Yöntem makalesi

İnsan Olmayan Primatlar için Nöral İmplant Tasarım Araç Kutusu

2.1K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/66167

⸱

9 Şubat 2024

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Bioengineering, Washington National Primate Research Center, University of Washington, 2Department of Electrical and Computer Engineering, Washington National Primate Research Center, University of Washington, 3Department of Biomedical Engineering, Purdue University

Bu makalede

Özet

Bu makale, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) taramalarına dayalı insan dışı primat nöroşirürji planlaması için otomatik süreçleri özetlemektedir. Bu teknikler, NHP'ler için özelleştirilmiş implant tasarımını desteklemek için programlama ve tasarım platformlarındaki prosedürel adımları kullanır. Her bir bileşenin geçerliliği daha sonra üç boyutlu (3D) basılmış gerçek boyutlu anatomik modeller kullanılarak doğrulanabilir.

Özet

Bu makale, insan dışı primat (NHP) beyin cerrahisi planlaması için uyarlanmış manyetik rezonans görüntülemeden (MRI) 3D beyin ve kafatası modellemesinin kurum içi bir yöntemini açıklamaktadır. Bu otomatik, hesaplamalı yazılım tabanlı teknik, görüntüleme yazılımı kullanan geleneksel manuel ekstraksiyon tekniklerinin aksine, MRI dosyalarından beyin ve kafatası özelliklerini çıkarmanın etkili bir yolunu sağlar. Ayrıca prosedür, sezgisel, sanal cerrahi planlama için beyin ve kraniyomize kafatasını birlikte görselleştirmek için bir yöntem sağlar. Bu, yinelemeli 3D baskıya dayanan geçmiş çalışmaların gerektirdiğinden zaman ve kaynaklarda ciddi bir azalma sağlar. Kafatası modelleme süreci, cerrahi implantasyon için özel olarak uyarlanmış kraniyal odalar ve başlıklar tasarlamak için modelleme yazılımına aktarılan bir ayak izi oluşturur. Kişiye özel cerrahi implantlar, implant ile kafatası arasında enfeksiyon veya stabilitenin azalması gibi komplikasyonlara neden olabilecek boşlukları en aza indirir. Bu cerrahi öncesi adımların uygulanmasıyla cerrahi ve deneysel komplikasyonlar azaltılır. Bu teknikler diğer cerrahi süreçler için uyarlanabilir, bu da araştırmacılar ve potansiyel olarak beyin cerrahları için daha verimli ve etkili deneysel planlamayı kolaylaştırır.

Giriş

İnsan olmayan primatlar (NHP'ler), translasyonel tıbbi araştırmalar için paha biçilmez modellerdir, çünkü evrimsel ve davranışsal olarak insanlara benzerler. NHP'ler, nöral mühendislik klinik öncesi çalışmalarda özel bir önem kazanmıştır, çünkü beyinleri nöral fonksiyon ve işlev bozukluğunun son derece ilgili modelleridir1,2,3,4,5,6,7,8. Optogenetik, kalsiyum görüntüleme ve diğerleri gibi bazı güçlü beyin stimülasyonu ve kayıt teknikleri, en iyi şekilde kafatası pencerelerinden beyne doğrudan erişimle sunulur9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. NHP'lerde, beyni korumak ve uzun süreli deneyleri desteklemek için genellikle bir oda ve yapay bir dura ile kraniyal pencereler elde edilir8,10,12,17,18,24,25,26,27. Benzer şekilde, baş direkleri, deneyler sırasında kafayı stabilize etmek ve hizalamak için genellikle odalara eşlik eder14,15,25,26,28,29,30. Bu bileşenlerin etkinliği büyük ölçüde kafatasına ne kadar iyi uyduklarına bağlıdır. Kafatasına daha yakın bir uyum, enfeksiyon, osteonekroz ve implant instabilitesi olasılığını azaltarak kemik entegrasyonunu ve kraniyal sağlığı destekler31. Ameliyat sırasında kafa direğinin manuel olarak bükülmesi gibi geleneksel tasarım yöntemleri25,29 ve manyetik rezonans (MR) taramalarının koronal ve sagital dilimlerine daireler uydurarak kafatası eğriliğini tahmin etmek9,12 belirsizlik nedeniyle komplikasyonlara neden olabilir. Bunlardan en hassas olanı bile implant ile kafatası arasında 1-2 mm'lik boşluklar oluşturarak granülasyon dokusunun birikmesi için alan sağlar29. Bu boşluklar ayrıca ameliyatta vida yerleştirmeyi zorlaştırır9, implantın stabilitesini tehlikeye atıyor. Osseointegrasyonu ve implant ömrünü iyileştirmek için özelleştirilmiş implantlar daha yakın zamanda geliştirilmiştir9,29,30,32. Ek maliyetler, hesaplama modellerine olan güven nedeniyle özel implant tasarımındaki gelişmelere eşlik etmiştir. En doğru yöntemler, MR Görüntüleme (MRI) makinelerine ek olarak bilgisayarlı tomografi (BT) makineleri gibi gelişmiş ekipmanlar gerektirir30,32,33 ve hatta implant prototipleri geliştirmek için bilgisayarlı sayısal kontrol (CNC) freze makineleri25,29,32,34. Özellikle NHP'lerle kullanım için hem MRI hem de BT'ye erişim sağlamak, kraniyal odalar ve başlıklar gibi özel olarak takılmış implantlara ihtiyaç duyan laboratuvarlar için uygun olmayabilir.

Sonuç olarak, toplumda, kullanımdan önce implantların tasarımını ve doğrulanmasını kolaylaştıran ucuz, doğru ve invaziv olmayan beyin cerrahisi ve deneysel planlama tekniklerine ihtiyaç vardır. Bu makale, kraniyotomi konum planlaması ve kafatasına uyan özel kafatası odalarının ve kafa direklerinin tasarımı için MR verilerinden sanal 3D beyin ve kafatası temsilleri üretme yöntemini açıklamaktadır. Bu kolaylaştırılmış prosedür, deneysel sonuçlara ve araştırma hayvanlarının refahına fayda sağlayabilecek standart bir tasarım sağlar. Bu modelleme için sadece MR gereklidir çünkü MRG'de hem kemik hem de yumuşak doku tasvir edilir. Bir CNC freze makinesi kullanmak yerine, birden fazla yineleme gerektiğinde bile modeller ucuza 3D basılabilir. Bu aynı zamanda nihai tasarımın implantasyon için titanyum gibi biyouyumlu metallerde 3D olarak basılmasına izin verir. Ek olarak, implantasyon üzerine kraniyal odacığın içine yerleştirilen yapay bir duranın imalatını tarif ediyoruz. Bu bileşenler, tüm parçaları kafatası ve beynin gerçek boyutlu, 3D baskılı bir modeline yerleştirerek cerrahi öncesi olarak doğrulanabilir.

Protokol

Hayvanları içeren tüm prosedürler, Washington Üniversitesi'ndeki Hayvan Bakımı ve Kullanımı Enstitüsü Komitesi tarafından onaylandı. Bu çalışmada toplam dört yetişkin erkek rhesus makağı (Macaca mulatta) kullanılmıştır. MRG alımı sırasında H maymunu 7 yaşında, L maymunu 6 yaşında, C maymunu 8.5 yaşında ve B maymunu 5.5 yaşındaydı. Maymunlar H ve L'ye 9 yaşında özel kronik odacıklar yerleştirildi.

