowana komora jest wszczepiona od ponad 2 lat, a druga od półtora roku. Przy odpowiedniej pielęgnacji nie wystąpiły przypadki wypadnięcia śrub, infekcji ani problemów ze stabilnością wynikających z zastosowania tych implantów (Rys. 3I).

Zindywidualizowane procesy projektowania uchwytu głowy i komory eliminują konieczność dokonywania ręcznych korekt podczas operacji, co w przeciwnym razie mogłoby wydłużyć czas trwania zabiegu o wiele godzin. Techniki te zmniejszają również szczeliny o wielkości 1-2 mm wynikające z przybliżeń krzywizny29, co sprzyja lepszemu zdrowiu implantu i poprawia wyniki eksperymentalne. Wprowadzone ulepszenia zapobiegają powikłaniom związanym z implantem i wydłużają jego żywotność, poprawiając tym samym dobrostan zwierząt.

figure-results-1
Rysunek 1Izolacja mózgu i czaszki. (A) Warstwowe obrazy rezonansu magnetycznego (MRI) w przekroju wieńcowym. (B) Warstwowa maska binarna uzyskana z progowania czaszki. (C) Warstwowe przekroje wyizolowanej czaszki uzyskane z odwróconej maski binarnej. (D) Zrekonstruowana czaszka 3D. (E) Warstwowa maska binarna powstała z progowania obrazu mózgu. (F) Warstwowe przekroje MRI izolowanego mózgu. (G) Zrekonstruowany mózg 3D. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

figure-results-2
Rysunek 2Planowanie kraniotomii. (A) Wizualizacja kraniotomii z wykorzystaniem wydrukowanego w technologii 3D modelu mózgu i czaszki małpy B. (B) Wizualizacja kraniotomii w oprogramowaniu komputerowym dla małpy B. (C) Wizualizacja kraniotomii na obrazie rezonansu magnetycznego (MR) dla małpy B. (D) Wizualizacja kraniotomii z wykorzystaniem wydrukowanego w technologii 3D modelu mózgu i czaszki małpy H. (EWizualizacja kraniotomii w oprogramowaniu komputerowym dla małpy H.F) Wizualizacja kraniotomii na obrazie rezonansu magnetycznego (MR) małpy H. (G) Obraz kraniotomii u małpy H. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

figure-results-3
Rycina 3Projekt implantu komory. (A) Obszar czaszki (szary) użyty do pliku STL redukcja rozdzielczości. (B) Redukcja rozdzielczości pliku STL czaszki w programie SOLIDWORKS. (C) Wewnętrzny pierścień komory, zaznaczony. (DProjekt obrzeża komory w programie SOLIDWORKS.E) Połączenie obwodu komory z górną częścią. (F) Plik STL komory w programie SOLIDWORKS. (G) wydrukowany w technologii 3D mózg, czaszka i komora. (H) Komora tytanowa. (I) Implantowana komora u małpy H. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

figure-results-4
Rysunek 4Projekt wspornika głowowego. (A) Redukcja rozdzielczości pliku STL z obrysem podstawy wspornika głowowego na czaszce. (B) Indywidualnie dopasowany uchwyt głowowy. (C) Podstawa wspornika głownego. (D) Projekt głowicy mocującej (headpost) w programie SOLIDWORKS. (E) wydrukowany w technologii 3D implant głowowy (headpost) na czaszce. (F) Tytanowy implant głowowy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5Wytwarzanie sztucznej opony twardej. (A) Zaciśnięcie mieszaniny silikonowej za pomocą formy. (B) Sztuczna opona twarda. Rycina została opracowana na podstawie materiałów Griggs i wsp. za ich zgodą.11. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

figure-results-6
Rysunek 6Komora dopasowana indywidualnie kontra komora dopasowana do krzywizny czaszki. Komora zaprojektowana na podstawie szacunków krzywizny czaszki z obrazowania MRI9 z (A) widok z przodu, (B) widok z boku, a (C) widok od tyłu. Komora wykonana na zamówienie z (D) widok przedni, (E) widok z boku, a (F) widok od tyłu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

