非人灵长类动物的神经植入物设计工具箱

摘要

本文概述了基于磁共振成像 （MRI） 扫描的非人灵长类动物神经外科计划的自动化流程。这些技术在编程和设计平台中使用程序步骤来支持非人灵长类的定制植入物设计。然后可以使用三维 （3D） 打印的真人大小的解剖模型来确认每个组件的有效性。

摘要

本文介绍了一种为非人灵长类动物 （NHP） 神经外科计划量身定制的磁共振成像 （MRI） 3D 大脑和颅骨建模的内部方法。这种基于计算软件的自动化技术提供了一种从 MRI 文件中提取大脑和颅骨特征的有效方法，而不是使用成像软件的传统手动提取技术。此外，该手术提供了一种将大脑和开颅颅骨可视化的方法，以实现直观的虚拟手术计划。与过去的工作相比，这大大减少了时间和资源，而过去的工作依赖于迭代3D打印。颅骨建模过程会创建一个足迹，该足迹被导出到建模软件中，以设计用于手术植入的定制颅室和头柱。定制的外科植入物可最大限度地减少植入物和颅骨之间的间隙，这些间隙可能会引起并发症，包括感染或稳定性下降。通过实施这些术前步骤，可以减少手术和实验并发症。这些技术可以适用于其他手术过程，为研究人员和潜在的神经外科医生提供更有效的实验计划。

引言

非人灵长类动物 （NHP） 是转化医学研究的宝贵模型，因为它们在进化和行为上与人类相似。非人灵长类在神经工程临床前研究中变得尤为重要，因为它们的大脑是神经功能和功能障碍的高度相关模型^{1,2,3,4,5,6,7,8}.一些强大的脑刺激和记录技术，如光遗传学、钙成像等，最好通过颅窗直接进入大脑^{9,10,11,12,13,14,15,}

研究方案

所有涉及动物的程序均由华盛顿大学动物护理和使用委员会批准。本研究共使用了四只成年雄性恒河猴（Macaca mulatta）。采集MRI时，猴H7岁，猴L6岁，猴C8.5岁，猴B5.5岁。猴子 H 和 L 在 9 岁时被植入了定制的慢性腔室。

1.颅骨和脑分离（图1）

1. 使用 3T MRI 机器获取颅骨和大脑的 T1 快速磁化制备梯度回波 （MPRAGE） 文件。MRI 采集³⁵ 使用以下参数：翻转角度 = 8°，重复时间/回波时间 = 7.5/3.69 s，基质尺寸 = 432 x 432 x 80，采集持续时间 = 103.7 s，多线圈，切片厚度 = 1 mm，平均数 = 1。
2. 下载标有 supplemental_code（补充编码文件 1）的文件夹。此文件夹应包含以下文件： brain_extract.m、brain_extraction.m、^{make_stl_of_array.m 36} 和^{stl_write.m 37}。
3. 将 MRI 文件添加到 supplemental_code....

讨论

本文概述了一种简单而精确的神经外科计划方法，该方法不仅有利于开发用于 NHP 颅窗植入的组件，而且可转移到 NHP 神经科学研究的其他领域 13,15,25。与目前其他非人灵长类植入物规划和设计方法^相比 25,29,30，该程序有可能被更多的神经科学实验室采用，因为它简单且经济。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Printing Software (Simplify 3D) (Paid)	Simplify3D	Version 4.1	Used for 3D printing using MakerGear printer
C-Clamp	Bessey	CM22	Used for artificial dura fabrication, 2-1/2 Inch Capacity, 1-3/8 Inch Throat
Formlabs Form 3+ 3D Printer	Formlabs	Form 3+	Used for precise 3D printing
MakerGear M2 3D Printer	MakerGear	M2 revG	Used for 3D printing implant prototypes
MATLAB (Paid)	MathWorks	R2021b	Used for brain and skull isolation, virtual craniotomy visualization and skull STL reduction
Phillips Acheiva MRI System	Philips	4522 991 19391	Used for non-human primate imaging
Photopolymer Resin	Formlabs	FLGPGR04	1L, Grey, used for precise 3D prints with Formlabs printer
PreForm Print Preparation Software	Formlabs	Version 2.17.0	Used for 3D printing with Formlabs printer
Printing Filament (PLA)	MatterHackers	88331	PLA 1.75 mm White. Used for 3D printing with MakerGear printer
Silicone CAT-1300	Shin-Etsu		Used for artificial dura fabrication
Silicone KE1300-T	Shin-Etsu		Used for artificial dura fabrication
SolidWorks (Paid)	Dassault Systems	2020	Used for chamber and headpost design
Syn.Flex-S Multicoil	Philips	45221318123	Used for non-human primate imaging