비인간 영장류를 위한 신경 임플란트 설계 툴박스

요약

이 논문은 자기공명영상(MRI) 스캔을 기반으로 한 비인간 영장류 신경외과 계획을 위한 자동화된 프로세스를 간략하게 설명합니다. 이러한 기술은 프로그래밍 및 설계 플랫폼의 절차적 단계를 사용하여 NHP를 위한 맞춤형 임플란트 설계를 지원합니다. 그런 다음 3차원(3D) 프린팅된 실물 크기 해부학 모델을 사용하여 각 구성 요소의 유효성을 확인할 수 있습니다.

초록

이 논문은 비인간 영장류(NHP) 신경외과 계획에 맞게 조정된 자기공명영상(MRI)에서 3D 뇌 및 두개골 모델링의 자체 방법을 설명합니다. 이 자동화된 컴퓨터 소프트웨어 기반 기술은 이미징 소프트웨어를 사용하는 기존의 수동 추출 기술과 달리 MRI 파일에서 뇌 및 두개골 특징을 추출하는 효율적인 방법을 제공합니다. 또한 이 시술은 직관적인 가상 수술 계획을 위해 뇌와 개두술을 함께 시각화하는 방법을 제공합니다. 이를 통해 반복적인 3D 프린팅에 의존했던 과거 작업에 필요한 시간과 리소스를 크게 줄일 수 있습니다. 두개골 모델링 프로세스는 외과적 이식을 위한 맞춤형 두개실과 헤드포스트를 설계하기 위해 모델링 소프트웨어로 내보내는 발자국을 생성합니다. 맞춤형 수술용 임플란트는 감염이나 안정성 저하 등의 합병증을 유발할 수 있는 임플란트와 두개골 사이의 틈을 최소화합니다. 이러한 수술 전 단계를 시행하면 수술 및 실험 합병증을 줄일 수 있습니다. 이러한 기술은 다른 수술 과정에 적용할 수 있으므로 연구자와 잠재적으로 신경외과 의사를 위한 보다 효율적이고 효과적인 실험 계획을 용이하게 할 수 있습니다.

서문

비인간 영장류(NHP)는 진화론적으로나 행동적으로 인간과 유사하기 때문에 중개 의학 연구에 매우 중요한 모델입니다. NHP는 신경 공학 전임상 연구에서 특히 중요한데, 그 이유는 NHP의 뇌가 신경 기능 및 기능 장애와 관련성이 높은 모델이기 때문입니다^{1,2,3,4,5,6,7,8}. 광유전학, 칼슘 영상 등과 같은 일부 강력한 뇌 자극 및 기록 기술은 두개창을 통해 뇌에 직접 접근할 때 가장 잘 제공됩니다^{9,10,11,12,13}

프로토콜

동물과 관련된 모든 절차는 워싱턴 대학의 동물 관리 및 사용 위원회 연구소의 승인을 받았습니다. 이 연구에는 총 4마리의 성인 수컷 붉은털원숭이(Macaca mulatta)가 사용되었습니다. MRI 촬영 당시 원숭이 H는 7세, 원숭이 L은 6세, 원숭이 C는 8.5세, 원숭이 B는 5.5세였다. 원숭이 H와 L은 9살이 되었을 때 맞춤형 만성 챔버를 이식받았습니다.

1. 두개골 및 뇌 분리(그림 1)

1. 1T MRI 기계를 사용하여 두개골과 뇌의 T3 MPRAGE(Quick Magnetization Prepared Gradient Echo) 파일을 획득합니다. MRI 획득³⁵에 플립 각도 = 8°, 반복 시간/에코 시간 = 7.5/3.69초, 매트릭스 크기 = 432 x 432 x 80, 획득 지속 시간 = 103.7초, 멀티코일, 슬라이스 두께 = 1mm, 평균 수 = 1 파라미터를 사용합니다.
2. supplemental_code(보충 코딩 파일 1)이라는 폴더를 다운로드합니다. 이 폴더에는 brain_extract.m, br....

토론

이 논문은 NHP 두개골 창 이식에 사용되는 구성 요소의 개발에 도움이 될 뿐만 아니라 NHP 신경 과학 연구의 다른 영역으로 이전할 수 있는 간단하고 정확한 신경외과 계획 방법을 설명합니다 13,15,25. NHP 임플란트 계획 및 설계의 다른 현재 방법과 비교하여25,29,30, 이 절차는 간단하고 경제적이기 때문에 더 많은.......

자료

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