figure-results-7
Rysunek 7Komora, wspornik głowowy i sztuczna opona twarda na nałożonym obrazie mózgu i czaszki Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina uzupełniająca 1: Progowanie i planowanie miejsca kraniotomii. (A) Przykład maski binarnej z odpowiednim progiem. (B) Przekrój wieńcowy w rezonansie magnetycznym (MRI) służący do identyfikacji miejsca kraniotomii. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Rycina uzupełniająca 2: Proces redukcji plików STL w programie MATLAB dla projektu komory. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Rycina uzupełniająca 3: Wizualna reprezentacja redukcji rozdzielczości pliku STL przedstawiającego otwór w czaszce. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Rycina uzupełniająca 4: Zrzuty ekranu oprogramowania osłony komory. (A) Wewnętrzny pierścień osłony komory oraz wewnętrzna powierzchnia górnej części komory jako współśrodkowe powiązania. (B) Przesuwanie osłony komory w dół. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Rycina uzupełniająca 5: Kołnierz komory i góra komory z nakładaniem się i bez nakładania się. (A) Przykład widoku od dołu z nakładaniem się kołnierza komory i góry komory (modyfikacja dolnej powierzchni kołnierza komory). (B) Przykład braku nakładania się kołnierza komory i góry komory. Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.

Rycina uzupełniająca 6: Płaszczyzny zasłaniające otwory na śruby i eliminacja przeszkody. (A) Przykład płaszczyzn zasłaniających otwory na śruby po wykonaniu ich rozmieszczenia. (B) Kontur wycięcia ekstrudowanego w celu usunięcia powierzchni wewnątrz otworów na śruby. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Rysunek uzupełniający 7: Wybór punktów i płaszczyzna osiowa czaszki. (A)Wybór punktów dla projektu holderu głowy. (B) Widok z góry płaszczyzny równoległej do płaszczyzny osiowej czaszki. (C) Widok z boku płaszczyzny równoległej do płaszczyzny osiowej czaszki. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Rycina uzupełniająca 8: Przykład par. (A) Pierwsze dopasowanie – Górna powierzchnia platformy okrągłego trzpienia głowowego oraz dolna powierzchnia górnej części trzpienia głowowego jako dopasowania współśrodkowe. (B) Drugie dopasowanie – krawędź górnej powierzchni okrągłej platformy trzpienia głowowego i krawędź dolnej powierzchni góry trzpienia głowowego jako dopasowania współśrodkowe. (C) Trzeci punkt styku – linia biegnąca pionowo wzdłuż tylnej nogi słupa głowicy oraz linia biegnąca poziomo wzdłuż tylnej części góry słupa głowicy jako punkty styku prostopadłe. Prosimy o kliknięcie tutaj, aby pobrać ten plik.

Rycina uzupełniająca 9: Procedura naprawy dziur. (A) Powierzchnie dziergane otaczające przerwę w zaimportowanej powierzchni. (B) Oś w każdym punkcie na krawędzi dzianej powierzchni. (C) Wynik końcowy procedury łatania otworów. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Rysunek uzupełniający 10: Wykonywanie cięcia ekstrudyjnego. (A) Procedura wycinania ekstrudowanego wokół wypustek w otworach mocujących. (B) Przykład wycięcia ekstrudowanego do płaszczyzny na górnej powierzchni dna komory. Prosimy o kliknięcie tutaj w celu pobrania tego pliku.

Plik pomocniczy z kodem 1: Pliki z kodem do protokołu. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