1. Kafatası ve beyin izolasyonu (Şekil 1)

  1. Bir 3T MRI makinesi kullanarak kafatası ve beynin T1 Hızlı Manyetizasyon Hazırlanmış Gradyan Eko (MPRAGE) dosyasını edinin. MRG çekimi35 için aşağıdaki parametreleri kullanın: çevirme açısı = 8°, tekrarlama süresi/yankı süresi = 7,5/3,69 sn, matris boyutu = 432 x 432 x 80, çekim süresi = 103,7 sn, Multicoil, dilim kalınlığı = 1 mm, ortalama sayısı = 1.
  2. supplemental_code (Ek Kodlama Dosyası 1) etiketli klasörü indirin. Bu klasör aşağıdaki dosyaları içermelidir: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m36, stl_write.m37.
  3. MRI dosyasını supplemental_code klasörüne ekleyin. Hesaplama yazılımında, dosya yolu olarak supplemental_code klasörünü seçin ve brain_extract.m'yi çalıştırın.
  4. Aşağıdaki adımlar, önceki ekstraksiyon tekniklerinden toplanan MATLAB (Şekil 1) kullanılarak yarı otomatik bir kafatası ve beyin izolasyonu yöntemini özetlemektedir35. Komut penceresi, beyin ve kafatası izolasyonu ve kraniyotomi görselleştirmesi için gereken parametreleri isteyecektir. Her yanıt komut penceresine girildikten sonra enter tuşuna basın.
    1. Komut penceresi önce MPRAGE dosyasının adını isteyecektir. Dosya adını yazın (örneğin, MRIFile.dcm) ve MRG'nin düzgün görüntülendiğini onaylayın (Şekil 1A).
    2. Kafatasını izole etmek için (Şekil 1B - D), komut penceresinde belirtilen ayrıntılı adımları izleyin. Kafatası maddesini ortadan kaldırmadan kafatasını çevreleyen dokudan ayıran uygun bir eşik değeri belirleyin (Ek Şekil 1A). (y) düğmesine basarak bir eşik değerini onaylayın.
    3. Beyni izole etmek için benzer bir teknik kullanılır (Şekil 1E - G). Komut penceresinde istendiğinde, beyin için bir eşik girin. Açılan rakamı değerlendirin ve gerekirse eşiği ayarlayın. Beynin kafatasından ve çevresindeki dokudan izole edildiğinden ve bu süreçte hiçbir beyin dokusunun çıkarılmadığından emin olun. (y) düğmesine basarak bir eşik değerini onaylayın.
    4. İlgilendiğiniz bölüme ilerleyin.

2. Kraniyotomi yer planlaması (Şekil 2)

  1. Beyin ve kafatası çıkarıldıktan sonra, kraniotominin koordinatlarını girin. Koordinatlar henüz bilinmiyorsa, hayır için (n) belirtin, bir şekil görüntülenecektir (Ek Şekil 1B). Bir z-çerçevesi (koronal düzlem) seçerek ve kraniyotomi merkezi için seçilen z-çerçevesi üzerinde bir nokta seçerek kraniyotomi koordinatlarını belirleyin.
    1. Koordinatlar biliniyorsa, bunları ilgili x (sagital), y (eksenel) ve z (koronal) değerleriyle belirtin.
  2. Kraniyotomi yarıçapını milimetre cinsinden girin (örneğin, 10 mm) ve dış yarıçap seçmeyin.
  3. Kafatası ve beyin görüntüleri için bir ölçek çubuğunun gerekli olup olmadığını belirtin. Ölçek çubukları, modellerin boyutlarının doğru olduğunu doğrulamaya yardımcı olur.
  4. İstenirse beyin ve kafatası dosyalarını 3D baskı için STL olarak kaydedin (Şekil 1D, G).
  5. Daha sonra, beyin ve kraniyotinize kafatası olan bir figür görüntülenecektir. Bu, hedeflenen beyin bölgelerine erişimi doğrulamak için kullanılabilir. Beyin mavi, kafatası açık gri renkle temsil edilir (Şekil 2B, E).
  6. Gelecekteki adımlar için kullanılacak bir özellik olan SLT boyutunu küçültmeyi tamamlamak için (n) öğesini seçin (aşağıya bakın).
  7. Kraniyotomi yinelemesi başına bölüm 1 ve 2'yi tekrarlayın.

