Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

En MRI-baserad verktygslåda för neurokirurgisk planering hos icke-mänskliga primater

Published: July 17, 2020 doi: 10.3791/61098
Automatic Translation
1,2, 2,3, 1,2, 4, 5, 4, 4, 1,2,3
1Bioengineering Department, University of Washington, 2Washington National Primate Research Center, University of Washington, 3Electrical and Computer Engineering Department, University of Washington, 4Department of Ophthalmology, SUNY Downstate Health Sciences University, 5Radiology Department, University of Washington

Summary

Den metod som beskrivs nedan syftar till att ge ett omfattande protokoll för beredning av icke-mänskliga primater (NHP) neurokirurgi med hjälp av en ny kombination av tredimensionella (3D) tryckmetoder och MRI data utvinning.

Abstract

I detta dokument skisserar vi en metod för kirurgisk beredning som möjliggör praktisk planering av en mängd olika neurokirurgiries i NHPs enbart med hjälp av data som extraherats från magnetisk resonanstomografi (MRI). Detta protokoll möjliggör generering av 3D tryckta anatomiskt korrekta fysiska modeller av hjärnan och skallen, samt en agarosgel modell av hjärnan modellering några av de mekaniska egenskaperna hos hjärnan. Dessa modeller kan extraheras från MRT med hjälp av hjärnan extraktion programvara för modell av hjärnan, och anpassad kod för modellen av skallen. Preparatprotokollet drar nytta av state-of-the-art 3D-utskriftsteknik för att göra interfacing hjärnor, skallar och formar för gel hjärnans modeller. Skallen och hjärnan modeller kan användas för att visualisera hjärnvävnad inuti skallen med tillägg av en kraniotomi i den anpassade koden, vilket möjliggör bättre förberedelser för operationer direkt involvera hjärnan. Tillämpningarna av dessa metoder är utformade för operationer som är involverade i neurologisk stimulering och registrering samt injektion, men systemets mångsidighet möjliggör framtida expansion av protokollet, extraktionstekniker och modeller till ett bredare tillämpningsområde för operationer.

Introduction

Primatforskning har varit ett avgörande steg i utvecklingen av medicinsk forskning från djurmodeller till försök påmänniska 1,2. Detta är särskilt så i studien av neurovetenskap och neural teknik som det finns en stor fysiologisk och anatomisk diskrepans mellan gnagare hjärnor och de av icke-mänskliga primater (NHP)1,2,3. Med framväxande genetiska teknologier såsom kemogenetik, optogenetik, och kalcium avbildning som kräver genetisk modifiering av nervceller, neurala ingenjörsvetenskap forskning studerar neural funktion i NHP: s har fått särskild uppmärksamhet som en preklinisk modell för att förstå hjärnansfunktion 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. I de flesta NHP neurovetenskapliga experiment krävs neurokirurgiska åtgärder för implantation av olika enheter som huvudstolpar, stimulerings- och inspelningskammare, elektrodarrayer och optiska fönster4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.

Nuvarande NHP labs använder en mängd olika metoder som ofta inkluderar ineffektiva metoder inklusive sedating djuret för att passa benen på en huvudpost och approximera krökning av skallen runt kraniotomi webbplats. Andra laboratorier passar huvudet post till skallen i kirurgi eller anställa mer avancerade metoder för att få de nödvändiga mätningarna för implantation som att analysera en NHP hjärnan atlas och magnetisk resonans (MR) skannar för att försöka uppskatta skallen krökningar2,10,11,16. Neurokirurgi i NHPs innebär också vätskeinjektioner, och laboratorier har ofta inget sätt att visualisera den projicerade injektionsplatsen ihjärnan 2,4,5,13,14 som enbart förlitar sig på stereotaxiska mätningar och jämförelse med MR-skanningar. Dessa metoder har en viss oundviklig osäkerhet från att inte kunna testa den fysiska kompatibiliteten hos alla de komplexa komponenterna i implantatet.

Därför finns det ett behov av en korrekt noninvasiv metod för neurokirurgisk planering i NHPs. Här presenterar vi ett protokoll och metodik för beredning av implantation och injektionsoperationer hos dessa djur. Hela processen härrör från MR-undersökningar, där hjärnan och skallen extraheras från data för att skapa tredimensionella (3D) modeller som sedan kan 3D-tryckta. Skallen och hjärnan modeller kan kombineras för att förbereda för kraniotomi operationer samt huvudet inlägg med en ökad nivå av noggrannhet. Hjärnmodellen kan också användas för att skapa en form för gjutning av en anatomiskt exakt gel modell av hjärnan. Gelhjärnan ensam och i kombination med en extraherad skalle kan användas för att förbereda sig för en mängd olika injektionsoperationer. Nedan kommer vi att beskriva vart och ett av de steg som krävs för MRI baserade verktygslådan för neurokirurgiska förberedelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alla djurprocedurer godkändes av University of Washington Institute for Animal Care and Use Committee. Två manliga rhesus makaker (apa H: 14,9 kg och 7 år gammal, apa L: 14,8 kg och 6 år gamla) användes.

