Una cassetta degli attrezzi per la progettazione di impianti neurali per primati non umani

Riepilogo

Questo documento delinea i processi automatizzati per la pianificazione neurochirurgica dei primati non umani basata su scansioni di risonanza magnetica (MRI). Queste tecniche utilizzano passaggi procedurali nella programmazione e nelle piattaforme di progettazione per supportare la progettazione di impianti personalizzati per NHP. La validità di ogni componente può quindi essere confermata utilizzando modelli anatomici tridimensionali (3D) stampati a grandezza naturale.

Abstract

Questo documento descrive un metodo interno di modellazione 3D del cervello e del cranio dalla risonanza magnetica (MRI) su misura per la pianificazione neurochirurgica dei primati non umani (NHP). Questa tecnica automatizzata e computazionale basata su software fornisce un modo efficiente per estrarre le caratteristiche del cervello e del cranio dai file di risonanza magnetica rispetto alle tradizionali tecniche di estrazione manuale che utilizzano software di imaging. Inoltre, la procedura fornisce un metodo per visualizzare il cervello e il cranio craniotomizzato insieme per una pianificazione chirurgica intuitiva e virtuale. Questo genera una drastica riduzione di tempo e risorse rispetto a quelle richieste dal lavoro passato, che si basava sulla stampa 3D iterativa. Il processo di modellazione del cranio crea un'impronta che viene esportata nel software di modellazione per progettare camere craniche e copricapi su misura per l'impianto chirurgico. Gli impianti chirurgici su misura riducono al minimo gli spazi tra l'impianto e il cranio che potrebbero introdurre complicazioni, tra cui infezioni o diminuzione della stabilità. Implementando queste fasi pre-chirurgiche, si riducono le complicanze chirurgiche e sperimentali. Queste tecniche possono essere adattate ad altri processi chirurgici, facilitando una pianificazione sperimentale più efficiente ed efficace per i ricercatori e, potenzialmente, i neurochirurghi.

Introduzione

I primati non umani (NHP) sono modelli inestimabili per la ricerca medica traslazionale perché sono evolutivamente e comportamentalmente simili agli esseri umani. Gli NHP hanno acquisito particolare importanza negli studi preclinici di ingegneria neurale perché i loro cervelli sono modelli altamente rilevanti della funzione e della disfunzione neurale^{1,2,3,4,5,6,7,8}. Alcune potenti tecniche di stimolazione e registrazione del cervello, come l'optogenetica, l'imaging del calcio e altre, sono meglio servite con l'accesso diretto al cervello attraverso le finestre craniche^{9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23}. Nelle NHP, le finestre craniche sono spesso ottenute con una camera e una dura artificiale per proteggere il cervello e supportare la sperimentazione a lungo termine^{8,10,12,17,18,24,25,26,27}. Allo stesso modo, i pali della testa spesso accompagnano le camere per stabilizzare e allineare la testa durante gli esperimenti^{14,15,25,26,28,29,30}. L'efficacia di questi componenti dipende fortemente da quanto bene si adattano al cranio. Un adattamento più vicino al cranio promuove l'integrazione ossea e la salute del cranio diminuendo la probabilità di infezione, osteonecrosi e instabilità dell'impianto³¹. Metodi di progettazione convenzionali, come la piegatura manuale del palo durante l'intervento chirurgico^25,29 e stimare la curvatura del cranio adattando i cerchi alle fette coronali e sagittali delle scansioni di risonanza magnetica (RM)^9,12 può introdurre complicazioni dovute all'imprecisione. Anche il più preciso di questi crea spazi di 1-2 mm tra l'impianto e il cranio, fornendo spazio per l'accumulo del tessuto di granulazione²⁹. Queste lacune introducono inoltre difficoltà nel posizionamento delle viti in chirurgia⁹, compromettendo la stabilità dell'impianto. Più recentemente sono stati sviluppati impianti personalizzati per migliorare l'osteointegrazione e la longevità dell'impianto^9,29,30,32. I costi aggiuntivi hanno accompagnato i progressi nella progettazione di impianti personalizzati a causa della dipendenza dai modelli computazionali. I metodi più accurati richiedono attrezzature sofisticate come le macchine per la tomografia computerizzata (TC) oltre alle macchine per l'imaging RM (MRI)^30,32,33 e persino fresatrici a controllo numerico computerizzato (CNC) per lo sviluppo di prototipi di impianti^25,29,32,34. Ottenere l'accesso sia alla risonanza magnetica che alla TC, in particolare per l'uso con NHP, potrebbe non essere fattibile per i laboratori che necessitano di impianti su misura come camere craniche e copricapo.

Di conseguenza, c'è bisogno nella comunità di tecniche di pianificazione neurochirurgica e sperimentale poco costose, accurate e non invasive che facilitino la progettazione e la convalida degli impianti prima dell'uso. Questo documento descrive un metodo per generare rappresentazioni virtuali 3D del cervello e del cranio dai dati RM per la pianificazione della posizione della craniotomia e la progettazione di camere craniche e copricapi personalizzati che si adattano al cranio. Questa procedura semplificata fornisce un disegno standardizzato che può avvantaggiare i risultati sperimentali e il benessere degli animali da ricerca. Per questa modellazione è necessaria solo la risonanza magnetica perché sia l'osso che i tessuti molli sono rappresentati nella risonanza magnetica. Invece di utilizzare una fresatrice CNC, i modelli possono essere stampati in 3D a basso costo, anche quando sono necessarie più iterazioni. Ciò consente anche di stampare in 3D il design finale in metalli biocompatibili come il titanio per l'impianto. Inoltre, descriviamo la fabbricazione di una dura artificiale, che viene posizionata all'interno della camera cranica al momento dell'impianto. Questi componenti possono essere convalidati pre-chirurgicamente inserendo tutte le parti su un modello stampato in 3D a grandezza naturale del cranio e del cervello.

