Name: Zestaw narzędzi do projektowania implantów neuronowych dla naczelnych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-02-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 33 s
Description: Poznaj zautomatyzowaną metodę modelowania mózgu i czaszki z MRI dla neurochirurgii naczelnych. To podejście usprawnia projektowanie implantów, eliminując dodatkowe obrazowanie i poprawiając dobrostan zwierząt.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.).

Automated 3D Brain and Skull Modeling from MRI for NHP Neurosurgical Planning

<ol><li>Mitchell, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continued+need+for+nonhuman+primate+neuroscience+research%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Biology%22%5BJournal%5D)">Continued need for nonhuman primate neuroscience research.</a> Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).</li>
<li>Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protocol+to+study+ischemic+stroke+by+photothrombotic+lesioning+in+the+cortex+of+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22STAR+Protocols%22%5BJournal%5D)">Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates.</a> STAR Protocols. 4 (3), 102496(2023).</li>
<li>Tremblay, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+open+resource+for+nonhuman+primate+optogenetics%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">An open resource for nonhuman primate optogenetics.</a> Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).</li>
<li>Zhou, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuroprotective+effects+of+electrical+stimulation+following+ischemic+stroke+in+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%222022+44th+Annual+International+Conference+of+the+IEEE+Engineering+in+Medicine+%26+Biology+Society+%28EMBC%29%22%5BJournal%5D)">Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates.</a> 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).</li>
<li>Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+model+for+estimating+the+scale+of+photochemically+induced+ischemic+stroke%5BTitle%5D)+AND+%222018+40th+Annual+International+Conference+of+the+IEEE+Engineering+in+Medicine+and+Biology+Society+%28EMBC%29%22%5BJournal%5D)">A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke.</a> 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).</li>
<li>Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Targeted+cortical+reorganization+using+optogenetics+in+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates.</a> eLife. 7, e31034(2018).</li>
<li>Macknik, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+circuit+and+cellular+imaging+methods+in+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates.</a> The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).</li>
<li>Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+neural+interfaces+for+optogenetic+actuators+and+sensors+in+non-human+primates%5BTitle%5D)+AND+%22SPIE+BiOS%22%5BJournal%5D)">Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates.</a> SPIE BiOS. , (2021).</li>
<li>Yazdan-Shahmorad, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Large-scale+interface+for+optogenetic+stimulation+and+recording+in+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates.</a> Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).</li>
<li>Ruiz, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optogenetics+through+windows+on+the+brain+in+the+nonhuman+primate%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate.</a> Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).</li>
<li>Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimized+large-scale+optogenetic+interface+for+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22SPIE+BiOS%22%5BJournal%5D)">Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates.</a> SPIE BiOS. , (2019).</li>
<li>Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Demonstration+of+a+setup+for+chronic+optogenetic+stimulation+and+recording+across+cortical+areas+in+non-human+primates%5BTitle%5D)+AND+%22SPIE+BiOS%22%5BJournal%5D)">Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates.</a> SPIE BiOS. , (2015).</li>
<li>Bollimunta, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Head-mounted+microendoscopic+calcium+imaging+in+dorsal+premotor+cortex+of+behaving+rhesus+macaque%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Reports%22%5BJournal%5D)">Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque.</a> Cell Reports. 35 (11), 109239(2021).</li>
<li>Hacking, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+roughness+enhances+the+osseointegration+of+titanium+headposts+in+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates.</a> Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).</li>
<li>Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+effects+of+transcranial+magnetic+stimulation+at+the+single-cell+level%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level.</a> Nature Communications. 10 (1), 2642(2019).</li>
<li>Khateeb, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+versatile+toolbox+for+studying+cortical+physiology+in+primates%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Reports+Methods%22%5BJournal%5D)">A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates.</a> Cell Reports Methods. 2 (3), 100183(2022).</li>
<li>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).</li>
<li>Belloir, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+multimodal+surface+neural+interfaces+for+primates%5BTitle%5D)+AND+%22iScience%22%5BJournal%5D)">Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates.</a> iScience. 26 (1), 105866(2023).</li>
<li>Khateeb, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+practical+method+for+creating+targeted+focal+ischemic+stroke+in+the+cortex+of+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%222019+41st+Annual+International+Conference+of+the+IEEE+Engineering+in+Medicine+and+Biology+Society+%28EMBC%29%22%5BJournal%5D)">A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates.</a> 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).</li>
