Uma caixa de ferramentas de design de implante neural para primatas não humanos

Rachel Iritani; Tiphaine Belloir; Devon J. Griggs; Zachary Ip; Zada Anderson; Azadeh Yazdan-Shahmorad

doi:10.3791/66167

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Artigo de método

Uma caixa de ferramentas de design de implante neural para primatas não humanos

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DOI:

10.3791/66167

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9 de fevereiro de 2024

Rachel Iritani¹ , Tiphaine Belloir¹ , Devon J. Griggs² , Zachary Ip¹ , Zada Anderson³ , Azadeh Yazdan-Shahmorad¹^,²

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

Neste artigo

Resumo

Este artigo descreve processos automatizados para planejamento neurocirúrgico de primatas não humanos com base em exames de ressonância magnética (RM). Essas técnicas usam etapas processuais em plataformas de programação e projeto para apoiar o projeto de implantes personalizados para NHPs. A validade de cada componente pode então ser confirmada usando modelos anatômicos tridimensionais (3D) impressos em tamanho real.

Resumo

Este artigo descreve um método interno de modelagem 3D do cérebro e crânio a partir de imagens de ressonância magnética (RM) adaptado para o planejamento neurocirúrgico de primatas não humanos (NHP). Esta técnica automatizada baseada em software computacional fornece uma maneira eficiente de extrair características do cérebro e do crânio de arquivos de ressonância magnética, em oposição às técnicas tradicionais de extração manual usando software de imagem. Além disso, o procedimento fornece um método para visualizar o cérebro e o crânio craniotomizado juntos para um planejamento cirúrgico virtual intuitivo. Isso gera uma redução drástica de tempo e recursos em relação aos exigidos por trabalhos anteriores, que dependiam da impressão 3D iterativa. O processo de modelagem do crânio cria uma pegada que é exportada para um software de modelagem para projetar câmaras cranianas e cabeçotes personalizados para implantação cirúrgica. Os implantes cirúrgicos personalizados minimizam as lacunas entre o implante e o crânio que podem apresentar complicações, incluindo infecção ou diminuição da estabilidade. Com a implementação dessas etapas pré-cirúrgicas, as complicações cirúrgicas e experimentais são reduzidas. Essas técnicas podem ser adaptadas para outros processos cirúrgicos, facilitando um planejamento experimental mais eficiente e eficaz para pesquisadores e, potencialmente, neurocirurgiões.

Introdução

Primatas não humanos (NHPs) são modelos inestimáveis para a pesquisa médica translacional porque são evolutiva e comportamentalmente semelhantes aos humanos. Os NHPs ganharam particular importância em estudos pré-clínicos de engenharia neural porque seus cérebros são modelos altamente relevantes de função neural e disfunção¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸. Algumas poderosas técnicas de estimulação e gravação cerebral, como optogenética, imagem de cálcio e outras, são melhor servidas com acesso direto ao cérebro através de janelas cranianas⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³. Em NHPs, as janelas cranianas são frequentemente alcançadas com uma câmara e uma dura-máter artificial para proteger o cérebro e apoiar a experimentação a longo prazo⁸^,¹⁰^,¹²^,¹⁷^,¹⁸^,²⁴^,²⁵^,²⁶^,²⁷. Da mesma forma, os headposts geralmente acompanham as câmaras para estabilizar e alinhar a cabeça durante os experimentos¹⁴^,¹⁵^,²⁵^,²⁶^,²⁸^,²⁹^,³⁰. A eficácia desses componentes depende muito de quão bem eles se encaixam no crânio. Um ajuste mais próximo ao crânio promove a integração óssea e a saúde craniana, diminuindo a probabilidade de infecção, osteonecrose e instabilidade do implante³¹. Métodos convencionais de design, como dobrar manualmente o poste da cabeça durante a cirurgia²⁵^,²⁹ e estimar a curvatura craniana por meio do ajuste de círculos em cortes coronais e sagitais de ressonância magnética (RM)⁹^,¹² pode introduzir complicações devido à imprecisão. Mesmo o mais preciso deles cria lacunas de 1 a 2 mm entre o implante e o crânio, proporcionando espaço para o acúmulo de tecido de granulação²⁹. Essas falhas também dificultam a colocação de parafusos na cirurgia⁹, comprometendo a estabilidade do implante. Implantes personalizados têm sido desenvolvidos mais recentemente para melhorar a osseointegração e a longevidade do implante⁹^,²⁹^,³⁰^,³². Custos adicionais acompanharam os avanços no projeto de implantes personalizados devido à dependência de modelos computacionais. Os métodos mais precisos requerem equipamentos sofisticados, como tomógrafos computadorizados (TC), além de aparelhos de RM³⁰^,³²^,³³ e até fresadoras de controle numérico computadorizado (CNC) para desenvolvimento de protótipos de implantes²⁵^,²⁹^,³²^,³⁴. Obter acesso à RNM e à TC, particularmente para uso com NHPs, pode não ser viável para laboratórios que precisam de implantes personalizados, como câmaras cranianas e cabeceiras.

