建设一个开放源码的机器人立体定位仪

摘要

该协议包括了设计和必要的软件来升级现有的立体定位仪的机器人（控制计算机数值; CNC）立体定位仪在1000美元左右（不包括钻头）。

摘要

该协议包括必要的设计和软件升级现有立体定位仪的机器人（CNC）立体定位仪为大约$ 1,000（不包括钻头），使用行业标准的步进电机和数控控制软件。每个轴具有可变速度控制，并且可以同时地或独立地操作。机器人的灵活性和开放的编码系统（G代码），使其能够执行不支持由商业系统的自定义任务。其应用包括，但不限于，钻孔，尖锐边缘开颅手术，颅骨变薄，并降低电极或插管。为了加快G-编码的简单手术的写作，我们已经开发的自定义脚本，允许个人设计一个手术，没有编程知识。然而，为用户获得最大的电动stereotax的，这将是有益的知识渊博的数学规划和G-编码（简单的编冲压数控加工）。

建议钻孔速度大于40000转。步进电机的分辨率为1.8°/步，面向0.346°/步。标准stereotax有2.88微米/步的分辨率。建议的最高切割速度为500微米/秒。建议的最高点动速度是3500微米/秒。建议的最高钻头大小是惠普2。

引言

立体定向手术啮齿动物被用在各种各样的神经科学应用，包括lesioning ^1，离子电渗疗法^2，微丝植入^3，刺激^4，和薄颅骨成像^5。不过，也有面向那些谁想要应用这些技术，包括用于执行精确的立体定向手术的陡峭的学习曲线和人为错误的几率高主要障碍。人为错误包括测量和计算失误，以及低精度和可复制人类的动作。在努力减少这些干扰错误，立体定向外科医生将受益于一个系统，它可以确保所有的外科手术跨学科完全相同进行。错误的减少，也是一种方法，通过它可以调查尽量少用动物学科，美国国立卫生研究院的动物实验⁶的主要目标。在一个理想的世界里，所有的stereotactic手术将完全复制中的实验和实验室之间。为了解决这个问题，公司已经开发出新的超精密stereotaxics，和数字显示器读取测量结果。若要移除人体运动的错误，电动微型机器人和stereotaxics进行商业化生产，但其成本高，让人望而却步，以在有限的预算的实验室。此外，他们的软件是完全私有的，并且不能由研究者修改，以适应新类型的手术。

经济实惠的解决方案，以人为错误的问题是从实验室现有的模型建立一个机器人stereotax，使用行业标准的数控设备。因为一个新兴的数控爱好者社区，该材料​​是显著更便宜比科研设备。这允许一个建立一个准确的数控立体定位仪，这也是高度灵活和便宜。随着数控加工及G-Code，individu的基本知识ALS可以设定任何立体定向手术，他们想象，如果没有专有软件的限制。而且，为了加快生产的G代码进行简单的手术，这个协议包括软件，允许用户设计手术（锐边开颅手术，颅骨变薄窗口，钻孔和植入物降低）内的点，然后单击菜单。这些程序输出一个完整的G-代码，可以直接从CNC软件运行。

