非人灵长类神经植入物设计工具箱

我们的研究提供了一种高效且自动化的脑部与颅骨建模方法，有助于神经外科手术规划及定制化植入物的设计。该方法可在单一软件平台上同步提取脑部和颅骨模型，无需额外的成像过程（如计算机断层扫描）。近年来，针对非人灵长类动物（NHP）神经外科手术规划，医学影像（如MRI或CT扫描）中的虚拟脑部与颅骨建模已得到 increasingly 广泛的应用。

这些模型结合 3D 设计软件和 3D 打印技术，可实现为动物特定实验定制化制造植入物。许多非人灵长类神经科学实验需要使用慢性颅腔套管和头部固定柱。使用通用型植入物会在植入物与颅骨之间产生间隙，可能导致感染率升高、骨坏死以及植入物不稳定，从而影响实验结果并损害动物福利。

我们的定制植入物可减少间隙及其后续问题。本方案为研究人员提供了一种更精确且高效的神经外科手术规划流程。它提高了手术规划的有效性，减少了与非人灵长类动物神经科学研究实验相关的并发症，从而整体上提升了科研结果的质量。

首先，使用3T磁共振成像（MRI）设备获取颅骨和脑部的T1快速磁化准备梯度回波（MP-RAGE）图像文件。在命令窗口中输入MP-RAGE文件的名称，并确认MRI图像正确显示。按照命令行提示操作，分离颅骨。

选择一个能有效将颅骨与其他组织分离而不丢失颅骨组织的阈值，并按 Y 键确认该值。采用类似方法进行脑组织分离。当系统提示时，输入脑组织的阈值，并根据需要进行调整，以确保脑组织与颅骨及其他组织清晰分离。

按 Y 键确认所选数值。为确定开颅坐标，请选择一个 Z 平面，并在选定的 Z 平面上选择开颅中心点。在显示脑和颅骨的图像上，放置多个点以覆盖目标区域，从而实现精确的颅骨表征。

要将文件导入CAD软件以进行定制化腔室设计，请先打开软件，然后依次点击“文件”、“打开”，从目录中选择STL简化文件。接着点击“选项”，在“导入为”菜单中选择“曲面体”，然后点击“确定”。现在在CAD软件中查看用于腔室的颅骨表面，确保所选区域的边缘在颅骨模型中清晰可见。要在已创建的平面上绘制腔室裙边形状，请绘制腔室的内圈，并将其中心对准上层平面上的指定点。

结合使用圆弧和直线，构建腔室裙边的外边界以最大化面积，然后向两个表面中较低的一个进行拉伸。接着，沿腔室轮廓的形状，从上平面到两个复制表面中较高的一个执行拉伸切除操作。删除导入表面的两个剩余副本，以露出腔室裙边和内环。

使用移动或复制功能将裙边精确地移至腔室顶部正下方，确保实现精确的向下平移。然后从腔室顶部的底端向裙边进行拉伸，以连接这两个部件。使用拉伸凸台或基体功能，选择腔室顶部的底面，并围绕中心轴创建一个草图，其内径和外径与环形结构相同。

将挤出方向设置为朝向实体，目标为腔室裙边。为设计头部固定柱，保存脑组织和颅骨的STL文件，以用于潜在的3D打印。使用STL尺寸缩小功能，提取颅骨中围绕腔室的区域，生成头部固定柱的轮廓，以便导入设计软件。

然后选择 Y 以激活 STL 尺寸缩减功能。在显示脑组织与颅骨的整体图像上选取点，确保在灰色的颅骨区域上分布紧密且均匀。将尺寸缩减后的文件作为曲面体导入 CAD 软件，用于设计定制化头固定柱的底座轮廓。

然后，使用拉伸凸台或基体功能选择新平面，并利用圆弧和直线绘制头枕底座的轮廓。在轮廓周围使用圆弧以获得平滑边缘，将草图拉伸至导入的曲面。从头枕底座的平面部分执行拉伸切除，直至复制的曲面。

随后删除原始曲面及其副本。现在创建一个新的平面，该平面平行于参考平面，并向上或向下平移，使其至少位于头固定杆底部上方一毫米处。使用测量工具和评估选项卡来精确确定平移距离。

然后从此新平面到头柱底部创建一个环形拉伸，以形成与头柱顶部对齐的中心平台。使用移动或复制功能对齐头柱的顶部和底部。在约束菜单中指定头柱顶部为要移动的实体，并设置三个配合关系。

确保最后一对配合表面的轮廓边缘同心对齐。然后将头柱后侧支腿上的垂直线与头柱顶部后侧的水平线垂直相交配合。检查每个连接的方向，并在菜单中根据需要调整配合方向。