Como resultado, há uma necessidade na comunidade de técnicas baratas, precisas e não invasivas de planejamento neurocirúrgico e experimental que facilitem o projeto e a validação dos implantes antes do uso. Este artigo descreve um método de geração de representações virtuais 3D do cérebro e do crânio a partir de dados de RM para o planejamento da localização de craniotomias e o projeto de câmaras cranianas personalizadas e cabeceiras que se ajustam ao crânio. Este procedimento simplificado fornece um desenho padronizado que pode beneficiar os resultados experimentais e o bem-estar dos animais de pesquisa. Apenas a RM é necessária para essa modelagem, pois tanto o osso quanto os tecidos moles são representados na RM. Em vez de usar uma fresadora CNC, os modelos podem ser impressos em 3D de forma barata, mesmo quando várias iterações são necessárias. Isso também permite que o projeto final seja impresso em 3D em metais biocompatíveis, como titânio, para implantação. Além disso, descrevemos a fabricação de uma dura-máter artificial, que é colocada dentro da câmara craniana no momento da implantação. Esses componentes podem ser validados pré-cirurgicamente, encaixando todas as peças em um modelo impresso em 3D em tamanho real do crânio e do cérebro.

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Protocolo

Todos os procedimentos envolvendo animais foram aprovados pelo Comitê do Institute for Animal Care and Use da Universidade de Washington. Foram utilizados quatro macacos rhesus (Macaca mulatta) machos adultos. No momento da aquisição da ressonância magnética, o macaco H tinha 7 anos, o macaco L 6 anos, o macaco C 8,5 anos e o macaco B 5,5 anos. Os macacos H e L foram implantados com câmaras crônicas personalizadas aos 9 anos de idade.

1. Isolamento craniano e cerebral (Figura 1)

Adquira um arquivo T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE) do crânio e do cérebro usando uma máquina de ressonância magnética 3T. Utilizar os seguintes parâmetros para aquisição da RM³⁵: flip angle = 8°, tempo de repetição/tempo de eco = 7,5/3,69 s, tamanho da matriz = 432 x 432 x 80, tempo de aquisição = 103,7 s, Multicoil, espessura de corte = 1 mm, número de médias = 1.
Baixe a pasta rotulada supplemental_code (Supplemental Coding File 1). Esta pasta deve conter os seguintes arquivos: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m³⁶ stl_write.m³⁷.
Adicione o arquivo MRI à pasta supplemental_code . No software computacional, selecione a pasta supplemental_code como o caminho do arquivo e execute brain_extract.m.
As etapas a seguir descrevem um método semi-automatizado de isolamento craniano e cerebral usando o MATLAB (Figura 1), que foi agregado a partir de técnicas de extração anteriores³⁵. A janela de comando solicitará os parâmetros necessários para o isolamento do cérebro e crânio e visualização da craniotomia. Depois que cada resposta for inserida na janela de comando, clique em enter.
1. A janela de comando solicitará primeiro o nome do arquivo MPRAGE. Digite o nome do arquivo (por exemplo, MRIFile.dcm) e confirme se a RM está exibida corretamente (Figura 1A).
2. Para isolar o crânio (Figura 1B - D), siga as etapas detalhadas descritas na janela de comando. Identificar um valor limite adequado que separe o crânio do tecido circundante sem eliminar a matéria craniana (Figura 1A suplementar). Confirme um valor limite pressionando (y).
3. Técnica semelhante é utilizada para isolar o cérebro (Figura 1E - G). Quando solicitado na janela de comando, insira um limite para o cérebro. Avalie a figura que aparece e ajuste o limite, se necessário. Certifique-se de que o cérebro está isolado do crânio e do tecido circundante e que nenhum tecido cerebral está sendo removido no processo. Confirme um valor limite pressionando (y).
4. Prossiga para a seção de interesse.

2. Craniotomia planejamento local (Figura 2)

Depois que o cérebro e o crânio tiverem sido extraídos, insira as coordenadas da craniotomia. Se as coordenadas ainda não forem conhecidas, indique (n) para não, e uma figura será exibida (Figura Suplementar 1B). Determine as coordenadas da craniotomia escolhendo um z-frame (plano coronal) e selecionando um ponto no z-frame escolhido para o centro de craniotomia.
1. Se as coordenadas forem conhecidas, indique-as com os respectivos valores x (sagital), y (axial) e z (coronal).
Insira o raio da craniotomia em milímetros (por exemplo, 10 mm) e escolha nenhum raio externo.
Especifique se uma barra de escala é necessária para as imagens do crânio e do cérebro. As barras de escala ajudam a confirmar se as dimensões dos modelos estão corretas.
Salve arquivos cerebrais e cranianos como STL para impressão 3D, se desejado (Figura 1D, G).
Em seguida, será exibida uma figura com o cérebro e crânio craniotomizado. Isso pode ser usado para verificar o acesso a áreas cerebrais alvo. O cérebro é representado em azul e o crânio em cinza claro (Figura 2B, E).
Escolha (n) para concluir uma redução de tamanho SLT, que é um recurso que será usado para etapas futuras (veja abaixo).
Repetir as seções 1 e 2 por iteração de craniotomia.