1. Bildförvärv

  1. Transportera apan till en 3T MR-skanner och placera djuret i en MR-kompatibel stereotaxisk ram (Table of Materials).
  2. Registrera standarden T1 (flip vinkel = 8°, repetitionstid/ekotid = 7.5/3.69 s, matrisstorlek = 432 x 432 x 80, förvärvslängd = 103,7 s, Multicoil (Tabell of Materials), antal medelvärden = 1, skiva tjocklek = 1 mm) anatomiska MR-bilder.
    OBS: För framgångsrik skallisolering, använd MRI förvärv parametrar tillämpas här för att maximera separation mellan skalle och hjärna.

2. Hjärnutdragning

  1. I MR imaging programvara för hjärnan utvinning välj Öppna | Öppna bild. Ladda den avsökning av T1 Snabbmagnetisering som förberetts i Rapid Gradient Echo (MPRAGE) som förvärvats i steg 1.2 till en MR-bildhanteringsprogram (Table of Materials).
  2. För att extrahera hjärnan, under Plugins dropdown menyn välj Extrahera Brain (BET). Extrahera vid en intensitetströskel runt 0,5− 0,7 och ställ in tröskelgradientvärdet till 0. Vid upprepade tillfällen använd extraktionsfunktionen vid successivt lägre intensitetströsklar tills skanningen endast innehåller den kortikala anatomin (Figur 1B).
    OBS: Detta är en iterativ process eftersom programvaran inte är avsedd för NHP hjärnor och extraktion är inte exakt
  3. Under den region av intresse (ROI) menyn väljer Tröskelvärde till ROI och välj alternativet för Krymp wrap och 3D för att skapa en bitmap av hjärnan. Detta kommer att konvertera volymen till binära bitar från en övertoning, vilket effektiviserar framtida processer för modellgenerering. Välj en tröskel (vanligtvis runt 600) för att isolera hjärnan från den omgivande vävnaden. Detta tröskelvärde kan hittas genom att sväva över den grå substansen. Välj OK om du vill bilda bitmappen.
  4. Om du vill skapa en yta väljer du Bygg yta under bildmenyn och matar in den tröskel som används för att extrahera hjärnan i steg 2.3. Välj sedan OK. Den resulterande ytan kan användas som referens för justering av tröskelvärdet för att ge den högsta kvalitetsrepresentationen av den riktade anatomin (Figur 1C).
  5. Under filfliken välj Spara eller Sparasom , och spara den extraherade hjärnan ROI som en .nii eller .nii.gz fil för användning för att skapa modellen av hjärnan.

3. Hjärnan modellering

  1. Välj Ladda data | Välj Filer att Lägga till och ladda den extraherade hjärnan som sparats i filtypen .nii eller .nii.gz i medicinsk bildbehandlingsprogramvara ( Table ofMaterials).
  2. Hovra över menyn för att släppa utsnittet till utsnitt i verktygsfältet moduler och flytta till alla moduler. Från den menyn välj funktionen Redigerare. Klicka på OK på popup-varningen.
  3. På menyn Redigerarens modul väljer du Tröskeleffekt och justerar skjutreglagen för tröskelintervall så att den del av bitmappen som innehåller hjärnan markeras i alla tre segmenten. När du laddar en bitmapp, justera båda reglagen till ett värde av 1 väljer hela hjärnan. Välj Verkställ.
  4. Öppna modell maker-modulen, och i indatavolymer dropdown menyn välja bitmappsfilen som genereras i steg 3.3. Välj Skapa ny modellhierarki under Modeller. När du har tilldelat namnet på modellen till hierarkin väljer du Använd för att skapa volymen.
  5. Spara filen i STL-formatet.
  6. För att ytterligare modifiera hjärnmodellen, ladda .stl-filen som en grafikkropp i datorstödd designprogramvara (Table of Materials)
    OBS: Detta kan ta ett tag, eftersom de importerade näthjärnytor är ofta ganska komplexa.
  7. När filen är importerad, i funktionen trädet på vänster sida av skärmen klicka på barnen i Den Grafiska kroppen och undertrycka onödiga Graphic funktioner tills endast de funktioner som innehåller hjärnan är kvar i filen. Spara den återstående filen som en .prt för ytterligare manipulation och som en .stl för 3D-utskrift. Spara den återstående filen som en .prt för ytterligare manipulation och som en .stl för 3D-utskrift.

