Набор инструментов для проектирования нейронных имплантатов для нечеловекообразных приматов

Нечеловекообразные приматы являются бесценными моделями для трансляционных медицинских исследований, потому что они эволюционно и поведенчески похожи на людей. NHP приобрели особое значение в доклинических исследованиях нейроинженерии, потому что их мозг является очень релевантной моделью нейронной функции и дисфункции^{1,2,3,4,5,6,7,8}. Некоторые мощные методы стимуляции и регистрации мозга, такие как оптогенетика, визуализация кальция и другие, лучше всего подходят для прямого доступа к мозгу через краниальные окна^{9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23}. В НХП краниальные окна часто достигаются с камерой и искусственной твердой мозговой оболочкой для защиты мозга и поддержки долгосрочных экспериментов^{8,10,12,17,18,24,25,26,27}. Кроме того, оголовья часто сопровождают камеры для стабилизации и выравнивания головы во время экспериментов^{14,15,25,26,28,29,30}. Эффективность этих компонентов сильно зависит от того, насколько хорошо они вписываются в череп. Более близкое прилегание к черепу способствует интеграции костей и здоровью черепа, снижая вероятность инфекции, остеонекроза и нестабильности имплантата³¹. Традиционные методы проектирования, такие как ручное сгибание стойки во время операции^25,29 и оценка кривизны черепа путем подгонки кругов к корональным и сагиттальным срезам магнитно-резонансной томографии (МРТ)^9,12 могут возникнуть осложнения из-за неточности. Даже самые точные из них создают зазоры 1-2 мм между имплантатом и черепом, обеспечивая пространство для накопления грануляционной ткани²⁹. Эти зазоры дополнительно затрудняют установку винтов в хирургии⁹, ставя под угрозу стабильность имплантата. В последнее время были разработаны индивидуальные имплантаты для улучшения остеоинтеграции и долговечности имплантатов^9,29,30,32. Дополнительные расходы сопровождаются прогрессом в разработке индивидуальных имплантатов из-за зависимости от вычислительных моделей. Для наиболее точных методов требуется сложное оборудование, такое как аппараты компьютерной томографии (КТ) в дополнение к аппаратам МРТ (МРТ)^30,32,33 и даже фрезерные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) для разработки прототипов имплантатов^25,29,32,34. Получение доступа как к МРТ, так и к КТ, особенно для использования с NHP, может быть неосуществимо для лабораторий, нуждающихся в индивидуально подобранных имплантатах, таких как камеры черепа и подголовники.

В результате, в обществе существует потребность в недорогих, точных и неинвазивных методах нейрохирургического и экспериментального планирования, которые облегчают проектирование и валидацию имплантатов перед использованием. В данной статье описывается метод создания виртуальных 3D-изображений мозга и черепа на основе данных МРТ для планирования местоположения трепанации черепа и проектирования специальных камер черепа и оголовьев, соответствующих черепу. Эта оптимизированная процедура обеспечивает стандартизированную конструкцию, которая может принести пользу результатам экспериментов и благополучию подопытных животных. Для этого моделирования требуется только МРТ, потому что на МРТ визуализируются как кости, так и мягкие ткани. Вместо того, чтобы использовать фрезерный станок с ЧПУ, модели можно напечатать на 3D-принтере недорого, даже если требуется несколько итераций. Это также позволяет напечатать окончательный дизайн на 3D-принтере из биосовместимых металлов, таких как титан, для имплантации. Кроме того, мы опишем изготовление искусственной твердой мозговой оболочки, которая помещается внутрь черепной камеры при имплантации. Эти компоненты могут быть проверены до хирургического вмешательства, путем установки всех частей на напечатанную на 3D-принтере модель черепа и мозга в натуральную величину.

Все процедуры, связанные с животными, были одобрены Комитетом Института по уходу за животными и их использованию при Вашингтонском университете. Всего в этом исследовании были использованы четыре взрослых самца макак-резусов (Macaca mulatta). На момент получения МРТ обезьяне H было 7 лет, обезьяне L — 6 лет, обезьяне C — 8,5 лет, а обезьяне B — 5,5 лет. Обезьянам H и L имплантировали специальные хронические камеры в возрасте 9 лет.

1. Изоляция черепа и мозга (рис. 1)

1. Получите файл T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE) черепа и головного мозга с помощью аппарата МРТ 3 Тл. Для съемки МРТ³⁵ используйте следующие параметры: угол поворота = 8°, время повторения/время эхо-сигнала = 7,5/3,69 с, размер матрицы = 432 x 432 x 80, продолжительность съемки = 103,7 с, Multicoil, толщина среза = 1 мм, количество средних = 1.
2. Загрузите папку с надписью supplemental_code (Supplemental Coding File 1). Эта папка должна содержать следующие файлы: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m³⁶, stl_write.m³⁷.
3. Добавьте файл MRI в папку supplemental_code . В вычислительном программном обеспечении выберите папку supplemental_code в качестве пути к файлу и запустите brain_extract.m.
4. Ниже описан полуавтоматический метод изоляции черепа и мозга с использованием MATLAB (рис. 1), который был агрегирован из предыдущих методов извлечения³⁵. В командном окне будет предложено ввести параметры, необходимые для изоляции мозга и черепа и визуализации трепанации черепа. После ввода каждого ответа в командное окно нажмите клавишу ВВОД.
   1. Сначала в командном окне будет предложено ввести имя файла MPRAGE. Введите имя файла (например, MRIFile.dcm) и убедитесь, что МРТ отображается правильно (рисунок 1A).
   2. Чтобы изолировать череп (рис. 1B - D), выполните подробные действия, описанные в командном окне. Определите подходящее пороговое значение, которое отделяет череп от окружающих тканей, не удаляя вещество черепа (дополнительный рисунок 1А). Подтвердите пороговое значение, нажав кнопку (y).
   3. Аналогичная методика используется для изоляции мозга (рис. 1E - G). При появлении соответствующего запроса в командном окне введите пороговое значение для мозга. Оцените всплывшую цифру и при необходимости отрегулируйте порог. Убедитесь, что мозг изолирован от черепа и окружающих тканей и что ткань мозга не удаляется в процессе. Подтвердите пороговое значение, нажав кнопку (y).
   4. Переходим к интересующему разделу.