Protocollo

Tutte le procedure che coinvolgono gli animali sono state approvate dall'Institute for Animal Care and Use Committee dell'Università di Washington. In questo studio sono stati utilizzati un totale di quattro macachi rhesus maschi adulti (Macaca mulatta). Al momento dell'acquisizione della risonanza magnetica, la scimmia H aveva 7 anni, la scimmia L 6 anni, la scimmia C 8,5 anni e la scimmia B 5,5 anni. Alle scimmie H e L sono state impiantate camere croniche personalizzate all'età di 9 anni.

1. Isolamento del cranio e del cervello (Figura 1)

1. Acquisire un file T1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo (MPRAGE) del cranio e del cervello utilizzando una macchina per risonanza magnetica 3T. Utilizzare i seguenti parametri per l'acquisizione RM³⁵: angolo di inversione = 8°, tempo di ripetizione/tempo di eco = 7,5/3,69 s, dimensione della matrice = 432 x 432 x 80, durata di acquisizione = 103,7 s, Multicoil, spessore fetta = 1 mm, numero di medie = 1.
2. Scaricare la cartella denominata supplemental_code (Supplemental Coding File 1). Questa cartella deve contenere i seguenti file: brain_extract.m, brain_extraction.m, make_stl_of_array.m³⁶, stl_write.m³⁷.
3. Aggiungere il file MRI alla cartella supplemental_code . Nel software di calcolo, selezionare la cartella supplemental_code come percorso del file ed eseguire brain_extract.m.
4. I passaggi seguenti delineano un metodo semi-automatizzato di isolamento del cranio e del cervello utilizzando MATLAB (Figura 1), che è stato aggregato da precedenti tecniche di estrazione³⁵. La finestra di comando richiederà i parametri necessari per l'isolamento del cervello e del cranio e la visualizzazione della craniotomia. Dopo aver immesso ogni risposta nella finestra di comando, fare clic su Invio.
   1. La finestra di comando richiederà innanzitutto il nome del file MPRAGE. Digitare il nome del file (ad esempio, MRIFile.dcm) e verificare che la risonanza magnetica sia visualizzata correttamente (Figura 1A).
   2. Per isolare il cranio (Figura 1B - D), seguire i passaggi dettagliati descritti nella finestra di comando. Identificare un valore di soglia adeguato che separi il cranio dal tessuto circostante senza eliminare la materia cranica (Figura supplementare 1A). Confermare un valore di soglia premendo (y).
   3. Una tecnica simile viene utilizzata per isolare il cervello (Figura 1E - G). Quando richiesto nella finestra di comando, immettere una soglia per il cervello. Valutare la figura che appare e regolare la soglia, se necessario. Assicurarsi che il cervello sia isolato dal cranio e dal tessuto circostante e che nessun tessuto cerebrale venga rimosso durante il processo. Confermare un valore di soglia premendo (y).
   4. Procedi alla sezione di interesse.

2. Pianificazione della localizzazione della craniotomia (Figura 2)

1. Dopo che il cervello e il cranio sono stati estratti, inserire le coordinate della craniotomia. Se le coordinate non sono ancora note, indicare (n) per no e verrà visualizzata una cifra (Figura supplementare 1B). Determinare le coordinate della craniotomia scegliendo un telaio Z (piano coronale) e selezionando un punto sul telaio Z scelto per il centro della craniotomia.
   1. Se le coordinate sono note, indicarle con i rispettivi valori x (sagittale), y (assiale) e z (coronale).
2. Immettere il raggio della craniotomia in millimetri (ad es. 10 mm) e scegliere nessun raggio esterno.
3. Specificare se è necessaria una barra di scala per le immagini del cranio e del cervello. Le barre di scala aiutano a confermare che le dimensioni dei modelli sono corrette.
4. Se lo si desidera, salvare i file del cervello e del cranio come STL per la stampa 3D (Figura 1D, G).
5. Successivamente, verrà visualizzata una figura con il cervello e il cranio craniotomizzato. Questo può essere utilizzato per verificare l'accesso ad aree cerebrali mirate. Il cervello è rappresentato in blu e il cranio in grigio chiaro (Figura 2B, E).
6. Scegliere (n) per completare una riduzione delle dimensioni SLT, che è una funzione che verrà utilizzata per i passaggi futuri (vedere di seguito).
7. Ripetere le sezioni 1 e 2 per ogni iterazione di craniotomia.

