visualizing the brain and craniotomized skull for virtual surgical planning

Modelagem 3D automatizada de cérebro e crânio de ressonância magnética para planejamento neurocirúrgico NHP

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.

Autor em destaque: Modelagem simplificada do cérebro e do crânio para planejamento neurocirúrgico aprimorado na pesquisa de NHP

Uma caixa de ferramentas de design de implante neural para primatas não humanos

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.

Visualizando o Cérebro e o Crânio Craniotomizado para o Planejamento Cirúrgico Virtual

Para começar, adquira um arquivo T-1 de magnetização rápida preparado gradiente ECHO ou MP-RAGE do crânio e cérebro usando um aparelho de ressonância magnética 3T. Digite o nome do arquivo MP-RAGE na janela de comando e verifique se a imagem de ressonância magnética é exibida corretamente. Siga as instruções da linha de comando para isolar o crânio.Selecione um valor limite que efetivamente separe o crânio de outros tecidos sem perder a matéria do crânio e pressione Y para confirmar esse valor. Use um método semelhante para isolamento cerebral. Insira um valor limite para o cérebro quando solicitado e ajuste conforme necessário para garantir que o cérebro esteja distintamente separado do crânio e de outros tecidos.Pressione Y para confirmar o valor selecionado. Para determinar as coordenadas da craniotomia, escolha um quadro Z e selecione um ponto no quadro Z escolhido para o centro de craniotomia. Na figura que mostra o cérebro e o crânio, coloque pontos para cobrir a região de interesse para uma representação precisa do crânio.Para importar o arquivo para o software CAD para projeto de câmara personalizada, abra o software, vá para o arquivo, clique em abrir e selecione o arquivo STL Reduction no diretório. Depois disso, clique em opções e, no menu importar como, selecione o corpo da superfície e clique em OK. Agora, visualize a superfície do crânio para a câmara em software CAD, garantindo que as bordas da área selecionada sejam claramente visíveis na representação do crânio.Para esboçar a forma da saia da câmara no plano criado, faça o círculo interno da câmara e centralize-o em torno do ponto no plano superior. Usando uma mistura de arcos e linhas, construa o limite externo da saia da câmara para maximizar a área e, em seguida, extrudir para a parte inferior das duas superfícies. Em seguida, execute um corte de extrusão do plano superior para o superior das duas superfícies copiadas, seguindo a forma do contorno da câmara.Exclua as duas cópias restantes da superfície importada para expor a saia da câmara e o anel interno. Use a função mover ou copiar para deslocar a saia diretamente abaixo da parte superior da câmara, garantindo uma tradução precisa para baixo. Em seguida, extrudir os objetos da parte superior da câmara em direção à saia para conectá-los.Usando a extrusão, boss ou base, selecione a superfície inferior da parte superior da câmara e crie um esboço com os mesmos raios internos e externos do anel centrado em torno do eixo central. Ajuste a direção da extrusão para cima do corpo, visando a saia da câmara. Para projetar o headpost, salve arquivos STL de cérebro e crânio para impressão 3D em potencial.Use a redução de tamanho STL para extrair a região do crânio ao redor da câmara para a criação de uma pegada de cabeçote para importação em software de design. Em seguida, selecione Y para ativar a redução de tamanho STL. Escolha pontos na imagem que mostrem o cérebro e o crânio juntos, garantindo uma distribuição próxima e uniforme em toda a área cinzenta do crânio.Importe o arquivo de tamanho reduzido como um corpo de superfície para o software CAD para projetar a pegada personalizada do headpost. Depois, use extrude, boss ou base para selecionar o novo plano e esboçar a pegada do headpost usando arcos e linhas. Use arcos para bordas suaves ao redor da pegada e extrudir o esboço para a superfície importada.Execute um corte extrudado da superfície plana da pegada do cabeçote para a superfície copiada. Posteriormente, exclua a superfície original e sua cópia. Agora, crie um novo plano, paralelo ao plano de referência, traduzido para cima ou para baixo para pairar pelo menos um milímetro acima da parte inferior do poste da cabeça.Use a ferramenta de medida na guia avaliar para obter um comprimento de tradução preciso. Em seguida, faça uma extrusão circular deste novo plano para a parte inferior do poste da cabeça para criar uma plataforma centralizada para a parte superior da cabeceira. Alinhe a parte superior e inferior da cabeceira usando mover ou copiar.Especifique a parte superior da cabeceira como o corpo a ser movido e defina três companheiros no menu de restrições. Certifique-se de que as bordas delineadas das superfícies do último par de parceiros estejam acasaladas de forma concêntrica. Em seguida, acompanhe uma linha vertical na perna traseira do poste com uma linha horizontal na parte de trás do topo do poste perpendicularmente.Verifique a direção de cada conexão e ajuste as direções de acasalamento no menu, conforme necessário.

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) ...

Bioengenharia