Name: Uma caixa de ferramentas de design de implante neural para primatas não humanos (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-02-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 33 s
Description: Aprenda a modelagem automatizada de cérebro e crânio a partir de ressonância magnética para planejamento neurocirúrgico em primatas não humanos. Este método elimina exames adicionais e permite o design de implantes personalizados.

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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.).

Modelagem 3D automatizada de cérebro e crânio de ressonância magnética para planejamento neurocirúrgico NHP

<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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<li>Lohsen, G. stlwrite - Write binary or ascii STL file. , Available from: 
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<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>
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<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>

Nada a divulgar.

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 laboratórios de neurociências por ser simples e econômico. Embora a TC seja comumente usada para modelagem do crânio 32,38, esse protocolo fornece detalhes de modelagem suficientes tanto para o cérebro quanto para o crânio usando apenas exames de RM. Os métodos existentes requerem tanto a RM quanto a TC para isolamento cerebral e craniano 30,32,33, enquanto este método elimina custos adicionais e desafios da TC. Um benefício adicional é que esse modelo não requer o alinhamento de exames de RM e TC, economizando tempo significativo e evitando problemas associados ao mau alinhamento39. A geração de modelos cerebrais e cranianos a partir de um único arquivo de imagem produz modelos altamente compatíveis facilmente combinados para visualização de craniotomia. Esse recurso é particularmente útil para processos iterativos de teste de craniotomia, pois em vez de combinar e alinhar arquivos de programas separados30,33, ambos os modelos são gerados em um software a partir de um único arquivo de entrada e exibidos automaticamente em segundos. Isso permite a confirmação eficiente da precisão da modelagem do cérebro e do crânio e garante que os implantes correspondam à curvatura do crânio in vivo. Isso também elimina a impressão 3D iterativa do crânio anteriormente necessária para determinar a localização ideal da craniotomia35, economizando assim dezenas de horas de impressão por iteração. Nossa técnica baseada em software, por comparação, leva cerca de 10-15 minutos para gerar cada iteração de craniotomia.
A identificação da localização do implante em relação às regiões frontal, parietal e temporal do crânio, bem como outras características do crânio, traz imensos benefícios para o planejamento cirúrgico e experimental. Esse recurso é aproveitado para personalizar a pegada do headpost em relação à pegada da câmara. Para qualquer pesquisa em neurociência do PNH, esse recurso de modelagem espacial pode ser adaptado para projetar componentes de planos anatômicos, coordenadas de ressonância magnética, características anatômicas do cérebro e crânio e com relação aos implantes existentes. Ao fazer isso, a possibilidade de imprevistos durante ou após o implante é drasticamente reduzida. Este procedimento também tem a capacidade de criar implantes que abrangem várias áreas cerebrais de diferentes planos, mantendo um ajuste apertado ao crânio.
O método destacado aqui cria uma câmara circular e permite que um headpost seja projetado ao redor da câmara. No entanto, o procedimento aqui tem o potencial de acomodar outras formas através da modificação da seção Chamber Skirt Design. O mesmo vale para o design do headpost – o procedimento permite que diferentes números de pernas e outras formas personalizadas sejam criados, com a forma sendo principalmente dependente do espaço disponível ao redor da câmara. A forma da redução STL do crânio, que atualmente é um anel para o design da câmara, poderia ser modificada para criar diferentes formas de redução de STL do crânio adaptadas à necessidade de projetos específicos de câmara ou headpost, facilitando uma adaptação mais eficiente.
Embora esse processo efetivamente crie implantes personalizados, existem etapas que podem ser aprimoradas para uma produção mais eficiente. Como mencionado anteriormente, o alinhamento do topo da cabeceira perpendicular ao crânio é um processo iterativo com o método descrito neste artigo devido à dificuldade de identificar a orientação do crânio no software de projeto. Para agilizar o processo de posicionamento da parte superior da cabeça na parte inferior, marcadores adicionais poderiam ser colocados na representação virtual do crânio para indicar planos axiais, sagitais e coronais. O protocolo também tem o potencial de ser ainda mais automatizado para maior facilidade de uso. Embora o método de redução de STL de crânio discutido neste protocolo seja eficaz para projetar implantes, ele poderia ser tornado mais rápido e consistente com maior automação. Nosso procedimento de validação requer a impressão 3D dos protótipos de crânio e implante para verificar se os implantes correspondiam à curvatura do crânio. Essa etapa poderia ser potencialmente eliminada com a criação de um método de visualização virtual em 3D que combina o cérebro, o crânio, a câmara, a cabeceira e a dura-máter artificial.
Nossa plataforma fornece um processo totalmente virtual de planejamento de craniotomia e design de implante personalizado. Os projetos finais podem ser impressos em 3D e verificados em um modelo físico em tamanho real35. Ao contrário dos métodos existentes, nosso protocolo não requer iterações dispendiosas de produtos ou acesso a máquinas caras, como fresadoras CNC29,34. Semelhante a outros métodos existentes de desenho de implantes9,12,29,30,32,33,40, este método baseia-se completamente em uma modalidade de imagem para descrever com precisão as estruturas anatômicas. Qualquer imprecisão presente no exame de RM ou alterações na anatomia do cérebro ou crânio entre a RM e a cirurgia podem comprometer a eficácia do implante. Portanto, o planejamento adequado para a aquisição da RM é essencial para otimizar o design do implante.