3. Desenho da câmara craniana (Figura 3)

Antes de iniciar o desenho da câmara, confirme a localização da craniotomia e do rádio da craniotomia usando o procedimento de planejamento de localização da craniotomia.
Após o isolamento do crânio e do cérebro, o próximo passo será inserir as coordenadas finalizadas do centro da craniotomia. Insira os valores x (sagital), y (axial) e z (coronal).
Em seguida, a janela de comando solicitará a entrada dos raios internos e externos, que determinam a área do crânio com a qual trabalhar para o projeto da câmara. Escolha um raio interno menor que o raio real da craniotomia (por exemplo, 5 mm para um raio de craniotomia de 10,0 mm) e um segundo raio externo maior que o raio planejado da saia da câmara (por exemplo, 26 mm para uma saia de câmara que terá um raio de 22 mm). Isso fornecerá uma estrutura de crânio em forma de anel como base para a câmara a ser construída.
OBS: Para o dimensionamento de uma câmara com raio de craniotomia de 10 mm, optou-se por um raio interno de 5 mm. Isso fornece uma representação precisa do crânio na borda da craniotomia, mantendo um círculo pequeno o suficiente para que o centro da craniotomia possa ser facilmente identificado quando a representação do crânio é exportada para o software de design. Um raio externo de 26 mm foi extraído para uma câmara de raio de 22 mm para garantir que a área extra do crânio estivesse disponível. As dimensões da câmara foram desenvolvidas com restrições estabelecidas pelas necessidades do experimento. Os raios utilizados nesta etapa serão determinados pelo tamanho da craniotomia e pelo tamanho da saia da câmara, que é dependente do tamanho dos parafusos e do espaço disponível no crânio.
Indique se as barras de escala são necessárias para imagens do crânio e do cérebro.
Salve arquivos de cérebro e crânio, se desejar.
Uma figura aparecerá com o cérebro (em azul) e a região do crânio (em cinza) que foi selecionada (Figura 3A). Uma redução de tamanho STL precisa ser aplicada na região do crânio selecionada para facilitar o manuseio do arquivo no software CAD (Computer-Aided Design).
Selecione (y) para iniciar a redução do tamanho do STL. A redução de tamanho criará um arquivo STL com um tamanho de arquivo reduzido que pode ser facilmente importado para o software CAD para design de hardware personalizado.
Usando a figura com o cérebro e o crânio sobrepostos (Figura 3A), use o mouse para selecionar pontos na superfície do crânio a serem usados para a redução do arquivo. Mantenha pressionada a tecla shift para colocar mais de um ponto.
1. Coloque pontos para cobrir a região de interesse, que neste caso é a região do crânio selecionada. Coloque os pontos o mais próximo possível para garantir uma representação mais precisa e precisa do crânio (Figura 2 Suplementar). Alguns usuários podem preferir selecionar ~20 pontos críticos e completar o restante do projeto da câmara como prática antes de selecionar todos os pontos de interesse para o produto final.
2. Ao selecionar pontos, é melhor colocar o maior número possível de pontos na região selecionada. Em geral, ~200 pontos representam bem a curvatura do crânio. Coloque mais pontos ao redor das bordas da região selecionada para enfatizar o limite entre o cérebro e o crânio.
  NOTA: Evite clicar no botão enter antes de terminar de colocar pontos em toda a região, pois isso fará com que o código progrida prematuramente e o processo de seleção de pontos terá que ser repetido.
Pressione Enter quando terminar de colocar pontos no crânio selecionado. Digite o nome do arquivo reduzido na janela de comando.
Importe o arquivo para o software CAD para projeto de câmara personalizado. Comece abrindo o software CAD.
Clique em Arquivo > Abrir e selecione o nome do arquivo da redução STL no diretório.
1. Antes de clicar em Abrir, clique no botão Opções e, no menu Importar como , clique em Corpo do Surface. Clique em OK e, em seguida, em Abrir.
Uma vez que o STL é importado, verifique se há pequenos furos na superfície, indicados por linhas azuis. Se existirem orifícios na região do crânio que a câmara irá cobrir (Figura Suplementar 3), conclua o procedimento de fixação dos orifícios (Secção 6) no passo 3.19.1.
Visualize a superfície do crânio para a câmara em software CAD como na Figura 3B. Verifique se as bordas da área selecionada estão visíveis na representação do crânio.
Encontre o contorno do círculo interno no centro da superfície importada para localizar o centro da craniotomia. Crie um plano alinhado com o círculo interno clicando em Inserir > Geometria de Referência > Plano. Use três pontos distribuídos uniformemente ao longo da circunferência do círculo interno como pontos de referência para o plano.
