Набор инструментов для проектирования нейронных имплантатов для нечеловекообразных приматов
9 февраля 2024 г.
В данной статье описываются автоматизированные процессы нейрохирургического планирования нечеловеческих приматов на основе магнитно-резонансной томографии (МРТ). Эти методы используют процедурные этапы в программировании и разработке платформ для поддержки индивидуального дизайна имплантатов для NHP. Валидность каждого компонента может быть подтверждена с помощью трехмерных (3D) напечатанных анатомических моделей в натуральную величину.
Наше исследование предлагает эффективный и автоматизированный метод моделирования мозга и черепа, который полезен для нейрохирургического планирования и разработки индивидуальных имплантатов. Он позволяет одновременно извлекать модели мозга и черепа с помощью единой программной платформы, что устраняет необходимость в дополнительных процессах визуализации, таких как коммутируемая томография. Виртуальное моделирование мозга и черепа для медицинской визуализации, такой как МРТ или КТ, в последние годы все чаще используется для нейрохирургического планирования NHP.
Эти модели, используемые вместе с программным обеспечением для 3D-проектирования и 3D-печатью, позволяют создавать индивидуальные имплантаты, адаптированные к конкретным экспериментам и животным. Многие нейробиологические эксперименты на приматах требуют использования хронических черепных камер и головных столбов. Использование обычных имплантатов приводит к появлению зазоров между имплантатом и черепом, что может привести к более высоким показателям инфекции, остеонекроза и нестабильности имплантата, что ставит под угрозу эксперименты и благополучие животного.
Наши имплантаты, изготовленные по индивидуальному заказу, уменьшают зазоры и последующие проблемы. Наш протокол предоставляет исследователям более точную и эффективную по времени процедуру нейрохирургического планирования. Это повышает эффективность хирургического планирования и уменьшает осложнения, связанные с неврологическими экспериментами NHP, тем самым улучшая научные результаты в целом.
Обзор
В данной работе представлен автоматизированный метод нейрохирургического планирования у приматов с использованием МРТ-сканирования. Данный подход позволяет одновременно извлекать модели мозга и черепа, что упрощает разработку индивидуальных имплантатов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейрохирургия
- Медицинская визуализация
- 3D-моделирование
Теоретическая часть
- Нейрохирургическое планирование для приматов играет критическую роль в проведении различных экспериментов.
- Традиционные методы часто требуют многоэтапных процедур визуализации.
- Индивидуальные имплантаты необходимы для обеспечения благополучия животных и целостности эксперимента.
- Стандартные имплантаты могут привести к таким осложнениям, как инфекции и нестабильность.
Цель исследования
- Оптимизировать процесс моделирования головного мозга и черепа для хирургического планирования.
- Снизить зависимость от дополнительных методов визуализации.
- Улучшить проектирование индивидуальных имплантатов для экспериментов на приматах.
Используемые методы
- Автоматизированная экстракция моделей головного мозга и черепа из МРТ-сканов.
- Использование единой программной платформы для моделирования.
- Интеграция программного обеспечения для 3D-проектирования при создании имплантатов.
- Валидация моделей посредством 3D-печати анатомических реплик.
Основные результаты
- Было достигнуто эффективное моделирование структур головного мозга и черепа.
- Устранена необходимость в дополнительных процедурах визуализации.
- Индивидуальные имплантаты продемонстрировали улучшенную посадку и сниженный риск осложнений.
- Данный подход способствует благополучию приматов, используемых в исследованиях.
Выводы
- Автоматизированный метод повышает эффективность нейрохирургического планирования.
- Индивидуальные имплантаты могут значительно улучшить результаты экспериментов.
- Данный подход может установить новый стандарт нейрохирургии для NHP.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Автоматизированное 3D-моделирование головного мозга и черепа на основе МРТ оптимизирует доклиническое нейрохирургическое планирование в исследованиях на приматах, сокращая необходимость ручного вмешательства и затраты ресурсов. Данный подход повышает точность проектирования индивидуальных имплантатов, что напрямую влияет на достоверность экспериментов и благополучие животных. Метод поддерживает трансляционные рабочие процессы в нейробиологии, минимизируя хирургические осложнения и обеспечивая воспроизводимое, высокоточное анатомическое моделирование.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Обеспечивает точное анатомическое моделирование для проведения нейрохирургических вмешательств на моделях НПЖ на основе выдвигаемых гипотез.
- Снижает биологическую вариабельность за счет поддержки разработки индивидуально подогнанных имплантатов, что улучшает контроль над экспериментом.
- Способствует снижению механистических рисков за счет минимизации сопутствующих хирургических осложнений.
Скрининг и разработка анализа
- Подготовка валидированных анатомических моделей для последующего тестирования устройств или фармакологических препаратов на НПМ.
- Стандартизация подбора и размещения имплантатов, что обеспечивает воспроизводимость результатов в различных исследованиях.
- Обеспечение возможности быстрой итерации и масштабирования дизайна имплантатов для различных экспериментальных протоколов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Обеспечивает согласованность доклинических нейрохирургических процедур со стратегиями трансляционных биомаркеров за счет соблюдения анатомической точности.
- Поддерживает преемственность этапов от открытия до доклинической валидации путем снижения хирургических и экспериментальных осложнений.
- Повышает прогностическую достоверность моделей на NHP для нейробиологии и разработки устройств.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Данный метод моделирования на основе МРТ интегрируется в процесс раннего поиска и доклинических исследований, связывая анатомическое моделирование, разработку устройств и хирургическое планирование для исследований на непокрытых приматах (NHP).
- Открывающая биология (Discovery Biology): способствует проверке гипотез и исследованию сигнальных путей, обеспечивая точный и воспроизводимый нейрохирургический доступ.
- Скрининг: предоставляет стандартизированные анатомические шаблоны для оценки имплантатов и устройств.
- Аналитика: предоставляет количественные 3D-модели и оценки соответствия для сравнения конструкций и мест размещения имплантатов.
- Трансляционные исследования: обеспечивает анатомическую и процедурную непрерывность для доклинических исследований устройств и интервенций.
- Корпоративное повторное использование: создает многократно используемый цифровой рабочий процесс для анатомического моделирования и разработки имплантатов в рамках исследовательских программ на приматах (NHP).
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность в нейрохирургических исследованиях на NHP.
- Операционная ценность: Автоматизирует и стандартизирует моделирование, сокращая ручной труд и потребление ресурсов.
- Стратегическая ценность: Позволяет принимать более обоснованные решения о продолжении или прекращении исследований (go/no-go), минимизируя хирургический риск и экспериментальную вариативность.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритизацию программ в области нейронаук и разработки устройств с учетом скорректированного риска.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области сбора данных МРТ и программного обеспечения для компьютерного моделирования.
- Зависит от наличия доступа к системам МРТ 3Т и совместимым CAD-платформам.
- Необходима межкомандная стандартизация порогов визуализации и параметров проектирования имплантатов.
- Методика может быть адаптирована для других задач хирургического и анатомического моделирования при наличии соответствующих данных визуализации.
- Возможности ограничены разрешением визуализации и необходимостью точного выбора порога при извлечении модели.