3. Design della camera cranica (Figura 3)

1. Prima di iniziare la progettazione della camera, confermare la posizione della craniotomia e il raggio della craniotomia utilizzando la procedura di pianificazione della posizione della craniotomia.
2. Dopo che l'isolamento del cranio e del cervello è stato completato, il passo successivo sarà quello di inserire le coordinate finalizzate del centro della craniotomia. Immettere i valori x (sagittale), y (assiale) e z (coronale).
3. La finestra di comando richiederà quindi di inserire i raggi interno ed esterno, che determinano l'area del cranio con cui lavorare per la progettazione della camera. Scegliere un raggio interno più piccolo del raggio craniotomico effettivo (ad esempio, 5 mm per un raggio di craniotomia di 10,0 mm) e un secondo raggio esterno più grande del raggio previsto della gonna della camera (ad esempio, 26 mm per una gonna della camera che avrà un raggio di 22 mm). Ciò fornirà una struttura cranica a forma di anello come base su cui costruire la camera.
   NOTA: Per la progettazione di una camera con un raggio craniotomico di 10 mm, è stato scelto un raggio interno di 5 mm. Ciò fornisce una rappresentazione accurata del cranio sul bordo della craniotomia, mantenendo un cerchio sufficientemente piccolo da consentire una facile identificazione del centro della craniotomia quando la rappresentazione del cranio viene esportata nel software di progettazione. È stato estratto un raggio esterno di 26 mm per una camera di raggio di 22 mm per garantire che sia disponibile un'area cranica extra. Le dimensioni della camera sono state sviluppate con vincoli stabiliti dalle esigenze dell'esperimento. I raggi utilizzati in questa fase saranno determinati dalle dimensioni della craniotomia e dalle dimensioni della gonna della camera, che dipende dalle dimensioni delle viti e dallo spazio disponibile sul cranio.
4. Indica se sono necessarie barre di scala per le immagini del cranio e del cervello.
5. Se lo si desidera, salvare i file del cervello e del cranio.
6. Apparirà una figura con il cervello (in blu) e la regione del cranio (in grigio) che è stata selezionata (Figura 3A). È quindi necessario applicare una riduzione delle dimensioni STL sulla regione del cranio selezionata per facilitare la gestione del file nel software CAD (Computer-Aided Design).
7. Selezionare (y) per iniziare la riduzione delle dimensioni STL. La riduzione delle dimensioni creerà un file STL con una dimensione ridotta che può essere facilmente importato nel software CAD per la progettazione hardware personalizzata.
8. Utilizzando la figura con il cervello e il cranio sovrapposti (Figura 3A), utilizzare il mouse per selezionare i punti sulla superficie del cranio da utilizzare per la riduzione del file. Tenere premuto il tasto Maiusc per posizionare più di un punto.
   1. Posiziona i punti per coprire la regione di interesse, che in questo caso è la regione del cranio selezionata. Posizionare i punti il più vicino possibile per garantire una rappresentazione più precisa e accurata del cranio (Figura supplementare 2). Alcuni utenti potrebbero preferire selezionare ~20 punti critici e completare il resto del design della camera come pratica prima di selezionare tutti i punti di interesse per il prodotto finale.
   2. Quando si selezionano i punti, è meglio posizionare il maggior numero possibile di punti nella regione selezionata. In generale, ~200 punti rappresentano bene la curvatura del cranio. Posiziona più punti attorno ai bordi della regione selezionata per enfatizzare il confine tra il cervello e il cranio.
      NOTA: evitare di fare clic sul pulsante Invio prima di terminare il posizionamento dei punti nella regione, in quanto il codice progredirà prematuramente e il processo di selezione dei punti dovrà essere ripetuto.
9. Premere Invio quando si è finito di posizionare i punti sul teschio selezionato. Digitare il nome del file ridotto nella finestra di comando.
10. Importare il file in un software CAD per la progettazione personalizzata della camera. Inizia aprendo il software CAD.
11. Fare clic su File > Apri e selezionare il nome file della riduzione STL dalla directory.
    1. Prima di fare clic su Apri, fare clic sul pulsante Opzioni e scegliere Corpo superficie (Import as) dal menu Importa come. Fare clic su OK e quindi su Apri.
12. Una volta importato l'STL, verificare la presenza di piccoli fori sulla superficie, indicati da linee blu. Se sono presenti fori nella regione del cranio che la camera coprirà (Figura supplementare 3), completare la procedura dei fori di fissaggio (Sezione 6) al punto 3.19.1.
13. Visualizzare la superficie del cranio per la camera nel software CAD come nella Figura 3B. Assicurarsi che i bordi dell'area selezionata siano visibili nella rappresentazione del teschio.
14. Individuare il contorno del cerchio interno al centro della superficie importata per individuare il centro della craniotomia. Create un piano allineato con il cerchio interno facendo clic su Inserisci > Geometria di riferimento > Piano. Utilizzare tre punti distribuiti uniformemente lungo la circonferenza del cerchio interno come punti di riferimento per il piano.
15. Creare un cerchio corrispondente al cerchio interno facendo clic sull'icona del cerchio nella scheda Schizzo . Scegliete il piano del passo precedente come piano di riferimento e identificate i punti lungo il bordo fino a quando l'anteprima del cerchio non fornisce una rappresentazione accurata del contorno del cerchio interno. Potrebbe essere necessario testare diverse combinazioni di punti per trovare quelle che meglio si adattano al cerchio interno.