3. Kraniyal oda tasarımı (Şekil 3)

  1. Oda tasarımına başlamadan önce, kraniyotomi konum planlama prosedürünü kullanarak kraniyotominin yerini ve kraniyotomi yarıçapını onaylayın.
  2. Kafatası ve beyin izolasyonu tamamlandıktan sonra, bir sonraki adım, kraniotomi merkezinin kesinleşmiş koordinatlarını girmek olacaktır. x (sagital), y (eksenel) ve z (koronal) değerlerini girin.
  3. Komut penceresi daha sonra, oda tasarımı için çalışılacak kafatasının alanını belirleyen iç ve dış yarıçapların girilmesini isteyecektir. Gerçek kraniyotomi yarıçapından daha küçük bir iç yarıçap (örneğin, 10,0 mm'lik bir kraniyotomi yarıçapı için 5 mm) ve oda eteğinin planlanan yarıçapından daha büyük ikinci bir dış yarıçap seçin (örneğin, 22 mm'lik bir yarıçapa sahip olacak bir oda eteği için 26 mm). Bu, üzerine inşa edilecek odanın temeli olarak halka şeklinde bir kafatası yapısı sağlayacaktır.
    NOT: Kraniyotomi yarıçapı 10 mm olan bir oda tasarlamak için 5 mm iç yarıçap seçilmiştir. Bu, kafatası temsili tasarım yazılımına aktarıldığında kraniyotomi merkezinin kolayca tanımlanabileceği kadar küçük bir daireyi korurken, kraniyotomi kenarında kafatasının doğru bir temsilini sağlar. Ekstra kafatası alanının mevcut olmasını sağlamak için 22 mm yarıçaplı bir oda için 26 mm'lik bir dış yarıçap çıkarıldı. Odanın boyutları, deneyin ihtiyaçları tarafından belirlenen kısıtlamalarla geliştirilmiştir. Bu adımda kullanılan yarıçaplar, vida boyutlarına ve kafatasındaki kullanılabilir alana bağlı olarak kraniyotomi boyutu ve oda eteğinin boyutu tarafından belirlenecektir.
  4. Kafatası ve beyin görüntüleri için ölçek çubuklarının gerekli olup olmadığını belirtin.
  5. İsterseniz beyin ve kafatası dosyalarını kaydedin.
  6. Seçilen beyin (mavi) ve kafatası bölgesi (gri) ile bir şekil açılacaktır (Şekil 3A). Daha sonra, Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) yazılımında dosyanın daha kolay işlenmesi için seçilen kafatası bölgesine bir STL boyutu küçültme uygulanması gerekir.
  7. STL boyutunu küçültmeye başlamak için (y) öğesini seçin. Boyut küçültme, özel donanım tasarımı için CAD yazılımına kolayca aktarılabilen, küçültülmüş dosya boyutuna sahip bir STL dosyası oluşturacaktır.
  8. Beyin ve kafatası üst üste binmiş şekli kullanarak (Şekil 3A), kafatası yüzeyinde dosya küçültme için kullanılacak noktaları seçmek için fareyi kullanın. Birden fazla nokta yerleştirmek için shift tuşunu basılı tutun.
    1. Noktaları, bu durumda seçilen kafatası bölgesi olan ilgilenilen bölgeyi kapsayacak şekilde yerleştirin. Kafatasının daha kesin ve doğru bir temsilini sağlamak için noktaları mümkün olduğunca birbirine yakın yerleştirin (Ek Şekil 2). Bazı kullanıcılar, nihai ürün için tüm ilgi çekici noktaları seçmeden önce ~20 kritik nokta seçmeyi ve oda tasarımının geri kalanını pratik olarak tamamlamayı tercih edebilir.
    2. Noktaları seçerken, seçilen bölgeye mümkün olduğunca çok nokta yerleştirmek en iyisidir. Genel olarak, ~200 puan kafatası eğriliğini iyi temsil eder. Beyin ve kafatası arasındaki sınırı vurgulamak için seçilen bölgenin kenarlarına daha fazla nokta yerleştirin.
      NOT: Kodun zamanından önce ilerlemesine neden olacağından ve nokta seçim işleminin tekrarlanması gerekeceğinden, bölge boyunca noktaları yerleştirmeyi bitirmeden önce enter düğmesine tıklamaktan kaçının.
  9. Seçilen kafatasına nokta yerleştirmeyi bitirdiğinizde enter tuşuna basın. Komut penceresine küçültülmüş dosya adını yazın.
  10. Özel oda tasarımı için dosyayı CAD yazılımına aktarın. CAD yazılımını açarak başlayın.
  11. Dosya > Aç'a tıklayın ve dizinden STL azaltmasının dosya adını seçin.
    1. Aç'ı tıklatmadan önce, Seçenekler düğmesini tıklatın ve Farklı içe aktar menüsünde Yüzey Gövdesi'ni tıklatın. Tamam'a ve ardından Aç'a tıklayın.
  12. STL içe aktarıldıktan sonra, yüzeyde mavi çizgilerle gösterilen küçük delikler olup olmadığını kontrol edin. Kafatasının haznenin kapatacağı bölgede delikler varsa (Ek Şekil 3), adım 3.19.1'deki sabitleme delikleri prosedürünü (Bölüm 6) tamamlayın.
  13. Şekil 3B'deki gibi CAD yazılımında odanın kafatası yüzeyini görüntüleyin. Seçilen alanın kenarlarının kafatası temsilinde görünür olduğundan emin olun.
  14. Kraniyotominin merkezini bulmak için içe aktarılan yüzeyin ortasındaki iç dairenin ana hatlarını bulun. Referans Geometri > Düzlem Ekle'yi tıklatarak iç daireyle hizalanmış > düzlem oluşturun. Düzlem için referans noktaları olarak iç dairenin çevresi boyunca eşit olarak dağılmış üç nokta kullanın.
  15. Çizim sekmesindeki daire simgesine tıklayarak iç daireye karşılık gelen bir daire oluşturun. Referans düzlemi olarak önceki adımdaki düzlemi seçin ve daire önizlemesi iç daire anahattının doğru bir temsilini sağlayana kadar kenar boyunca noktaları belirleyin. İç çembere en uygun olanları bulmak için birkaç farklı nokta kombinasyonunun test edilmesi gerekebilir.
  16. Referans olarak daire ile, Referans Geometri > Noktası Ekle'yi tıklatarak dairenin ortasında > nokta oluşturun ve Yay Merkezi seçeneğini kullanın. Bu nokta kraniyotominin merkezini temsil eder.
  17. Gelecekteki ekstrüzyonlar için bir referans düzlemi olarak, ilk düzleme paralel ikinci bir düzlem yapın ve 10 mm ofset yapın. Ofset yönünü seçerken, okun nesneden yukarıyı gösterdiğinden emin olun.
  18. Haznenin iç halkasının oluşturulması (Şekil 3C)
    1. Eksen >> Referans Geometrisi Ekle'ye tıklayarak, Nokta ve Yüz/Düzlem seçeneğini vurgulayarak ve kraniyotominin üst düzlemini ve merkez noktasını referans olarak kullanarak hem kraniyotomi düzlemi hem de üst düzlem boyunca dik olarak uzanan eksen oluşturun. Bu eksenin ve üst düzlemin kesiştiği noktada başka bir nokta yapın.
    2. Ekstrüzyon yapılacak yüzey olarak Extrude Boss/Base'i ve üst düzlemi seçin. Üst düzlemdeki nokta merkez noktası olacak şekilde iki eşmerkezli daire oluşturarak iç halka kesitinin bir taslağını yapın (örneğin, 11.35 mm ve 12.25 mm yarıçaplar). Yön menüsünde Yüzeye Kadar'ı seçin ve içe aktarılan yüzeyi ekstrüzyon yapılacak yüzey olarak belirtin.
    3. Yüzey Ekle > Taşı/Kopyala'yı seçerek içe aktarılan yüzeyi kopyalayın > ve kopyalanan yüzeyi iç halka ve eteğin yüksekliğine (örn. 3,5 mm) kaldırın. Taşı/Kopyala menüsündeki Çevir seçeneğini kullanın ve yüzeyi her iki düzleme dik olan eksen boyunca çevirin.
    4. Üst düzlemden kopyalanan yüzeye dairesel bir ekstrüde kesim yapın. Ekstrüde Kesim'e tıklayarak ve ekstrüde kesim için başlangıç noktası olarak iç halkanın üst yüzeyini seçerek başlayın. Kopyalanan yüzeyi bitiş noktası olarak seçerek ekstrüzyonu tamamlayın.