总之，机动立体升级是非常适合那些谁拥有权益的增加手术的准确性和可复制性，同时保留一个开源平台的灵活性和低成本。

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研究方案

1. 拧动线与驱动板提供的连接器线的双极步进电机。线的颜色上双极步进电动机是标准化的（ 图1）。
   注：所描述的步进电机的分辨率为1.8°/步，面向0.346°/步。标准stereotax有旅游3 mm/360°。最终的分辨率为2.88微米/步。该电机还能够小数步进的。
   1. 绿色线连接到A +，黑线连接至A-，红色线连接到B +和蓝线连接到B-。
2. 滑动耦合器在步进电机，注意对准安装孔，并用12倍 M3六角螺钉（20毫米）（ 图2）固定。
   1. 确保该耦合器被牢固地连接到电机。
      注：3D模型不包括线程。部分标有螺纹尺寸，但它们必须被窃听他们毕竟制造。
3. 从立体定位仪的使用小六角扳手所有3个轴的拇指握把取下固定螺丝。拇指握把有螺纹，所以将它们逆时针去除。保持PTFE垫圈代替在臂（ 图3）。
4. 用螺丝将衣领的螺纹端上的立体定位仪的武器的螺纹杆（ 图3）。
   1. 确保有衣领和PTFE O形圈之间没有间隙。这保证了坐标保持在机器人改变方向。
   2. 固定衣领上使用3倍 NF10-32（1/4英寸）杯点紧定螺钉立体定位臂的线程。
   3. 将每个电机和耦合器在衣领和立体定向武器。确保电机坐与臂平齐，并且在套环的固定螺丝孔与电动机轴的平面部分（ 图4）。
   4. 安全合作使用该安装孔和6倍 NF10-32（1/2英寸）杯点紧定螺钉（ 图4）uplers到stereotax。
   5. 固定套环，以使用3×NF10-32（1/4英寸）的固定螺钉（ 图4）的电机轴。
5. 由每个控制器引脚设置为半步制备数控驱动板。
   注：该步进电机驱动器来作为一个暴露的电路板。情况可以是内置的，尽管它不是必需的。另外，也可以使用许多不同的双极步进电机驱动器。如果是这样，请确保遵循针对购买的特定电路板的安装说明。
   1. 对齐所有6针每步进电机以同样的方式。半步允许在度/步（ 图5）步进分辨率的两倍。
   2. 翻转针1到ON的位置，针2至关闭位置，引脚3 上的位置化，引脚4到关闭位置，引脚5到ON位置，和引脚6到关闭位置（ 图5）。
6. 请将电机（X - Y - Z）为步进电机驱动器，以及12 V电源。正确的位置上标有驱动程序。此外，使用DB25cable（ 图6）连接步进驱动器到计算机的串行端口。
7. 安装数控铣床软件安装到个人计算机（这将需要位于手术区域）以下的默认指令。一旦安装完毕，打开开始配置软件。
   1. 配置软件与步进电机进行通信。
      注：以下说明适用于只使用与TB6560的步进电机驱动器。
   2. 点击进入该软件的菜单如下。打开→配置→端口和引脚→输出信号。在提示填写，以配合图7和命中适用。
   3. 点击进入该软件的菜单如下。打开→配置→端口和引脚→输入信号。在提示填写，以配合图8和命中适用。
   4. 点击进入该软件的菜单如下。打开→配置→端口和引脚→电机输出。在提示填写，以配合图9和命中适用。
   5. 点击进入该软件的菜单如下。打开→配置→电机调谐。在提示匹配图10，然后单击保存轴设置填充。重复使用相同值的所有3个轴的上一步。
8. 校准stereotax到CNC软件的规模。
   注：该软件是专为标准铣床，所以衡量其单位不会成比例立体定位仪的旅行。
   1. 电机“速度设定为每分钟1英寸，而”点动“立体定位仪的Z轴与上一页/下一页至毫米。
      注：建议的最高点动速度是3500微米/秒，最大推荐的切削速度为500微米/秒。
   2. 零的Z轴，以及操控立体定位仪1毫米。在Z轴中Mach3的行驶距离是“缩放常数”。机床坐标系是由“缩放常数”相乘头骨坐标（毫米）来确定。
   3. 通过编程他们前往一些已知的距离执行所有3个轴的抽样测试，确保运动是准确的。如果stereotax行程过远或短，相应地修改比例常数。
      注意：一旦缩放完成后，包括自定义脚本可用于生成G代码进行手术。但是，我们强烈建议用户熟悉G代码试图自动生成前手术。这是绝对必要的故障排除和修改自动手术。
9. 使用超大探头支架装上微型马达钻立体定位仪。注：推荐的最小钻头转速为40,000 RPM。
10. 自动生成G代码与3头骨螺丝孔锐边开颅手术。
    1. 将所有的软件表中的自定义脚本到PC上的一个文件夹。
    2. 打开脚本“SharpEdgeCraniotomy.m”并运行代码。
    3. 选择两者的提示“是什么类型的手术你会被执行？” （ 图11）。
    4. 选择自定义 ，定义骨窗的角落。在每个提示填写匹配图12。
    5. 定义的开颅角落的X和Y位置。每个坐标必须以正确的顺序被输入，根据该示例在图13中的信息。
    6. 在提示符下输入3，产生3骷髅洞（ 图14）。
    7. 选择定义使用坐标 ，并从图15中的模板输入每个孔的坐标。
       注意：如果精确坐标并不重要，有一个选项来指向和点击孔的立场到大鼠头骨的图像。头寸将被自动生成。
    8. 定义钻孔参数。对于第一次测试的手术，接受默认值。
       注意：这些值依赖于步进电机，和动物的头骨。每鼠品种和目标位置有一个稍微不同颅骨厚度。对于使用该设备的初始几个手术，准备测试钻井深度和手动删除任何剩余的头骨碎片。的值可以被修改为将来手术（ 图16）。
    9. 名称G代码，它会自动生成和SA粘弹性阻尼器的工作目录。
11. 加载克码到数控铣床软件和测试颅骨插入立体定位仪器耳棒。
    1. 使用箭头键手动慢跑钻头前囟门。使用低速点动速度（〜5英寸/米），以确保准确性。
    2. 启动钻头旋转时大于38,000转。
    3. 按CycleStart;的stereotax将执行相同的切很多次传球，在不同深度。每遍之间，stereotax将暂停，所以外科医生可能会继续或中止切割。按继续循环 （按Alt-R）继续削减通行证。