16. Con il cerchio come riferimento, create un punto al centro del cerchio facendo clic su Inserisci > Geometria di riferimento > Punto e utilizzate l'opzione Centro arco (Arc Center ). Questo punto rappresenta il centro della craniotomia.
17. Come piano di riferimento per le estrusioni future, creare un secondo piano parallelo al piano iniziale e sfalsato di 10 mm. Quando si sceglie la direzione dell'offset, assicurarsi che la freccia sia rivolta verso l'alto rispetto all'oggetto.
18. Creazione dell'anello interno della camera (Figura 3C)
    1. Creare un asse che si estenda perpendicolarmente sia attraverso il piano craniotomia che il piano superiore facendo clic su Inserisci > Asse > geometria di riferimento, evidenziando l'opzione Punto e faccia/piano e utilizzando il piano superiore e il punto centrale della craniotomia come riferimenti. Create un altro punto all'intersezione di questo asse e del piano superiore.
    2. Selezionate Estrusione estrusione/base (Extrude Boss/Base ) e il piano superiore come superficie da cui estrudere. Fate uno schizzo della sezione trasversale dell'anello interno creando due cerchi concentrici con il punto sul piano superiore come punto centrale (ad esempio, raggi di 11,35 mm e 12,25 mm). Selezionate Fino a superficie (Up to Surface ) nel menu Direzione (Direction) e specificate la superficie importata come superficie da estrudere.
    3. Copiate la superficie importata selezionando Inserisci > superficie (Insert Surface > Move/Copy (Move/Copy ) e sollevate la superficie copiata all'altezza dell'anello interno e della gonna (ad esempio, 3,5 mm). Utilizzate l'opzione Trasla (Trasl) del menu Sposta/Copia (Move/Copy ) e traslate la superficie lungo l'asse perpendicolare a entrambi i piani.
    4. Eseguite un taglio estruso circolare dal piano superiore alla superficie copiata. Per iniziare, fate clic su Taglio estruso (Extruded Cut ) e selezionate la superficie superiore dell'anello interno come punto di partenza per il taglio estruso. Completate l'estrusione scegliendo la superficie copiata come punto finale.
    5. Eliminate la superficie originale importata utilizzando lo strumento Inserisci > feature > Elimina/Mantieni corpo . Con lo strumento Nascondi/Mostra (Hide/Show ) nella scheda Visualizza (View ), la superficie copiata può essere nascosta per visualizzare l'anello interno e convalidarne il progetto.
19. Creazione di una gonna della camera (Figura 3D)
    1. Fate in modo che una seconda superficie copiata si scosti più in basso rispetto alla superficie esistente di uno spessore del bordo della camera (ad esempio, -1,5 mm). Nel menu Traslazione , scegliere l'asse perpendicolare ai piani come punto di riferimento e un valore di offset per creare la nuova superficie al di sotto di quella iniziale.
       NOTA: A seconda della direzione predefinita della direzione di offset, potrebbe essere necessario impostare il valore di offset su negativo per andare nella direzione corretta.
       1. Se sono presenti fori nella regione che la camera coprirà, seguire i passaggi descritti nella sezione 6 (fori di fissaggio) prima di continuare con il resto della procedura di progettazione della camera.
    2. Eseguite un'estrusione dal piano superiore alla superficie inferiore nella forma della camera. Iniziate selezionando Estrusione estrusione/Base (Extrude Boss/Base ) e selezionando il piano superiore come piano di estrusione.
       1. Seguire il passaggio 6.2 per gestire le estrusioni esistenti dalla procedura del foro di fissaggio.
    3. Tracciate la forma della gonna della camera su questo piano. Fate in modo che il cerchio interno della camera sia un cerchio della stessa dimensione del raggio più piccolo dell'anello interno (ad esempio, 11,35 mm), centratelo attorno al punto sul piano superiore e create il contorno esterno della gonna della camera utilizzando una combinazione di archi e linee per massimizzare l'area della gonna. Estrudete verso la parte inferiore delle due superfici.
       NOTA: Se si verifica un errore con l'estrusione, è probabile che lo schizzo sia più largo della superficie. In questo caso, diminuite le dimensioni del contorno della gonna esterna.
    4. Estrusione tagliata dal piano superiore al più alto delle due superfici copiate nella forma del contorno della camera.
       1. Vedere il passaggio 6.2 per ulteriori informazioni sulle estrusioni rimaste dalla procedura dei fori di fissaggio.
    5. Per rivelare la gonna della camera e l'anello interno, eliminate entrambe le copie rimanenti della superficie importata. L'oggetto risultante dovrebbe apparire simile a quello della Figura 3D.
    6. Durante il processo di riduzione dell'STL e di importazione, il modello del cranio viene specchiato. Per compensare questo, la gonna risultante deve essere specchiata. Nel menu Funzioni , fare clic su Specchia e specchiare la gonna sul piano superiore. Eliminare la gonna originale utilizzando la funzione Elimina/Mantieni corpo .
20. Combinando il top della camera e la gonna (Figura 3E)
    1. Aprire il file STL della parte superiore della camera nel software utilizzato per progettare la gonna della camera. Quindi, inserire la gonna della camera come parte facendo clic su Inserisci > parte, selezionando la gonna personalizzata nel menu e facendo clic in un punto qualsiasi dello schermo per importare la parte.