<li>Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGriggs%2C+D+%22Vectorology+for+Optogenetics+and+Chemogenetics%22">Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics</a>. , Humana. New York, NY. (2023).</li>
<li>Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Convection+enhanced+delivery+of+optogenetic+adeno-associated+viral+vector+to+the+cortex+of+Rhesus+Macaque+under+guidance+of+online+MRI+images%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Convection enhanced delivery of optogenetic adeno-associated viral vector to the cortex of Rhesus Macaque under guidance of online MRI images.</a> Journal of Visualized Experiments. (147), e59232(2019).</li>
<li>Yazdan-Shahmorad, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Widespread+optogenetic+expression+in+macaque+cortex+obtained+with+MR-guided%2C+convection+enhanced+delivery+%28CED%29+of+AAV+vector+to+the+thalamus%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus.</a> Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).</li>
<li>Griggs, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+the+efficacy+and+accessibility+of+intracranial+viral+vector+delivery+in+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmaceutics%22%5BJournal%5D)">Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates.</a> Pharmaceutics. 14 (7), 1435(2022).</li>
<li>Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+chamber+and+artificial+dura+method+for+long-term+optical+imaging+in+the+monkey%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey.</a> Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).</li>
<li>Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Biocompatible+titanium+headpost+for+stabilizing+behaving+monkeys%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys.</a> Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).</li>
<li>Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Network+structure+mediates+functional+reorganization+induced+by+optogenetic+stimulation+of+nonhuman+primate+sensorimotor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22iScience%22%5BJournal%5D)">Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex.</a> iScience. 25 (5), 104285(2022).</li>
<li>Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O'Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortical+stimulation+induces+network-wide+coherence+change+in+nonhuman+primate+somatosensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%222019+41st+Annual+International+Conference+of+the+IEEE+Engineering+in+Medicine+and+Biology+Society+%28EMBC%29%22%5BJournal%5D)">Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex.</a> 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).</li>
<li>Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+imaging+of+functional+domains+in+the+cortex+of+the+awake+and+behaving+monkey%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).</li>
<li>Psarou, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modular%2C+cement-free%2C+customized+headpost+and+connector-chamber+implants+for+macaques%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques.</a> Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899(2023).</li>
<li>Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+printing+and+modelling+of+customized+implants+and+surgical+guides+for+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates.</a> Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).</li>
<li>Prescott, M. J., Poirier, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+MRI+in+applying+the+3Rs+to+nonhuman+primate+neuroscience%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience.</a> NeuroImage. 225, 117521(2021).</li>
<li>Basso, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+non-invasive+neuroimaging+to+enhance+the+care%2C+well-being+and+experimental+outcomes+of+laboratory+nonhuman+primates+%28monkeys%29%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys).</a> NeuroImage. 228, 117667(2021).</li>
<li>Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Universal+guide+for+skull+extraction+and+custom-fitting+of+implants+to+continuous+and+discontinuous+skulls%5BTitle%5D)+AND+%22eNeuro%22%5BJournal%5D)">Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls.</a> eNeuro. 9 (3), (2022).</li>
<li>Blonde, J. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Customizable+cap+implants+for+neurophysiological+experimentation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Customizable cap implants for neurophysiological experimentation.</a> Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).</li>
<li>Ojemann, W. K. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+MRI-based+toolbox+for+neurosurgical+planning+in+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates.</a> Journal of Visualized Experiments. (161), e61098(2020).</li>
<li>Safari, A. H. Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing">https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing</a> (2018).</li>
<li>Lohsen, G. stlwrite - Write binary or ascii STL file. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file">https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file</a> (2023).</li>
<li>Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automatic+extraction+of+endocranial+surfaces+from+CT+images+of+crania%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania.</a> PLoS One. 12 (4), 0168516(2017).</li>
<li>Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+methods+for+acrylic-free+implants+in+nonhuman+primates+for+neuroscience+research%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research.</a> Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).</li>
<li>Ortiz-Rios, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+methods+for+MRI-compatible+implants+in+nonhuman+primates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates.</a> Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).</li>
</ol>

Nic do ujawnienia.

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.

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.