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.

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

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

A Neural Implant Design Toolbox for Nonhuman Primates

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.

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). Além disso, a acurácia da visualização da craniotomia automatizada foi avaliada comparando-se a representação virtual com as craniotomias existentes em cirurgias de implante (Figura 2E,G). O modelo impresso em 3D, a visualização automatizada, a ressonância magnética e a craniotomia real destacam a mesma região, mostrando os sulcos maiores no mesmo local e com consistência proporcional. O processo de isolamento cerebral e craniano e posterior visualização da craniotomia leva menos de 15 min para ser concluído, permitindo que vários locais sejam testados em menos de 1 h.
A eficácia do procedimento de isolamento cerebral foi confirmada comparando-se a craniotomia virtual com a representação da RM do local da craniotomia (Figura 2B,C,E,F). As semelhanças indicaram que o procedimento de isolamento cerebral tem a capacidade de representar o tamanho, a localização e a forma corretos das estruturas anatômicas no cérebro que estão sendo alvo, como os sulcos.
O cérebro e o crânio impressos em 3D combinados foram usados como um modelo anatomicamente preciso para validar os desenhos da câmara e do poste da cabeça. Antes de investir em peças de titânio, a câmara e o cabeçote eram impressos em 3D em plástico. Confirmou-se que os implantes se encaixavam no crânio e que não estavam se sobrepondo uns aos outros ou obstruindo marcadores anatômicos importantes. O processo de projeto da câmara e do cabeçote produziu componentes compatíveis com a curvatura do crânio (Figura 3G,I, Figura 4E, Figura 6, Figura 7). Confirmou-se também que a dura-máter artificial se encaixava adjacente às paredes internas da câmara, com um pequeno gap para dar conta dos ajustes feitos durante o implante. Câmaras personalizadas foram implantadas em dois macacos. Ao contrário dos métodos anteriores de projeto de câmara9, cada parafuso que se tentava inserir era capaz de ser parafusado dentro. Isso se deve à drástica redução dos gaps entre a câmara e o crânio com o ajuste personalizado em comparação com a câmara projetada a partir de aproximações de curvatura da RM9 (Figura 6A-F). Uma câmara sob medida foi implantada por mais de 2 anos, e a outra um ano e meio. Com a manutenção adequada, não houve perda de parafuso, infecção ou problemas de estabilidade decorrentes desses implantes (Figura 3I).
Os processos personalizados de design da cabeceira e da câmara evitam a necessidade de ajustes manuais durante a cirurgia, o que, de outra forma, poderia adicionar horas à duração da cirurgia. Essas técnicas também diminuem os gaps de 1-2 mm resultantes das aproximações da curvatura29, promovendo melhor saúde dos implantes e melhorando os resultados experimentais. Os refinamentos previnem complicações com o implante e prolongam a longevidade do implante, melhorando também o bem-estar animal.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig1_v1.jpg"> Figura 1: Isolamento cerebral e craniano. (A) Cortes coronais de ressonância magnética (RM) em camadas. (B) Máscara binária em camadas do limiar do crânio. (C) Cortes em camadas do crânio isolado a partir de uma máscara binária invertida. (D) Crânio 3D reconstruído. (E) Máscara binária em camadas do limiar cerebral. (F) Cortes de RM em camadas de cérebro isolado. (G) Cérebro 3D reconstruído. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig1large_v1.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig2_v1.jpg"> Figura 2: Planejamento das craniotomias. (A) Visualização da craniotomia com modelo de crânio e cérebro impresso em 3D para Macaco B. (B) Visualização de craniotomia em software computacional para Macaco B. (C) Visualização de craniotomia em imagem de ressonância magnética (RM) para Macaco B. (D) Visualização de craniotomia com modelo de crânio e cérebro impresso em 3D para Macaco H. (E) Visualização de craniotomia em software computacional para Macaco H. (F) Visualização da craniotomia em imagem de Ressonância Magnética (RM) para Macaco H. (G) Imagem de craniotomia em Macaco H. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig2large_v1.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig3_v1.jpg"> Figura 3: Desenho do implante da câmara. (A) Região do crânio (cinza) utilizada para redução da resolução de STL. (B) Redução da resolução do Skull STL no SOLIDWORKS. (C) Anel interno da câmara, destacado. (D) Projeto de saia de câmara no SOLIDWORKS. (E) Saia e tampo de câmara de ligação. (F) Câmara STL no SOLIDWORKS. (G) Cérebro, crânio e câmara impressos em 3D. (H) Câmara de titânio. (I) Câmara implantada no Macaco H. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig3large_v1.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig4_v1.jpg"> Figura 4: Projeto do headpost. (A) Contorno inferior da cabeceira no crânio Redução da resolução da STL. (B) Pegada de cabeçote sob medida. (C) Parte inferior do poste. (D) Projeto do headpost no SOLIDWORKS. (E) Headpost impresso em 3D no crânio. (F) Cabeçote de titânio. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig4large_v1.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig5_v1.jpg"> Figura 5: Fabricação da dura-máter artificial. (A) Fixação da mistura de silicone utilizando molde. (B) Dura-máter artificial. Esse valor foi adaptado com permissão de Griggs et al.11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig5large_v1.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig6_v1.jpg"> Figura 6: Câmara de ajuste personalizado versus curvatura do crânio. Câmara desenhada a partir das estimativas da curvatura da RM no crânio9 a partir de uma (A) vista anterior, (B) vista lateral e (C) vista posterior. Câmara personalizada a partir de uma vista (D) anterior, (E) vista lateral e (F) vista posterior. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig6large_v1.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66167/66167fig7_v1.jpg"> Figura 7: Câmara, cabeçote e dura-máter artificial no cérebro e crânio sobrepostos <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/66167fig7large_v1.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Figura Suplementar 1: Planejamento da localização dos limiares e craniotomias. (A) Exemplo de máscara binária com um limiar adequado. (B) Corte coronal na RM para identificação da localização da craniotomia. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF1.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Figura Suplementar 2: Processo de Redução de Arquivo STL no MATLAB para o projeto da câmara. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF2.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Figura Suplementar 3: Representação visual de um orifício no crânio Redução da resolução da STL. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF3.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Figura Suplementar 4: Screenshots do software de saia de câmara. (A) Anel interno da saia da câmara e a superfície interna do topo da câmara como parceiros concêntricos. (B) Saia de câmara de tradução para baixo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF4.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Figura Suplementar 5: Saia e tampo da câmara com e sem sobreposição. (A) Exemplo de sobreposição entre a saia da câmara e o topo da câmara (Modifica a superfície inferior da saia da câmara). (B) Exemplo de não sobreposição entre saia de câmara e tampo de câmara. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF5.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Figura 6 Suplementar: Planos obstruindo os orifícios dos parafusos e eliminação da obstrução. (A) Exemplo de planos obstruindo os orifícios do parafuso após a colocação do orifício do parafuso. (B) Contorno de corte extrudado para eliminar superfícies dentro de orifícios de parafusos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF6.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Figura 7 Suplementar: Seleção dos pontos e plano axial do crânio. (A) Seleção de pontos para o design do headpost. (B) Vista superior do plano paralelo ao plano axial do crânio. (C) Vista lateral do plano paralelo ao plano axial do crânio. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF7.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Figura Suplementar 8: Exemplo de companheiros. (A) Primeiro companheiro - Superfície superior da plataforma circular do poste da cabeça e a superfície inferior do topo do poste como companheiros concêntricos. (B) Segundo companheiro - Borda da superfície superior da plataforma circular do poste da cabeça e borda da superfície inferior do topo do poste como companheiros concêntricos. (C) Terceiro companheiro - 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 do poste como parceiros perpendiculares. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF8.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Figura Suplementar 9: Procedimento de fixação de furos. (A) Superfícies de malha ao redor do vão na superfície importada. (B) Eixo em cada ponto na borda da superfície de malha. (C) Resultado final do procedimento de fixação de furos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF9.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Figura Suplementar 10: Realização de corte extrudado. (A) Corte extrudado ao redor de extrusões do procedimento de furos de fixação. (B) Exemplo de corte extrudado para um plano na superfície superior do fundo da câmara. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/SF10.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>
Arquivo de codificação suplementar 1: Arquivos de codificação para o protocolo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66167/supplemental_code.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>