2. Планирование места проведения трепанации черепа (рис. 2)

1. После того, как мозг и череп извлечены, введите координаты трепанации черепа. Если координаты еще не известны, укажите (n) для no, и отобразится фигура (дополнительный рисунок 1B). Определите координаты трепанации черепа, выбрав z-кадр (корональную плоскость) и выбрав точку на выбранной z-рамке для центра трепанации черепа.
   1. Если координаты известны, укажите их соответствующими значениями x (стрелец), y (осевой) и z (корональный).
2. Введите радиус трепанации черепа в миллиметрах (например, 10 мм) и не выберите «Внешний радиус».
3. Укажите, нужна ли масштабная линейка для изображений черепа и мозга. Масштабные линейки помогают проверить правильность размеров моделей.
4. При необходимости сохраните файлы мозга и черепа в формате STL для 3D-печати (рис. 1D, G).
5. Далее будет показана фигура с мозгом и краниотомизированным черепом. Это может быть использовано для проверки доступа к целевым областям мозга. Мозг представлен синим цветом, а череп – светло-серым (рис. 2Б, Д).
6. Выберите (n) для завершения уменьшения размера SLT, который будет использоваться для будущих шагов (см. ниже).
7. Повторяйте разделы 1 и 2 на каждой итерации трепанации черепа.

3. Конструкция краниальной камеры (рис. 3)