<table><tbody><tr><td>Oprogramowanie do drukowania 3D (Simplify 3D) (płatne)</td><td>Uprość</td><td>wersję 3D 4.1</td><td>Służy do drukowania 3D za pomocą drukarki MakerGear</td></tr><tr><td>C-Clamp</td><td>Bessey</td><td>CM22</td><td>Używany do produkcji sztucznej opony twardej, pojemność 2-1/2 cala, 1-3/8 cala</td></tr><tr><td>Drukarka 3D Throat Formlabs Form 3+</td><td>Formlabs</td><td>Form 3+</td><td>Służy do precyzyjnego drukowania 3D</td></tr><tr><td>Drukarka 3D MakerGear M2</td><td>MakerGear</td><td>M2 revG</td><td>Używany do drukowania prototypów implantów 3D</td></tr><tr><td>MATLAB (płatny)</td><td>MathWorks</td><td>R2021b</td><td>Używany do izolacji mózgu i czaszki, wirtualnej wizualizacji kraniotomii i redukcji czaszki STL</td></tr><tr><td>System rezonansu magnetycznego Phillips Acheiva</td><td>Philips</td><td>4522 991 19391</td><td>Używany do obrazowania naczelnych innych niż ludzie</td></tr><tr><td>Żywica fotopolimerowa</td><td>Formlabs</td><td>FLGPGR04</td><td>1L, szary, używany do precyzyjnych wydruków 3D za pomocą drukarki Formlabs&nbsp;</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do przygotowania druku PreForm</td><td>Formlabs</td><td>Version 2.17.0</td><td>Służy do drukowania 3D za pomocą drukarki Formlabs&nbsp;</td></tr><tr><td>Filament drukarski (PLA)</td><td>MatterHackers</td><td>88331</td><td>PLA 1,75 mm Biały. Używany do druku 3D z drukarką MakerGear</td></tr><tr><td>Silikon CAT-1300</td><td>Shin-Etsu</td><td></td><td>Używany do produkcji sztucznej opony twardej</td></tr><tr><td>Silikon KE1300-T</td><td>Shin-Etsu</td><td></td><td>Używany do produkcji sztucznej opony twardej</td></tr><tr><td>SolidWorks (płatny) Dassault</td> <td>Systems</td><td>2020</td><td>Używany do projektowania komór i słupków</td></tr><tr><td>Syn.Flex-S Multicoil</td><td>Philips</td><td>45221318123</td><td>Używany do zwierząt innych niż ludzie Obrazowanie naczelnych</td></tr></tbody></table>

zestaw narzędzi do projektowania implantów neuronowych dla naczelnych

A Neural Implant Design Toolbox for Nonhuman Primates

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.