W artykule przedstawiono prostą i precyzyjną metodę planowania neurochirurgicznego, która jest nie tylko korzystna dla rozwoju komponentów wykorzystywanych do implantacji okna czaszkowego NHP, ale także może być przeniesiona do innych obszarów badań neurobiologicznych NHP 13,15,25. W porównaniu z innymi obecnymi metodami planowania i projektowania implantów NHP 25,29,30, procedura ta ma potencjał, aby zostać przyjęta przez więcej laboratoriów neurologicznych, ponieważ jest prosta i ekonomiczna. Podczas gdy tomografia komputerowa jest powszechnie stosowana do modelowania czaszki32,38, protokół ten zapewnia wystarczającą szczegółowość modelowania zarówno mózgu, jak i czaszki przy użyciu tylko skanów MRI. Istniejące metody wymagają zarówno rezonansu magnetycznego, jak i tomografii komputerowej w celu izolacji mózgu i czaszki 30,32,33, podczas gdy ta metoda eliminuje dodatkowe koszty i wyzwania związane z obrazowaniem TK. Dodatkową korzyścią jest to, że model ten nie wymaga wyrównania skanów MRI i CT, co pozwala zaoszczędzić znaczną ilość czasu i zapobiega problemom związanym ze złym wyrównaniem39. Generowanie zarówno modeli mózgu, jak i czaszki z jednego pliku obrazowania pozwala uzyskać wysoce kompatybilne modele, które można łatwo łączyć w celu wizualizacji kraniotomii. Ta funkcja jest szczególnie przydatna w iteracyjnych procesach testowania kraniotomii, ponieważ zamiast łączyć i wyrównywać pliki z oddzielnych programów30,33, oba modele są generowane w jednym oprogramowaniu z jednego pliku wejściowego i wyświetlają się automatycznie w ciągu kilku sekund. Pozwala to na skuteczne potwierdzenie dokładności modelowania mózgu i czaszki oraz gwarantuje, że implanty będą pasować do krzywizny czaszki in vivo. Eliminuje to również iteracyjne drukowanie 3D czaszki, które wcześniej było wymagane do określenia optymalnej lokalizacji kraniotomii35, oszczędzając w ten sposób dziesiątki godzin drukowania na iterację. Dla porównania, nasza technika oparta na oprogramowaniu zajmuje około 10-15 minut, aby wygenerować każdą iterację kraniotomii.

Określenie położenia implantu względem czołowego, ciemieniowego i skroniowego obszaru czaszki, a także innych cech czaszki, przynosi ogromne korzyści w planowaniu chirurgicznym i eksperymentalnym. Ta funkcja jest wykorzystywana do niestandardowego projektowania śladu słupka głównego w odniesieniu do śladu komory. W przypadku wszelkich badań neurobiologicznych NHP ta funkcja modelowania przestrzennego może być dostosowana do projektowania komponentów na podstawie płaszczyzn anatomicznych, współrzędnych MRI, cech anatomicznych mózgu i czaszki oraz w odniesieniu do istniejących implantów. W ten sposób drastycznie zmniejsza się możliwość wystąpienia nieprzewidzianych problemów podczas lub po implantacji. Procedura ta ma również możliwość tworzenia implantów, które obejmują wiele obszarów mózgu z różnych płaszczyzn, zachowując jednocześnie ścisłe dopasowanie do czaszki.

Przedstawiona tutaj metoda tworzy okrągłą komorę i pozwala na zaprojektowanie słupka czołowego wokół komory. Jednak ta procedura ma potencjał, aby dostosować się do innych kształtów poprzez modyfikację sekcji Chamber Skirt Design. To samo dotyczy konstrukcji sztycy górnej – procedura pozwala na stworzenie różnej liczby nóg i innych niestandardowych kształtów, przy czym kształt zależy przede wszystkim od dostępnej przestrzeni wokół komory. Kształt redukcji STL czaszki, który obecnie jest pierścieniem do konstrukcji komory, może być dalej modyfikowany w celu stworzenia różnych kształtów redukcji STL czaszki dostosowanych do potrzeb konkretnych konstrukcji komory lub słupka głównego, ułatwiając bardziej efektywną adaptację.