1. Прежде чем приступить к проектированию камеры, подтвердите местоположение трепанации черепа и радиус трепанации черепа с помощью процедуры планирования местоположения трепанации черепа.
2. После того, как изоляция черепа и мозга будет завершена, следующим шагом будет ввод окончательных координат центра трепанации черепа. Введите значения x (стрелец), y (аксиальный) и z (корональный).
3. Затем в командном окне появится запрос на ввод внутреннего и внешнего радиусов, которые определяют область черепа, с которой будет работать при проектировании камеры. Выберите внутренний радиус, меньший, чем фактический радиус краниотомии (например, 5 мм для радиуса краниотомии 10,0 мм), и второй внешний радиус, превышающий запланированный радиус юбки камеры (например, 26 мм для юбки камеры, которая будет иметь радиус 22 мм). Это обеспечит кольцевидную структуру черепа в качестве фундамента для камеры, на которой будет построена камера.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для проектирования камеры с радиусом краниотомии 10 мм был выбран внутренний радиус 5 мм. Это обеспечивает точное представление черепа на краю трепанации черепа, сохраняя при этом достаточно маленький круг, чтобы центр трепанации черепа можно было легко идентифицировать при экспорте изображения черепа в программное обеспечение для проектирования. Внешний радиус 26 мм был извлечен для камеры радиусом 22 мм, чтобы обеспечить дополнительную площадь черепа. Размеры камеры разрабатывались с учетом ограничений, установленных потребностями эксперимента. Радиусы, используемые на этом этапе, будут определяться размером трепанации черепа и размером юбки камеры, который зависит от размеров винтов и доступного пространства на черепе.
4. Укажите, нужны ли масштабные линейки для изображений черепа и мозга.
5. При желании сохраните файлы мозга и черепа.
6. Появится фигура с мозгом (синим цветом) и областью черепа (серым цветом), которая была выбрана (рисунок 3A). Затем необходимо применить уменьшение размера STL к выбранной области черепа для облегчения работы с файлом в программном обеспечении автоматизированного проектирования (САПР).
7. Выберите (y), чтобы начать уменьшение размера STL. Уменьшение размера приведет к созданию файла STL с уменьшенным размером, который можно легко импортировать в программное обеспечение САПР для индивидуального проектирования оборудования.
8. Используя рисунок с наложенными мозгом и черепом (рис. 3A), с помощью мыши выберите точки на поверхности черепа, которые будут использоваться для уменьшения файла. Удерживайте нажатой клавишу Shift, чтобы разместить более одной точки.
   1. Разместите точки, чтобы покрыть интересующую область, которая в данном случае является выбранной областью черепа. Расположите точки как можно ближе друг к другу, чтобы обеспечить более точное и точное изображение черепа (дополнительный рисунок 2). Некоторые пользователи могут предпочесть выбрать ~20 критических точек и завершить остальную часть конструкции камеры в качестве практики, прежде чем выбрать все точки интереса для конечного продукта.
   2. При выборе точек лучше всего разместить как можно больше точек в выбранном регионе. В целом, ~200 баллов хорошо отражают кривизну черепа. Разместите больше точек по краям выделенной области, чтобы подчеркнуть границу между мозгом и черепом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Не нажимайте кнопку ввода до завершения размещения точек в регионе, так как это приведет к преждевременному выполнению кода, и процесс выбора точек придется повторять.
9. Нажмите клавишу Enter , когда закончите расставлять точки на выбранном черепе. Введите сокращенное имя файла в командном окне.
10. Импортируйте файл в программное обеспечение САПР для индивидуального проектирования камеры. Начните с открытия программного обеспечения САПР.
11. Нажмите кнопку File > Open (Открыть файл) и выберите имя файла STL reduction из каталога.
    1. Перед нажатием кнопки " Открыть" нажмите кнопку "Параметры " и в меню "Импортировать как " выберите "Тело поверхности". Нажмите кнопку ОК , а затем Открыть.
12. После импорта STL проверьте наличие небольших отверстий на поверхности, обозначенных синими линиями. Если в области черепа есть отверстия, которые будет закрываться камерой (дополнительный рисунок 3), выполните процедуру фиксации отверстий (раздел 6) на шаге 3.19.1.
13. Просмотрите поверхность черепа камеры в программном обеспечении САПР, как показано на рисунке 3B. Убедитесь, что края выделенной области видны на изображении черепа.
14. Найдите контур внутреннего круга в центре импортируемой поверхности, чтобы найти центр трепанации черепа. Создайте плоскость, выровненную по внутреннему кругу, нажав кнопку "Вставить > опорной геометрии > плоскости". В качестве опорных точек для плоскости используйте три точки, равномерно распределенные по окружности внутренней окружности.
15. Создайте круг, соответствующий внутреннему кругу, щелкнув по значку круга на вкладке Эскиз . Выберите плоскость из предыдущего шага в качестве опорной плоскости и определите точки вдоль ребра до тех пор, пока предварительный просмотр окружности не обеспечит точное представление контура внутреннего круга. Возможно, придется протестировать несколько различных комбинаций точек, чтобы найти те, которые лучше всего подходят для внутреннего круга.
16. Используя окружность в качестве привязки, создайте точку в середине окружности, щелкнув Вставить > опорную геометрию > точку» и используя параметр "Центр дуги". Эта точка представляет собой центр трепанации черепа.
17. В качестве опорной плоскости для будущих выдавливаний сделайте вторую плоскость, параллельную исходной плоскости, со смещением на 10 мм. При выборе направления смещения убедитесь, что стрелка направлена вверх от объекта.
18. Создание внутреннего кольца камеры (рис. 3C)
    1. Создайте ось, которая проходит перпендикулярно как через плоскость краниотомии, так и через верхнюю плоскость, щелкнув Вставить > опорную геометрию > ось, выделив опцию Точка и грань/плоскость и используя верхнюю плоскость и центральную точку краниотомии в качестве опорных точек. Сделайте еще одну точку на пересечении этой оси и верхней плоскости.
    2. Выберите "Бобышка/основание" и верхняя плоскость в качестве поверхности, с которой выполняется выдавливание. Сделайте эскиз поперечного сечения внутреннего кольца, создав две концентрические окружности с точкой на верхней плоскости в качестве центральной точки (например, радиусы 11,35 мм и 12,25 мм). Выберите "До поверхности" в меню направления и укажите импортированное покрытие в качестве поверхности, на которую требуется выполнить выдавливание.
    3. Скопируйте импортированную поверхность, выбрав "Вставить > поверхность" > "Переместить/Копировать" , и поднимите скопированную поверхность на высоту внутреннего кольца и юбки (например, 3,5 мм). Используйте опцию "Переместить " в меню "Переместить/Копировать" и переместить поверхность вдоль оси, перпендикулярной обеим плоскостям.
    4. Выполните круговой выдавливанный вырез от верхней плоскости до копируемой поверхности. Для начала нажмите кнопку "Вытянутый вырез " и выберите верхнюю поверхность внутреннего кольца в качестве начальной точки для выдавленного выреза. Завершите выдавливание, выбрав скопированную поверхность в качестве конечной точки.
    5. Удалите исходную импортированную поверхность с помощью инструмента "Вставить > элементы" > "Удалить/сохранить тело ". С помощью инструмента "Скрыть/Показать " на вкладке " Вид " скопированную поверхность можно скрыть, чтобы просмотреть внутреннее кольцо и проверить его конструкцию.