    5. Gövdeyi Sil/Koru aracını kullanarak > Özellikleri Ekle > orijinal içe aktarılan yüzeyi silin. Görünüm sekmesindeki Gizle/Göster aracıyla, kopyalanan yüzey iç halkayı görüntülemek ve tasarımını doğrulamak için gizlenebilir.
  19. Oda eteği oluşturma (Şekil 3D)
    1. Hazne eteğinin kalınlığı (örneğin, -1,5 mm) ile mevcut yüzeyden daha düşük ikinci bir kopyalanmış yüzey ofseti yapın. Çevir menüsünde, referans noktası olarak düzlemlere dik olan ekseni ve ilk yüzeyin altında yeni bir yüzey oluşturmak için bir uzaklık değeri seçin.
      NOT: Ofset yönünün varsayılan yönüne bağlı olarak, doğru yöne gitmek için ofset değerinin negatif olarak ayarlanması gerekebilir.
      1. Haznenin kaplayacağı bölgede delikler varsa, hazne tasarım prosedürünün geri kalanına devam etmeden önce bölüm 6'da (sabitleme delikleri) belirtilen adımları izleyin.
    2. Üst düzlemden alt yüzeye hazne şeklinde bir ekstrüzyon gerçekleştirin. Extrude Boss/Base'i seçerek ve ekstrüzyon düzlemi olarak üst düzlemi seçerek başlayın.
      1. Sabitleme deliği prosedüründen mevcut ekstrüzyonları işlemek için adım 6.2'yi izleyin.
    3. Oda eteğinin şeklini bu düzleme çizin. Odanın iç çemberini, iç halkanın daha küçük yarıçapı (örneğin, 11.35 mm) ile aynı boyutta bir daire yapın, üst düzlemdeki noktanın etrafında ortalayın ve etek alanını en üst düzeye çıkarmak için bir yay ve çizgi kombinasyonu kullanarak oda eteğinin dış sınırını yapın. İki yüzeyin altına kadar çıkın.
      NOT: Ekstrüzyonla ilgili bir hata ortaya çıkarsa, çizimin yüzeyden daha geniş olması muhtemeldir. Bu durumda, dış etek sınırının boyutunu küçültün.
    4. Üst düzlemden, kopyalanan iki yüzeyin daha yükseğine, oda anahattı şeklinde ekstrüde edin.
      1. Sabitleme delikleri prosedüründen kalan ekstrüzyonlar hakkında ek bilgi için adım 6.2'ye bakın.
    5. Hazne eteğini ve iç halkayı ortaya çıkarmak için, içe aktarılan yüzeyin kalan her iki kopyasını da silin. Ortaya çıkan nesne, Şekil 3B'dekine benzer görünmelidir.
    6. STL redüksiyonunun yapılması ve içe aktarılması sürecinde kafatasının modeli yansıtılır. Bunu telafi etmek için, ortaya çıkan eteğin yansıtılması gerekir. Özellikler menüsünde, Yansıt'ı tıklatın ve eteği üst düzlem boyunca yansıtın. Vücudu Sil/Koru işlevini kullanarak orijinal eteği silin.
  20. Hazne üstünü ve eteğini birleştirme (Şekil 3E)
    1. Oda eteğini tasarlamak için kullanılan yazılımda oda üstü STL dosyasını açın. Ardından, Parça Ekle'>ye tıklayarak, menüden özel eteği seçerek ve parçayı içe aktarmak için ekranda herhangi bir yere tıklayarak hazne eteğini bir parça olarak yerleştirin.
    2. Haznenin üst kısmını ve eteğini hizalamak için Ekle'> Özellikler'i > Taşı/Kopyala'yı tıklatın. Oda eteğini seçin ve menünün altındaki Kısıtlamalar düğmesine tıklayın. Eteğin iç halkasını ve hazne üst kısmının iç yüzeyini eşmerkezli montaj ilişkileri olarak vurgulayın (Ek Şekil 4A).
      1. Eteğin üst kısmının hazne üst kısmının alt kısmıyla hizalandığını onaylayın ve gerekirse montaj ilişkisi hizalama yönünü değiştirin.
    3. Eteği doğrudan haznenin üst kısmının altına aşağı doğru çevirmek için Taşı/Kopyala'yı kullanın. Bu, hazne üst kısmının hazne eteğinin altına uzanmaması ve eteği engellememesi için doğru mesafeyi bulmak için birden fazla yineleme gerektirecektir (Ek Şekil 4B ve Ek Şekil 5).
    4. Sekmeler arasındaki boşlukları hizalamak için haznenin üst kısmını, biri dik diğeri beynin orta hattına paralel olacak şekilde döndürün. Döndürme aracını ve nesnenin ortasındaki varolan ekseni döndürme ekseni olarak kullanın. Haznenin üst kısmı ve etek birbirine göre doğru yönde olana kadar dönme derecelerini ayarlayın.
    5. Haznenin üst kısmının altından doğrudan eteğe doğru ekstrüde ederek nesneleri birbirine bağlayın. Extrude Boss/Base'i kullanın, hazne üst kısmının alt yüzeyini seçin ve merkez ekseni merkez noktası olarak kullanarak bu yüzey üzerinde bu halkayla aynı iç ve dış yarıçaplara sahip bir çizim oluşturun. Ekstrüzyon yönü olarak Gövdeye Kadar'ı seçin ve hazne eteğini belirtin.
    6. Tırnakları tutan hazne üst yüzeyinden ekstrüde bir kesim yapın. Bu yüzeyi ekstrüzyon düzlemi olarak seçtikten sonra, iç halka ile aynı iç yarıçapa sahip bir daire çizin. Çizimden çıkın ve hazne eteğinin altını (örn. 10 mm) aşan bir Kör ekstrüde kesim yapın.
    7. Hazne eteğinin etrafına eşit aralıklarla yerleştirilmiş on iki vida deliği ekleyin. Vida deliklerini, eşit aralıklarla yerleştirilecek, ancak aynı zamanda ameliyat sırasında erişilebilecek, ancak gereksiz yere büyük bir oda ayak izini önleyecek kadar yakın olacak şekilde yerleştirin.
    8. Vida deliği yerleştirmek için Delik Sihirbazı aracını kullanın. Delik Spesifikasyonu - Tip menüsünde parametreleri seçin. Parametreler cerrahi implantasyon sırasında kullanılacak vidalarla aynı hizada olmalıdır (örneğin, Standart: ANSI Metrik, Tip: Düz Başlı Vida - ANSI B18.6.7M, Boyut: M2, Fit: Gevşek, Minimum Çap: 3,20 mm, Maksimum Çap: 4,00 mm, Havşa açılma açısı: 90 derece, Son Durum: Tümünden).
    9. Delik yerleştirmeye başlamak için Konumlar sekmesine tıklayın. Bir delik yerleştirmek için, odadaki bir düzlemin üzerine gelin ve sağ tıklayın. On iki vida deliğinin tümünü, eşit şekilde yerleştirildiklerinden ve erişilebilir olduklarından emin olacak şekilde yerleştirin.
    10. Yerleştirildikten sonra bir vida deliğinin içinde engeller kalırsa (Ek Şekil 6A), deliği yerleştirmek için farklı bir düzlem seçin veya delikten yukarı doğru ekstrüde bir kesim yapmak için aşağıdaki adımları kullanın.
      1. Kalan düzleme paralel bir düzlem oluşturarak yukarı doğru ekstrüde kesime başlayın, ancak düzlem doğrudan engelin altında olacak şekilde aşağı doğru 0.00001 mm kaydırın.
      2. Ekstrüde kesimi, son adımda oluşturulan düzlem referans olarak gerçekleştirin. Yay ve çizgilerin bir kombinasyonunu kullanarak, kaldırılması gereken alanın şeklini çizin. Çizimin, vida deliğinin dış yarıçapı içinde bulunan düzlemin herhangi bir parçasını içerdiğinden emin olun (Ek Şekil 6B). 1 mm yukarı doğru kesin.
    11. Vida deliklerini yerleştirdikten sonra, keskin kenarları azaltmak ve gereksiz etek alanını en aza indirmek için eteği düzeltin. Haznenin üst yüzeyinden hazne eteğini geçecek şekilde (örn. 30 mm) Ekstrüde Kesim yapın. Ekstrüzyonu, pürüzlü kenarları düzeltecek ve dış etek alanını düzeltecek şekilde yapın.
      1. Tüm keskin kenarları ve fazla eteği çıkarmak için ek özel kesimler gerekebilir. Eteğin alanları, referans düzlemi olarak odanın üst yüzeyi kullanılarak kesilemiyorsa, açılı bir düzlem oluşturun ve bu düzlemi kullanarak ek ekstrüde kesimler oluşturun.
    12. Son oda tasarımı gösterimi için Şekil 3F'ye bakın. Bu tasarım 3D olarak basılabilir ve istenirse bir model beyin ve kraniyotinize kafatası üzerine yerleştirilebilir (Şekil 3G).

