Eine Toolbox für das Design neuronaler Implantate für nichtmenschliche Primaten

Zusammenfassung

In diesem Artikel werden automatisierte Prozesse für die neurochirurgische Planung von nichtmenschlichen Primaten auf der Grundlage von Magnetresonanztomographie (MRT)-Scans beschrieben. Diese Techniken verwenden Verfahrensschritte in Programmier- und Designplattformen, um ein maßgeschneidertes Implantatdesign für NHPs zu unterstützen. Die Gültigkeit jeder Komponente kann dann anhand von dreidimensionalen (3D) gedruckten lebensgroßen anatomischen Modellen bestätigt werden.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wird eine interne Methode zur 3D-Modellierung von Gehirn und Schädel aus der Magnetresonanztomographie (MRT) beschrieben, die auf die neurochirurgische Planung nichtmenschlicher Primaten (NHP) zugeschnitten ist. Diese automatisierte, auf Computersoftware basierende Technik bietet eine effiziente Möglichkeit, Gehirn- und Schädelmerkmale aus MRT-Dateien zu extrahieren, im Gegensatz zu herkömmlichen manuellen Extraktionstechniken mit Bildgebungssoftware. Darüber hinaus bietet das Verfahren eine Methode zur Visualisierung des Gehirns und des kraniotomierten Schädels zusammen für eine intuitive, virtuelle Operationsplanung. Dies führt zu einer drastischen Reduzierung von Zeit und Ressourcen gegenüber früheren Arbeiten, die auf iterativem 3D-Druck beruhten. Der Prozess der Schädelmodellierung erstellt einen Fußabdruck, der in eine Modellierungssoftware exportiert wird, um passgenaue Schädelkammern und Kopfpfosten für die chirurgische Implantation zu entwerfen. Passgenaue chirurgische Implantate minimieren Lücken zwischen dem Implantat und dem Schädel, die zu Komplikationen führen können, einschließlich Infektionen oder verminderter Stabilität. Durch die Implementierung dieser präoperativen Schritte werden chirurgische und experimentelle Komplikationen reduziert. Diese Techniken können für andere chirurgische Prozesse angepasst werden, was Forschern und möglicherweise Neurochirurgen eine effizientere und effektivere experimentelle Planung ermöglicht.

Einleitung

Nichtmenschliche Primaten (NHPs) sind unschätzbare Modelle für die translationale medizinische Forschung, da sie dem Menschen evolutionär und verhaltensmäßig ähnlich sind. NHPs haben in präklinischen Studien des Neural Engineering besondere Bedeutung erlangt, da ihre Gehirne hochrelevante Modelle für neuronale Funktionen und Dysfunktionen sind^{1,2,3,4,5,6,7,8}. Einige leistungsstarke Hirnstimulations- und ....

Protokoll

Alle Verfahren mit Tieren wurden vom Institute for Animal Care and Use Committee an der University of Washington genehmigt. Insgesamt wurden vier erwachsene männliche Rhesusaffen (Macaca mulatta) in dieser Studie verwendet. Zum Zeitpunkt der MRT-Aufnahme war Affe H 7 Jahre alt, Affe L 6 Jahre, Affe C 8,5 Jahre und Affe B 5,5 Jahre alt. Den Affen H und L wurden im Alter von 9 Jahren maßgeschneiderte chronische Kammern implantiert.

1. Schädel- und Gehirnisolierung (Abbildung 1)

1. Erfassen Sie eine T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE)-Datei des Schädels und Gehir....

Diskussion

Dieses Papier skizziert eine einfache und präzise Methode der neurochirurgischen Planung, die nicht nur für die Entwicklung von Komponenten für die NHP-Schädelfensterimplantation von Vorteil ist, sondern auch auf andere Bereiche der NHP-neurowissenschaftlichen Forschung übertragbar ist 13,15,25. Im Vergleich zu anderen aktuellen Methoden der NHP-Implantatplanung und -design 25,29,30 hat dieses Verfahren das Potenzial, von m.......

Materialien

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