Komponenty te zostały wcześniej zwalidowane przy użyciu kombinacji wizualizacji MRI oraz wydrukowanych w 3D modeli anatomicznych. Porównanie zautomatyzowanej 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 zautomatyzowanej wizualizacji kraniotomii została dalej oceniona poprzez porównanie reprezentacji wirtualnej z istniejącymi kraniotomiami z operacji implantacji (Rysunek 2E,G). Model wydrukowany w 3D, zautomatyzowana wizualizacja, MRI oraz rzeczywista kraniotomia wskazują ten sam obszar, pokazując główne bruzdy w tym samym miejscu 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 (Rycina 2B,C,E,F). Podobieństwa te wskazały, że procedura izolacji mózgu pozwala na prawidłowe odwzorowanie wielkości, lokalizacji i kształtu docelowych 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 i nie nakładają się na siebie ani nie zasłaniają ważnych punktów anatomicznych. Proces projektowania komory i trzpienia głównego pozwolił na stworzenie komponentów dopasowanych do krzywizny czaszki (Rycina 3G,I, Rycina 4E, Rycina 6, Rycina 7). Potwierdzono również, że sztuczna opona twarda pasuje do wewnętrznych ścianek komory, pozostawiając niewielką szczelinę w celu uwzględnienia korekt dokonywanych podczas implantacji. Niestandardowe komory wszczepiono dwóm makakom. W przeciwieństwie do poprzednich metod projektowania komór9, każda próba wkręcenia śruby zakończyła się sukcesem. Wynika to z drastycznego zmniejszenia szczelin między komorą a czaszką dzięki dopasowaniu indywidualnemu, w porównaniu do komory zaprojektowanej na podstawie przybliżeń krzywizny z obrazowania MRI9 (Rycina 6A-F). Jedna dopasowana indywidualnie komora jest wszczepiona od ponad 2 lat, a druga od półtora roku. Przy odpowiedniej pielęgnacji nie wystąpiła utrata śrub, infekcje ani problemy ze stabilnością wynikające z zastosowania tych implantów (Rycina 3I).
Zastosowanie spersonalizowanego projektu trzpienia głowowego i komory eliminuje konieczność wprowadzania ręcznych korekt podczas operacji, co w przeciwnym razie mogłoby wydłużyć czas trwania zabiegu o wiele godzin. Techniki te zmniejszają również szczeliny rzędu 1-2 mm wynikające z przybliżeń krzywizny29, co sprzyja lepszej kondycji implantu i poprawia wyniki eksperymentalne. Wprowadzone ulepszenia zapobiegają powikłaniom związanym z implantem i przedłużają jego trwałość, co w konsekwencji poprawia dobrostan zwierząt.
<img alt="Analiza obrazu z tomografii komputerowej wykazująca segmentację kości, rekonstrukcję 3D oraz mapowanie struktur anatomicznych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig1_v1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Izolacja mózgu i czaszki. (A) Warstwowe przekroje koronarne obrazu rezonansu magnetycznego (MRI). (B) Warstwowa maska binarna uzyskana z progowania czaszki. (C) Warstwowe przekroje izolowanej czaszki z odwróconej maski binarnej. (D) Zrekonstruowana czaszka 3D. (E) Warstwowa maska binarna uzyskana z progowania mózgu. (F) Warstwowe przekroje MRI izolowanego mózgu. (G) Zrekonstruowany mózg 3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig1large_v1.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Obrazy z mikroskopii i wzorce w spektroskopii; analiza struktury białek; porównanie eksperymentalne." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig2_v1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Planowanie kraniotomii. (A) Wizualizacja kraniotomii z wykorzystaniem wydrukowanego w 3D modelu mózgu i czaszki dla 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 3D modelu mózgu i czaszki dla małpy H. (E) Wizualizacja kraniotomii w oprogramowaniu komputerowym dla małpy H. (F) Wizualizacja kraniotomii na obrazie rezonansu magnetycznego (MR) dla małpy H. (G) Obraz kraniotomii u małpy H. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig2large_v1.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Proces modelowania 3D części mechanicznej; schemat; analiza strukturalna; prototypowanie." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig3_v1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Projekt implantu komory. (A) Obszar czaszki (szary) wykorzystany do redukcji rozdzielczości STL. (B) Redukcja rozdzielczości STL czaszki w programie SOLIDWORKS. (C) Wewnętrzny pierścień komory, wyróżniony. (D) Projekt kołnierza komory w programie SOLIDWORKS. (E) Połączenie kołnierza i górnej części komory. (F) Plik STL komory w programie SOLIDWORKS. (G) Wydruk 3D mózgu, czaszki i komory. (H) Tytanowa komora. (I) Implantowana komora u małpy H. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig3large_v1.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Proces projektowania implantu drukowanego w 3D, schemat przedstawiający struktury siatkowe i sekwencję montażu." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig4_v1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Projekt headpostu. (A) Obrys podstawy headpostu na redukcji rozdzielczości pliku STL czaszki. (B) Dopasowany do wymiarów ślad headpostu. (C) Podstawa headpostu. (D) Projekt headpostu w programie SOLIDWORKS. (E) Wydrukowany w 3D headpost na czaszce. (F) Tytanowy headpost. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig4large_v1.