Crie um círculo correspondente ao círculo interno clicando no ícone de círculo na guia Esboço . Escolha o plano da etapa anterior como o plano de referência e identifique pontos ao longo da borda até que a visualização do círculo forneça uma representação precisa do contorno do círculo interno. Várias combinações diferentes de pontos podem ter que ser testadas para encontrar aquelas que melhor se encaixam no círculo interno.
Com o círculo como referência, crie um ponto no meio do círculo clicando em Inserir > Geometria de Referência > Ponto e use a opção Centro do Arco. Este ponto representa o centro da craniotomia.
Como plano de referência para futuras extrusões, fazer um segundo plano paralelo ao plano inicial e deslocado em 10 mm. Ao escolher a direção do deslocamento, verifique se a seta está apontando para cima do objeto.
Criação do anel interno da câmara (Figura 3C)
1. Faça um eixo que se estenda perpendicularmente através do plano da craniotomia e do plano superior clicando em Inserir > Geometria de Referência > Eixo, destacando a opção Ponto e Face/Plano e usando o plano superior e o ponto central da craniotomia como referências. Faça outro ponto na intersecção deste eixo com o plano superior.
2. Selecione Extrude Boss/Base e o plano superior como a superfície da qual a extrude. Faça um esboço da seção transversal interna do anel criando dois círculos concêntricos com o ponto no plano superior como o ponto central (por exemplo, raios de 11,35 mm e 12,25 mm). Selecione Até Superfície no menu de direção e especifique a superfície importada como a superfície para a qual extrair.
3. Copie a superfície importada selecionando Inserir > Superfície > Mover/Copiar e eleve a superfície copiada até a altura do anel interno e da saia (por exemplo, 3,5 mm). Use a opção Traduzir no menu Mover/Copiar e traduza a superfície ao longo do eixo perpendicular a ambos os planos.
4. Realizar um corte extrudado circular do plano superior até a superfície copiada. Comece clicando em Corte Extrudado e selecionando a superfície superior do anel interno como ponto de partida para o corte extrudado. Complete a extrusão escolhendo a superfície copiada como ponto de extremidade.
5. Exclua a superfície importada original usando a ferramenta Inserir > Recursos > Excluir/Manter Corpo . Com a ferramenta Ocultar/Mostrar na guia Exibir , a superfície copiada pode ser ocultada para visualizar o anel interno e validar seu design.
Criação de saia de câmara (Figura 3D)
1. Faça um segundo deslocamento de superfície copiado menor do que a superfície existente por uma espessura da saia da câmara (por exemplo, -1,5 mm). No menu Traduzir , escolha o eixo perpendicular aos planos como ponto de referência e um valor de deslocamento para criar a nova superfície abaixo da inicial.
  Observação : dependendo da direção padrão da direção de deslocamento, o valor de deslocamento pode ter que ser definido como negativo para ir na direção correta.
  1. Se houver furos na região que a câmara irá cobrir, siga os passos descritos na seção 6 (furos de fixação) antes de continuar com o resto do procedimento de projeto da câmara.
2. Realizar uma extrusão do plano superior para a superfície inferior na forma da câmara. Comece selecionando Extrude Boss/Base e selecionando o plano superior como o plano de extrusão.
  1. Siga o passo 6.2 para manusear as extrusões existentes a partir do procedimento do orifício de fixação.
3. Esboce a forma da saia da câmara neste plano. Faça do círculo interno da câmara um círculo do mesmo tamanho que o raio menor do anel interno (por exemplo, 11,35 mm), centralize-o em torno do ponto no plano superior e faça o limite externo da saia da câmara usando uma combinação de arcos e linhas para maximizar a área da saia. Extruda para a parte inferior das duas superfícies.
  Observação : se surgir um erro com a extrusão, é provável que o esboço é mais largo do que a superfície. Nesse caso, diminua o tamanho do limite externo da saia.
4. Extrusão cortada do plano superior para o superior das duas superfícies copiadas na forma do contorno da câmara.
  1. Consulte a etapa 6.2 para obter informações adicionais sobre as extrusões que sobraram do procedimento de furos de fixação.
5. Para revelar a saia da câmara e o anel interno, exclua as duas cópias restantes da superfície importada. O objeto resultante deve aparecer semelhante ao da Figura 3D.
6. Durante o processo de fazer a redução STL e importá-lo, o modelo do crânio é espelhado. Para compensar isso, a saia resultante precisa ser espelhada. No menu Recursos , clique em Espelhar e espelhe a saia no plano superior. Exclua a saia original usando a função Excluir/Manter Corpo .
Combinando o top da câmara e a saia (Figura 3E)