    2. Per allineare la parte superiore della camera e la gonna, fate clic su Inserisci > feature (Insert Features) > Sposta/Copia (Move/Copy). Selezionare la gonna della camera e fare clic sul pulsante Vincoli nella parte inferiore del menu. Evidenziare l'anello interno della gonna e la superficie interna della parte superiore della camera come accoppiamenti concentrici (Figura supplementare 4A).
       1. Verificare che la parte superiore della gonna sia allineata con la parte inferiore della parte superiore della camera e, se necessario, cambiare la direzione di allineamento dell'accoppiamento.
    3. Utilizzate Sposta/Copia (Move/Copy) per traslare la gonna verso il basso direttamente sotto la parte superiore della camera. Ciò richiederà più iterazioni per trovare la distanza corretta in modo che la parte superiore della camera non si estenda al di sotto della gonna della camera e ostruisca la gonna (Figura supplementare 4B e Figura supplementare 5).
    4. Ruotare la parte superiore della camera per allineare gli spazi tra le linguette in modo che una sia perpendicolare e l'altra parallela alla linea mediana del cervello. Utilizzare lo strumento Ruota e l'asse esistente al centro dell'oggetto come asse di rotazione. Regolare i gradi di rotazione fino a quando la parte superiore della camera e la gonna non sono nell'orientamento corretto l'una rispetto all'altra.
    5. Collegare gli oggetti tra loro estrudendo dal fondo della parte superiore della camera direttamente verso il basso verso la gonna. Utilizzate Estrusione estrusione/base (Extrude Boss/Base), selezionate la superficie inferiore della parte superiore della camera e create uno sketch su questa superficie con gli stessi raggi interno ed esterno dell'anello, utilizzando l'asse centrale come punto centrale. Selezionate Fino a corpo (Up To Body ) come direzione di estrusione e indicate la gonna della camera.
    6. Eseguite un taglio estruso dalla superficie della parte superiore della camera che contiene le linguette. Dopo aver selezionato la superficie come piano di estrusione, tracciate un cerchio con lo stesso raggio interno dell'anello interno. Uscite dallo sketch ed eseguite un taglio estruso cieco che superi la parte inferiore della gonna della camera (ad esempio, 10 mm).
    7. Aggiungere dodici fori per le viti uniformemente distanziati attorno alla gonna della camera. Posizionare i fori delle viti in modo che siano distanziati in modo uniforme ma anche abbastanza distanti da essere accessibili durante l'intervento chirurgico ma abbastanza vicini da evitare un ingombro della camera inutilmente grande.
    8. Utilizzare lo strumento Creazione guidata fori per il posizionamento dei fori delle viti. Selezionate i parametri nel menu Specifica foro (Hole Specification - Type ). I parametri devono essere allineati con le viti che verranno utilizzate durante l'impianto chirurgico (ad esempio, Standard: ANSI metrico, Tipo: Vite a testa piatta - ANSI B18.6.7M, Dimensioni: M2, Vestibilità: Allentata, Diametro minimo: 3,20 mm, Diametro massimo: 4,00 mm, Angolo di svasatura: 90 gradi, Condizione finale: Tutto).
    9. Fare clic sulla scheda Posizioni per iniziare a posizionare i fori. Per posizionare un foro, passare il puntatore del mouse su un piano della camera e fare clic con il pulsante destro del mouse. Posizionare tutti e dodici i fori per le viti, assicurandosi che siano posizionati in modo uniforme e accessibili.
    10. Se le ostruzioni rimangono all'interno di un foro della vite dopo che è stato posizionato (Figura supplementare 6A), scegliere un piano diverso su cui posizionare il foro o utilizzare i seguenti passaggi per eseguire un taglio estruso verso l'alto attraverso il foro.
        1. Iniziare il taglio estruso verso l'alto creando un piano parallelo al piano rimanente ma spostato verso il basso di 0,00001 mm in modo che il piano si trovi direttamente sotto l'ostruzione.
        2. Eseguite il taglio estruso con il piano creato nell'ultimo passo come riferimento. Utilizzando una combinazione di archi e linee, disegnare la forma dell'area da rimuovere. Assicurarsi che lo schizzo contenga una qualsiasi parte del piano che si trova all'interno del raggio esterno del foro della vite (Figura 6B supplementare). Tagliare l'estrusione di 1 mm verso l'alto.
    11. Dopo aver posizionato i fori per le viti, tagliare la gonna per ridurre gli spigoli vivi e ridurre al minimo l'area della gonna non necessaria. Eseguire un taglio estruso dalla superficie superiore della camera verso il basso oltre la gonna della camera (ad esempio, 30 mm). Realizzare l'estrusione in una forma che leviga eventuali bordi ruvidi e rifinisca l'area esterna della gonna.
        1. Potrebbero essere necessari ulteriori tagli personalizzati per rimuovere tutti gli spigoli vivi e la gonna in eccesso. Se le aree della gonna non possono essere tagliate utilizzando la superficie superiore della camera come piano di riferimento, create un piano angolato e create ulteriori tagli estrusi utilizzando questo piano.
    12. Vedere la Figura 3F per una rappresentazione finale del progetto della camera. Questo disegno può essere stampato in 3D e posizionato su un cervello modello e su un cranio craniotomizzato, se lo si desidera (Figura 3G).