19. Создание юбки камеры (Рисунок 3D)
    1. Сделайте смещение второй скопированной поверхности ниже существующей поверхности на толщину юбки камеры (например, -1,5 мм). В меню "Перемещение " выберите ось, перпендикулярную плоскостям, в качестве точки отсчета и значение смещения, чтобы создать новую поверхность ниже исходной.
       ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от направления смещения по умолчанию, значение смещения может быть установлено отрицательным, чтобы двигаться в правильном направлении.
       1. Если в области, которую будет закрывать камера, есть отверстия, выполните действия, описанные в разделе 6 (крепежные отверстия), прежде чем переходить к остальной части процедуры проектирования камеры.
    2. Выполните выдавливание от верхней плоскости к нижней поверхности в форме камеры. Начните с выбора "Выдавливание бобышки/основания " и выберите верхнюю плоскость в качестве плоскости выдавливания.
       1. Выполните шаг 6.2 для обработки существующих выдавливаний из процедуры заделки крепежных отверстий.
    3. Нарисуйте форму юбки камеры на этой плоскости. Сделайте внутренний круг камеры окружностью того же размера, что и меньший радиус внутреннего кольца (например, 11,35 мм), отцентрируйте его вокруг точки на верхней плоскости и сделайте внешнюю границу юбки камеры, используя комбинацию дуг и линий, чтобы максимизировать площадь юбки. Выдавливание на нижнюю из двух поверхностей.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Если при выдавливании возникает ошибка, то, скорее всего, эскиз шире поверхности. В этом случае уменьшите размер внешней границы юбки.
    4. Выдавите вырез из верхней плоскости на более высокую из двух скопированных поверхностей в форме контура камеры.
       1. Дополнительную информацию о выдавливании, оставшемся после процедуры заделки отверстий, см. в шаге 6.2.
    5. Чтобы отобразить юбку камеры и внутреннее кольцо, удалите обе оставшиеся копии импортированной поверхности. Получившийся объект должен выглядеть примерно так, как показано на рисунке 3D.
    6. В процессе редукции STL и ее импорта модель черепа зеркально отражается. Чтобы компенсировать это, получившуюся юбку нужно зеркально отразить. В меню «Элементы » выберите «Зеркальное отражение » и зеркально отразите юбку в верхней плоскости. Удалите исходную юбку с помощью функции Удалить/Сохранить тело .
20. Совмещение верха камеры и юбки (Рисунок 3E)
    1. Откройте STL-файл верхней части камеры в программном обеспечении, используемом для проектирования юбки камеры. Затем вставьте юбку камеры в качестве детали, нажав кнопку "Вставить деталь"> выбрав пользовательскую юбку в меню и щелкнув в любом месте экрана, чтобы импортировать деталь.
    2. Чтобы выровнять верх и юбку камеры, нажмите кнопку "Вставить" > "Элементы" > "Переместить/Копировать". Выберите юбку камеры и нажмите кнопку Constraints (Зависимости) в нижней части меню. Выделите внутреннее кольцо юбки и внутреннюю поверхность верхней части камеры в качестве концентрических сопряжений (дополнительный рисунок 4A).
       1. Убедитесь, что верхняя часть юбки выровнена по нижней части верхней части камеры, и при необходимости измените направление выравнивания сопряжений.
    3. Используйте Переместить/Копировать, чтобы переместить юбку вниз прямо под верхом камеры. Это потребует нескольких итераций для нахождения правильного расстояния, чтобы верхняя часть камеры не выходила за юбку камеры и не загораживала юбку (дополнительный рисунок 4B и дополнительный рисунок 5).
    4. Поверните верхнюю часть камеры, чтобы выровнять зазоры между выступами так, чтобы один был перпендикулярен, а другой параллелен средней линии мозга. Используйте инструмент «Поворот » и существующую ось в центре объекта в качестве оси вращения. Регулируйте градусы поворота до тех пор, пока верхняя часть камеры и юбка не окажутся в правильной ориентации относительно друг друга.
    5. Соедините предметы вместе, выдавливая их из нижней части верхней части камеры прямо вниз по направлению к юбке. Используйте команду "Выдавливание/основание", выберите нижнюю поверхность верхней части камеры и создайте эскиз на этой поверхности с теми же внутренними и внешними радиусами, что и это кольцо, используя центральную ось в качестве центральной точки. Выберите Up To Body в качестве направления выдавливания и укажите юбку камеры.
    6. Выполните экструдированный вырез с поверхности верхней части камеры, которая удерживает выступы. Выбрав эту поверхность в качестве плоскости выдавливания, нарисуйте окружность с тем же внутренним радиусом, что и внутреннее кольцо. Выйдите из эскиза и выполните слепой экструдированный вырез, который выходит за нижнюю часть юбки камеры (например, на 10 мм).
    7. Добавьте двенадцать отверстий для винтов, равномерно расположенных вокруг юбки камеры. Расположите отверстия для винтов так, чтобы они были расположены равномерно, но и достаточно далеко друг от друга, чтобы они были доступны во время операции, но достаточно близко, чтобы избежать излишне большой площади камеры.
    8. Используйте инструмент "Отверстий под крепеж " для размещения резьбовых отверстий. Выберите параметры в меню "Спецификация отверстия - Тип ". Параметры должны совпадать с винтами, которые будут использоваться во время хирургической имплантации (например, стандарт: метрическая система ANSI, тип: винт с плоской головкой - ANSI B18.6.7M, размер: M2, посадка: свободная, минимальный диаметр: 3,20 мм, максимальный диаметр: 4,00 мм, угол зенковки: 90 градусов, конечное состояние: сквозное).
    9. Перейдите на вкладку Положения , чтобы приступить к размещению отверстий. Чтобы разместить отверстие, наведите курсор на плоскость в камере и щелкните правой кнопкой мыши. Установите все двенадцать отверстий для винтов, убедившись, что они равномерно размещены и доступны.
    10. Если после установки отверстия внутри отверстия для винта остаются препятствия (дополнительный рисунок 6A), выберите другую плоскость для размещения отверстия или выполните следующие действия, чтобы выполнить выдавливанный вверх вырез через отверстие.
        1. Начните выдавливанный вырез вверх, создав плоскость, параллельную оставшейся плоскости, но смещенную вниз на 0,00001 мм так, чтобы плоскость находилась прямо под препятствием.
        2. Выполните выдавливанный вырез с плоскостью, созданной на последнем шаге, в качестве опоры. Используя комбинацию дуг и линий, нарисуйте форму области, которую необходимо удалить. Убедитесь, что эскиз содержит любую часть плоскости, находящуюся внутри внешнего радиуса отверстия для винта (дополнительный рисунок 6B). Выдавливаем срез на 1 мм вверх.
    11. После установки отверстий для винтов обрежьте юбку, чтобы уменьшить острые края и свести к минимуму ненужную площадь юбки. Выполните экструдированный вырез от верхней поверхности камеры вниз за юбкой камеры (например, 30 мм). Сделайте выдавливание в форме, которая сгладит все шероховатости и обрежет внешнюю область юбки.
        1. Могут потребоваться дополнительные нестандартные разрезы, чтобы удалить все острые края и лишнюю юбку. Если участки юбки не могут быть вырезаны с помощью верхней поверхности камеры в качестве опорной плоскости, создайте наклонную плоскость и создайте дополнительные вытянутые вырезы с использованием этой плоскости.
    12. На рисунке 3F приведено окончательное представление конструкции камеры. Этот дизайн может быть напечатан на 3D-принтере и размещен на модели мозга и черепа, если это необходимо (рис. 3G).