4. Brain gjutning

  1. Ladda den extraherade hjärnmodellen från avsnitt 3 till programvaran för datorstödd design genom att öppna .prt-filen. Under avsnittet funktioner på infoga-menyn väljer du Konvertera till nätkropp . Välj hjärnans grafiska kropp och konvertera den.
  2. Skapa en höger och vänster mögel av hela hjärnan
    1. Klicka på knappen Skiss och välj det översta planet som skissplan. Rita en rektangel som innehåller antingen hela höger eller vänster hjärnhalva. Välj extrud boss / bas funktionen medan i skissen och extrudera en kubisk rektangel för att innehålla den övre delen av hjärnan.
      OBS: Kuben kan behöva extruderades i två riktningar för att kunna innehålla hela hemisfären. Detta beror på att nollpunkten, där plan för extrudering är belägen, kan falla inuti hjärnmodellen. Extruding i båda riktningarna säkerställer att formen kommer att omfatta hela volymen av intresse.
    2. Under avsnittet funktioner på menyn 'infoga' väljer du Konvertera till nätkropp. Markera den strängpressade kuben i mappen Solid bodies (solida kroppar) och konvertera den. Om du vill skapa det negativa utrymmet subtrahera modellen av hjärnan från den nyligen strängsprutade kuben med funktionen Kombinera och välja alternativet subtrahera.
    3. Upprepa steg 4.2.1 och 4.2.2 för andra hjärnhalvan (vänster eller höger) och spara de resulterande filerna som en .stl för 3D-utskrift och en .prt för vidare manipulation.
  3. Skapa en höger och vänster mögel av den övre halvan av hjärnan.
    1. Skapa en skiss i det översta planet och rita en rektangel som innehåller antingen hela den högra eller vänstra hjärnhalvan. Välj funktionen extrud boss/bas medan i skissen och extrudera med funktionen Förskjutning från plan vald. Kompensera extrudering upp till ett avstånd där det inte finns några överhängande konturer i hjärnans anatomi, fånga bara den övre anatomin. Under avsnittet funktioner på menyn 'infoga' väljer du Konvertera till nätkropp. Markera den strängpressade kuben i mappen Solid bodies (solida kroppar) och konvertera den.
    2. Om du vill skapa det negativa utrymmet subtrahera modellen av hjärnan från den nyligen strängsprutade kuben med funktionen Kombinera och välja alternativet subtrahera.
    3. Skapa ett skissplan på formformens dorsala sida och välj Konvertera entiteter och välj sedan skissen från steg 4.3.1.
    4. Välj extrudera boss / bas funktionen medan i skissen och, med den blinda extrudera alternativet valt, extrudera fast kroppen cirka 5 mm för att helt omsluta subtraherad hjärnans anatomi i formen.
    5. Upprepa steg 4.3.1−4.3.4 för andra hjärnhalvan (vänster eller höger) och spara de resulterande filerna som en .stl för 3D-utskrift och en .prt för vidare manipulation.
  4. Genom att ändra dimensionerna och placeringen av kuben och följa samma protokoll (steg 4.1 och 4.2), skapa formar som innehåller olika delar av hjärnan.
  5. För 3D-utskrift, använd ~ 70% utfyllnadstäthet och öka tjockleken på det yttre skalet av utskriften i syfte att minimera läckage av formmaterialet. Om det finns luckor eller defekter i utskriften, fyll dem med hjälp av nagellack eller annat bindningsmedel.

5. Skull modellering

  1. Importera QUICK MPRAGE MRI från steg 1.2 i programvaran för matrixmanipulering som en DICOM-fil. Dicom-filen kan finnas i separata 2D-ramar. Om så är fallet, kombinera alla bildrutor till en 3D-matris. Se till att varje 2D-ram av matrisen visar ett koronalt segment.
  2. Skapa en binär mask genom att tröskelvärde 3D-matrisen med hjälp av en större än operator för enskilda pixelvärden. Justera tröskeln så att skallens anatomi fångas upp av masken (se Kompletterande kodningsfil CalibrateMask).
    OBS: Masken kommer att innehålla fyra distinkta lager. Från utsidan in, kommer de att kallas "utanför", "muskulatur", "skalle", och "hjärna". I detta skede, "utanför" och "skalle" är 0 är i masken, och "muskulatur" och "hjärna" är 1:s.
  3. För att ta bort lagret "muskulatur" bearbetar du varje ram från 3D-masken separat genom att iterativt ta tag i ett 2D-segment från masken (dvs. 3D_Mask(:,,1)).
    1. För varje bildruta väljer du 0 pixlar från ramens hörn i lagret "utanför" som "frö". Sök sedan på neighboring 0's tills du stöter på en 1 pixel. Fortsätt söka tills inga fler 0's kan hittas. Konvertera alla anslutna 0:s till 1:ar. Detta görs med hjälp av Matlab-funktionen "imfill", med in- och utgångarna är [MASK2] = imfill(MASK1,PLATSER,CONNECTIVITY), där MASK1 är din ursprungliga mask, och MASK2 är den ifyllda masken (se Kompletterande kodningsfil FillExterior).
  4. Viss skallinformation kommer att gå förlorad under avlägsnandet. Om du vill minska informationsförlusten utför du steg 5.3 i alla tre dimensionerna av informationen, och håller dem åtskilda.
    OBS: Nu både "utanför" och "muskulatur" är 1:s, och kommer att betraktas som "utanför". Masken innehåller nu tre distinkta lager, "utanför", "skalle", och "hjärna". "Utanför" och "hjärna" är 1:s, och "skalle" är 0's.
  5. Invertera värdena för masken med hjälp av ~ operatorn (dvs, MASK2 = ~MASK1). Nu är "skallen" 1:ar och "utanför" och "hjärna" är 0-tal.
  6. Den 1:a som vidrör varandra i varje mask kan betraktas som "objekt". Skapa ett index över alla objekt i varje mask med hjälp av Matlab-funktionen "bwconncomp", med in- och utgångarna som är [CC] = bwconncomp(MASK), där MASK är 3D-maskmatrisen, och CC är ett strukturellt objekt som innehåller indexvärdena för varje objekt, antalet objekt och matrisens storlek. För varje mask, ta bort alla objekt utom den största som innehåller flest voxels genom att ställa in värdena för de mindre objekten till 0:s (se Kompletterande kodningsfil RemoveNoise).
  7. Lägg till de masker som skapas från varje pass tillsammans (se Kompletterande kodningsfil MergeMasks).
  8. Skala hjärnan till en konsekvent upplösning.
    1. Från DICOM-huvudet jämför du stegstorleken mellan varje bildruta i MRT till dimensionerna för varje pixel.
    2. Om dessa värden är olika, definiera en skalfaktor för att kompensera för skillnaden i upplösning mellan stegstorlek och pixelstorlek för varje voxel. Om till exempel varje ram är 1 mm från varandra, och pixeldimensionen är 0,33 mm x 0,33 mm, blir skalfaktorn 3.
    3. Lägg till ytterligare tomma voxels till 3D-masken tills den lägsta upplösningsdimensionen för masken är större med en faktor som definieras av skalfaktorn (se Kompletterande kodningsfil "ScaleMask").
    4. Linjärt interpolera värden i masken tills masken fyller det nya utrymmet.
    5. Exportera skalle som en .stl-fil eller liknande filtyp för 3D-utskrift.