4. Design del palo della testa (Figura 4)

1. Si noti che la posizione del centro della craniotomia finalizzata e l'area massima della gonna della camera saranno necessarie per la progettazione del palo della testata.
2. Immettere le coordinate craniotomiche note (valori x, y e z) nella finestra di comando.
3. Per il design del palo della testata, è necessario un solo raggio per rappresentare l'area del cranio disponibile intorno alla camera. A questo punto, immettere il raggio massimo della camera progettato nella sezione precedente (ad esempio, 25 mm). Quindi, indica che non è necessario alcun raggio esterno.
4. Utilizzare la finestra di comando per indicare se sono necessarie barre di scala per confermare le quote.
5. Analogamente alle sezioni precedenti, salva i file STL del cervello e del cranio, se necessario per la stampa 3D.
   La figura successiva che viene visualizzata mostrerà la regione del cranio che circonda la camera per la creazione di un'impronta del palo della testa. Estrarre questa regione utilizzando una riduzione delle dimensioni STL da importare nel software di progettazione.
6. Selezionare (y) per indicare che si desidera una riduzione delle dimensioni STL. Seleziona i punti sulla figura con il cervello (in blu) e il teschio (in grigio) sovrapposti. Assicurarsi che i punti siano selezionati il più vicino possibile e distribuiti uniformemente nella regione grigia del cranio (Figura supplementare 7A). Per maggiori dettagli sul processo di selezione dei punti, fare riferimento al punto 3.8.
7. Premere Invio dopo aver completato la selezione del punto per coprire la regione grigia del teschio in cui si posizionerà il palo della testa. Indicare un nome file per il file ridotto scaricato nella finestra di comando.
8. Importa il file ridotto nel software CAD per progettare l'impronta personalizzata del palo. Assicurarsi che il file venga importato come corpo di superficie.
9. Dopo aver importato il file, verificare la presenza di fori nella superficie indicata da linee blu. Se ci sono fori nella regione generale che il palo coprirà, la procedura dei fori di fissaggio (sezione 6) dovrà essere completata al punto 4.11.
10. Il primo passo della progettazione del palo della testa è trovare un piano sulla superficie che si allinei con il piano assiale in modo che quando la parte superiore e inferiore del palo della testa sono combinate, la parte superiore della testa sia perpendicolare al cranio (Figura supplementare 7B, C). Se non è possibile trovare un piano che si allinea direttamente con il piano assiale sulla superficie del cranio, creare un nuovo piano utilizzando un piano esistente sulla superficie e ruotandolo per allinearlo correttamente. È utile disporre di un modello fisico 3D del cranio che può essere utilizzato per il confronto con la rappresentazione virtuale del cranio.
    1. Potrebbe essere necessario modificare più volte questo passaggio per creare una parte superiore del palo della testa che sia direttamente perpendicolare al cranio. Per modificare l'angolo della parte superiore del montante rispetto all'impronta del montante, modificare il piano utilizzato in questo passaggio. Potrebbe essere necessario testare un paio di piani per trovarne uno parallelo al piano assiale.
11. Utilizzare il piano trovato o creato nel passaggio precedente per creare un piano parallelo a 3 mm sopra la superficie che fornirà un riferimento per l'orientamento della parte superiore del montante.
    1. Completare la procedura dei fori di fissaggio descritta nella sezione 6 con gli spazi vuoti che si formano nella regione del montante della testata.
12. Creazione della parte inferiore del palo (Figura 4C)
    1. Fare clic su Estrusione estrusione/base, selezionare il nuovo piano e creare uno schizzo dell'impronta del montante utilizzando una combinazione di archi e linee. Rendere congruenti le gambe del palo della testa di lunghezza simile e gli angoli tra di loro (vedere l'esempio nella Figura 4A). Utilizzare gli archi per collegare le gambe del montante della testa per garantire bordi lisci attorno all'impronta ed estrudere lo schizzo sulla superficie importata.
       NOTA: Il numero di gambe del palo dipenderà dallo spazio disponibile intorno alla camera. Tuttavia, il palo della testa dovrebbe avere un minimo di tre gambe per garantire un'adeguata stabilità meccanica.
       1. Vedere il passaggio 6.2 per istruzioni su come disegnare intorno alle estrusioni esistenti dalla procedura del foro di fissaggio.
    2. A questo punto, la superficie inferiore del copricapo è disponibile per confermare che la superficie corrisponde alla curvatura del cranio. Se si desidera stampare in 3D per verificare l'adattamento, completare i seguenti quattro passaggi.
       1. Eliminate il corpo di superficie importato. Specchiate l'impronta sul piano creato al passo 4.10. Nel menu Specchia , verificare che la casella Unisci solidi sia deselezionata.
       2. Per verificare che l'impronta corrisponda alla curvatura del cranio, utilizzare l'opzione Elimina/Mantieni corpo per eliminare l'impronta originale, lasciando solo la versione speculare.
       3. Stampa in 3D l'oggetto come STL e posizionalo sul modello 3D del cranio per verificare fisicamente se corrisponde alla curvatura del cranio.
