Zestaw narzędzi do projektowania implantów neuronowych dla naczelnych
9 lutego 2024
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.
Nasze badania oferują wydajną i zautomatyzowaną metodę modelowania mózgu i czaszki, która jest korzystna dla planowania neurochirurgicznego i projektowania niestandardowych implantów. Ułatwia jednoczesną ekstrakcję modeli mózgu i czaszki za pomocą jednej platformy oprogramowania, co eliminuje potrzebę dodatkowych procesów obrazowania, takich jak tomografia dojazdowa. Wirtualne modelowanie mózgu i czaszki na potrzeby obrazowania medycznego, takiego jak rezonans magnetyczny lub tomografia komputerowa, jest w ostatnich latach coraz częściej stosowane w planowaniu neurochirurgicznym NHP.
Modele te, używane wraz z oprogramowaniem do projektowania 3D i drukiem 3D, umożliwiają tworzenie niestandardowych implantów dostosowanych do konkretnych eksperymentów na zwierzętach. Wiele eksperymentów neurobiologicznych na naczelnych wymaga użycia przewlekłych komór czaszkowych i słupków głowy. Stosowanie implantów generycznych wprowadza szczeliny między implantem a czaszką, co może skutkować wyższymi wskaźnikami infekcji, martwicą kości i niestabilnością implantu, co zagraża eksperymentom i dobremu samopoczuciu zwierzęcia.
Nasze niestandardowe implanty redukują luki i późniejsze problemy. Nasz protokół zapewnia naukowcom dokładniejszą i bardziej efektywną czasowo procedurę planowania neurochirurgicznego. Zwiększa skuteczność planowania chirurgicznego i zmniejsza powikłania związane z eksperymentami neurologicznymi NHP, co poprawia ogólne wyniki naukowe.
Na początek uzyskaj szybkie namagnesowanie T1 przygotowane echo gradientowe lub plik MP-RAGE czaszki i mózgu za pomocą maszyny do rezonansu magnetycznego 3T. Wprowadź nazwę pliku MP-RAGE w oknie poleceń i sprawdź, czy obraz MRI jest wyświetlany poprawnie. Postępuj zgodnie z instrukcjami wiersza poleceń, aby odizolować czaszkę.
Wybierz wartość progową, która skutecznie oddziela czaszkę od innych tkanek bez utraty materii czaszki, a następnie naciśnij Y, aby potwierdzić tę wartość. Użyj podobnej metody do izolacji mózgu. Wprowadź wartość progową dla mózgu, gdy zostaniesz o to poproszony, i dostosuj w razie potrzeby, aby upewnić się, że mózg jest wyraźnie oddzielony od czaszki i innych tkanek.
Naciśnij Y, aby potwierdzić wybraną wartość. Aby określić współrzędne kraniotomii, wybierz ramkę Z i wybierz punkt na wybranej ramce Z jako środek kraniotomii. Na rysunku przedstawiającym mózg i czaszkę umieść punkty, aby pokryć obszar zainteresowania, aby uzyskać precyzyjne odwzorowanie czaszki.
Aby zaimportować plik do oprogramowania CAD w celu niestandardowego zaprojektowania studzienki, otwórz oprogramowanie, a następnie przejdź do Plik, kliknij Otwórz i wybierz plik redukcji STL z katalogu. Następnie kliknij Opcje i w menu Importuj jako wybierz Ciało powierzchniowe i kliknij OK. Teraz wyświetl powierzchnię czaszki dla komory w oprogramowaniu CAD, upewniając się, że krawędzie wybranego obszaru są wyraźnie widoczne w reprezentacji czaszki. Aby naszkicować kształt fartucha komory na utworzonej płaszczyźnie, wykonaj wewnętrzny okrąg komory i wyśrodkuj go wokół punktu na górnej płaszczyźnie.
Korzystając z kombinacji łuków i linii, skonstruuj zewnętrzną granicę fartucha komory, aby zmaksymalizować obszar, a następnie wyciągnij na niższą z dwóch powierzchni. Następnie należy wykonać wycięcie wyciągnięcia od górnej płaszczyzny do wyższej z dwóch kopiowanych powierzchni zgodnie z kształtem obrysu komory. Usuń obie pozostałe kopie zaimportowanej powierzchni, aby odsłonić osłonę komory i pierścień wewnętrzny.