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结果

设计中的方法，手术的最终结果将是一只老鼠颅骨用锋利的边缘开颅手术，以及3骷髅洞（ 图17）。注意，用来演示手术颅骨比原型大鼠颅骨宽得多。锋利的边缘开颅可用于插入一个微丝阵列进入大脑，对于高密度的神经录音。数控stereotax也可用于降低非常精确阵列。软件包含在本协议中，允许外科医生来定义微丝的参数，或套管降低。锋利的边缘开颅手术也可用于揭示运动皮层的大?...

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讨论

使用自动化手术设备有助于消除一些在神经科学研究中最常见的问题。首先，刀具路径是100％可重复的。每一个切割保证在相对位置前囟门一样。其次，它应该减少实验者错误。虽然许多研究人员都高度熟练的外科医生，它需要实践的一个特殊的量变得一个称职的外科医生。该设备将允许新的学生能够快速，轻松地进行高精度的手术。第三，电动手术设备应减少执行一个实验⁶所需的动物?...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1x Standard U Frame Stereotax	Kopf	Kopf	This protocol should work with most existing stereotaxic devices.
3x 12 V, 1.6 A, 233 oz-inch Geared Bipolar Stepper Motor	Phidgets	Robot Shop	Any high torque geared stepper motor should do.
1x 3 Axis CNC Stepper Motor Driver Board Controller	Toshiba	Ebay	Any 3 Axis CNC driver should do. Linked Item includes Mach3 CNC software.
2x Arm Couplers: medial-lateral (ML) & dorsal-ventral (DV)	custom machined	Part Drawings	These must be machined by your local machine shop. (costs will vary)
1x anterior-posterior (AP) Coupler	custom machined	Part Drawings	These must be machined by your local machine shop. (costs will vary)
3x Motor to Stereotax Collar	custom machined	Part Drawings	These must be machined by your local machine shop. (costs will vary)
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12x NF10-32 Cup Point Set Screws	McMaster Carr	½” Length	You will need 6 of each.
¼” Length
12x M3 Socket Head Screws (20 mm)	McMaster Carr	20mm Length	You will need 4 for each motor
1x Micro-Motor Drill	Buffalo Dental	X50	Any Micromotor drill will work.  At least 38,000 rpm recommended
1x 12 V DC Power Supply	12 Volt Adapters	12v DC – 7 Amp	Any 12 V DC PSU should work (ensure amperage rating is higher than the sum of the motors’ amperage).
1x Extra Large Probe Holder	Stoelting	Stoelting
1x Grade B Rat Skull	Skulls Unlimited	Skulls Unlimited
Mach 3 Mill	ArtSoft USA	Trial Download	Any Standard CNC controlling software should work.
Surgery Designer	Kevin Coffey David Barker	MATLAB File Exchange	These codes are available to modify. We accept no responsibility for your use or modification of code.