       4. Per continuare con la progettazione del montante, utilizzare la freccia Annulla nella parte superiore della barra degli strumenti per annullare i due passaggi precedenti (mirroring ed eliminazione). Questo dovrebbe ripristinare l'impronta originale e il corpo di superficie.
    3. Create un punto al centro della superficie piana sull'impronta. Create un asse utilizzando questo punto e il piano di riferimento superiore.
    4. Fare clic sullo strumento Sposta/Copia e creare una copia della superficie importata in rilievo allo spessore della parte inferiore del montante (ad esempio, 1,35 mm). Utilizzate l'asse creato in questo passo come riferimento di traslazione e verificate che la casella Copia (Copy ) sia selezionata per evitare che la superficie originale venga modificata.
    5. Eseguite un taglio estruso dalla superficie piana dell'impronta del montante alla superficie copiata (in rilievo). Eliminate la superficie originale e la relativa copia. La parte risultante può essere vista nella Figura 4B.
       1. Seguire il passaggio 6.3 per le estrusioni esistenti dalla procedura del foro di fissaggio.
    6. Create un nuovo piano parallelo al piano di riferimento, ma traslato verso l'alto o verso il basso in modo da librarsi almeno 1 mm sopra la parte inferiore del montante. Per determinare la lunghezza della traslazione, utilizzare lo strumento Misura nella scheda Valuta . Fai un'estrusione circolare dal nuovo piano alla parte inferiore del palo per creare una piattaforma in cui si siederà la base della parte superiore del palo e assicurati che la piattaforma sia centrata attorno alla linea mediana del cranio.
    7. Utilizzare lo strumento Raccordo nel menu Funzioni per smussare l'intersezione tra l'estrusione e l'impronta del montante. Testare diversi valori di raggi utilizzando il parametro Asimmetrico e scegliere i valori di raggio più grandi possibili.
    8. A questo punto, verifica il posizionamento della piattaforma superiore del palo della testa stampando in 3D la versione corrente e testandola rispetto a un modello di teschio.
    9. Posizionare i fori per le viti lungo il fondo del palo della testa utilizzando la stessa tecnica utilizzata per i fori delle viti della camera (passaggio 3.20.7). Aggiungi un minimo di tre fori per le viti su ciascuna gamba del palo. Assicurarsi che il punto centrale di ciascun foro della vite sia ad almeno 5 mm dal centro del foro successivo e che i bordi di ciascun foro siano ad almeno 2.5 mm di distanza dal bordo della gamba.
       1. Per evitare che i vasi sanguigni scorrano sotto il cranio e vicino alla linea mediana, verificare che i fori delle viti non attraversino la linea mediana e spostarli se necessario. Il prodotto dovrebbe essere simile al design nella Figura 4C.
    10. Specchiate la parte utilizzando lo strumento Specchia (Mirroring ) per compensare la specchiatura che si verifica durante l'importazione della superficie del cranio. Utilizzare la parte superiore della base circolare come piano di specchiatura.
    11. Eliminate la parte originale utilizzando la feature Elimina/Mantieni corpo (Delete/Keep Body ) in modo che rimanga solo la versione specchiata.
13. Combinazione della parte superiore e inferiore del palo della testa (Figura 4D)
    1. Importare la parte superiore del montante come parte dal menu Inserisci . Dopo che la parte è stata evidenziata nel menu, fare clic in un punto qualsiasi dello schermo per aggiungere la parte.
    2. Utilizzando la funzione Sposta/Copia, allineare il montante in alto e in basso. Iniziare specificando la parte superiore del palo come corpo da spostare. Quindi, eseguire i seguenti tre accoppiamenti nel menu Vincoli:
       1. Assicurarsi che la superficie superiore della piattaforma circolare del montante e la superficie inferiore della parte superiore del reggitesta si siano accoppiate per coincidenza.
       2. Assicuratevi che gli spigoli delineati delle superfici nell'ultima coppia di accoppiamento siano accoppiati concentricamente.
       3. Accoppia una linea che va verticalmente lungo la gamba posteriore del palo e una linea che corre orizzontalmente lungo la parte posteriore della parte superiore del palo (il lato piatto) perpendicolarmente. Assicurati che la faccia curva della parte superiore sia rivolta in avanti (anteriore) e che la faccia piatta sia rivolta più vicino alla gamba posteriore del montante (posteriore).
       4. Verificare che ogni connessione sia nella direzione corretta e, se necessario, cambiare le direzioni di accoppiamento nel menu (vedere la Figura 8 supplementare per un esempio di accoppiamenti).
          NOTA: La procedura per combinare la parte inferiore e superiore del copricapo personalizzata utilizza una parte superiore del copricapo generica progettata utilizzando un software CAD. In questo caso, la parte superiore è stata progettata sulla base del palo della testa del Crist Instrument. La procedura di accoppiamento sopra descritta è specifica per queste parti e potrebbe essere necessario regolarla se vengono utilizzate parti di accoppiamento diverse.
    3. Assicurarsi che la parte superiore e inferiore combinata del montante sia simile a quella della Figura 4D.
       1. Se la parte superiore del montante non è allineata correttamente, modificare il piano di riferimento utilizzato al punto 4.11.