1. Abra o arquivo STL da parte superior da câmara no software usado para projetar a saia da câmara. Em seguida, insira a saia de câmara como uma parte clicando em Inserir > Peça, selecionando a saia personalizada no menu e clicando em qualquer lugar na tela para importar a peça.
2. Para alinhar a parte superior e a saia da câmara, clique em Inserir > Recursos > Mover/Copiar. Selecione a saia da câmara e clique no botão Restrições na parte inferior do menu. Destaque o anel interno da saia e a superfície interna do topo da câmara como companheiros concêntricos (Figura 4A Suplementar).
  1. Confirme se a parte superior da saia está alinhada com a parte inferior da parte superior da câmara e, se necessário, mude a direção do alinhamento do companheiro.
3. Use Mover/Copiar para traduzir a saia para baixo diretamente abaixo da parte superior da câmara. Isso exigirá várias iterações para encontrar a distância correta, de modo que o topo da câmara não se estenda abaixo da saia da câmara e obstrua a saia (Figura 4B Suplementar e Figura Suplementar 5).
4. Gire o topo da câmara para alinhar as lacunas entre as abas de modo que uma seja perpendicular e outra paralela à linha média do cérebro. Use a ferramenta Girar e o eixo existente no centro do objeto como o eixo de rotação. Ajuste os graus de rotação até que o topo da câmara e a saia estejam na orientação correta em relação um ao outro.
5. Conecte os objetos extrudando da parte inferior da parte superior da câmara diretamente para baixo em direção à saia. Use Extrude Boss/Base, selecione a superfície inferior da parte superior da câmara e crie um esboço nesta superfície com os mesmos raios internos e externos deste anel, usando o eixo central como ponto central. Escolha Up To Body como a direção de extrusão e indique a saia da câmara.
6. Realizar um corte extrudado da superfície do topo da câmara que prende as presilhas. Depois de selecionar essa superfície como plano de extrusão, esboce um círculo com o mesmo raio interno do anel interno. Saia do esboço e execute um corte extrudado cego que ultrapasse o fundo da saia da câmara (por exemplo, 10 mm).
7. Adicione doze orifícios de parafuso espaçados uniformemente ao redor da saia da câmara. Coloque os orifícios do parafuso de modo que fiquem espaçados uniformemente, mas também suficientemente afastados para que sejam acessíveis durante a cirurgia, mas perto o suficiente para evitar uma pegada de câmara desnecessariamente grande.
8. Use a ferramenta Assistente de furo para a colocação de furos de parafuso. Escolha parâmetros no menu Especificação do furo - Tipo . Os parâmetros devem estar alinhados com os parafusos que serão utilizados durante o implante cirúrgico (por exemplo, Padrão: ANSI Metric, Tipo: Parafuso de cabeça plana - ANSI B18.6.7M, Tamanho: M2, Ajuste: Solto, Diâmetro mínimo: 3,20 mm, Diâmetro máximo: 4,00 mm, Ângulo do lavatório: 90 graus, Condição final: Através de todos).
9. Clique na guia Posições para começar a colocar furos. Para colocar um buraco, passe o mouse sobre um plano na câmara e clique com o botão direito do mouse. Coloque todos os doze orifícios de parafuso, garantindo que estejam uniformemente colocados e acessíveis.
10. Se as obstruções permanecerem dentro de um orifício de parafuso depois de ele ter sido colocado (Figura 6A Suplementar), escolha um plano diferente para colocar o orifício ou use as etapas a seguir para executar um corte extrudado para cima através do orifício.
  1. Inicie o corte extrudado para cima criando um plano paralelo ao plano restante, mas deslocado para baixo em 0,00001 mm para que o plano esteja diretamente sob a obstrução.
  2. Realizar o corte extrudado tendo como referência o plano criado na última etapa. Usando uma combinação de arcos e linhas, esboce a forma da área que precisa ser removida. Certifique-se de que o esboço contenha qualquer parte do plano que esteja dentro do raio externo do orifício do parafuso (Figura 6B suplementar). Extrusão corte 1 mm para cima.
11. Depois de colocar os orifícios do parafuso, apague a saia para reduzir as bordas afiadas e minimizar a área desnecessária da saia. Execute um corte extrudado da superfície superior da câmara para baixo, passando pela saia da câmara (por exemplo, 30 mm). Faça a extrusão em uma forma que suavize as bordas ásperas e apague a área externa da saia.
  1. Cortes personalizados adicionais podem ser necessários para remover todas as bordas afiadas e o excesso de saia. Se as áreas da saia não puderem ser cortadas usando a superfície superior da câmara como plano de referência, crie um plano angulado e crie cortes extrudados adicionais usando esse plano.
12. Consulte a Figura 3F para obter uma representação final do projeto da câmara. Este desenho pode ser impresso em 3D e colocado em um modelo de cérebro e crânio craniotomizado, se desejado (Figura 3G).