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Układ montażu mechanicznego do testowania materiałów, przedstawiający komponenty w sekwencji, schemat z bliska." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig5_v1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Wytwarzanie sztucznej opony twardej. (A) Zaciśnięcie mieszaniny silikonowej za pomocą formy. (B) Sztuczna opona twarda. Rycina została opracowana za zgodą Griggs et al.11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig5large_v1.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat montażu strukturalnego wydrukowanego w 3D, pokazujący różne kąty mocowania i wyrównanie połączeń." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig6_v1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6: Porównanie komory dopasowanej indywidualnie i dopasowanej do krzywizny czaszki. Komora zaprojektowana na podstawie szacunków krzywizny czaszki z MRI9 w widoku (A) przednim, (B) bocznym i (C) tylnym. Komora zaprojektowana indywidualnie w widoku (D) przednim, (E) bocznym i (F) tylnym. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig6large_v1.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Protetyczny komponent stawu barkowego, metalowa rama z niebieską kapsułką do analizy testów ruchomości." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig7_v1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 7"> 
Rycina 7: Komora, trzpień głowy i sztuczna opona twarda na nałożonych obrazach mózgu i czaszki<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig7large_v1.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Rysunek uzupełniający 1: Progowanie i planowanie miejsca kraniotomii. (A) Przykład maski binarnej z odpowiednim progiem. (B) Przekrój wieńcowy w MRI służący do identyfikacji miejsca kraniotomii. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF1.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rycina uzupełniająca 2: Proces redukcji pliku STL w programie MATLAB dla projektu komory.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF2.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rycina uzupełniająca 3: Wizualna reprezentacja redukcji rozdzielczości pliku STL otworu w czaszce. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF3.zip" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rycina uzupełniająca 4: Zrzuty ekranu oprogramowania dla obwódki komory. (A) Wewnętrzny pierścień obwódki komory i wewnętrzna powierzchnia górnej części komory jako współśrodkowe powiązania. (B) Przesuwanie obwódki komory w dół. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF4.zip" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rycina uzupełniająca 5: Obręcz komory i góra komory z nakładką oraz bez niej. (A) Przykład widoku od dołu nakładki między obręczą komory a górą komory (modyfikuje dolną powierzchnię obręczy komory). (B) Przykład braku nakładki między obręczą komory a górą komory. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF5.zip" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rycina uzupełniająca 6: Płaszczyzny blokujące otwory na śruby i eliminacja blokady. (A) Przykład płaszczyzn blokujących otwory na śruby po ich rozmieszczeniu. (B) Schemat wycięcia ekstrudowanego w celu usunięcia powierzchni wewnątrz otworów na śruby. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF6.zip" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rycina uzupełniająca 7: Wybór punktów i płaszczyzna osiowa czaszki. (A) Wybór punktów do projektu uchwytu głowy. (B) Widok z góry płaszczyzny równoległej do płaszczyzny osiowej czaszki. (C) Widok z boku płaszczyzny równoległej do płaszczyzny osiowej czaszki. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF7.zip" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rycina uzupełniająca 8: Przykład powiązań (mates). (A) Pierwsze powiązanie – górna powierzchnia okrągłej platformy wspornika głownego i dolna powierzchnia górnej części wspornika jako powiązania współśrodkowe. (B) Drugie powiązanie – krawędź górnej powierzchni okrągłej platformy wspornika głownego i krawędź dolnej powierzchni górnej części wspornika jako powiązania współśrodkowe. (C) Trzecie powiązanie – linia biegnąca pionowo wzdłuż tylnej nogi wspornika oraz linia biegnąca poziomo wzdłuż tylnej części górnej części wspornika jako powiązania prostopadłe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF8.zip" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rysunek uzupełniający 9: Procedura naprawy otworów. (A) Powierzchnie zszyte otaczające lukę w zaimportowanej powierzchni. (B) Oś w każdym punkcie na krawędzi powierzchni zszytej. (C) Wynik końcowy procedury naprawy otworów. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF9.zip" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rycina uzupełniająca 10: Wykonywanie wycięcia ekstrudowanego. (A) Wycięcie ekstrudowane wokół ekstruzji z procedury otworów mocujących. (B) Przykład wycięcia ekstrudowanego do płaszczyzny na górnej powierzchni dna komory. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF10.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający z kodem 1: Pliki z kodem do protokołu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/supplemental_code.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

