visualizing the brain and craniotomized skull for virtual surgical planning

Geautomatiseerde 3D-hersen- en schedelmodellering van MRI voor NHP neurochirurgische planning

Nonhuman primates (NHPs) are invaluable models for translational medical research because they are evolutionarily and behaviorally similar to humans. NHPs have gained particular importance in neural engineering preclinical studies because their brains are highly relevant models of neural function and dysfunction1,2,3,4,5,6,7,8. Some powerful brain stimulation and recording techniques, such as optogenetics, calcium imaging, and others, are best served with direct access to the brain through cranial windows9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. In NHPs, cranial windows are often achieved with a chamber and an artificial dura to protect the brain and support long-term experimentation8,10,12,17,18,24,25,26,27. Likewise, headposts often accompany chambers to stabilize and align the head during experiments14,15,25,26,28,29,30. The effectiveness of these components is heavily dependent on how well they fit into the skull. A closer fit to the skull promotes bone integration and cranial health by decreasing the likelihood of infection, osteonecrosis, and implant instability31. Conventional design methods, such as manually bending the headpost during surgery25,29 and estimating the skull curvature by fitting circles to coronal and sagittal slices of magnetic resonance (MR) scans9,12 can introduce complications due to imprecision. Even the most precise of these create 1-2 mm gaps between the implant and the skull, providing space for granulation tissue to accumulate29. These gaps additionally introduce difficulty placing screws in surgery9, compromising the stability of the implant. Customized implants have more recently been developed to improve osseointegration and implant longevity9,29,30,32. Additional costs have accompanied advancements in custom implant design because of the reliance on computational models. The most accurate methods require sophisticated equipment such as computerized tomography (CT) machines in addition to MR Imaging (MRI) machines30,32,33 and&#160;even computer numerical control (CNC) milling machines for developing implant prototypes25,29,32,34. Gaining access to both MRI and CT, particularly for use with NHPs, may not be feasible for labs in need of custom-fitted implants like cranial chambers and headposts.
As a result, there is a need in the community for inexpensive, accurate, and non-invasive techniques of neurosurgical and experimental planning that facilitate the design and validation of implants prior to use. This paper describes a method of generating virtual 3D brain and skull representations from MR data for craniotomy location planning and the design of custom cranial chambers and headposts that fit the skull. This streamlined procedure provides a standardized design that can benefit experimental outcomes and the welfare of the research animals. Only MRI is required for this modeling because both bone and soft tissue are depicted in MRI. Instead of using a CNC milling machine, models can be 3D printed inexpensively, even when multiple iterations are required. This also allows for the final design to be 3D printed in biocompatible metals such as titanium for implantation. Additionally, we describe the fabrication of an artificial dura, which is placed inside the cranial chamber upon implantation. These components can be validated pre-surgically by fitting all parts onto a life-size, 3D-printed model of the skull and brain.

Auteur in de schijnwerpers: gestroomlijnde hersen- en schedelmodellering voor verbeterde neurochirurgische planning in NHP-onderzoek

Een gereedschapskist voor het ontwerpen van neurale implantaten voor niet-menselijke primaten

Our research offers an efficient and automated method for brain and skull modeling, which is beneficial for neurosurgical planning and designing custom implants. It facilitates a simultaneous extraction of brain and skull models using a single software platform, which eliminates a requirement for extra imaging processes like commuted tomography scans. Virtual brain and skull modeling for medical imaging such as MRI or CT scans has been increasingly adopted for NHP neurosurgical planning in recent years.These models, used alongside 3D design software and 3D printing, enable the creation of customized implants tailored to specific experiments and animals. Many non-human primate neuroscience experiments require the use of chronic cranial chambers and head posts. The use of generic implants introduces gaps between the implant and the skull, which can result in higher rates of infection, osteonecrosis, and implant instability, therefore compromising experiments and the wellbeing of the animal.Our custom implants reduce gaps and subsequent issues. Our protocol provides researchers with a more accurate and time-effective neurosurgical planning procedure. It increases surgical planning efficacy, and reduces complications associated with NHP neuroscience experiments, thus improving scientific results overall.