4. Projeto do headpost (Figura 4)

Observe que a localização finalizada do centro de craniotomia e a área máxima da saia da câmara serão necessárias para o projeto do poste.
Insira as coordenadas conhecidas da craniotomia (valores x, y e z) na janela de comando.
Para o design do headpost, apenas um raio é necessário para representar a área no crânio que está disponível ao redor da câmara. Nesta etapa, insira o raio máximo da câmara que foi projetada na seção anterior (por exemplo, 25 mm). Em seguida, indique que nenhum raio externo é necessário.
Use a janela de comando para indicar se as barras de escala são necessárias para confirmar as dimensões.
Semelhante às seções anteriores, salve arquivos STL de cérebro e crânio, se necessário para impressão 3D.
A próxima figura que é exibida mostrará a região do crânio que envolve a câmara para a criação de uma pegada de cabeçote. Extraia essa região usando uma redução de tamanho STL a ser importada para o software de design.
Selecione (y) para indicar que uma redução de tamanho STL é desejada. Selecione pontos na figura com o cérebro (em azul) e o crânio (em cinza) sobrepostos juntos. Certifique-se de que os pontos sejam selecionados o mais próximo possível e distribuídos uniformemente pela região cinzenta do crânio (Figura 7A Suplementar). Para obter mais detalhes sobre o processo de seleção de pontos, consulte a etapa 3.8.
Pressione Enter depois de completar a seleção de pontos para cobrir a região cinza do crânio onde o headpost ficará sentado. Indique um nome de arquivo para o arquivo reduzido baixado na janela de comando.
Importe o arquivo reduzido para o software CAD para projetar o espaço ocupado pelo cabeçote personalizado. Verifique se o arquivo está sendo importado como um corpo de superfície.
Depois de importar o arquivo, verifique se há furos na superfície indicados por linhas azuis. Se existirem orifícios na região geral que o poste irá cobrir, o procedimento de fixação dos orifícios (secção 6) terá de ser concluído no passo 4.11.
O primeiro passo do projeto do headpost é encontrar um plano na superfície que se alinhe com o plano axial de modo que, quando o headpost top e o bottom são combinados, o headpost top seja perpendicular ao crânio (Figura 7B Suplementar, C). Se um plano que se alinha diretamente com o plano axial não puder ser encontrado na superfície do crânio, crie um novo plano usando um plano existente na superfície e girando-o para alinhá-lo corretamente. É útil ter um modelo de crânio 3D físico que possa ser usado para comparação com a representação virtual do crânio.
1. Este passo pode ter que ser modificado várias vezes para criar um topo de cabeça que é diretamente perpendicular ao crânio. Para alterar o ângulo do topo do headpost em relação à pegada do headpost, modifique o plano usado nesta etapa. Alguns planos podem ter que ser testados para encontrar um que fique paralelo ao plano axial.
Use o plano encontrado ou criado na etapa anterior para criar um plano paralelo 3 mm acima da superfície que fornecerá uma referência para a orientação do topo do poste de cabeça.
1. Conclua o procedimento de fixação dos orifícios descrito na secção 6 com lacunas que surjam na região do poste da cabeça.
Criando a parte inferior do headpost (Figura 4C)
1. Clique em Extrude Boss/Base, selecione o novo plano e crie um esboço da pegada do headpost usando uma combinação de arcos e linhas. Torne as pernas do cabeçote de comprimento semelhante e os ângulos entre elas congruentes (ver exemplo na Figura 4A). Use arcos para conectar as pernas do poste de cabeça para garantir bordas suaves ao redor da pegada e extrudir o esboço para a superfície importada.
  NOTA: O número de pernas da cabeceira dependerá do espaço disponível ao redor da câmara. No entanto, o cabeçote deve ter um mínimo de três pernas para garantir a estabilidade mecânica adequada.
  1. Consulte a etapa 6.2 para obter instruções sobre como desenhar as extrusões existentes do procedimento de furo de fixação.
2. Neste ponto, a superfície inferior do poste da cabeça está disponível para confirmar que a superfície corresponde à curvatura do crânio. Se a impressão 3D for desejada para verificar o ajuste, conclua as quatro etapas a seguir.
  1. Exclua o corpo da superfície importada. Espelhe a pegada no plano criado na etapa 4.10. No menu Espelho , confirme se a caixa Mesclar sólidos está desmarcada.
  2. Para verificar se a pegada corresponde à curvatura do crânio, use o Delete/Keep Body para excluir a pegada original, deixando apenas a versão espelhada.
  3. Imprima o objeto em 3D como um STL e coloque-o no modelo 3D Skull para testar fisicamente se ele corresponde à curvatura do crânio.
