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
Niniejszy artykuł przedstawia zautomatyzowaną metodę planowania neurochirurgicznego u nieludzkich ssaków naczelnych z wykorzystaniem skanów MRI. Podejście to pozwala na jednoczesne wyodrębnienie modeli mózgu i czaszki, ułatwiając niestandardowe projektowanie implantów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurochirurgia
- Wizualizacja medyczna
- Modelowanie 3D
Tło
- Planowanie neurochirurgiczne dla nieludzkich ssaków naczelnych jest kluczowe dla różnych eksperymentów.
- Tradycyjne metody często wymagają wielokrotnych procesów obrazowania.
- Niestandardowe implanty są niezbędne, aby zapewnić dobrostan zwierząt i integralność eksperymentu.
- Generyczne implanty mogą prowadzić do komplikacji, takich jak infekcje i niestabilność.
Cel badania
- Aby usprawnić proces modelowania mózgu i czaszki w celu planowania chirurgicznego.
- Aby zmniejszyć zależność od dodatkowych technik obrazowania.
- Aby poprawić projektowanie niestandardowych implantów dla eksperymentów na nieludzkich ssakach naczelnych.
Zastosowanie metod
- Zautomatyzowane wyodrębnianie modeli mózgu i czaszki ze skanów MRI.
- Zastosowanie jednej platformy oprogramowania do modelowania.
- Integracja oprogramowania do projektowania 3D w celu tworzenia implantów.
- Walidacja modeli poprzez druk 3D replik anatomicznych.
Główne wyniki
- Osiągnięto efektywne modelowanie struktur mózgu i czaszki.
- Eliminacja potrzeby dodatkowych procesów obrazowania.
- Niestandardowe implanty wykazały lepsze dopasowanie i zmniejszone ryzyko komplikacji.
- Podejście to wspiera dobrostan nieludzkich ssaków naczelnych w badaniach.
Wnioski
- Zautomatyzowana metoda zwiększa efektywność planowania neurochirurgicznego.
- Niestandardowe implanty mogą znacząco poprawić wyniki eksperymentów.
- To podejście może ustalić nowy standard dla neurochirurgii u NHP.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Automated 3D brain and skull modeling from MRI streamlines preclinical neurosurgical planning in nonhuman primate research, reducing manual intervention and resource requirements. This approach enhances the precision of custom implant design, directly impacting experimental reliability and animal welfare. The method supports translational neuroscience workflows by minimizing surgical complications and enabling reproducible, high-fidelity anatomical modeling.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise anatomical modeling for hypothesis-driven neurosurgical interventions in NHP models.
- Reduces biological variability by supporting custom-fit implant design, improving experimental control.
- Facilitates mechanistic de-risking by minimizing confounding surgical complications.
Screening & Assay Development
- Prepares validated anatomical models for downstream device or pharmacological testing in NHPs.
- Standardizes implant fit and placement, supporting reproducibility across studies.
- Enables rapid iteration and scalability in implant design for diverse experimental protocols.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical neurosurgical procedures with translational biomarker strategies by ensuring anatomical fidelity.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by reducing surgical and experimental complications.
- Improves predictive confidence in NHP models for neuroscience and device development.
Pipeline & Workflow Integration
This MRI-based modeling method integrates into the early discovery and preclinical continuum, bridging anatomical modeling, device design, and surgical planning for NHP studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway interrogation by enabling precise, reproducible neurosurgical access.
- Screening: Provides standardized anatomical templates for implant and device evaluation.
- Analytics: Delivers quantitative 3D models and fit assessments to compare implant designs and placements.
- Translational Research: Ensures anatomical and procedural continuity for preclinical device and intervention studies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable digital workflow for anatomical modeling and implant design across NHP research programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in NHP neurosurgical studies.
- Operational Value: Automates and standardizes modeling, reducing manual labor and resource consumption.
- Strategic Value: Enables more informed go/no-go decisions by minimizing surgical risk and experimental variability.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of neuroscience and device development programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MRI acquisition and computational modeling software.
- Depends on access to 3T MRI systems and compatible CAD platforms.
- Necessitates cross-team standardization for imaging thresholds and implant design parameters.
- Adaptable to other surgical and anatomical modeling needs with appropriate imaging data.
- Limited by imaging resolution and the need for accurate threshold selection during model extraction.