6. Craniotomy skapelse i 3D skalle modell

  1. Med hjälp av MR-filen från steg 5.1, manuellt identifiera ungefärlig plats craniotomy från anatomiska landmärken som finns i makak hjärnan atlas (t.ex. centrala sulcus)19.
    1. Visa en individuell del av 3D-matrisen (Liknar steg 5.3).
    2. Manuellt skanna framåt eller bakåt genom 3D-matrisen tills igenkännliga anatomiska landmärken är belägna.
    3. Spara ramnumret som z-koordinaten (dvs. 3D_Mask(:,:,z)
    4. Använd ett verktyg för dataval för att spara x- och y-koordinaterna för en enda punkt på denna ram för att kraniotomi ska centreras på med hjälp av Matlab-funktionen "getpts", med in- och utgångarna som [x,y] = getpts. "getpts" öppnar upp ett användargränssnitt, klicka på önskad ram (se Kompletterande kodning fil LocateCraniotomy).
  2. Konvertera radien för den avsedda kraniotomi från mm till voxels med hjälp av informationen i DICOM-huvudet.
  3. Med hjälp av den punkt som anges i steg 6.1 som mittpunkt, ställ in alla voxels inom radien som definieras i 6.2 till noll i masken från steg 5.8.4 med hjälp av Kompletterande kodningsfil Craniotomy, där in- och utgångarna är [craniotomyMask] = Craniotomy(mask, x, y, z, radius, X, Y, Z, upplösning)där cranitomyMask är en 3D-matris med en craniotomy bort, mask är den ursprungliga 3D-matrisen, x,y,z är koordinaterna mittpunkt av craniotomy, radie är radien av kraniotomy, X,Y,Z är rutnät vektorer av 3D-matrisen, och upplösning är din radie definieras i steg 6.2 (se Kompletterande kodning fil Craniotomy).
  4. För flera craniotomies, upprepa steg 6.1−6.3 för varje unik craniotomy.
  5. Exportera skalle som en .stl-fil eller liknande filtyp för 3D-utskrift.

7.3D utskrift

OBS: Två typer av 3D-skrivare för fysiska prototyper( Table of Materials) används. För följande specifikationer bör alla inställningar för 3D-skrivare och utskriftsprogramvara vara standard om inte annat nämns.

  1. För att kunna skriva ut prototyperna och formar, använda en standard PLA-skrivare (Table of Materials) och skapa G-Koden med följande skrivare och programvara inställningar: inre densitet >50% (detta är särskilt viktigt för formar som de måste hålla flytande), snabb bikakeinriktat fylla mönster, rätlinlinjer yttre fylla mönster, tallrik temperatur = 50 °C, och extrudertemperatur = 230 °C.
  2. För att skriva ut högre trohet modeller av hjärnan och skallen använda en industriell-grade skrivare för att göra en kombinerad utskrift av akrylnitril butadien styren (ABS) för modellen och en dissolvable stödmaterial (Tabell of Materials). Skapa sedan G-Koden och med följande skrivarinställningar: fyllstil Gles - Hög densitet. Alla andra inställningar kommer automatiskt att ställas in på lämplig standardinställning.
    1. Lös upp modellen i stödlösningsmedel( Tabell av material) för ~12 h.
  3. När du har implementerat lämpliga skrivarinställningar trycker du på Start och titta på det första lagret i utskriften för att säkerställa att baslagret är rent och jämnt.
  4. Efter 3D-utskrift av formar, lappa eventuella synliga hål med nagellack (Table of Materials) för att garantera en snävare tätning.
    OBS: 3D-tryckta hjärn- och skallemodeller kan kombineras genom att sätta in hjärnmodellen i den öppna undersidan av skallen. Ta bort ögat anatomi kan underlätta placeringen av hjärnans modell utan att förlora viktig information. När den placeras inuti skallen, hjärnan naturligt anpassar sig till anatomiskt korrekt position.