  4. Para continuar com o design do headpost, use a seta Desfazer na parte superior da barra de ferramentas para desfazer as duas etapas anteriores (espelhamento e exclusão). Isso deve restaurar a pegada original e o corpo da superfície.
3. Crie um ponto no centro da superfície plana na pegada. Crie um eixo usando esse ponto e o plano de referência superior.
4. Clique na ferramenta Mover/Copiar e crie uma cópia da superfície importada elevada até a espessura da parte inferior do poste (por exemplo, 1,35 mm). Use o eixo feito nesta etapa como referência de tradução e verifique se a caixa Copiar está marcada para impedir que a superfície original seja modificada.
5. Execute um corte extrudado da superfície plana da pegada do poste de cabeça para a superfície copiada (elevada). Exclua a superfície original e sua cópia. A parte resultante pode ser vista na Figura 4B.
  1. Siga o passo 6.3 para extrusões existentes do procedimento de furo de fixação.
6. Crie um novo plano paralelo ao plano de referência, mas traduzido para cima ou para baixo para pairar pelo menos 1 mm acima da parte inferior do poste da cabeça. Para determinar o comprimento da tradução, use a ferramenta Medir na guia Avaliar . Faça uma extrusão circular do novo plano para a parte inferior do poste da cabeça para criar uma plataforma onde a base do topo da cabeceira se assentará e garantir que a plataforma esteja centrada em torno da linha média do crânio.
7. Use a ferramenta Filé no menu Recursos para suavizar a interseção entre a extrusão e a pegada do cabeçote. Teste diferentes valores de raios usando o parâmetro assimétrico e escolha os maiores valores de raios possíveis.
8. Neste ponto, verifique o posicionamento da plataforma superior do headpost imprimindo em 3D a versão atual e testando-a contra um modelo de crânio.
9. Colocar orifícios de parafuso ao longo do fundo do cabeçote usando a mesma técnica utilizada para os orifícios dos parafusos da câmara (passo 3.20.7). Adicione um mínimo de três orifícios de parafuso em cada perna do poste de cabeça. Certifique-se de que o ponto central de cada orifício do parafuso esteja a pelo menos 5 mm do centro do orifício seguinte e que as bordas de cada orifício estejam a pelo menos 2,5 mm de distância da borda da perna.
  1. Para evitar vasos sanguíneos que correm sob o crânio e perto da linha média, confirme se os orifícios do parafuso não cruzam a linha média e desloque-os, se necessário. O produto deve ser semelhante ao design da Figura 4C.
10. Espelhe a peça usando a ferramenta Espelho para compensar o espelhamento que ocorre durante a importação da superfície do crânio. Use a parte superior da base circular como plano do espelho.
11. Exclua a parte original usando o recurso Excluir/Manter Corpo para que apenas a versão espelhada permaneça.
Combinando a parte superior e inferior do cabeçote (Figura 4D)
1. Importe a parte superior do headpost como uma Parte do menu Inserir . Depois que a peça for realçada no menu, clique em qualquer lugar na tela para adicionar a peça.
2. Usando a função Mover/Copiar , alinhe o headpost superior e inferior. Comece especificando a parte superior da cabeceira como o Corpo a Mover. Em seguida, faça os três parceiros a seguir no menu Restrições :
  1. Certifique-se de que a superfície superior da plataforma circular do poste de cabeça e a superfície inferior do poste do cabeçote se acoplaram coincidentemente.
  2. Certifique-se de que as bordas delineadas das superfícies no último par de parceiros acasalem concêntricamente.
  3. Mate uma linha que vai verticalmente ao longo da perna traseira do poste da cabeça e uma linha que corre horizontalmente ao longo da parte de trás do topo da cabeça (o lado plano) perpendicularmente. Certifique-se de que a face curva do topo está voltada para frente (anterior) e a face plana está voltada para mais perto da perna traseira do poste da cabeça (posterior).
  4. Confirme se cada conexão está na direção correta e alterne as direções de acasalamento no menu, se necessário (consulte a Figura 8 suplementar para obter um exemplo de parceiros).
    NOTA: O procedimento para combinar a parte inferior e superior do headpost personalizado usa um headpost top genérico que foi projetado usando o software CAD. Aqui, a parte superior é projetada com base no cabeçote do Crist Instrument. O procedimento de acasalamento descrito acima é específico para essas partes e pode ter que ser ajustado se diferentes partes de acasalamento forem usadas.
3. Certifique-se de que a parte superior e inferior combinadas se pareçam com a Figura 4D.
  1. Se o topo da cabeceira não estiver devidamente alinhado, modifique o plano de referência utilizado no passo 4.11.