Chociaż proces ten skutecznie tworzy implanty dostosowane do potrzeb klienta, istnieją kroki, które można ulepszyć, aby uzyskać bardziej wydajną produkcję. Jak wspomniano wcześniej, wyrównanie górnej części słupka głowy prostopadle do czaszki jest procesem iteracyjnym z metodą opisaną w tym artykule ze względu na trudności w określeniu orientacji czaszki w oprogramowaniu do projektowania. Aby usprawnić proces ustawiania górnej części słupka na dolnej części, na wirtualnej reprezentacji czaszki można umieścić dodatkowe znaczniki, aby wskazać płaszczyzny osiowe, strzałkowe i czołowe. Protokół ma również potencjał do dalszej automatyzacji w celu zwiększenia łatwości użytkowania. Chociaż metoda redukcji STL czaszki omówiona w tym protokole jest skuteczna w projektowaniu implantów, można ją przyspieszyć i uczynić bardziej spójną dzięki dalszej automatyzacji. Nasza procedura walidacji wymaga wydrukowania 3D prototypów czaszki i implantów w celu sprawdzenia, czy implanty pasują do krzywizny czaszki. Ten krok można potencjalnie wyeliminować, tworząc metodę wirtualnej wizualizacji 3D, która łączy ze sobą mózg, czaszkę, komorę, sztyft i sztuczną oponę twardą.

Nasza platforma zapewnia całkowicie wirtualny proces planowania kraniotomii i projektowania implantów na zamówienie. Ostateczne projekty można wydrukować w 3D i zweryfikować na modelu fizycznym naturalnej wielkości35. W przeciwieństwie do istniejących metod, nasz protokół nie wymaga kosztownych iteracji produktów ani dostępu do drogich maszyn, takich jak frezarki CNC 29,34. Podobnie jak inne istniejące metody projektowania implantów 9,12,29,30,32,33,40, ta metoda całkowicie opiera się na metodzie obrazowania w celu dokładnego zobrazowania struktur anatomicznych. Wszelkie niedokładności występujące w skanowaniu MRI lub zmiany w anatomii mózgu lub czaszki między MRI a operacją mogą zagrozić skuteczności implantu. Dlatego właściwe planowanie pobrania MRI jest niezbędne do optymalizacji projektu implantu.

Oświadczenia

Nic do ujawnienia.

Podziękowania

Chcielibyśmy podziękować Toni Haun, Keithowi Vogelowi i Shawnowi Fisherowi za ich pomoc techniczną i wsparcie. Prace te były wspierane przez University of Washington Mary Gates Endowment (R.I.), National Institute of Health NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), Washington National Primate Research Center (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), Center for Neurotechnology (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) i Weill Neurohub (Z. I.).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Oprogramowanie do drukowania 3D (Simplify 3D) (płatne)Uprośćwersję 3D 4.1Służy do drukowania 3D za pomocą drukarki MakerGear
C-ClampBesseyCM22Używany do produkcji sztucznej opony twardej, pojemność 2-1/2 cala, 1-3/8 cala
Drukarka 3D Throat Formlabs Form 3+FormlabsForm 3+Służy do precyzyjnego drukowania 3D
Drukarka 3D MakerGear M2MakerGearM2 revGUżywany do drukowania prototypów implantów 3D
MATLAB (płatny)MathWorksR2021bUżywany do izolacji mózgu i czaszki, wirtualnej wizualizacji kraniotomii i redukcji czaszki STL
System rezonansu magnetycznego Phillips AcheivaPhilips4522 991 19391Używany do obrazowania naczelnych innych niż ludzie
Żywica fotopolimerowaFormlabsFLGPGR041L, szary, używany do precyzyjnych wydruków 3D za pomocą drukarki Formlabs 
Oprogramowanie do przygotowania druku PreFormFormlabsVersion 2.17.0Służy do drukowania 3D za pomocą drukarki Formlabs 
Filament drukarski (PLA)MatterHackers88331PLA 1,75 mm Biały. Używany do druku 3D z drukarką MakerGear
Silikon CAT-1300Shin-EtsuUżywany do produkcji sztucznej opony twardej
Silikon KE1300-TShin-EtsuUżywany do produkcji sztucznej opony twardej
SolidWorks (płatny) DassaultSystems2020Używany do projektowania komór i słupków
Syn.Flex-S MulticoilPhilips45221318123Używany do zwierząt innych niż ludzie Obrazowanie naczelnych

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Modelowanie czaszki m zguplanowanie neurochirurgiczne MRIindywidualne implanty czaszkowedruk 3D implant wmodelowanie w oprogramowaniu CADplanowanie kraniotomiiprojektowanie uchwyt w g owyprzetwarzanie plik w STL

Powiązane artykuły