4. Конструкция подголовника (рис. 4)

1. Обратите внимание, что для конструкции подголовника потребуется окончательное расположение центра трепанации черепа и максимальная площадь юбки камеры.
2. Введите известные координаты трепанации черепа (значения x, y и z) в командном окне.
3. Для конструкции подголовника требуется только один радиус, представляющий область на черепе, которая доступна вокруг камеры. На этом шаге введите максимальный радиус камеры, который был спроектирован в предыдущем разделе (например, 25 мм). Затем укажите, что внешний радиус не требуется.
4. Используйте командное окно, чтобы указать, нужны ли масштабные линейки для подтверждения размеров.
5. Аналогично предыдущим разделам, сохраните STL-файлы мозга и черепа, если это необходимо для 3D-печати.
   На следующем рисунке будет показана область черепа, окружающая камеру, для создания следа оголовья. Извлеките эту область с помощью уменьшения размера STL для импорта в программное обеспечение для проектирования.
6. Выберите (y), чтобы указать, что требуется уменьшить размер STL. Выделите точки на фигуре с мозгом (синим цветом) и черепом (серым), наложенными друг на друга. Убедитесь, что точки выбраны как можно ближе друг к другу и равномерно распределены по серой области черепа (дополнительный рисунок 7A). Для получения более подробной информации о процессе выбора баллов см. шаг 3.8.
7. Нажмите клавишу Enter после завершения выбора точки, чтобы покрыть серую область черепа, где будет находиться стойка головы. Укажите имя загружаемого сокращенного файла в командном окне.
8. Импортируйте уменьшенный файл в программное обеспечение САПР, чтобы спроектировать индивидуальное посадочное место опоры. Убедитесь, что файл импортируется как тело поверхности.
9. После импорта файла проверьте наличие отверстий в поверхности, обозначенных синими линиями. Если в общей области, которую будет закрывать стойка, есть отверстия, необходимо выполнить процедуру крепления отверстий (раздел 6) на шаге 4.11.
10. Первым шагом при проектировании стойки головы является нахождение плоскости на поверхности, которая совпадает с осевой плоскостью, чтобы при соединении верха и низа стойки верхняя часть стойки была перпендикулярна черепу (дополнительный рисунок 7B, C). Если плоскость, которая непосредственно выровнена с осевой плоскостью, не может быть найдена на поверхности черепа, создайте новую плоскость, используя существующую плоскость на поверхности и повернув ее, чтобы правильно выровнять. Полезно иметь физическую 3D-модель черепа, которую можно использовать для сравнения с виртуальным представлением черепа.
    1. Этот шаг, возможно, придется несколько раз модифицировать, чтобы создать верхнюю часть стойки, которая будет прямо перпендикулярна черепу. Чтобы изменить угол наклона верхней стойки по отношению к контуру опоры, измените плоскость, используемую на этом шаге. Возможно, придется протестировать несколько плоскостей, чтобы найти ту, которая расположена параллельно осевой плоскости.
11. Используйте плоскость, найденную или созданную на предыдущем шаге, чтобы создать параллельную плоскость на высоте 3 мм над поверхностью, которая будет служить ориентиром для ориентации верхней части стойки.
    1. Выполните процедуру заделки крепежных отверстий, описанную в разделе 6, с зазорами, возникающими в области подголовника.
12. Создание дна подголовника (Рисунок 4C)
    1. Нажмите кнопку " Выдавить бобышку/основание", выберите новую плоскость и создайте эскиз контура опорной стойки, используя комбинацию дуг и линий. Ножки подголовника сделайте одинаковой длины, а углы между ними конгруэнтными (см. пример на рисунке 4А). Используйте дуги, чтобы соединить ножки стойки оголовка, чтобы обеспечить гладкие края вокруг посадочного места, и выдавите эскиз на импортированную поверхность.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Количество ножек подголовника будет зависеть от доступного пространства вокруг камеры. Тем не менее, подголовник должен иметь как минимум три ножки, чтобы обеспечить надлежащую механическую устойчивость.
       1. В шаге 6.2 приведены инструкции о том, как нарисовать существующие выдавливания с помощью процедуры заделки крепежных отверстий.
    2. В этот момент нижняя поверхность стойки головы доступна для подтверждения того, что поверхность соответствует кривизне черепа. Если требуется 3D-печать для проверки посадки, выполните следующие четыре шага.
       1. Удалите импортированное тело поверхности. Зеркальное отражение посадочного места по плоскости, созданной на шаге 4.10. Убедитесь, что в меню "Зеркальное отражение " снят флажок "Объединить твердые тела ".
       2. Чтобы убедиться, что посадочное место соответствует кривизне черепа, используйте команду Удалить/Сохранить тело , чтобы удалить исходное посадочное место, оставив только зеркально отраженную версию.
       3. Напечатайте объект на 3D-принтере в виде STL и поместите его на 3D-модель черепа, чтобы физически проверить, соответствует ли он кривизне черепа.
       4. Чтобы продолжить работу над дизайном стойки оголовья, используйте стрелку «Отменить » в верхней части панели инструментов, чтобы отменить предыдущие два шага (зеркальное отражение и удаление). Это должно восстановить исходное посадочное место и тело поверхности.
    3. Создайте точку в центре плоской поверхности на посадочном месте. Создайте ось, используя эту точку и верхнюю опорную плоскость.
    4. Нажмите на инструмент Переместить/Копировать (Move/Copy) и создайте копию импортированной поверхности, приподнятую до толщины дна стойки (например, 1,35 мм). Используйте ось, созданную на этом шаге, в качестве поступательной ссылки и убедитесь, что установлен флажок Копировать , чтобы предотвратить изменение исходной поверхности.
    5. Выполните выдавливанный вырез от плоской поверхности опорной стойки до скопированной (приподнятой) поверхности. Удаление исходной поверхности и ее копии. Получившуюся деталь можно увидеть на рисунке 4B.
       1. Выполните шаг 6.3 для существующих выдавливаний из процедуры крепления отверстия.
    6. Создайте новую плоскость, параллельную опорной плоскости, но сдвинутую вверх или вниз, чтобы она зависала не менее чем на 1 мм над низом стойки. Чтобы определить длину перевода, используйте инструмент Измерить на вкладке Оценить . Сделайте круговую выдавливание от новой плоскости к нижней части стойки, чтобы создать платформу, на которой будет располагаться основание верхней части стойки, и убедитесь, что платформа центрирована вокруг средней линии черепа.
    7. Используйте инструмент «Сопряжение » в меню «Элементы » для сглаживания пересечения между выдавливанием и посадочным местом опорной стойки. Протестируйте различные значения радиусов с помощью параметра Асимметричность и выберите максимально возможные значения радиусов.
    8. На этом этапе проверьте расположение верхней платформы подголовника, напечатав текущую версию на 3D-принтере и проверив ее на модели черепа.
    9. Разместите отверстия для винтов вдоль дна передней стойки, используя ту же технику, что и для отверстий для винтов в камере (шаг 3.20.7). Добавьте минимум три отверстия для винтов на каждой ножке стойки оголовья. Убедитесь, что центральная точка каждого отверстия для винта находится на расстоянии не менее 5 мм от центра следующего отверстия, а края каждого отверстия находятся на расстоянии не менее 2,5 мм от края ножки.
       1. Чтобы избежать кровеносных сосудов, проходящих под черепом и вблизи средней линии, убедитесь, что отверстия для винтов не пересекают среднюю линию, и при необходимости сместите их. Изделие должно выглядеть примерно так, как показано на рисунке 4C.
    10. Зеркальное отражение детали с помощью инструмента «Зеркальное отражение » для компенсации зеркального отражения, возникающего во время импорта поверхности черепа. Используйте верхнюю часть круглого основания в качестве зеркальной плоскости.
    11. Удалите исходную деталь с помощью функции Delete/Keep Body , чтобы осталась только зеркальная версия.
13. Совмещение верхней и нижней стойки (рис. 4D)
    1. Импортируйте верхнюю часть стойки в качестве детали из меню «Вставка ». После того, как деталь будет выделена в меню, щелкните в любом месте экрана, чтобы добавить деталь.
    2. С помощью функции «Переместить/Копировать » выровняйте верхнюю и нижнюю части стойки. Начните с того, что укажите верхнюю часть стойки в качестве тела для перемещения. Затем создайте следующие три сопряжения в меню "Зависимости ":
       1. Убедитесь, что верхняя поверхность круглой платформы стойки и нижняя поверхность верхней части стойки сопрягаются совпадением.
       2. Убедитесь, что очерченные кромки поверхностей в последней паре сопряжений сопряжены концентрически.
       3. Сопрягают линию, идущую вертикально вдоль задней ножки стойки, и линию, идущую горизонтально вдоль задней части верха стойки (плоская сторона) перпендикулярно. Убедитесь, что изогнутая поверхность верхней части обращена вперед (передняя), а плоская сторона обращена ближе к задней ножке подголовника (задняя).
       4. Убедитесь, что каждое соединение находится в правильном направлении, и при необходимости переключите направления сопряжения в меню (см. дополнительный рисунок 8 для примера сопряжений).
          ПРИМЕЧАНИЕ: В процедуре объединения нестандартной нижней и верхней части подголовника используется универсальная верхняя часть подголовника, разработанная с помощью программного обеспечения CAD. Здесь верхняя часть спроектирована на основе головной стойки Crist Instrument. Процедура сопряжения, описанная выше, специфична для этих деталей и, возможно, должна быть скорректирована, если используются разные сопрягаемые детали.
    3. Убедитесь, что комбинированные верх и низ подголовника выглядят, как показано на рисунке 4D.
       1. Если верх стойки не выровнен должным образом, измените опорную плоскость, использованную в шаге 4.11.