5. Fabbricazione di dura artificiale ¹¹ (Figura 5)

1. Procuratevi lo stampo per la dura artificiale (Figura 5B).
2. Crea la miscela di silicone dura artificiale mescolando il silicone KE1300-T e CAT-1300 in un rapporto 10:1.
3. Versare 1 ml di composto sulla superficie superiore del cilindro al centro dello stampo.
4. Per evitare la formazione di bolle d'aria, posizionare lo stampo in una camera a vuoto per circa 15 min.
5. Aggiungere il secondo strato dello stampo, utilizzando i montanti su entrambi i lati del cilindro per guidare l'allineamento del pezzo.
6. Versare 3-4 ml di miscela di silicone nello stampo e posizionare il pezzo acrilico trasparente sulla parte superiore dello stampo (Figura 5A). Utilizzare un morsetto a C per bloccare insieme lo stampo.
7. Verificare la presenza di bolle d'aria nella finestra ottica e, se necessario, rimuoverle con una camera a vuoto.
8. Polimerizzare la struttura risultante per una notte a temperatura ambiente. Le bolle d'aria residue vengono rimosse attraverso la pressione creata quando lo stampo viene bloccato prima dell'indurimento.
9. Smontare dopo l'indurimento rimuovendo ogni parte dello stampaggio e rimuovendo con cura la dura siliconica.

6. Procedura di fissaggio dei fori

1. Eseguire la procedura dei fori di fissaggio se sono stati trovati dei fori sulla rappresentazione del cranio (indicati da linee blu nel software CAD). Completate i passi riportati di seguito dopo aver creato le superfici inferiori, ovvero le superfici che termineranno le estrusioni. Per la camera, questo è il passaggio 3.19. Per il palo di testa, avviare questa procedura dopo aver completato il passaggio 4.12.
   1. Nascondete tutte le superfici o le estrusioni oltre alla superficie inferiore in modo che la superficie inferiore possa essere visualizzata in modo indipendente.
   2. Utilizzare Inserisci > superficie > planare per creare una superficie piana su ogni faccia a contatto con lo spazio, nonché sopra lo spazio, se applicabile. Per specificare una superficie, selezionate ogni spigolo come entità limite.
   3. Creare superfici piane fino a quando ogni spazio non è circondato, inclusi gli angoli degli spazi vuoti e gli spigoli delle linee.
   4. Fate clic su Inserisci superficie > superficie (Insert Surface > Knit (Join) e selezionate tutte le superfici piane che circondano lo spazio. Vedere la Figura 9A supplementare per una visualizzazione delle superfici lavorate a maglia.
   5. Create un asse di riferimento in corrispondenza di ciascun punto lungo lo spigolo della superficie unita scegliendo Punto (Point) e Faccia/Piano (Face/Plane) come tipo di riferimento e selezionando un punto sullo spigolo della superficie e sul piano superiore. Ripetere l'operazione per ogni punto sul bordo della superficie lavorata a maglia (Figura 9B supplementare).
   6. Create un punto all'intersezione di ciascun asse attorno alla superficie di unione con il piano di riferimento superiore. Selezionate Intersezione (Intersection ) come tipo di riferimento e selezionate un asse e il piano superiore. Assicurarsi che venga creato un punto corrispondente a ciascun asse.
   7. Create uno schizzo che colleghi ogni punto di riferimento creato nel passo precedente. Selezionate Fino a superficie (Up to Surface ) per la direzione e selezionate la superficie di lavorazione a maglia come superficie da estrudere.
   8. Ripetere i passaggi da 6.1.2 a 6.1.7 per tutte le fessure nella regione che la camera o il palo coprirà (vedere la figura 9C supplementare per il risultato finale della procedura dei fori di fissaggio).
2. Quando si esegue l'estrusione dal piano di riferimento superiore alla superficie più bassa (passaggio 3.19.2 o passaggio 4.12.1), assicurarsi che il contorno della camera/montante sia disegnato attorno alle estrusioni esistenti.
3. Allo stesso modo, quando si eseguono i tagli estrusi dal piano superiore al piano superiore superiore delle due superfici (passo 3.19.4 o passo 4.12.5), eseguire il taglio estruso principale separatamente dalle estrusioni risultanti dalla procedura dei fori di fissaggio (Figura 10A supplementare).
   1. Per eseguire tagli estrusi dai fori di fissaggio, estrudere la superficie superiore delle estrusioni esistenti su un piano sulla superficie rialzata che fornisca una superficie superiore liscia per la camera o il montante (Figura supplementare 10B). Se il taglio estruso crea una superficie rigida, utilizzare un piano diverso o eseguire estrusioni successive.

Risultati

Questi componenti sono stati precedentemente convalidati utilizzando una combinazione di visualizzazioni MRI e modelli anatomici stampati in 3D. Confrontando la visualizzazione automatica della craniotomia con la craniotomia stampata in 3D e la risonanza magnetica nella posizione della craniotomia, è evidente che la rappresentazione virtuale della craniotomia riflette accuratamente la regione del cervello a cui è possibile accedere con la posizione della craniotomia specificata (

Discussione

Questo documento delinea un metodo semplice e preciso di pianificazione neurochirurgica che non è solo utile per lo sviluppo di componenti utilizzati per l'impianto della finestra cranica NHP, ma anche trasferibile ad altre aree di ricerca neuroscientifica NHP 13,15,25. Rispetto ad altri metodi attuali di pianificazione e progettazione dell'impianto NHP 25,29,30, questa procedura ha il potenziale per ess...

Materiali

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