非ヒト霊長類のための神経インプラント設計ツールボックス

要約

この論文では、磁気共鳴画像法(MRI)スキャンに基づく非ヒト霊長類の脳神経外科計画の自動化プロセスについて概説します。これらの技術は、プログラミングおよび設計プラットフォームの手順ステップを使用して、NHP用にカスタマイズされたインプラント設計をサポートします。その後、3次元(3D)印刷された実物大の解剖学的モデルを使用して、各コンポーネントの有効性を確認できます。

要約

この論文では、霊長類(NHP)の脳神経外科計画用に調整された磁気共鳴画像法(MRI)から脳と頭蓋骨の3Dモデリングを行う社内手法について説明します。この自動化された計算ソフトウェアベースの技術は、イメージングソフトウェアを使用した従来の手動抽出技術とは対照的に、MRIファイルから脳と頭蓋骨の特徴を抽出する効率的な方法を提供します。さらに、この手術は、脳と開頭手術された頭蓋骨を一緒に視覚化する方法を提供し、直感的で仮想的な手術計画を実現します。これにより、反復的な3Dプリンティングに依存していた過去の作業で必要な時間とリソースが大幅に削減されます。頭蓋骨モデリングプロセスでは、フットプリントを作成し、それをモデリングソフトウェアにエクスポートして、外科的移植用のカスタムフィットの頭蓋腔とヘッドポストを設計します。カスタムフィットの外科用インプラントは、インプラントと頭蓋骨の間の隙間を最小限に抑え、感染や安定性の低下などの合併症を引き起こす可能性があります。これらの術前ステップを実施することにより、外科的および実験的合併症が軽減されます。これらの技術は、他の外科的プロセスにも適用することができ、研究者や脳神経外科医にとって、より効率的で効果的な実験計画を容易にします。

概要

ヒト以外の霊長類(NHP)は、進化的にも行動的にもヒトと類似しているため、トランスレーショナルメディカル研究にとって非常に貴重なモデルです。NHPは、その脳が神経機能と機能障害の関連性の高いモデルであるため、神経工学の前臨床試験で特に重要性を増しています^{1,2,3,4,5,6,7,8}.オプトジェネティクス、カルシウムイメージングなど、いくつかの強力な脳刺激および記録技術は、頭蓋窓から脳に直接アクセスすることが最適です^{9,10,11,12,13,}

プロトコル

動物に関するすべての処置は、ワシントン大学の動物ケアおよび使用委員会によって承認されました。この研究では、合計4匹の成体のオスのアカゲザル(Macaca mulatta)を使用しました。MRI取得時、サルHは7歳、サルLは6歳、サルCは8.5歳、サルBは5.5歳であった。サルHとLは、9歳でカスタムの慢性チャンバーを移植されました。

1.頭蓋骨と脳の分離(図1)

1. 3T MRI装置を使用して、頭蓋骨と脳のT1 Quick Magnetization Prepared Gradient Echo(MPRAGE)ファイルを取得します。MRI取得³⁵には、フリップ角度 = 8°、繰り返し時間/エコー時間 = 7.5/3.69秒、マトリックスサイズ = 432 x 432 x 80、取得時間 = 103.7秒、マルチコイル、スライス厚さ = 1 mm、平均回数 = 1 を使用します。
2. supplemental_code (Supplemental Coding File 1) というラベルの付いたフォルダーをダウンロードします。このフォルダーには 、brain_extract.m、brain_extraction.m、make_stl_of....

ディスカッション

この論文は、NHP頭蓋窓移植に使用されるコンポーネントの開発に有益であるだけでなく、NHP神経科学研究の他の分野にも転用可能な脳神経外科計画の簡単で正確な方法を概説します13,15,25。NHPインプラントの計画と設計の他の現在の方法と比較して25,29,30、この手順は、シンプルで経済的であるため、より多くの神経科学?.......

資料

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