5. Изготовление искусственной твердой мозговой оболочки ¹¹ (рисунок 5)

1. Получите искусственную форму твердой мозговой оболочки (рисунок 5B).
2. Создайте искусственную смесь твердых мозгов, смешав силикон KE1300-T и CAT-1300 в соотношении 10:1.
3. Вылейте 1 мл смеси на верхнюю поверхность цилиндра в центре формы.
4. Чтобы предотвратить образование пузырьков воздуха, поместите форму в вакуумную камеру примерно на 15 минут.
5. Добавьте второй слой формы, используя стойки по обе стороны цилиндра, чтобы направлять выравнивание детали.
6. Налейте 3-4 мл силиконовой смеси в форму и поместите прозрачный акриловый кусочек на верхнюю часть формы (Рисунок 5A). Используйте С-образный зажим, чтобы скрепить форму.
7. Проверьте наличие пузырьков воздуха в оптическом окне и при необходимости удалите их с помощью вакуумной камеры.
8. Затвердевать получившуюся конструкцию в течение ночи при комнатной температуре. Оставшиеся пузырьки воздуха удаляются с помощью давления, создаваемого при зажиме формы перед отверждением.
9. Разберите после отверждения, сняв каждую формовочную деталь и осторожно удалив силиконовую твердую мозговую оболочку.