4. Başlık tasarımı (Şekil 4)

  1. Başlık tasarımı için kesinleşmiş kraniyotomi merkezi konumunun ve odanın maksimum etek alanının gerekli olacağını unutmayın.
  2. Bilinen kraniyotomi koordinatlarını (x, y ve z değerleri) komut penceresine girin.
  3. Kafa direği tasarımı için, kafatası üzerinde odayı çevreleyen mevcut alanı temsil etmek için yalnızca bir yarıçap gereklidir. Bu adımda, önceki bölümde tasarlanan odanın maksimum yarıçapını girin (örneğin, 25 mm). Ardından, dış yarıçapın gerekli olmadığını belirtin.
  4. Boyutları onaylamak için ölçek çubuklarının gerekli olup olmadığını belirtmek için komut penceresini kullanın.
  5. Önceki bölümlere benzer şekilde, 3D baskı için gerekirse beyin ve kafatası STL dosyalarını kaydedin.
    Görüntülenen bir sonraki şekil, bir başlık ayak izinin oluşturulması için odayı çevreleyen kafatası bölgesini gösterecektir. Tasarım yazılımına aktarılacak bir STL boyut küçültme kullanarak bu bölgeyi çıkarın.
  6. STL boyutunun küçültülmesinin istendiğini belirtmek için (y) öğesini seçin. Beyin (mavi) ve kafatası (gri) birlikte üst üste binmiş olarak şekil üzerindeki noktaları seçin. Noktaların mümkün olduğunca birbirine yakın seçildiğinden ve gri kafatası bölgesi boyunca eşit olarak dağıtıldığından emin olun (Ek Şekil 7A). Nokta seçim süreci hakkında daha fazla ayrıntı için adım 3.8'e bakın.
  7. Baş direğinin oturacağı gri kafatası bölgesini kaplamak için nokta seçimini tamamladıktan sonra enter tuşuna basın. Komut penceresinde indirilen indirgenmiş dosya için bir dosya adı belirtin.
  8. Özel başlık ayak izini tasarlamak için küçültülmüş dosyayı CAD yazılımına aktarın. Dosyanın Surface Body olarak içe aktarıldığından emin olun.
  9. Dosyayı içe aktardıktan sonra, yüzeyde mavi çizgilerle gösterilen delikler olup olmadığını kontrol edin. Genel bölgede başlık direğinin kaplayacağı delikler varsa, sabitleme delikleri prosedürünün (bölüm 6) adım 4.11'de tamamlanması gerekecektir.
  10. Başlık direği tasarımının ilk adımı, yüzeyde eksenel düzlemle hizalanan bir düzlem bulmaktır, böylece baş direğinin üst ve alt kısmı birleştirildiğinde, baş direğinin üst kısmı kafatasına dik olur (Ek Şekil 7B, C). Kafatasının yüzeyinde eksenel düzlemle doğrudan hizalanan bir düzlem bulunamazsa, yüzeydeki mevcut bir düzlemi kullanarak ve düzgün bir şekilde hizalamak için döndürerek yeni bir düzlem oluşturun. Sanal kafatası temsiliyle karşılaştırma için kullanılabilecek fiziksel bir 3D kafatası modeline sahip olmak yararlıdır.
    1. Kafatasına doğrudan dik olan bir başlık üstü oluşturmak için bu adımın birkaç kez değiştirilmesi gerekebilir. Başlık direğinin üst açısını başlık direğinin ayak izine göre değiştirmek için, bu adımda kullanılan düzlemi değiştirin. Eksenel düzleme paralel oturan birini bulmak için birkaç düzlemin test edilmesi gerekebilir.
  11. Başlığın üst kısmının yönü için bir referans sağlayacak yüzeyin 3 mm yukarısında paralel bir düzlem oluşturmak için önceki adımda bulunan veya oluşturulan düzlemi kullanın.
    1. Bölüm 6'da özetlenen sabitleme delikleri prosedürünü, başlık bölgesinde ortaya çıkan boşluklarla tamamlayın.
  12. Başlık alt oluşturma (Şekil 4C)
    1. Extrude Boss/Base'e tıklayın, yeni düzlemi seçin ve yaylar ve çizgilerin bir kombinasyonunu kullanarak başlık ayak izinin bir taslağını oluşturun. Benzer uzunlukta ve aralarındaki açıları uyumlu hale getirin (Şekil 4A'daki örneğe bakın). Ayak izinin etrafında pürüzsüz kenarlar sağlamak için başlık direğinin bacaklarını bağlamak için yaylar kullanın ve çizimi içe aktarılan yüzeye uzatın.
      NOT: Baş direği ayaklarının sayısı, odayı çevreleyen mevcut alana bağlı olacaktır. Bununla birlikte, uygun mekanik stabiliteyi sağlamak için baş direğinin en az üç ayağı olmalıdır.
      1. Sabitleme deliği prosedüründen mevcut ekstrüzyonların etrafından nasıl çekileceğine ilişkin talimatlar için adım 6.2'ye bakın.
    2. Bu noktada, yüzeyin kafatasının eğriliği ile eşleştiğini doğrulamak için başlık direğinin alt yüzeyi mevcuttur. Uygunluğu kontrol etmek için 3D baskı isteniyorsa, aşağıdaki dört adımı tamamlayın.
      1. İçe aktarılan yüzey gövdesini silin. Adım 4.10'da oluşturulan düzlem boyunca ayak izini yansıtın. Ayna menüsünde, Katıları Birleştir kutusunun işaretli olmadığını onaylayın.
      2. Ayak izinin kafatası eğriliğiyle eşleştiğini doğrulamak için, orijinal ayak izini silmek ve yalnızca yansıtılmış sürümü bırakmak için Gövdeyi Sil/Koru'yu kullanın.
      3. Nesneyi bir STL olarak 3D yazdırın ve kafatası eğriliğine uyup uymadığını fiziksel olarak test etmek için 3D Kafatası modeline yerleştirin.
      4. Başlık direği tasarımına devam etmek için, önceki iki adımı (yansıtma ve silme) geri almak için araç çubuğunun üst kısmındaki Geri Al okunu kullanın. Bu, orijinal ayak izini ve yüzey gövdesini eski haline getirmelidir.
    3. Ayak izi üzerindeki düz yüzeyin ortasında bir nokta oluşturun. Bu noktayı ve üst referans düzlemini kullanarak bir eksen oluşturun.
    4. Taşı/Kopyala aracına tıklayın ve içe aktarılan yüzeyin başlık tabanının kalınlığına (örn. 1,35 mm) yükseltilmiş bir kopyasını oluşturun. Bu adımda yapılan ekseni çeviri referansı olarak kullanın ve orijinal yüzeyin değiştirilmesini önlemek için Kopyala kutusunun işaretli olduğunu doğrulayın.
    5. Başlık ayak izinin düz yüzeyinden kopyalanan (yükseltilmiş) yüzeye kadar Ekstrüde Kesim gerçekleştirin. Orijinal yüzeyi ve kopyasını silin. Ortaya çıkan kısım Şekil 4B'de görülebilir.
      1. Sabitleme deliği prosedüründen mevcut ekstrüzyonlar için adım 6.3'ü izleyin.
    6. Referans düzlemine paralel, ancak baş direğinin tabanının en az 1 mm üzerinde durmak için yukarı veya aşağı çevrilmiş yeni bir düzlem oluşturun. Çevirinin uzunluğunu belirlemek için, Değerlendir sekmesindeki Ölçü aracını kullanın. Baş direğinin tabanının oturacağı bir platform oluşturmak için yeni düzlemden baş direğin altına dairesel bir ekstrüzyon yapın ve platformun kafatasının orta hattı etrafında ortalandığından emin olun.
    7. Ekstrüzyon ve başlık direği ayak izi arasındaki kesişimi yumuşatmak için Özellikler menüsündeki Dolgu aracını kullanın. Asimetrik parametreyi kullanarak farklı yarıçap değerlerini test edin ve mümkün olan en büyük yarıçap değerlerini seçin.
    8. Bu noktada, mevcut sürümü 3D yazdırarak ve bir kafatası modeline karşı test ederek ana direğin üst platformunun yerleşimini doğrulayın.
    9. Hazne vida delikleri için kullanılanla aynı tekniği kullanarak vida deliklerini başlık tabanı boyunca yerleştirin (adım 3.20.7). Her başlık ayağına en az üç vida deliği ekleyin. Her vida deliğinin merkez noktasının bir sonraki deliğin ortasından en az 5 mm uzakta olduğundan ve her deliğin kenarlarının bacağın kenarından en az 2.5 mm uzakta olduğundan emin olun.
      1. Kafatasının altından ve orta hattın yakınından geçen kan damarlarından kaçınmak için, vida deliklerinin orta hattı geçmediğini doğrulayın ve gerekirse kaydırın. Ürün, Şekil 4C'deki tasarıma benzer görünmelidir.
    10. Kafatası yüzeyinin içe aktarılması sırasında meydana gelen yansıtmayı telafi etmek için Ayna aracını kullanarak parçayı yansıtın. Dairesel tabanın üst kısmını ayna düzlemi olarak kullanın.
    11. Gövdeyi Sil/Koru özelliğini kullanarak orijinal parçayı silin, böylece yalnızca yansıtılmış sürüm kalır.
  13. Baş direğinin üst ve alt kısmının birleştirilmesi (Şekil 4D)
    1. Başlık üstünü Ekle menüsünden bir Parça olarak içe aktarın. Parça menüde vurgulandıktan sonra, parçayı eklemek için ekranda herhangi bir yere tıklayın.
    2. Taşı/Kopyala işlevini kullanarak başlık direğini üst ve alt hizalayın. Baş direğin üst kısmını Taşınacak Gövde olarak belirterek başlayın. Ardından, Kısıtlamalar menüsünde aşağıdaki üç montaj ilişkisini yapın:
      1. Dairesel başlık platformunun üst yüzeyinin ve baş direğin üst yüzeyinin alt yüzeyinin tesadüfen eşleştiğinden emin olun.
      2. Son montaj ilişkisi çiftindeki yüzeylerin ana hatlarıyla çizilen kenarlarının eşmerkezli olarak eşleştiğinden emin olun.
      3. Baş direğinin arka ayağı boyunca dikey olarak giden bir çizgi ve baş direğin arkası boyunca (düz taraf) yatay olarak uzanan bir çizgi ile eşleştirin. Üst kısmın kavisli yüzünün öne (ön) ve düz yüzün baş direğinin arka bacağına (arka) daha yakın baktığından emin olun.
      4. Her bağlantının doğru yönde olduğunu onaylayın ve gerekirse menüdeki eşleşme yönlerini değiştirin (montaj ilişkileri örneği için Ek Şekil 8'e bakın).
        NOT: Özel başlık direğinin alt ve üstünü birleştirme prosedürü, CAD yazılımı kullanılarak tasarlanmış genel bir başlık üst kısmı kullanır. Burada üst kısım, Crist Instrument'ın baş direğine göre tasarlanmıştır. Yukarıda özetlenen takma-çıkarma prosedürü bu parçalara özeldir ve farklı takma-çıkarma parçaları kullanılıyorsa ayarlanması gerekebilir.
    3. Birleşik başlık üst ve alt kısmının Şekil 4D'deki gibi göründüğünden emin olun.
      1. Başlık üst kısmı düzgün hizalanmamışsa, adım 4.11'de kullanılan referans düzlemini değiştirin.