Użyj funkcji przesuwania lub kopiowania, aby przesunąć listwę bezpośrednio pod górną część komory, zapewniając precyzyjne przesunięcie w dół. Następnie wysuń przedmioty z górnej części komory na dole w kierunku spódnicy, aby je połączyć. Korzystając z dodania lub podstawy wyciągnięcia prostego, wybierz dolną powierzchnię górnej części komory i utwórz szkic o tych samych promieniach wewnętrznych i zewnętrznych co pierścień, wyśrodkowany wokół osi środkowej.
Ustaw kierunek ekstruzji na do korpusu, celując w fartuch komory. Aby zaprojektować słupek głowy, zapisz pliki STL mózgu i czaszki do potencjalnego drukowania 3D. Użyj redukcji rozmiaru STL, aby wyodrębnić obszar czaszki otaczający komorę w celu utworzenia odcisku słupka głowy do zaimportowania do oprogramowania do projektowania.
Następnie wybierz Y, aby aktywować redukcję rozmiaru STL. Wybierz punkty na obrazie przedstawiające mózg i czaszkę razem, zapewniając bliski i równomierny rozkład w szarym obszarze czaszki. Zaimportuj plik o zmniejszonym rozmiarze jako obiekt powierzchniowy do oprogramowania CAD w celu zaprojektowania niestandardowego obrysu słupka głównego.
Następnie użyj dodania lub podstawy wyciągnięcia, aby wybrać nową płaszczyznę i naszkicować ślad słupka czołowego za pomocą łuków i linii. Użyj łuków, aby wygładzić krawędzie wokół footprintu i wyciągnij szkic na importowaną powierzchnię. Wykonaj wyciągnięte cięcie od płaskiej powierzchni obrysu słupka czołowego do skopiowanej powierzchni.
Następnie usuń oryginalną powierzchnię i jej kopię. Teraz utwórz nową płaszczyznę równoległą do płaszczyzny odniesienia przesuniętą w górę lub w dół, aby zawisnąć co najmniej jeden milimetr nad dnem słupka głównego. Użyj narzędzia do pomiaru i zakładki Oceń, aby uzyskać dokładną długość tłumaczenia.
Następnie wykonaj okrągłe wyciągnięcie od tej nowej płaszczyzny do dołu słupka głównego, aby utworzyć wyśrodkowaną platformę dla górnej części słupka. Wyrównaj górną i dolną część słupka głównego, używając opcji Move lub Copy. Określ wierzchołek nadproża jako bryłę, która ma zostać przesunięta, i ustaw trzy wiązania w menu wiązań.
Upewnij się, że zarysowane krawędzie powierzchni ostatniej pary wiązań są połączone koncentrycznie. Następnie połącz pionową linię na tylnej nodze słupka górnego z poziomą linią z tyłu górnej części słupka prostopadle. Sprawdź kierunek każdego połączenia i w razie potrzeby dostosuj kierunki łączenia w menu.
Przegląd
Niniejsza praca przedstawia zautomatyzowaną metodę planowania neurochirurgicznego u naczelnych innych niż ludzie z wykorzystaniem obrazowania MRI. Podejście to umożliwia jednoczesną ekstrakcję modeli mózgu i czaszki, co ułatwia projektowanie spersonalizowanych implantów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurochirurgia
- Obrazowanie medyczne
- Modelowanie 3D
Wprowadzenie
- Planowanie neurochirurgiczne dla naczelnych jest kluczowe w przypadku wielu eksperymentów.
- Tradycyjne metody często wymagają wielokrotnych procesów obrazowania.
- Indywidualnie dopasowane implanty są niezbędne dla zapewnienia dobrostanu zwierząt i rzetelności eksperymentalnej.
- Generyczne implanty mogą prowadzić do powikłań, takich jak infekcje i niestabilność.
Cel badania
- W celu usprawnienia procesu modelowania mózgu i czaszki do planowania chirurgicznego.
- Aby zmniejszyć zależność od dodatkowych technik obrazowania.
- W celu ulepszenia projektowania niestandardowych implantów do eksperymentów na naczelnych.
Zastosowane metody
- Zautomatyzowana ekstrakcja modeli mózgu i czaszki ze skanów MRI.
- Wykorzystanie jednej platformy programowej do modelowania.
- Integracja oprogramowania do projektowania 3D w celu stworzenia implantów.
- Walidacja modeli poprzez druk 3D replik anatomicznych.