6. Процедура заделки отверстий

1. Выполните процедуру заделки отверстий, если на изображении черепа были обнаружены отверстия (обозначены синими линиями в программном обеспечении САПР). После создания нижних поверхностей (поверхностей, которые будут завершать выдавливание) выполните следующие шаги. Для камеры это следующий шаг 3.19. Для головы начните эту процедуру после выполнения шага 4.12.
   1. Скройте все поверхности или выдавливания, кроме нижней, чтобы нижнюю поверхность можно было визуализировать независимо.
   2. Используйте команду "Вставить > поверхность" > "Плоская " для создания плоской поверхности на каждой грани, контактирующей с зазором, а также над зазором, если это применимо. Чтобы задать поверхность, выберите каждое ребро в качестве ограничивающего объекта.
   3. Создавайте плоские поверхности до тех пор, пока не будут окружены все зазоры, включая углы зазоров и края линий.
   4. Нажмите кнопку "Вставить > поверхность > сшивание" и выберите все плоские поверхности, окружающие зазор. На дополнительном рисунке 9A показаны трикотажные поверхности.
   5. Создайте опорную ось в каждой точке вдоль кромки сшитой поверхности, выбрав "Точка и грань/плоскость" в качестве типа привязки и выбрав точку на кромке поверхности и в верхней плоскости. Повторите то же самое для каждой точки на краю вязаной поверхности (дополнительный рисунок 9B).
   6. Создайте точку на пересечении каждой оси вокруг сшитой поверхности с верхней опорной плоскостью. Выберите Пересечение в качестве типа привязки и выберите одну ось и верхнюю плоскость. Убедитесь, что создана точка, соответствующая каждой оси.
   7. Сделайте эскиз, соединяющий каждую опорную точку, сделанную на предыдущем шаге. Выберите направление "До поверхности " и выберите сшитую поверхность в качестве поверхности для выдавливания.
   8. Повторите шаги 6.1.2-6.1.7 для всех зазоров в области, которые будут закрыты камерой или стойкой (см. дополнительный рисунок 9C для получения конечного результата процедуры заделки отверстий).
2. При выполнении выдавливания от верхней опорной плоскости к самой нижней поверхности (шаг 3.19.2 или шаг 4.12.1) убедитесь, что контур камеры/стойки оголовка нарисован вокруг существующих выдавливаний.
3. Аналогичным образом, при выполнении выдавливанных вырезов от верхней плоскости до более высокой из двух поверхностей (шаг 3.19.4 или шаг 4.12.5) выполняйте основной выдавливанный вырез отдельно от выдавливаний, полученных в результате процедуры фиксации отверстий (дополнительный рисунок 10A).
   1. Для выполнения выдавливанных пропилов из крепежных отверстий выдавите самую верхнюю поверхность существующих выдавливаний до плоскости на приподнятой поверхности, обеспечивающей гладкую верхнюю поверхность для камеры или стойки оголовья (дополнительный рисунок 10B). Если вытянутый вырез создает жесткую поверхность, используйте другую плоскость или выполните последующие выдавливания.

Эти компоненты ранее были проверены с помощью комбинации МРТ-визуализации и анатомических моделей, напечатанных на 3D-принтере. Сравнивая автоматизированную визуализацию трепанации черепа с 3D-печатной трепанацией черепа и МРТ в месте трепанации черепа, становится очевидным, что виртуальное изображение трепанации черепа точно отражает область мозга, к которой можно получить доступ с помощью указанного места краниотомии (рис. 2A-F). Кроме того, точность автоматизированной визуализации трепанации черепа была дополнительно оценена путем сравнения виртуального представления с существующими трепанациями черепа после операций по имплантации (рис. 2E, G). Напечатанная на 3D-принтере модель, автоматизированная визуализация, МРТ и фактическая трепанация черепа выделяют одну и ту же область, показывая большие борозды в одном и том же месте и с пропорциональной согласованностью. Процесс изоляции мозга и черепа и последующей визуализации трепанации черепа занимает менее 15 минут, что позволяет протестировать несколько мест менее чем за 1 час.

Эффективность процедуры изоляции головного мозга была подтверждена сравнением виртуальной трепанации черепа с МРТ-представлением места краниотомии (рис. 2B, C, E, F). Сходство указывает на то, что процедура изоляции мозга способна представить правильный размер, расположение и форму анатомических структур мозга, которые являются мишенью, таких как борозды.

Напечатанные на 3D-принтере мозг и череп были использованы в качестве анатомически точной модели для проверки конструкции камеры и стойки головы. До инвестирования в титановые детали камера и рулевая стойка были напечатаны на 3D-принтере из пластика. Было подтверждено, что имплантаты входят в череп и не перекрывают друг друга и не препятствуют важным анатомическим маркерам. В процессе проектирования камеры и передней стойки были получены компоненты, которые соответствовали кривизне черепа (рис. 3G, I, рис. 4E, рис. 6, рис. 7). Также было подтверждено, что искусственная твердая мозговая оболочка прилегает к внутренним стенкам камеры с небольшим зазором, чтобы учесть корректировки, сделанные во время имплантации. Изготовленные на заказ камеры были имплантированы двум макакам. В отличие от прежних методов проектирования камер9, каждый винт, который пытались вставить, мог быть ввинчен. Это связано с резким уменьшением зазоров между камерой и черепом с индивидуальной посадкой по сравнению с камерой, спроектированной на основе приближений кривизны МРТ9 (рис. 6A-F). Одна камера, изготовленная по индивидуальному заказу, была имплантирована более 2 лет, а другая – полтора года. При надлежащем обслуживании не было ни потери винта, ни инфекции, ни проблем со стабильностью, которые возникли из-за этих имплантатов (Рисунок 3I).