8. Förberedelse av agaros

  1. Blanda agarpulvret (Table of Materials) och gräshoppors tuggummipulver ( Table ofMaterials) i ett 1:4-förhållande genom massa.
  2. Kombinera pulverblandningen med 1x fosfatbuffrad lösning (Table of Materials) till en 0,6% koncentrationslösning i en Erlenmeyerkolv.
    OBS: Koncentrationer som används av andra laboratorier faller i ett intervall på 0,5%-0,6%20,21.
  3. Ställ in mikrovågen på max effekt och placera kolven som innehåller lösningen i mikron i 2 min.
  4. Observera lösningen. När lösningen börjar bubbla, stoppa mikrovågsugn och timer, ta bort kolven, och snurra kraftigt. Ställ in kolven tillbaka i mikrovågsugn och återuppta mikrovågsugn och timer.
    OBS: Syftet är att värma lösningen utan att minska volymen avsevärt på grund av avdunstning under kokningen.
  5. Upprepa steg 8.4 tills de två minuterna är klara.
  6. Ta bort kolven och bibehållen virvlande för att förhindra att lösningen ställer in i kolven.
  7. Kör kallt vatten på utsidan av kolven för att kyla lösningen medan du snurrar. Kyl lösningen tills utsidan av kolven är varm vid beröring, men ändå acceptabel och säker, för att förhindra att lösningen deformeras plastmögeln i följande steg.
  8. Snurra kolven medan du transporterar lösningen till formen för att undvika för tidig härdning.

9. Agarose gjutning

OBS: Den agarrose molding processen beskrivs nedan är densamma för hela halvklotet och övre halv halvklotet formar

  1. Häll agaroslösningen i en av hjärnans formar tills den är full. Fortsätt att virvla återstående lösning i kolven.
  2. Övervaka nivån av lösning i formen för läckor. Fylla på formen vid behov eftersom inställningen agarose kommer att täta eventuella läckor i formen.
  3. Låt lösningen i formen sitta oberörd i rumstemperatur tills lösningen har ställt in och härdat till ett fast ämne.
    OBS: Medan väntetiderna kan variera beroende på volymen av lösning och andra faktorer, 2 h befinns vara en pålitlig väntetid.
  4. Använd en spatel för att försiktigt ta bort gelmodellen från formen. Var strategisk med placeringen av spateln insättning i formen i syfte att förhindra potentiella deformationer till ytan av formen.
  5. För att bromsa den naturliga avdunstningsprocessen och exponering för biologiska agens, placera gelmodellen i en förseglad behållare i ett kylskåp.

10. Injektion i agarosgelmodell

  1. Förbered pumpen för infusion och fixa den i en stereotaxisk arm på en stereotaxisk ram (Table of Materials). Placera pumpen till rätt injektionsbana och plats normal till gelmodellens yta från avsnitt 9.
  2. Fyll en 250 μL spruta (Tabell av material) med DI vatten. Montera sprutan på pumpen (Table of Materials).
    OBS: Innan du ritar något färgämne, di vatten ska fylla injektionskanylen( Tabell of Materials) helt. På så sätt när färgämnet dras upp genom kanylen finns det ingen kompression eller expansion av luft av kolven som kan påverka injektionsvolymen.
  3. Använd pumpföraren (Table of Materials) för att dra in färgningen av livsmedel ( Tabell ofMaterials) i sprutan till målvolymen för injektion. Injicera livsmedelsfärgen långsamt tills en liten pärla bildas vid kanylens spets för att förhindra att luftbubblor injiceras i gelen. Torka av pärlan från spetsen på kanylen.
  4. Placera gelmodellen under kanylen. Sänk kanylen tills spetsen vidrör gelmodellens yta. Notera måtten på stereotaxisk arm.
  5. Sänk ner kanylen i gelmodellen snabbt och smidigt till målinjiceringsdjupet och se till att gelens yta har förseglats runt kanylen.
  6. Kör pumpen och observera spridningen av livsmedelsfärgen tills målvolymen injiceras. Börja med en flödeshastighet på 1 μL/min och öka till 5 μL/min med 1 μL/min steg varje minut. Spridningen av livsmedelsfärgen i gelen är en approximation av spridningen av en virusvektor i hjärnan.
  7. Ta bort kanylen från gelen snabbt och smidigt.
  8. Ta bilder av spridningen av livsmedelsfärgen med en fotografisk anordning (Table of Materials) och fysiskt mäta dimensionerna av emboli för att beräkna ellipsoidvolymen av injektionen. Detta tillvägagångssätt är möjligt på grund av transparent karaktär av gelen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Manipuleringen och analysen av MRI som en preoperativ kraniotomiplaneringsåtgärd har använts framgångsriktunder de senaste 2,5,10,16. Denna process har dock förbättrats kraftigt genom tillägg av 3D-modellering av hjärnan, skallen, och craniotomy. Vi kunde framgångsrikt skapa en anatomiskt korrekt fysisk modell av hjärnan som återspeglade området av intresse för våra studier (Figur 1). Vi kunde på liknande sätt skapa en anatomiskt noggrann fysisk modell av primatskalleet som utvinns ur MR-bilderna (Figur 2).

De två fysiska modellerna av skallen och hjärnan i kombination med en tät störningspassning, som validerar noggrannheten hos de två modellerna i förhållande till varandra och legitimerar de extrapolerade MR-analysdata (Figur 3A,B). Med den kombinerade modellen kunde vi sätta in en kraniotomi i skallen före utskrift och visualisera den förutsagda anatomin i kraniotomi (Figur 3). Noggrannheten i den förutsagda anatomin i kraniotomi validerades genom en jämförelse av den fysiska modellen och den förutsagda kraniotomi från MR-analys (Figur 3B). Dessutom kunde vi kombinera alla delar av vårt exempel gränssnitt och utvärdera geometrin hos de olika komponenterna i förhållande till skallen och hjärnan (Figur 3C,D).