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.

Zestaw narzędzi do projektowania implantów neuronowych dla naczelnych

This paper describes an in-house method of 3D brain and skull modeling from magnetic resonance imaging (MRI) tailored for nonhuman primate (NHP) ...

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.

a-neural-implant-design-toolbox-for-nonhuman-primates

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Ta praca przedstawia protokół do przeprowadzenia stereotaktycznego, neurochirurgicznego wszczepienia matryc mikroelektrod u marmozety pospolitej. Metoda ta umożliwia zapisy elektrofizjologiczne u swobodnie zachowujących się zwierząt, ale może być łatwo dostosowana do każdej innej podobnej interwencji neurochirurgicznej u tego gatunku (np. kaniula do podawania leków lub elektrody do stymulacji mózgu).

Chirurgia stereotaktyczna do implantacji układów mikroelektrod w marmozecie zwyczajnej (Callithrix jacchus)

Opisana poniżej metoda ma na celu dostarczenie kompleksowego protokołu do przygotowania neurochirurgii na naczelnych (NHP) przy użyciu nowatorskiego połączenia metod drukowania trójwymiarowego (3D) i ekstrakcji danych MRI.

Zestaw narzędzi oparty na rezonansie magnetycznym do planowania neurochirurgicznego u naczelnych

Tutaj prezentujemy unikalny, drukowalny w 3D implant dla szczurów, nazwany TD Drive, zdolny do symetrycznych, obustronnych zapisów elektrod drucianych, obecnie w maksymalnie dziesięciu rozproszonych obszarach mózgu jednocześnie.

TD Drive: parametryczny implant o otwartym kodzie źródłowym do wieloobszarowych zapisów elektrofizjologicznych u zachowujących się i śpiących szczurów

Tutaj przedstawiamy lekki, opłacalny system implantacji sond dla przewlekłej elektrofizjologii u gryzoni, zoptymalizowany pod kątem łatwości użycia, odzyskiwania sondy, wszechstronności eksperymentalnej oraz zgodności z zachowaniem.

Implant DREAM: lekki, modułowy i opłacalny system implantów do przewlekłej elektrofizjologii u myszy zamocowanych na głowie i swobodnie zachowujących się

Protokół ten przedstawia skrzynkę behawioralną opartą na mikrokontrolerze do oceny hamowania przedimpulsowego (PPI) poprzez zbieranie danych o przyspieszeniu z czujnika znajdującego się pod skrzynką. Dane te oceniają deficyty bramkowania sensorycznego u społecznie izolowanych szczurów, z dodatkową metodą synchronizacji danych z aktywnością neuronalną w celu przyspieszenia badań neurofizjologicznych nad zaburzeniami zachowania.

Opracowanie pudełka behawioralnego do oceny hamowania prepulsu i aktywności neuronalnej w psychiatrycznych modelach zwierzęcych

Opisano adaptację i zastosowanie robota haptycznego w systemie fMRI 3T.

Adaptacja robota haptycznego do obrazowania fMRI 3T

Zaprojektowaliśmy nowatorski bioreaktor obciążenia mechanicznego, który może zastosować jednoosiowe lub dwuosiowe naprężenie mechaniczne do biokompozytu chrząstki przed przeszczepem do ubytku chrząstki stawowej.

Projekt dwuosiowego bioreaktora obciążenia mechanicznego dla inżynierii tkankowej

Decelularyzacja całego narządu tworzy naturalne biologiczne rusztowania, które mogą być wykorzystane w medycynie regeneracyjnej. Przedstawiono opis modelu regeneracji płuc u naczelnych u zwierząt innych niż człowiek, w którym całe płuca są decelularyzowane, a następnie wysiewane dorosłymi komórkami macierzystymi i komórkami śródbłonka w bioreaktorze ułatwiającym krążenie naczyniowe i wentylację płynnych mediów.

Decelularyzacja i recelularyzacja płuc naczelnych przy użyciu specjalistycznego bioreaktora wielkonarządowego

Pomiar in vivo skurczów mięśni gładkich wzdłuż przewodu pokarmowego zwierząt laboratoryjnych pozostaje potężną, choć niedostatecznie wykorzystywaną techniką. Elastyczne, dwuelementowe tensometry nie są dostępne na rynku i wymagają produkcji. Protokół ten opisuje budowę niezawodnych, niedrogich tensometrów do ostrej lub przewlekłej implantacji u gryzoni.

Wytwarzanie i wszczepianie miniaturowych dwuelementowych tensometrów do pomiaru in vivo skurczów przewodu pokarmowego u gryzoni.

Protokół dla projektowania inspirowanego biologicznie jest opisany dla urządzenia do pobierania próbek opartego na szczękach jeżowca. Proces bioinspiracji obejmuje obserwację jeżowców, charakterystykę ustnika, drukowanie 3D zębów i ich montaż oraz bioeksplorację struktury zębów.

Protokół projektowania inspirowanego biologią: próbnik naziemny oparty na szczękach jeżowców

Poznaj zautomatyzowaną metodę modelowania mózgu i czaszki z MRI dla neurochirurgii naczelnych. To podejście usprawnia projektowanie implantów, eliminując dodatkowe obrazowanie i poprawiając dobrostan zwierząt.

Zestaw narzędzi do projektowania implantów neuronowych dla naczelnych

Przeglądaj więcej filmów