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.

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

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

Nossa pesquisa oferece um método eficiente e automatizado para modelagem cerebral e craniana, o que é benéfico para o planejamento neurocirúrgico e o projeto de implantes personalizados. Ele facilita a extração simultânea de modelos de cérebro e crânio usando uma única plataforma de software, o que elimina a necessidade de processos de imagem extras, como tomografias comutadas. A modelagem virtual do cérebro e do crânio para imagens médicas, como ressonância magnética ou tomografia computadorizada, tem sido cada vez mais adotada para o planejamento neurocirúrgico do PNH nos últimos anos.Esses modelos, usados juntamente com softwares de design 3D e impressão 3D, permitem a criação de implantes personalizados sob medida para experimentos e animais específicos. Muitos experimentos de neurociência de primatas não humanos requerem o uso de câmaras cranianas crônicas e postes na cabeça. O uso de implantes genéricos introduz lacunas entre o implante e o crânio, o que pode resultar em maiores taxas de infecção, osteonecrose e instabilidade do implante, comprometendo os experimentos e o bem-estar do animal.Nossos implantes personalizados reduzem lacunas e problemas subsequentes. Nosso protocolo fornece aos pesquisadores um procedimento de planejamento neurocirúrgico mais preciso e eficaz em termos de tempo. Aumenta a eficácia do planejamento cirúrgico e reduz as complicações associadas aos experimentos de neurociência do PNH, melhorando assim os resultados científicos em geral.

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioengenharia

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