5. Yapay dura üretimi 11 (Şekil 5)

  1. Yapay dura kalıbını elde edin (Şekil 5B).
  2. Silikon KE1300-T ve CAT-1300'ü 10:1 oranında karıştırarak yapay dura silikon karışımını oluşturun.
  3. Karışımın 1 mL'sini kalıbın ortasındaki silindirin üst yüzeyine dökün.
  4. Hava kabarcıklarını önlemek için kalıbı yaklaşık 15 dakika vakum odasına koyun.
  5. Parçanın hizalanmasını yönlendirmek için silindirin her iki yanındaki direkleri kullanarak kalıbın ikinci katmanını ekleyin.
  6. 3-4 mL silikon karışımını kalıba dökün ve şeffaf akrilik parçayı kalıbın üstüne yerleştirin (Şekil 5A). Kalıbı birbirine kenetlemek için bir C-kelepçe kullanın.
  7. Optik pencerede hava kabarcıkları olup olmadığını kontrol edin ve gerekirse bir vakum odasıyla çıkarın.
  8. Elde edilen yapıyı gece boyunca oda sıcaklığında sertleştirin. Kalan hava kabarcıkları, kürlemeden önce kalıp kenetlendiğinde oluşan basınçla giderilir.
  9. Sertleştikten sonra her bir kalıplama parçasını çıkararak ve silikon durayı dikkatlice çıkararak sökün.

6. Sabitleme delikleri prosedürü

  1. Kafatası temsilinde delikler bulunduysa (CAD yazılımında mavi çizgilerle gösterilir) sabitleme delikleri prosedürünü gerçekleştirin. Alt yüzeyler (ekstrüzyonları sonlandıracak yüzeyler) oluşturulduktan sonra aşağıdaki adımları tamamlayın. Oda için bu, 3.19 adımını takip ediyor. Başlık için, adım 4.12 tamamlandıktan sonra bu prosedürü başlatın.
    1. Alt yüzeyin bağımsız olarak görüntülenebilmesi için alt yüzeyin yanı sıra tüm yüzeyleri veya ekstrüzyonları gizleyin.
    2. Boşlukla temas eden her yüzde ve varsa boşluğun üzerinde düzlemsel bir yüzey oluşturmak için Yüzey > Düzlemsel Ekle > kullanın. Bir yüzey belirtmek için, her kenarı sınırlayıcı obje olarak seçin.
    3. Boşlukların köşeleri ve çizgilerin kenarları da dahil olmak üzere her boşluk çevrelenene kadar düzlemsel yüzeyler yapın.
    4. Ekle > Yüzey > Örme'ye tıklayın ve boşluğu çevreleyen her düzlemsel yüzeyi seçin. Örme yüzeylerin görseli için Ek Şekil 9A'ya bakın.
    5. Referans türü olarak Nokta ve Yüz/Düzlem'i seçerek ve yüzeyin kenarında ve üst düzlemde bir nokta seçerek, örme yüzeyin kenarı boyunca her noktada bir referans ekseni oluşturun. Örme yüzeyin kenarındaki her nokta için tekrarlayın (Ek Şekil 9B).
    6. Örme yüzeyin etrafındaki her eksenin üst referans düzlemi ile kesiştiği noktada bir nokta oluşturun. Referans türü olarak Kesişim'i seçin ve bir eksen ve üst düzlemi seçin. Her eksene karşılık gelen bir nokta oluşturulduğundan emin olun.
    7. Önceki adımda yapılan her referans noktasını birbirine bağlayan bir çizim yapın. Yön için Yüzeye Kadar'ı seçin ve ekstrüzyon yapılacak yüzey olarak örme yüzeyi seçin.
    8. Haznenin veya başlığın kaplayacağı bölgedeki tüm boşluklar için 6.1.2-6.1.7 adımlarını tekrarlayın (sabitleme delikleri prosedürünün nihai sonucu için Ek Şekil 9C'ye bakın).
  2. Üst referans düzleminden en alt yüzeye ekstrüzyon yaparken (Adım 3.19.2 veya Adım 4.12.1), oda/başlık direği anahattının mevcut ekstrüzyonların etrafına çizildiğinden emin olun.
  3. Benzer şekilde, ekstrüde kesimleri üst düzlemden iki yüzeyden daha yükseğe doğru gerçekleştirirken (adım 3.19.4 veya Adım 4.12.5), ana ekstrüde kesimi, sabitleme delikleri prosedüründen kaynaklanan ekstrüzyonlardan ayrı olarak gerçekleştirin (Ek Şekil 10A).
    1. Sabitleme deliklerinden ekstrüde kesimler yapmak için, mevcut ekstrüzyonların en üst yüzeyini, yükseltilmiş yüzey üzerinde hazne veya başlık direği için pürüzsüz bir üst yüzey sağlayan bir düzleme ekstrüde edin (Ek Şekil 10B). Ekstrüde kesim sert bir yüzey oluşturuyorsa, farklı bir düzlem kullanın veya sonraki ekstrüzyonları gerçekleştirin.

Sonuçlar

Bu bileşenler daha önce MRI görselleştirmeleri ve 3D baskılı anatomik modellerin bir kombinasyonu kullanılarak doğrulandı. Otomatik kraniyotomi görselleştirmesini 3D baskılı kraniotomi ve kraniotomi yerindeki MRG ile karşılaştırarak, sanal kraniotomi temsilinin, beynin belirtilen kraniyotomi konumu ile erişilebilen bölgesini doğru bir şekilde yansıttığı açıktır (Şekil 2A-F). Ek olarak, otomatik kraniotomi görselleştirmesinin doğruluğu, sanal temsilin implantasyon ameliyatlarından elde edilen mevcut kraniyotomilerle karşılaştırılmasıyla daha da değerlendirildi (Şekil 2E, G). 3D baskılı model, otomatik görselleştirme, MRI ve gerçek kraniyotomi, aynı bölgeyi vurgulayarak majör sulkusları aynı yerde ve orantılı tutarlılıkla gösterir. Beyin ve kafatası izolasyonu ve ardından kraniyotomi görselleştirme sürecinin tamamlanması 15 dakikadan kısa sürer ve birkaç yerin 1 saatten kısa sürede test edilmesine olanak tanır.

Beyin izolasyon prosedürünün etkinliği, sanal kraniotomi ile kraniotomi lokalizasyonunun MRG gösterimi karşılaştırılarak doğrulandı (Şekil 2B, C, E, F). Benzerlikler, beyin izolasyon prosedürünün, beyindeki sulkus gibi hedeflenen anatomik yapıların doğru boyutunu, yerini ve şeklini temsil etme yeteneğine sahip olduğunu göstermiştir.

Birleştirilmiş 3D baskılı beyin ve kafatası, oda ve kafa direği tasarımlarını doğrulamak için anatomik olarak doğru bir model olarak kullanıldı. Titanyum parçalara yatırım yapmadan önce, hazne ve başlık 3D plastik olarak basıldı. İmplantların kafatasına oturduğu ve birbirleriyle örtüşmediği veya önemli anatomik belirteçleri engellemediği doğrulandı. Hazne ve başlık tasarım süreci, kafatasının eğriliğine uyan bileşenler üretti (Şekil 3G,I, Şekil 4E, Şekil 6, Şekil 7). Yapay duranın, implantasyon sırasında yapılan ayarlamaları hesaba katmak için küçük bir boşlukla odanın iç duvarlarına bitişik olarak oturduğu da doğrulandı. Özel odalar iki makak içine yerleştirildi. Önceki hazne tasarım yöntemlerinin9 aksine, takılmaya çalışılan her vida vidalanabiliyordu. Bunun nedeni, MRI eğrilik yaklaşımlarından9 tasarlanan odaya kıyasla özel uyum ile oda ile kafatası arasındaki boşlukların büyük ölçüde azaltılmasıdır (Şekil 6A-F). Kişiye özel bir oda 2 yıldan fazla, diğeri ise bir buçuk yıldır implante edilmiştir. Uygun bakım ile, bu implantlar nedeniyle ortaya çıkan vida kaybı, enfeksiyon veya stabilite sorunları olmamıştır (Şekil 3I).