Główne wyniki
- Osiągnięto efektywne modelowanie struktur mózgu i czaszki.
- Wyeliminowano konieczność stosowania dodatkowych procesów obrazowania.
- Dostosowane implanty wykazały lepsze dopasowanie i zmniejszone ryzyko powikłań.
- Podejście to wspiera dobrostan naczelnych w badaniach.
Wnioski
- Zautomatyzowana metoda zwiększa efektywność planowania neurochirurgicznego.
- Dostosowane implanty mogą znacząco poprawić wyniki eksperymentalne.
- To podejście może wyznaczyć nowy standard w neurochirurgii NHP.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Zautomatyzowane modelowanie 3D mózgu i czaszki na podstawie obrazowania MRI usprawnia przedkliniczne planowanie neurochirurgiczne w badaniach nad naczelnymi, ograniczając konieczność ręcznej interwencji i zapotrzebowanie na zasoby. Podejście to zwiększa precyzję projektowania spersonalizowanych implantów, co bezpośrednio wpływa na wiarygodność eksperymentów oraz dobrostan zwierząt. Metoda ta wspiera translacyjne procesy w neuronauce poprzez minimalizowanie powikłań chirurgicznych i umożliwienie odtwarzalnego, wysokiej wierności modelowania anatomicznego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia precyzyjne modelowanie anatomiczne dla neurochirurgicznych interwencji opartych na hipotezach w modelach NHP.
- Zmniejsza zmienność biologiczną poprzez wspieranie projektowania implantów dopasowanych indywidualnie, co poprawia kontrolę eksperymentalną.
- Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez minimalizację zakłócających powikłań chirurgicznych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Przygotowuje zwalidowane modele anatomiczne do późniejszych testów urządzeń lub badań farmakologicznych u naczelnych (NHP).
- Standaryzuje dopasowanie i rozmieszczenie implantów, co zapewnia powtarzalność między badaniami.
- Umożliwia szybką iterację i skalowalność w projektowaniu implantów dla zróżnicowanych protokołów eksperymentalnych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ujednolica przedkliniczne procedury neurochirurgiczne ze strategiami translacyjnymi w zakresie biomarkerów poprzez zapewnienie wierności anatomicznej.
- Wspiera ciągłość procesu od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną dzięki ograniczeniu powikłań chirurgicznych i eksperymentalnych.
- Zwiększa pewność prognostyczną w modelach NHP stosowanych w neuronauce i rozwoju urządzeń medycznych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ta metoda modelowania oparta na MRI integruje się z wczesnym etapem odkryć i kontinuum przedklinicznym, łącząc modelowanie anatomiczne, projektowanie urządzeń oraz planowanie chirurgiczne w badaniach na NHP.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i badanie szlaków poprzez umożliwienie precyzyjnego, powtarzalnego dostępu neurochirurgicznego.
- Przesiewanie: Dostarcza ustandaryzowane szablony anatomiczne do oceny implantów i urządzeń.
- Analityka: Dostarcza ilościowe modele 3D i oceny dopasowania w celu porównania projektów i rozmieszczenia implantów.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość anatomiczną i proceduralną w przedklinicznych badaniach nad urządzeniami i interwencjami.
- Ponowne wykorzystanie w organizacji: Tworzy wielokrotnego użytku cyfrowy przepływ pracy dla modelowania anatomicznego i projektowania implantów w programach badawczych z udziałem NHP.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach neurochirurgicznych na NHP.
- Wartość operacyjna: Automatyzuje i standaryzuje modelowanie, redukując nakład pracy ręcznej oraz zużycie zasobów.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie bardziej świadomych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez minimalizację ryzyka chirurgicznego i zmienności eksperymentalnej.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację programów rozwoju neuronauki i urządzeń medycznych z uwzględnieniem korekty ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie akwizycji obrazów MRI oraz w obsłudze oprogramowania do modelowania obliczeniowego.
- Zależne od dostępu do systemów MRI 3T oraz kompatybilnych platform CAD.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w zakresie progów obrazowania i parametrów projektowania implantów.
- Możliwość dostosowania do innych potrzeb chirurgicznych i modelowania anatomicznego przy zastosowaniu odpowiednich danych obrazowych.
- Ograniczone przez rozdzielczość obrazowania oraz konieczność precyzyjnego wyboru progów podczas ekstrakcji modelu.
