visualizing the brain and craniotomized skull for virtual surgical planning

Modélisation 3D automatisée du cerveau et du crâne à partir de l’IRM pour la planification neurochirurgicale des PNH

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.

Pleins feux sur l’auteur : Modélisation simplifiée du cerveau et du crâne pour une planification neurochirurgicale améliorée dans la recherche sur les PNH

Une boîte à outils de conception d’implants neuronaux pour les primates non humains

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.

Visualisation du cerveau et du crâne craniotomisé pour la planification chirurgicale virtuelle

Pour commencer, procurez-vous un fichier ECHO ou MP-RAGE à gradient de magnétisation rapide T-1 du crâne et du cerveau à l’aide d’un appareil IRM 3T. Entrez le nom du fichier MP-RAGE dans la fenêtre de commande et vérifiez que l’image IRM s’affiche correctement. Suivez les instructions de la ligne de commande pour isoler le crâne.Sélectionnez une valeur seuil qui sépare efficacement le crâne des autres tissus sans perdre de matière crânienne, puis appuyez sur Y pour confirmer cette valeur. Utilisez une méthode similaire pour isoler le cerveau. Entrez une valeur seuil pour le cerveau lorsque vous y êtes invité et ajustez si nécessaire pour vous assurer que le cerveau est nettement séparé du crâne et des autres tissus.Appuyez sur Y pour confirmer la valeur sélectionnée. Pour déterminer les coordonnées de la craniotomie, choisissez un cadre Z et sélectionnez un point sur le cadre Z choisi pour le centre de craniotomie. Sur la figure montrant le cerveau et le crâne, placez des points pour couvrir la région d’intérêt pour une représentation précise du crâne.Pour importer le fichier dans un logiciel de CAO pour la conception de chambres personnalisées, ouvrez le logiciel, puis accédez au fichier, cliquez sur ouvrir et sélectionnez le fichier de réduction STL dans le répertoire. Après cela, cliquez sur options et dans le menu Importer sous, sélectionnez le corps de la surface et cliquez sur OK. Maintenant, visualisez la surface du crâne pour la chambre dans un logiciel de CAO, en vous assurant que les bords de la zone sélectionnée sont clairement visibles dans la représentation du crâne.Pour esquisser la forme de la jupe de la chambre sur le plan créé, faites le cercle intérieur de la chambre et centrez-le autour du point sur le plan supérieur. À l’aide d’un mélange d’arcs et de lignes, construisez la limite extérieure de la jupe de la chambre pour maximiser la surface, puis extrudez jusqu’à la plus basse des deux surfaces. Ensuite, effectuez une découpe d’extrusion du plan supérieur à la plus haute des deux surfaces copiées, en suivant la forme du contour de la chambre.Supprimez les deux copies restantes de la surface importée pour exposer la jupe de la chambre et la bague intérieure. Utilisez la fonction de déplacement ou de copie pour déplacer la jupe directement sous le haut de la chambre, assurant une translation précise vers le bas. Ensuite, extrudez les objets du haut de la chambre vers la jupe pour les connecter.À l’aide de l’extrusion, du bossage ou de la base, sélectionnez la surface inférieure du haut de la chambre et créez une esquisse avec les mêmes rayons intérieur et extérieur que l’anneau centré autour de l’axe central. Réglez la direction d’extrusion jusqu’au corps, en ciblant la jupe de la chambre. Pour concevoir le poteau de tête, enregistrez les fichiers STL du cerveau et du crâne pour une éventuelle impression 3D.Utilisez la réduction de taille STL pour extraire la région du crâne entourant la chambre afin de créer une empreinte de tige de tête à importer dans le logiciel de conception. Sélectionnez ensuite Y pour activer la réduction de la taille STL. Choisissez des points sur l’image montrant le cerveau et le crâne ensemble, en assurant une répartition étroite et uniforme sur la zone grise du crâne.Importez le fichier de taille réduite en tant que corps de surface dans un logiciel de CAO pour concevoir l’empreinte personnalisée du poteau de tête. Ensuite, utilisez l’extrusion, le bossage ou la base pour sélectionner le nouveau plan et esquisser l’empreinte du poteau de tête à l’aide d’arcs et de lignes. Utilisez des arcs pour lisser les arêtes autour de l’empreinte et extrudez l’esquisse sur la surface importée.Effectuez une coupe extrudée de la surface plane de l’empreinte du poteau de tête à la surface copiée. Ensuite, supprimez la surface d’origine et sa copie. Maintenant, créez un nouveau plan, parallèle au plan de référence, déplacé vers le haut ou vers le bas pour planer à au moins un millimètre au-dessus du bas de la tige de tête.Utilisez l’outil de mesure dans l’onglet Évaluer pour obtenir une longueur de translation précise. Ensuite, faites une extrusion circulaire de ce nouveau plan vers le bas du poteau de tête pour créer une plate-forme centrée pour le haut du poteau. Alignez le haut et le bas de la tige de tête à l’aide du déplacement ou de la copie.Spécifiez le haut du poteau comme corps à déplacer et définissez trois contraintes dans le menu des contraintes. Assurez-vous que les arêtes délimitées des surfaces de la dernière paire de partenaires sont accouplées de manière concentrique. Ensuite, accouplez une ligne verticale sur la jambe arrière du poteau de tête avec une ligne horizontale à l’arrière du haut du poteau de tête perpendiculairement.Vérifiez la direction de chaque connexion et ajustez les directions d’accouplement dans le menu si nécessaire.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Visualizing the Brain and Craniotomized Skull for Virtual Surgical Planning

A Neural Implant Design Toolbox for Nonhuman Primates

This paper describes an in-house method of 3D brain and skull modeling from magnetic resonance imaging (MRI) tailored for nonhuman primate (NHP) ...

Recherche

Bio-ingénierie