Özel başlık ve hazne tasarım süreçleri, ameliyat sırasında manuel ayarlamalara olan ihtiyacı ortadan kaldırır, aksi takdirde ameliyat süresine saatler ekleyebilir. Bu teknikler aynı zamanda eğrilik yaklaşımlarından kaynaklanan 1-2 mm'lik boşluklarıazaltır 29, daha iyi implant sağlığını teşvik eder ve deneysel sonuçları iyileştirir. İyileştirmeler, implantla ilgili komplikasyonları önler ve implantın ömrünü uzatır, dolayısıyla hayvan refahını da iyileştirir.

figure-results-1
Şekil 1: Beyin ve kafatası izolasyonu. (A) Katmanlı manyetik rezonans görüntüsü (MRI) koronal dilimler. (B) Kafatası eşiğinden katmanlı ikili maske. (C) Ters çevrilmiş bir ikili maskeden izole edilmiş kafatasının katmanlı dilimleri. (D) Yeniden yapılandırılmış 3D kafatası. (E) Beyin eşiğinden katmanlı ikili maske. (F) İzole beynin katmanlı MRI dilimleri. (G) Yeniden yapılandırılmış 3D beyin. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-2
Şekil 2: Kraniyotomi planlaması. (A) Maymun B için 3D baskılı beyin ve kafatası modeli ile kraniyotomi görselleştirmesi. (B) Maymun B için hesaplama yazılımında kraniyotomi görselleştirmesi. (C) Maymun B için manyetik rezonans (MR) görüntüsünde kraniyotomi görselleştirmesi. (D) Maymun H. için 3D baskılı beyin ve kafatası modeli ile kraniyotomi görselleştirmesi. (E) Monkey H. için hesaplama yazılımında kraniyotomi görselleştirmesi (F) Maymun H. için Manyetik Rezonans (MR) görüntüsünde kraniyotomi görselleştirmesi. (G) Maymun H'de kraniyotomi görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-3
Şekil 3: Hazne implantı tasarımı. (A) STL çözünürlüğünü azaltmak için kullanılan kafatası bölgesi (gri). (B) SOLIDWORKS'te kafatası STL çözünürlüğünde azalma. (C) Hazne iç halkası, vurgulanmış. (d) SOLIDWORKS'te oda eteği tasarımı. (E) Bağlantı odası eteği ve üstü. (F) SOLIDWORKS'te STL Odası. (G) 3D baskılı beyin, kafatası ve oda. (H) Titanyum odası. (I) Maymun H'de implante edilmiş oda. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-4
Şekil 4: Başlık tasarımı. (A) Kafatası STL çözünürlüğünün azaltılmasında baş direği alt taslağı. (B) Özel olarak takılan başlık direği ayak izi. (C) Baş direğin alt kısmı. (D) SOLIDWORKS'te ana direk tasarımı. (E) Kafatası üzerinde 3D baskılı kafa direği. (F) Titanyum başlık direği. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-5
Şekil 5: Yapay dura üretimi. (A) Silikon karışımının kalıp kullanılarak sıkıştırılması. (b) yapay dura. Bu rakam Griggs ve ark.11'in izniyle uyarlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-6
Şekil 6: Kafatası eğriliğine göre özel uyum odası. Kafatası9'da (A) önden görünüm, (B) yandan görünüm ve (C) arka görünümden MRI eğrilik tahminlerinden tasarlanan oda. (D) ön görünüm, (E) yan görünüm ve (F) arka görünümden özel olarak tasarlanmış oda. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-7
Şekil 7: Üst üste bindirilmiş beyin ve kafatası üzerindeki oda, kafa direği ve yapay dura Bu şeklin daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 1: Eşikleme ve kraniyotomi yer planlaması. (A) Uygun bir eşiğe sahip örnek ikili maske. (B) Kraniotomi yerini belirlemek için MRG'de koronal dilim. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 2: Oda tasarımı için MATLAB'da STL Dosya Azaltma Süreci. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 3: Kafatasındaki bir deliğin görsel temsili STL çözünürlük azaltma. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 4: Oda eteği yazılımı ekran görüntüleri. (A) Eşmerkezli montaj ilişkileri olarak hazne eteğinin iç halkası ve hazne üstünün iç yüzeyi. (B) Hazne eteğini aşağı doğru çevirmek. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 5: Üst üste binen ve örtüşmeyen hazne eteği ve hazne üstü. (A) Hazne eteği ile hazne üstü arasındaki örtüşmenin alttan görünüm örneği (Hazne eteğinin alt yüzeyini değiştirir). (B) Hazne eteği ile hazne üstü arasında örtüşme olmaması örneği. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 6: Vida deliklerini tıkayan uçaklar ve tıkanıklığın giderilmesi. (A) Vida deliği yerleşimini takiben vida deliklerini tıkayan düzlem örneği. (B) Vida deliklerinin içindeki yüzeyleri ortadan kaldırmak için ekstrüde kesimin ana hatları. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 7: Nokta seçimi ve kafatasının eksenel düzlemi. (Bir) Başlık tasarımı için nokta seçimi. (B) Kafatasının eksenel düzlemine paralel düzlemin üstten görünümü. (C) Kafatasının eksenel düzlemine paralel düzlemin yandan görünümü. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 8: Montaj ilişkileri örneği. (A) Birinci eş - Dairesel başlık direği platformunun üst yüzeyi ve eş merkezli montaj ilişkileri olarak baş direğinin üst yüzeyinin alt yüzeyi. (B) İkinci eş - Dairesel başlık platformunun üst yüzeyinin kenarı ve eşmerkezli montaj ilişkileri olarak baş direğinin üst yüzeyinin alt yüzeyinin kenarı. (C) Üçüncü eş - Baş direğinin arka ayağı boyunca dikey olarak uzanan bir çizgi ve dikey montaj ilişkileri olarak baş direğin üst kısmının arkası boyunca yatay olarak uzanan bir çizgi. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 9: Sabitleme delikleri prosedürü. (A) İthal yüzeydeki boşluğu çevreleyen örme yüzeyler. (B) Örme yüzeyin kenarındaki her noktadaki eksen. (C) Sabitleme delikleri prosedürünün sonucu. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 10: Ekstrüde kesimin gerçekleştirilmesi. (A) Sabitleme delikleri prosedüründen ekstrüzyonları çevreleyen ekstrüde kesim. (B) Örnek: hazne tabanının üst yüzeyindeki bir düzleme kesilmiş ekstrüde edilmiş. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Kodlama Dosyası 1: Protokol için dosyaları kodlama. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışma

Bu makale, yalnızca NHP kraniyal pencere implantasyonu için kullanılan bileşenlerin geliştirilmesi için faydalı olmakla kalmayıp, aynı zamanda NHP sinirbilim araştırmalarının diğer alanlarına da aktarılabilen basit ve kesin bir beyin cerrahisi planlama yöntemini özetlemektedir 13,15,25. NHP implant planlama ve tasarımınındiğer mevcut yöntemleriyle karşılaştırıldığında 25,29,30, bu prosedür basit ve ekonomik olduğu için daha fazla sinirbilim laboratuvarı tarafından benimsenme potansiyeline sahiptir. BT yaygın olarak kafatası modellemesi için kullanılırken,32,38 bu protokol sadece MRI taramaları kullanılarak hem beyin hem de kafatası için yeterli modelleme detayı sağlar. Mevcut yöntemler, beyin ve kafatası izolasyonu için hem MRI hem de BT taramalarını gerektirir30,32,33, bu yöntem ise BT görüntülemenin ek maliyetlerini ve zorluklarını ortadan kaldırır. Ek bir avantaj, bu modelin MRI ve BT taramalarının hizalanmasını gerektirmemesi, önemli ölçüde zaman tasarrufu sağlaması ve zayıf hizalama ile ilgili sorunları önlemesidir39. Tek bir görüntüleme dosyasından hem beyin hem de kafatası modelleri oluşturmak, kraniyotomi görselleştirmesi için kolayca birleştirilebilen son derece uyumlu modeller üretir. Bu özellik özellikle yinelemeli kraniyotomi test süreçleri için kullanışlıdır, çünkü ayrı programlardan30,33 dosyaları birleştirmek ve hizalamak yerine, her iki model de tek bir giriş dosyasından tek bir yazılımda oluşturulur ve saniyeler içinde otomatik olarak görüntülenir. Bu, beyin ve kafatası modelleme doğruluğunun verimli bir şekilde doğrulanmasına olanak tanır ve implantların in vivo olarak kafatası eğriliğine uymasını sağlar. Bu aynı zamanda, daha önce optimal kraniyotomi konumunu35 belirlemek için gerekli olan kafatasının yinelemeli 3D baskısını ortadan kaldırır, böylece yineleme başına onlarca saatlik baskı tasarrufu sağlar. Yazılım tabanlı tekniğimiz, karşılaştırıldığında, her bir kraniyotomi yinelemesini oluşturmak için yaklaşık 10-15 dakika sürer.