Visualisatie van de hersenen en craniotoomschedel voor virtuele chirurgische planning

Verkrijg om te beginnen een T-1 snel magnetisatie voorbereid gradiënt ECHO- of MP-RAGE-bestand van de schedel en hersenen met behulp van een 3T MRI-machine. Voer de naam van het MP-RAGE-bestand in het opdrachtvenster in en controleer of het MRI-beeld correct wordt weergegeven. Volg de instructies op de opdrachtregel om de schedel te isoleren.Selecteer een drempelwaarde die de schedel effectief scheidt van andere weefsels zonder schedelmaterie te verliezen, en druk op Y om deze waarde te bevestigen. Gebruik een vergelijkbare methode voor hersenisolatie. Voer een drempelwaarde voor de hersenen in wanneer daarom wordt gevraagd en pas deze indien nodig aan om ervoor te zorgen dat de hersenen duidelijk gescheiden zijn van de schedel en andere weefsels.Druk op Y om de geselecteerde waarde te bevestigen. Om craniotomiecoördinaten te bepalen, kiest u een Z-frame en selecteert u een punt op het gekozen Z-frame voor het craniotomiecentrum. Plaats op de figuur die de hersenen en de schedel laat zien punten om het interessegebied te bedekken voor een nauwkeurige weergave van de schedel.Om het bestand te importeren in CAD-software voor aangepast kamerontwerp, opent u de software, gaat u naar bestand, klikt u op openen en selecteert u het STL-reductiebestand in de map. Klik daarna op opties en selecteer in het menu Importeren als de oppervlaktebody en klik op OK. Bekijk nu het schedeloppervlak voor de kamer in CAD-software en zorg ervoor dat de randen van het geselecteerde gebied duidelijk zichtbaar zijn in de schedelweergave.Om de vorm van de kamerrok op het gecreëerde vlak te schetsen, maakt u de binnenste cirkel van de kamer en centreert u deze rond het punt op het bovenste vlak. Gebruik een mix van bogen en lijnen om de buitengrens van de kamerrok te construeren om het gebied te maximaliseren en extrudeer vervolgens naar het onderste van de twee oppervlakken. Voer vervolgens een extrudesnede uit van het bovenste vlak naar het bovenste van de twee gekopieerde oppervlakken, volgens de vorm van de omtrek van de kamer.Verwijder beide resterende kopieën van het geïmporteerde oppervlak om de kamerrok en de binnenring bloot te leggen. Gebruik de verplaatsings- of kopieerfunctie om de rok direct onder de bovenkant van de kamer te verschuiven, zodat een nauwkeurige neerwaartse vertaling wordt gegarandeerd. Extrudeer vervolgens de objecten van de onderkant van de kamer naar de rok om ze te verbinden.Selecteer met behulp van de extrude, naaf of basis het onderoppervlak van de bovenkant van de kamer en maak een schets met dezelfde binnen- en buitenstralen als de ring gecentreerd rond de centrale as. Stel de extrusierichting in op tot aan het lichaam, gericht op de kamerrok. Om de hoofdpost te ontwerpen, slaat u STL-bestanden van hersenen en schedels op voor mogelijk 3D-printen.Gebruik STL-verkleining om het gebied van de schedel rond de kamer te extraheren voor het maken van een hoofdpostvoetafdruk voor import in ontwerpsoftware. Selecteer vervolgens Y om de verkleining van de STL-grootte te activeren. Kies punten op de afbeelding die de hersenen en de schedel samen laten zien, zodat de hersenen en de schedel dicht bij elkaar liggen en gelijkmatig over het grijze schedelgebied worden verdeeld.Importeer het verkleinde bestand als een oppervlaktelichaam in CAD-software voor het ontwerpen van de aangepaste hoofdpostvoetafdruk. Gebruik daarna extrude, boss of base om het nieuwe vlak te selecteren en schets de voetafdruk van de hoofdpost met behulp van bogen en lijnen. Gebruik bogen voor gladde randen rond de voetafdruk en extrudeer de schets naar het geïmporteerde oppervlak.Voer een geëxtrudeerde snede uit van het platte oppervlak van de voetafdruk van de hoofdpaal naar het gekopieerde oppervlak. Verwijder vervolgens het originele oppervlak en de kopie ervan. Maak nu een nieuw vlak, evenwijdig aan het referentievlak, naar boven of naar beneden vertaald om ten minste één millimeter boven de onderkant van de hoofdpost te zweven.Gebruik het meetgereedschap op het tabblad Evalueren voor de precieze vertaallengte. Maak vervolgens een cirkelvormige extrusie van dit nieuwe vlak naar de onderkant van de hoofdpost om een gecentreerd platform te creëren voor de bovenkant van de hoofdpost. Lijn de boven- en onderkant van de hoofdpost uit met behulp van verplaatsen of kopiëren.Specificeer de bovenkant van de hoofdpost als het lichaam dat moet worden verplaatst en stel drie partners in het beperkingenmenu in. Zorg ervoor dat de omlijnde randen van de oppervlakken van het laatste paarparen concentrisch zijn gekoppeld. Koppel vervolgens een verticale lijn op de achterste poot van de hoofdpaal met een horizontale lijn op de achterkant van de bovenkant van de hoofdpaal loodrecht.Controleer de richting van elke verbinding en pas indien nodig de koppelingsrichtingen in het menu aan.