För att testa skalle modellen, en fysisk modell av skallen av Monkey L extraherades med de metoder som beskrivs ovan och 3D tryckt för att planera för ett huvud efter implantation kirurgi. Huvudets fötter post var sedan manipuleras och monteras på krökning av skallen på platsen för implantationen (Figur 3E). Som ett resultat av den preoperativa monteringen av huvudposten minskades operationstiden från cirka 2,5 timmar till 1 timme (216% snabbare) från öppning till implantation, vilket kraftigt minskade risken för operativa komplikationer22.

Genom att manipulera 3D-modellen av hjärnan i SolidWorks, kunde vi skapa en form som korrekt återspeglade anatomi både den tryckta hjärnan och hjärnan modell extraheras från MRI (Figur 4A−C). Denna form användes för att kasta en agaros blandning modell av hjärnan (Figur 4D,E). Med hjälp av dessa formar av hjärnan, kunde vi injicera i olika områden i hjärnan och uppskatta volymen av infusion av en injektion förfarande modelleras med en gul färgämne (Tabell of Materials). Halvhalsfären gel modell av hjärnan användes framgångsrikt för att fånga en klar bild av spridningen av färgämnet i en modell virusinjektion, så att vi kan mäta en ungefärlig volym av färgämnet över tiden som det injicerades (Figur 5A). Injektion av färgämne i hjärnan modellen kombinerades med en 3D tryckt skalle att modellera viral vektor injektion kirurgi (Figur 5B,C). Detta kombinerades med en elektrokortikika array placering på toppen av injektionen för att styra implantationen inför operation7,10.

Figure 1
Figur 1: Modeller av extraherad hjärna.
(A) Skiktad serie av T1-QuickMPRAGE koronaskivor av hjärnan av Monkey H. (B) Skiktad serie AV MR skivor av den extraherade hjärnan av Monkey H med hjälp av BET plugin och Mango programvara som beskrivs i methods avsnitt. (C) Axial, sagittal, och skev vy av en modell av den grå substansen i Monkey H skapas med hjälp av ytan byggnaden funktionalitet i Mango. (D) Axial, sagittal, och skev vy av en 3D-tryckt modell av den grå substansen i Monkey H skapas med hjälp av en Dremel 3D45 extruding skrivare. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 2
Bild 2: Skallutdragning.
(A) Skiktad serie av T1-QuickMPRAGE koronaskivor av hjärnan av Monkey H. (B) Skiktade serier av binära mask efter enkla thresholding MR skivor. (C) Skiktade serier av binära mask efter att ha tagit bort "muskulaturskikt". (D) Skiktade serier av binära mask av skalle efter bearbetning som beskrivs i avsnittet Metoder. (E) 3D-modell som genereras från binära mask. (F) 3D-modell med simulerad kraniotomi borttagen. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 3
Bild 3: Kirurgisk beredning med hjälp av 3D tryckta prototyper.
(A) Kombination av 3D-tryckta hjärnan extraheras med Mango insidan av en 3D tryckt skalle utvinns från MRI av Monkey L som beskrivs i methods avsnitt. (B) Jämförelse av kraniotomi inriktning mellan våra 3D-modeller och MR planering i Monkey L. (C,D) Ett exempel på att använda vår verktygslåda för att förbereda för kammare (C) och array (D) implantation15. (E) 3D tryckt modell av skallen av Monkey L som används för pre-bockning av huvud-post före operationen. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Gel hjärnan modellering.
(A, B) 3D-modell av formen för Monkey H. (C) 3D tryckta formar från A och B. Bilden vänster är en form som används för att skapa den övre delen av den högra hjärnhalvan. Bilden rätt är en form för att skapa den högra hjärnhalvan (D) Agarose modeller av den övre delen av den högra hjärnhalvan (vänster) och hela högra hjärnhalvan (höger). (E) Agarose modell av den högra hjärnhalvan placeras insidan av en 3D-utskrift av en extraherad skalle från Monkey L, visar den exakta representationen av hjärnan och craniotomy. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 5
Bild 5: Injektionsmodellering.
(A) Time lapse bilder av injektionsproceduren. Övre vänstra panelen före införandet. Övre högra panelen efter införandet. Lägre fyra paneler visar färgämnets spridning över tid. (B) Gelmodell av en sektion av hjärnan placerad inom en 3D-tryckt skalle med en craniotomy som är sådan att injektioner av färgämnet i livsmedel kan observeras i förhållande till de kortikala strukturerna och elektrodplaceringen. (C) 3D-utskrift av en kammare som passar till skallen och observeras i förhållande till elektrod array, gel modell, och injektion. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Kompletterande Kodningsfiler. Vänligen klicka här för att ladda ner dessa filer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denna artikel beskriver en verktygslåda för förberedelse för neurokirurgi i NHPs med hjälp av fysiska och CAD-modeller av skalle och hjärnan anatomi utvinns ur herr skanningar.