5. Fabricação da dura-máter ^{artificial 11} (Figura 5)

Obter o molde de dura-máter artificial (Figura 5B).
Crie a mistura de dura-dura artificial misturando silicone KE1300-T e CAT-1300 em uma proporção de 10:1.
Despeje 1 mL da mistura na superfície superior do cilindro no centro do molde.
Para evitar bolhas de ar, coloque o molde em uma câmara de vácuo por cerca de 15 min.
Adicione a segunda camada do molde, utilizando os postes de cada lado do cilindro para orientar o alinhamento da peça.
Despeje 3-4 mL de mistura de silicone no molde e coloque a peça de acrílico transparente na parte superior do molde (Figura 5A). Use uma braçadeira em C para prender o molde.
Verifique se há bolhas de ar na janela óptica e remova-as com uma câmara de vácuo, conforme necessário.
Curar a estrutura resultante durante a noite à temperatura ambiente. As bolhas de ar que sobraram são removidas através da pressão criada quando o molde é fixado antes da cura.
Desmonte após a cura, removendo cada peça de moldagem e removendo cuidadosamente a dura-máter de silicone.

6. Procedimento de fixação de furos

Execute o procedimento de fixação de orifícios se forem encontrados orifícios na representação do crânio (indicado por linhas azuis no software CAD). Conclua as etapas a seguir depois que as superfícies inferiores (as superfícies que terminarão as extrusões) tiverem sido criadas. Para a câmara, isto é seguir o passo 3.19. Para o headpost, inicie este procedimento após a conclusão da etapa 4.12.
1. Esconda quaisquer superfícies ou extrusões além da superfície inferior para que a superfície inferior possa ser visualizada de forma independente.
2. Use Inserir > Superfície > Planar para criar uma superfície plana em cada face que esteja em contato com a lacuna, bem como sobre a lacuna, se aplicável. Para especificar uma superfície, selecione cada borda como uma entidade delimitadora.
3. Faça superfícies planas até que cada vão seja cercado, incluindo cantos de lacunas e bordas de linhas.
4. Clique em Inserir > superfície > malha e selecione cada superfície plana ao redor da lacuna. Consulte a Figura 9A suplementar para obter uma visão das superfícies de malha.
5. Crie um eixo de referência em cada ponto ao longo da borda da superfície de malha escolhendo Ponto e Face/Plano como o tipo de referência e selecionando um ponto na borda da superfície e no plano superior. Repita para cada ponto na borda da superfície de malha (Figura 9B suplementar).
6. Crie um ponto na intersecção de cada eixo ao redor da superfície de malha com o plano de referência superior. Escolha Interseção como o tipo de referência e selecione um eixo e o plano superior. Certifique-se de que seja criado um ponto que corresponda a cada eixo.
7. Faça um esboço que conecte cada ponto de referência feito na etapa anterior. Escolha Até à superfície para a direção e selecione a superfície de malha como a superfície para a qual se extrude.
8. Repita os passos 6.1.2-6.1.7 para todas as lacunas na região que a câmara ou o poste de cabeça irá cobrir (ver Figura 9C suplementar para o resultado final do procedimento de fixação dos orifícios).
Ao efectuar a extrusão do plano de referência superior para a superfície mais baixa (passo 3.19.2 ou passo 4.12.1), certifique-se de que o contorno da câmara/cabeçote está desenhado em torno das extrusões existentes.
Da mesma forma, ao realizar os cortes extrudados do plano superior para o superior das duas superfícies (passo 3.19.4 ou passo 4.12.5), realizar o corte principal extrudado separadamente das extrusões resultantes do procedimento de furos de fixação (Figura suplementar 10A).
1. Para a realização de cortes extrudados a partir de furos de fixação, extrudir a superfície superior das extrusões existentes para um plano na superfície elevada que forneça uma superfície superior lisa para a câmara ou poste de cabeça (Figura Suplementar 10B). Se o corte extrudado criar uma superfície rígida, use um plano diferente ou realize extrusões subsequentes.

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Resultados

Esses componentes foram previamente validados usando uma combinação de visualizações de RM e modelos anatômicos impressos em 3D. Comparando-se a visualização da craniotomia automatizada com a craniotomia impressa em 3D e a RM no local da craniotomia, fica evidente que a representação da craniotomia virtual reflete com precisão a região do cérebro que pode ser acessada com o local especificado da craniotomia (Figura 2A-F). Alé...

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Discussão

Este artigo descreve um método simples e preciso de planejamento neurocirúrgico que não só é benéfico para o desenvolvimento de componentes usados para o implante de janela craniana do NHP, mas também transferível para outras áreas de pesquisa em neurociência do NHP 13,15,25. Em comparação com outros métodos atuais de planejamento e desenho de implantes de PNH 25,29,30, esse procedimento tem potencial para ser adotado por mais l...

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Divulgações

Nada a divulgar.

Agradecimentos

Gostaríamos de agradecer a Toni Haun, Keith Vogel e Shawn Fisher por sua ajuda técnica e apoio. Este trabalho foi apoiado pela 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.) e Weill Neurohub (Z. I.).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Software de Impressão 3D (Simplificar 3D) (Pago)	Simplificar3D	Versão 4.1	Usado para impressão 3D usando a impressora MakerGear
C-Clamp	Bessey	CM22	Usado para fabricação de dura artificial, Capacidade de 2-1/2 Polegadas, Garganta de 1-3/8 Polegada
Formlabs Form 3+ Impressora 3D	Formlabs	Form 3+	Usado para impressão 3D precisa
MakerGear M2 Impressora 3D	MakerGear	M2 revG	Usado para impressão 3D de protótipos de implantes
MATLAB (Pago)	MathWorks	R2021b	Usado para isolamento de cérebro e crânio, visualização de craniotomia virtual e redução de STL de crânio
Sistema de Ressonância Magnética Phillips Acheiva	Philips	4522 991 19391	Usado para imagens de primatas não humanos
Resina de Fotopolímero	Formlabs	FLGPGR04	1L, Cinza, usado para impressões 3D precisas com a impressora Formlabs
Software de Preparação para Impressão de Pré-Formas	Formlabs	Versão 2.17.0	Usado para impressão 3D com a impressora Formlabs
Filamento de Impressão (PLA)	MatterHackers	88331	PLA 1,75 mm Branco. Usado para impressão 3D com impressora MakerGear
Silicone CAT-1300	Shin-Etsu		Usado para fabricação de dura-máter artificial
Silicone KE1300-T	Shin-Etsu		Usado para fabricação de dura-máter artificial
SolidWorks (Pago)	Dassault Systems	2020	Usado para design de câmara e cabeceira
Syn.Flex-S Multicoil	Philips	45221318123	Usado para não humanos Imagem de primatas

Referências

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