Индивидуальные процессы проектирования оголовья и камеры исключают необходимость ручной регулировки во время операции, что в противном случае могло бы увеличить продолжительность операции на несколько часов. Эти методы также уменьшают зазоры в 1-2 мм, возникающие в результате приближения кривизны29, способствуя улучшению состояния имплантатов и улучшению результатов экспериментов. Усовершенствования предотвращают осложнения с имплантатом и продлевают срок службы имплантата, тем самым улучшая условия содержания животных.

Рисунок 1: Изоляция мозга и черепа. (A) Послойная магнитно-резонансная томография (МРТ) корональных срезов. (B) Многослойная бинарная маска от порогового значения черепа. (C) Слоистые срезы изолированного черепа из перевернутой бинарной маски. (D) Реконструированный 3D-череп. (E) Многослойная бинарная маска от пороговых значений мозга. (F) Слоистые МРТ-срезы изолированного головного мозга. (G) Реконструированный 3D мозг. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Планирование трепанации черепа. (A) Визуализация трепанации черепа с помощью 3D-печатной модели мозга и черепа для Monkey B. (B) Визуализация краниотомии в вычислительном программном обеспечении для Monkey B. (C) Визуализация трепанации черепа в магнитно-резонансном (МРТ) изображении для Monkey B. (D) Визуализация трепанации черепа с помощью 3D-печатной модели мозга и черепа для Monkey H. (E) Визуализация трепанации черепа в вычислительном программном обеспечении для Monkey H. (F) Визуализация трепанации черепа в магнитно-резонансном томографии (МРТ) для Monkey H. (G) Изображение трепанации черепа у Monkey H. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Конструкция камерного имплантата. (A) Область черепа (серая), используемая для снижения разрешения STL. (B) Уменьшение разрешения Skull STL в SOLIDWORKS. (C) Внутреннее кольцо камеры, выделено. (D) Расчет юбки камеры в SOLIDWORKS. (E) Соединение юбки камеры и верхней части. (F) Камера STL в SOLIDWORKS. (G) Мозг, череп и камера, напечатанные на 3D-принтере. (H) Титановая камера. (I) Имплантированная камера в Monkey H. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Конструкция стойки оголовья. (A) Нижний контур стойки на черепе с уменьшением разрешения STL. (B) Индивидуально подобранная опорная стойка. (C) Днище подголовника. (D) Расчет опорных стоек в SOLIDWORKS. (E) Напечатанная на 3D-принтере стойка на черепе. (F) Титановая передняя стойка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Изготовление искусственной твердой мозговой оболочки. (A) Зажим силиконовой смеси с помощью пресс-формы. (Б) Искусственная дура. Эта цифра была адаптирована с разрешения Griggs et al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Иллюстрация 6: Камера с индивидуальной подгонкой в сравнении с кривизной черепа. Камера, разработанная на основе оценок кривизны МРТ черепа9 в виде (A) спереди, (B) сбоку и (C) сзади. Специально спроектированная камера с видом спереди (D), сбоку (E) и сзади (F). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 7: Камера, подголовник и искусственная твердая мозговая оболочка на головном мозге и черепе Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный рисунок 1: Планирование пороговых значений и локаций трепанации черепа. (A) Пример бинарной маски с подходящим пороговым значением. (B) Корональный срез на МРТ для определения места трепанации черепа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 2: Процесс сокращения файла STL в MATLAB для проектирования камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 3: Визуальное изображение отверстия в черепе Снижение разрешения STL. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 4: Скриншоты программного обеспечения юбки камеры. (A) Внутреннее кольцо юбки камеры и внутренняя поверхность верхней части камеры в качестве концентрических сопряжений. (B) Перемещение юбки камеры вниз. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 5: Юбка камеры и верхняя часть камеры с нахлестом и без него. (A) Пример перекрытия между юбкой камеры и верхней частью камеры (Изменяет нижнюю поверхность юбки камеры). (B) Пример отсутствия перекрытия между юбкой камеры и верхней частью камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 6: Плоскости, закрывающие отверстия для винтов и устраняющие препятствие. (A) Пример плоскостей, загораживающих отверстия для винтов после установки отверстия для винта. (B) Контур экструдированного выреза для устранения поверхностей внутри отверстий для винтов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 7: Выбор точки и осевая плоскость черепа. (А) Выбор точки для проектирования подголовника. (Б) Вид сверху плоскости, параллельной осевой плоскости черепа. (C) Вид сбоку плоскости, параллельной осевой плоскости черепа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 8: Пример сопряжений. (A) Первый помощник - Верхняя поверхность круглой платформы стойки оголовья и нижняя поверхность верхней части стойки в качестве концентрических сопряжений. (B) Второй помощник - Край верхней поверхности круглой платформы стойки и край нижней поверхности верхней стойки в качестве концентрических сопряжений. (C) Третий помощник капитана - Линия, идущая вертикально вдоль задней стойки стойки и линия, проходящая горизонтально вдоль задней части вершины стойки в качестве перпендикулярных сопряжений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 9: Процедура заделки отверстий. (A) Вязаные поверхности, окружающие зазор в импортируемой поверхности. (B) Ось в каждой точке на краю трикотажной поверхности. (C) Конечный результат процедуры заделки отверстий. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 10: Выполнение экструдированной резки. (A) Процедура выдавливания окружающих профилей из крепежных отверстий. (B) Пример экструдированного выреза по плоскости на верхней поверхности дна камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл кодирования 1: Файлы кодирования для протокола. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Нечего разглашать.