Medan de extraherade och 3D-tryckta skall- och hjärnmodellerna utformades speciellt för beredning av kraniotomioperationer och huvudpostimplantationer, lämpar sig metoden för flera andra tillämpningar. Som tidigare beskrivits möjliggör den fysiska modellen av skallen förböjning av huvudposten före operationen, vilket skapar en bra passform med skallen. Dessutom kan den extraherade skallen från MRI användas för att generera en 3D-designad huvudpost med en högre trohet mot skallens anatomi. Medan CT imaging är traditionellt en bättre modalitet för skalle extraktion, i den föreslagna metoden, hjärnan och skalle anatomi kommer från samma bildframställning modalitet, som skulle kunna bidra till förbättrad anatomiska konsistens mellan ben och mjuk-vävnad modeller. Denna anatomiska konsistens kan öka precisionen och se till att kraniotomi kommer att omfatta den kortikala regionen av intresse och att alla implantering komponenter, såsom stimulering och registreringskammare, passar skallen krökning. Detta stöds av bevarade studier som kvantitativt jämförde MRI-extraherad skalletopografi med extraktioner från andra skanningstyper23,24. Annat arbete inom området har skisserat metoder för skapandet av modeller och 3D tryckta prototyper för huvud post implantation25,26, men de använder inte enbart MR-skanningar för att skapa en anpassningsbar modell för beredning för både huvudet utstationering och craniotomy. Det är viktigt att notera att MRI förvärv parametrar som används här är kritiska i framgångsrik skalle utvinning som beskrivs i protokollet. Tidigare arbete inom området för hjärnutvinning och skalle strippning erbjuder alternativ till den allmänt tillgängliga BET hjärnan utvinning som används i detta protokoll27. På samma sätt, skull extraktion anpassade skript finns, dock kräver de den manuella avlägsnandet av icke-skalle voxels jämfört med en helt automatiserad protokoll28. Medan vi här visar bara några exempel, dessa verktyg är tillämpliga på en mängd andra operationer såsom elektrod och kammarimplantationer i NHPs2,4,5,7,10,15,18,29,30, samt andra djurmodeller31,32.

När den kombineras med modellerna för agarosblandningens hjärn kan verktygslådan för kirurgisk beredning appliceras för att förbereda för kirurgiska ingrepp som involverar vätskeinjektioner som optogenetik och kemogenetik2,4,5,10,33,34. Även här hade vi framgång med att använda PLA till 3D skriva ut formar, kan denna process förbättras ytterligare genom att använda en ABS glödtråd, som har en högre glas övergångstemperatur som kommer att göra formgjutning processen mer effektiv. Tidigare arbete har föreslagit agarosgel som ett konstgjort material som kan efterlikna några av hjärnans mekaniska egenskaper som är relevanta för vätskeinfusion20,21. Tidigare arbete har dock inte kombinerat agaros med en hjärna-realistisk mögel för att ge ett kirurgiskt beredningsverktyg. Den gjutna agaros blandning gel hjärnor kan användas för att ge kvalitativa när kontext till injektion plats och visualisera volym och placering av vätska diffusion. Gelhjärnorna kan också användas för att öva injektionsrörelse och plats inom stereotaxisk ram. Detta kan tillämpas inte bara på optogenetik men översatt till andra experiment som kräver injektion i hjärnan2,4,34. Modellen kan också användas för att förstärka den nuvarande CED-standardpraxisen genom att optimera injektionshastighet och kanyltjocklek. Denna modell kan också stärkas genom den kvantitativa valideringen av agarosgelblandningen för att exakt representera diffusiva och konvektiva flödet i hjärnan5,10. I framtida insatser kan vi också införliva vasculature information i våra 3D-modeller genom att inkludera kontrastförstärkd bildbehandling till vår bildbehandling förfarande som kan ge viktig information om injektion planering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inga intressekonflikter att avslöja just nu.

Acknowledgments

Detta projekt fick stöd av Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Mänsklig utveckling av National Institutes of Health under Award Number K12HD073945, Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), Center for Neurotechnology (CNT, en National Science Foundation Engineering Research Center under Grant EEC-1028725) och University of Washington Royalty Research Funds. Finansiering till Macknik och Martinez-Conde labs för detta projekt kom från en BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, samt NSF Awards 1523614 & 1829474, och SUNY Empire Innovator Stipendier till varje professor. Vi tackar Karam Khateeb för hans hjälp med agaros förberedelser, och Toni J Huan för teknisk hjälp.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Printing Software (GrabCAD Print) Stratasys Version 1.36 Used for High quality 3D printing
3D Printing Software (Simplify 3D) Simplify3D Version 4.1 Used for PLA 3D printing
Agarose Benchmark Scientific A1700 Used for making gel brains
Black Nail Polish L.A. Colors CNP637 Used for gel molding
Cannula (ID 450 um, OD 666 um) Polymicro Technologies 1068150625 Used to inject dye into gel brain
Catheter Connector B Braun PCC2000 Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50
Dremel 3D Digilab 3D45 printer Dremel F0133D45AA Used for prototyping in PLA
ECOWORKS Stratasys 300-00104 Used to dissolve QSR support structures
Erlymeyer flask Pyrex 4980 Used for gel molding
Ethyl cyanoacrylate The Original Super Glue Corp. 15187 Used to make combined cannula
Graduated cylinder 3023 Used for gel molding
HATCHBOX PLA 3D Printer Filament HATCHBOX 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK 1kg Spool, 1.75mm, Red/Black
Locust Bean Gum Modernist Pantry 1018 Gumming agent for gel brain mixtures
MATLAB MathWorks R2019b Used for skull extraction
McCormick Yellow Food Color McCormick Used for dye injection
Microwave Panasonic NN-SD975S Used for agarose curing
MR Imaging Software (3D Slicer) 3D Slicer Version 4.10.2 Used for 3D model generation
MR Imaging Software (Mango with BET plugin) Reasearch Imaging Institute Version 4.1 Used for brain extraction
Philips Acheiva MRI System Philips 4522 991 19391 Used to image non-human primates
Phosphate Buffered Solution Gibco 70011-044 10X diluted with DI water to 1X
Pump WPI UMP3T-1 Used for dye injection
Pump driver WPI UMP3T-1 Used for dye injection
Refrigerator General Electric Used to preserve agarose gel
Scientific Spatula VWR 82027-494 Used to extract gel molds
SolidWorks Dassault Systemes 2019
Stratasys ABS-M30 filament Stratasys 333-60304 Used for high quality 3D printing
Stratasys F170 3D printer Stratasys 123-10000 Used for high quality 3D printing
Stratasys QSR support Stratasys 333-63500 Used to create supports with ABS model
Syringe SGE SGE250TLL Used for dye injection