Frontal, parietal ve temporal kafatası bölgelerine ve diğer kafatası özelliklerine göre implant yerinin belirlenmesi, cerrahi ve deneysel planlama için çok büyük faydalara sahiptir. Bu özellik, oda ayak izine göre başlık ayak izini özel olarak tasarlamak için kullanılır. Herhangi bir NHP sinirbilim araştırması için, bu mekansal modelleme özelliği, anatomik düzlemlerden, MRI koordinatlarından, beynin ve kafatasının anatomik özelliklerinden ve mevcut implantlara göre tasarım bileşenlerine uyarlanabilir. Bunu yaparak, implantasyon sırasında veya sonrasında öngörülemeyen sorunların olasılığı büyük ölçüde azaltılır. Bu prosedür aynı zamanda kafatasına sıkı bir uyum sağlarken farklı düzlemlerden birden fazla beyin bölgesini kapsayan implantlar oluşturma yeteneğine de sahiptir.

Burada vurgulanan yöntem, dairesel bir oda oluşturur ve odanın etrafında bir başlık direğinin tasarlanmasına izin verir. Bununla birlikte, buradaki prosedür, Oda Eteği Tasarımı bölümünün modifikasyonu yoluyla diğer şekilleri barındırma potansiyeline sahiptir. Aynısı başlık tasarımı için de geçerlidir - prosedür, farklı sayıda bacak ve diğer özel şekillerin oluşturulmasına izin verir, şekil öncelikle odanın etrafındaki mevcut alana bağlıdır. Şu anda oda tasarımı için bir halka olan kafatası STL redüksiyonunun şekli, daha verimli adaptasyonu kolaylaştırarak, belirli hazne veya başlık tasarımlarının ihtiyacına göre uyarlanmış farklı kafatası STL redüksiyon şekilleri oluşturmak için daha da değiştirilebilir.

Bu süreç etkili bir şekilde özelleştirilmiş implantlar oluştursa da, daha verimli üretim için geliştirilebilecek adımlar vardır. Daha önce de belirtildiği gibi, kafa direğinin üst kısmını kafatasına dik olarak hizalamak, tasarım yazılımında kafatası oryantasyonunu tanımlamanın zorluğu nedeniyle bu yazıda özetlenen yöntemle yinelemeli bir işlemdir. Baş direğinin üst kısmını alt kısma yerleştirme sürecini kolaylaştırmak için, eksenel, sagital ve koronal düzlemleri belirtmek için sanal kafatası temsiline ek işaretler yerleştirilebilir. Protokol ayrıca daha fazla kullanım kolaylığı için daha da otomatikleştirilme potansiyeline sahiptir. Bu protokolde tartışılan kafatası STL redüksiyon yöntemi implantların tasarımında etkili olsa da, daha fazla otomasyonla daha hızlı ve daha tutarlı hale getirilebilir. Doğrulama prosedürümüz, implantların kafatasının eğriliğine uyduğunu doğrulamak için kafatasının 3D baskısını ve implant prototiplerini gerektirir. Bu adım, beyni, kafatasını, odayı, kafa direğini ve yapay durayı bir araya getiren bir sanal 3D görselleştirme yöntemi oluşturularak potansiyel olarak ortadan kaldırılabilir.

Platformumuz, tamamen sanal bir kraniyotomi planlama ve özel implant tasarımı süreci sağlar. Nihai tasarımlar 3D olarak basılabilir ve gerçek boyutlu bir fiziksel model üzerinde doğrulanabilir35. Mevcut yöntemlerin aksine, protokolümüz maliyetli ürün yinelemeleri veya CNC freze makineleri gibi pahalı makinelere erişim gerektirmez29,34. Mevcut diğer implant tasarım yöntemlerinebenzer şekilde 9,12,29,30,32,33,40, bu yöntem tamamen anatomik yapıları doğru bir şekilde tasvir etmek için bir görüntüleme yöntemine dayanır. MRG taramasında mevcut olan herhangi bir yanlışlık veya MRG ile cerrahi arasındaki beyin veya kafatası anatomisindeki değişiklikler implantın etkinliğini tehlikeye atabilir. Bu nedenle, MRG alımı için uygun planlama, implant tasarımını optimize etmek için çok önemlidir.

Açıklamalar

Açıklanacak bir şey yok.

Teşekkürler

Teknik yardım ve destekleri için Toni Haun, Keith Vogel ve Shawn Fisher'a teşekkür ederiz. Bu çalışma Washington Üniversitesi Mary Gates Vakfı (R.I.), Ulusal Sağlık Enstitüsü NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), Washington Ulusal Primat Araştırma Merkezi (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), Nöroteknoloji Merkezi (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) ve Weill Neurohub (Z. I.) tarafından desteklenmiştir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
3D Baskı Yazılımı (3D'yi Basitleştirin) (Ücretli)Simplify3DSürüm 4.1MakerGear yazıcı kullanarak 3D baskı için kullanılır
C-ClampBesseyCM22Yapay dura üretimi için kullanılır, 2-1 / 2 İnç Kapasite, 1-3 / 8 İnç Boğaz
Formlabs Form 3+ 3D YazıcıFormlabsForm 3+Hassas 3D baskı için kullanılır
MakerGear M2 3D YazıcıMakerGearM2 revG3D baskı implant prototipleri için kullanılır
MATLAB (Ücretli)MathWorksR2021bBeyin ve kafatası izolasyonu, sanal kraniyotomi görselleştirme ve kafatası STL azaltma için kullanılır
Phillips Acheiva MRI SistemiPhilips4522 991 19391İnsan olmayan primat görüntüleme için kullanılır
Fotopolimer ReçineFormlabsFLGPGR041L, Gri, Formlabs yazıcı ile hassas 3D baskılar için kullanılır 
PreForm Baskı Hazırlama YazılımıFormlabsSürüm 2.17.0Formlabs yazıcı ile 3D baskı için kullanılır 
Baskı Filamenti (PLA)MatterHackers88331PLA 1.75 mm Beyaz. MakerGear yazıcı ile 3D baskı için kullanılır
Silikon CAT-1300Shin-EtsuYapay dura üretimi için kullanılır
Silikon KE1300-TShin-EtsuYapay dura üretimi için kullanılır
SolidWorks (Ücretli)Dassault Systems2020Hazne ve başlık tasarımı için kullanılır
Syn.Flex-S MulticoilPhilips45221318123İnsan olmayanlar için kullanılır primat görüntüleme

Kaynaklar

  1. Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
  2. Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates. STAR Protocols. 4 (3), 102496(2023).
  3. Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
  4. Zhou, J., et al. Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates. 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).
  5. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke. 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034(2018).
  7. Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  8. Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  10. Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
  11. Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  12. Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
  13. Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239(2021).
  14. Hacking, S. A., et al. Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).
  15. Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level. Nature Communications. 10 (1), 2642(2019).
  16. Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183(2022).
  17. Griggs, D. J., Khateeb, K., Zhou, J., Liu, T., Wang, R., Yazdan-Shahmorad, A. Multi-modal artificial dura for simultaneous large-scale optical access and large-scale electrophysiology in nonhuman primate cortex. Journal of Neural Engineering. 18 (5), 055006(2021).
  18. Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866(2023).
  19. Khateeb, K., et al. A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).
  20. Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , Humana. New York, NY. (2023).
  21. 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), e59232(2019).
  22. 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).
  23. Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435(2022).
  24. Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey. Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).
  25. Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. C. A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys. Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).
  26. Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex. iScience. 25 (5), 104285(2022).
  27. Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O'Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).
  28. Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).
  29. Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899(2023).
  30. Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. 3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).
  31. Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521(2021).
  32. Basso, M. A., et al. Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys). NeuroImage. 228, 117667(2021).
  33. Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls. eNeuro. 9 (3), (2022).
  34. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  35. Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098(2020).
  36. Safari, A. H. Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks. , Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing (2018).
  37. Lohsen, G. stlwrite - Write binary or ascii STL file. , Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file (2023).
  38. Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516(2017).
  39. Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  40. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Beyin Kafatas ModellemeMRI N ro ir rjikal PlanlamaKi iye zel Kraniyal mplantlarmplantlar n 3D Yazd r lmasCAD Yaz l m ModellemeKraniyotomi PlanlamasBa Sabitleyici Tasar mSTL Dosyas leme

İlgili makaleler