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Phillips, K. A., et al. Why primate models matter. American Journal of Primatology. 76 (9), 801-827 (2014).
  2. Macknik, S. L., et al. Advanced Circuit and Cellular Imaging Methods in Nonhuman Primates. Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  3. Seok, J., et al. Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (9), 3507-3512 (2013).
  4. Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates. PLoS Biol. 16 (8), 2005839 (2018).
  5. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. Elife. 7, (2018).
  7. Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
  8. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Quantitative Model for Estimating the Scale of Photochemically Induced Ischemic Stroke. Conference proceedings - IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 2744-2747 (2018).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Sabes, P. N. Novel techniques for large-scale manipulations of cortical networks in nonhuman primates. Conference proceedings - IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 5479-5482 (2018).
  10. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  11. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2015).
  12. Han, X. Optogenetics in the nonhuman primate. Progress in Brain Research. 196, 215-233 (2012).
  13. Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), 7297-7306 (2016).
  14. May, T., et al. Detection of optogenetic stimulation in somatosensory cortex by nonhuman primates--towards artificial tactile sensation. PLoS One. 9 (12), 114529 (2014).
  15. Griggs, D. J., K, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W. K. S., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  16. Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Optogenetic Adeno-associated Viral Vector to the Cortex of Rhesus Macaque Under Guidance of Online MRI Images. Journal of Visualized Experiments. (147), (2019).
  17. Lucas, T. H., Fetz, E. E. Myo-cortical crossed feedback reorganizes primate motor cortex output. Journal of Neuroscience. 33 (12), 5261-5274 (2013).
  18. Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
  19. Paxinos, G., Huang, X. F., Petrides, M., Toga, A. W. The Rhesus Monkey Brain in Stereotaxic Coordinates. 2nd Edition. , Elsevier Science. (2008).
  20. Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
  21. Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
  22. Cheng, H., et al. Prolonged operative duration is associated with complications: a systematic review and meta-analysis. Journal of Surgical Research. 229, 134-144 (2018).
  23. Michikawa, T., et al. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
  24. Soliman, A. S., et al. A realistic phantom for validating MRI-based synthetic CT images of the human skull. Medical Physics. 44 (9), 4687-4694 (2017).
  25. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  26. Overton, J. A., et al. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  27. Lohmeier, J., Kaneko, T., Hamm, B., Makowski, M. R., Okano, H. atlasBREX: Automated template-derived brain extraction in animal MRI. Scientific Reports. 9 (1), 12219 (2019).
  28. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).
  29. Nishimura, Y., Perlmutter, S. I., Eaton, R. W., Fetz, E. E. Spike-timing-dependent plasticity in primate corticospinal connections induced during free behavior. Neuron. 80 (5), 1301-1309 (2013).
  30. Seeman, S. C., Mogen, B. J., Fetz, E. E., Perlmutter, S. I. Paired Stimulation for Spike-Timing-Dependent Plasticity in Primate Sensorimotor Cortex. Journal of Neuroscience. 37 (7), 1935-1949 (2017).
  31. Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. 122 (4), 1502-1517 (2019).
  32. Schweizer-Gorgas, D., et al. Magnetic resonance imaging features of canine gliomatosis cerebri. Veterinary Radiology & Ultrasound. 59 (2), 180-187 (2018).
  33. Galvan, A., et al. Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions. Journal of Neuroscience. 37 (45), 10894-10903 (2017).
  34. Galvan, A., Caiola, M. J., Albaugh, D. L. Advances in optogenetic and chemogenetic methods to study brain circuits in nonhuman primates. Journal of Neural Transmission. 125 (3), 547-563 (2018).

Tags

Denna månad i JoVE icke-mänskliga primater magnetisk resonanstomografi neurokirurgisk planering 3D-utskrift viral vektor leverans optogenetik
En MRI-baserad verktygslåda för neurokirurgisk planering hos icke-mänskliga primater
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ojemann, W. K. S., Griggs, D. J.,… More

Ojemann, W. K. S., Griggs, D. J., Ip, Z., Caballero, O., Jahanian, H., Martinez-Conde, S., Macknik, S., Yazdan-Shahmorad, A. A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (161), e61098, doi:10.3791/61098 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter