Der Aufbau einer Open-Source Robotic stereotaktischen Instrument

Zusammenfassung

Dieses Protokoll enthält die Entwürfe und Software notwendig, um eine vorhandene stereotaktischen Instrument, um einem Roboter-Upgrade (CNC-gesteuert, CNC) stereotaktischen Instrument für rund $ 1.000 (ohne Bohrer).

Zusammenfassung

Dieses Protokoll enthält die Entwürfe und Software notwendig, um eine vorhandene stereotaktischen Instrument an einen Roboter (CNC) stereotaktischen Instrument für rund $ 1.000 (ohne Bohrer) zu aktualisieren, mit Industrie-Standard-Schrittmotoren und CNC-Steuerungssoftware. Jede Achse hat variable Drehzahlregelung und können gleichzeitig oder unabhängig voneinander betrieben werden. Die Flexibilität des Roboters und offene Kodierungssystem (G-Code) ist es in der Lage ist benutzerdefinierte Aufgaben, die nicht von kommerziellen Systemen unterstützt werden. Die Anwendungen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, das Bohren von Löchern, scharfe Kante Kraniotomien, Schädel Ausdünnung, und Senken Elektroden oder Kanüle. Um das Schreiben der für einfache Operationen g-Kodierung zu beschleunigen, haben wir eigene Skripte, die Individuen, um eine Operation ohne Programmierkenntnisse entwerfen lassen entwickelt. Für Anwender, die meisten aus der motorisierten stereotax zu bekommen, wäre es von Vorteil Kenntnisse in der mathematischen Programmierung und G-Coding (einfache prog zu seinRammen für die CNC-Bearbeitung).

Die empfohlene Bohrerdrehzahl größer als 40.000 Umdrehungen pro Minute. Der Schrittmotor Auflösung 1,8 ° / Schritt, um 0,346 ° / Step ausgerichtet. Ein Standard-stereotax hat eine Auflösung von 2,88 um / Schritt. Die maximal empfohlene Schnittgeschwindigkeit beträgt 500 um / sec. Die maximal empfohlene Jogging-Drehzahl beträgt 3.500 um / sec. Die maximal empfohlene Bohrergröße ist HP 2.

Einleitung

Stereotaktische Nagetier-Operation wird in einer Vielzahl von Anwendungen der Neurowissenschaften, einschließlich der Läsion ^{1, 2} Iontophorese, Mikroimplantation ^{3, 4} Stimulation, und dünne Schädelbild ⁵ verwendet. Allerdings gibt es große Hürden, die diejenigen, die diese Techniken, einschließlich der steilen Lernkurve für die Durchführung präzise stereotaktische Operation und der hohen Wahrscheinlichkeit von menschlichen Fehlern anwenden möchten. Menschliche Fehler sind Mess-und Berechnungsfehler, sowie die geringe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der menschlichen Bewegungen. In dem Bemühen, diese Störfaktoren Fehler zu reduzieren, würde die stereotaktische Chirurgen aus einem System, das sicherstellt, dass alle chirurgischen Verfahren sind identisch für Probanden profitieren. Die Reduzierung von Fehlern ist auch eine Methode, mit der Ermittler die Verwendung von tierischen Themen, ein primäres Ziel der National Institutes of Health für die Tierversuche ⁶ zu minimieren. In einer idealen Welt, alle stereotactic Operationen würde perfekt reproduzierbare Experimente innerhalb als auch zwischen Labors. Um dieses Problem anzugehen, haben die Unternehmen neue ultra-präzise stereotaxics und digitale Displays zum Lesen Messungen entwickelt. Um menschliche Bewegungsfehler zu entfernen, wurden motorisierten Mikromanipulatoren und stereotaxics kommerziell hergestellt, aber ihre hohen Kosten prohibitiv zu einem Labor mit einem begrenzten Budget. Auch ist ihre Software vollständig geschützt sind und nicht durch den Forscher modifiziert, um eine neue Art der Operation anzupassen.

Eine kostengünstige Lösung für den menschlichen Fehler Problem ist es, einen Roboter stereotax aus bestehenden Modell eines Labor zu bauen, mit Industrie-Standard-CNC-Ausrüstung. Aufgrund einer wachsenden CNC Bastler-Community, die Materialien sind deutlich günstiger als wissenschaftliche Geräte. Dies erlaubt es, eine genaue CNC stereotaktischen Instrument, das auch sehr flexibel und kostengünstig zu bauen. Mit einer Grundkenntnisse der CNC-Bearbeitung und G-Code individuellALS kann jede stereotaktischen Operation, dass sie sich vorstellen, zu programmieren, ohne die Beschränkungen proprietärer Software. Und, um die Produktion von G-Code für einfache Operationen zu beschleunigen, enthält dieses Protokoll-Software, die dem Benutzer Operationen (scharfe Kante Kraniotomie, dünne Schädelfenster, Lochbohren &-Implantat Senken) im Punkt Design und klicken Sie auf Menüs ermöglicht. Diese Programme Ausgang eine abgeschlossene g-Code, der direkt von der CNC-Software ausgeführt werden kann.

Alles in allem ist ein motorisierter stereotaktischen Upgrade ideal für diejenigen, die ein Interesse an der Erhöhung der Genauigkeit und Wiederholbarkeit von Operationen, unter Beibehaltung der Flexibilität und niedrige Kosten für eine Open Source-Plattform haben.

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Protokoll

1. Leiter Der bipolare Schrittmotoren durch Verschrauben der Drähte in die mit dem Treiber-Platine geliefert Steckverbinder. Aderfarben auf bipolare Schrittmotoren sind standardisiert (Abbildung 1).
   Hinweis: Die beschriebenen Schrittmotoren verfügen über eine Auflösung von 1,8 ° / Schritt, um 0,346 ° / Schritt ausgerichtet. Ein Standard-stereotax hat 3 mm/360 ° des Reisens. Die endgültige Auflösung ist 2.88 um / Schritt. Die Motoren sind auch in der Lage fraktionierte Schritt.
   1. Das grüne Kabel auf A +, verbinden Sie das schwarze Kabel mit A-, verbinden Sie das rote Kabel an B + und die blaue Ader zu B-.
2. Schieben Sie die Kopplern über die Schrittmotoren, wobei darauf geachtet, die Befestigungslöcher ausrichten und befestigen Sie sie mit 12x M3 Kantschrauben (20 mm) (Abbildung 2).
   1. Sicherzustellen, dass die Kuppler sind fest mit den Motoren verbunden.
      Hinweis: Die 3D-Modelle enthalten keine Threads. Die Teile sind mit Gewinde markiert, aber sie müssen abgegriffen werden nachdem siehergestellt.
3. Entfernen Sie die Befestigungsschrauben aus den Daumenmulden auf allen 3 Achsen des stereotaktischen Instrument mit einem kleinen Inbusschlüssel. Die Daumenmulden sind mit Gewinde versehen, so schalten Sie sie gegen den Uhrzeigersinn, für die Entfernung. Halten Sie die PTFE Unterlegscheiben an Ort und Stelle auf dem Arm (Abbildung 3).
4. Schrauben Sie das Gewindeende der Kragen auf die Gewindestangen der Arme des stereotaktischen Instrument (Abbildung 3).
   1. Stellen Sie sicher, gibt es keine Lücke zwischen den Kragen und PTFE-O-Ringe. Dies garantiert, dass Koordinaten beibehalten werden, wenn der Roboter die Richtung ändert.
   2. Sichern Sie sich die Halsbänder auf die Gewinde der stereotaktischen Arme mit 3x NF10-32 (1/4 Zoll) Tasse Punkt Stellschrauben.
   3. Schieben Sie die Motor-und Kupplungs über den Kragen & stereotaktischen Arme. Stellen Sie sicher, dass die Motoren bündig mit den Armen, und die eingestellten Schraubenlöcher an den Kragen Linie mit dem flachen Teil der Motorwellen (Abbildung 4).
   4. Sichern Sie die Zusammenarbeituplers auf die stereotax mit den Befestigungslöchern und 6x NF10-32 (1/2 Zoll) Ringschneide-Schrauben (Bild 4).
   5. Sicherung der Kragen an den Motorwellen mit 3x NF10-32 (1/4 Zoll) Gewindestifte (4).
5. Bereiten Sie die CNC-Treiber-Platine, indem jeder der Controller-Pins zur Hälfte Schritt.
   Hinweis: Diese Schrittmotor-Treiber kommt als ausgesetzt Platine. Ein Fall aufgebaut werden kann, obwohl es nicht notwendig ist. Auch kann eine Anzahl von verschiedenen bipolaren Schrittmotor-Treiber verwendet werden. Wenn dem so ist, dafür sorgen, dass die Setup-Anweisungen für die spezifische Bord gekauft gefolgt.
   1. Alle 6 Pins pro Schrittmotor Richten Sie in der gleichen Weise. Half-Stepping ermöglicht die doppelte Schrittauflösung in Grad / Schritt (Abbildung 5).
   2. Flip Pin 1 mit dem auf Position, Pin 2 in die Stellung, Pin 3 mit der auf Positiontion, Pin 4 in die Stellung, Pin 5 an die Position auf, und Pin 6 in die Stellung (Abbildung 5).
6. Stecken Sie die Motoren (X - Y - Z) in den Schrittmotor-Treiber, zusammen mit dem 12-V-Stromversorgung. Die korrekte Anordnung auf der Treiber gekennzeichnet. Außerdem bringen Sie die Schrittmotor-Treiber an die serielle Schnittstelle eines Computers mit einem DB25cable (Abbildung 6).
7. Installieren CNC-Fräs-Software auf einem Personal Computer (diese müssen in einem chirurgischen Fläche möglich) nach den Standardanweisungen. Einmal installiert, öffnen Sie die Software, um die Konfiguration zu starten.
   1. Konfigurieren Sie die Software mit den Schrittmotoren zu kommunizieren.
      Hinweis: Die folgenden Anweisungen sind nur für die Verwendung mit der TB6560 Schrittmotor-Treiber gedacht.
   2. Klicken Sie wie folgt durch die Software-Menüs. Öffnen → Config → Ports und Pins→ Ausgangssignale. Füllen Sie die Eingabeaufforderung Abbildung 7 entsprechen und schlug an.
   3. Klicken Sie wie folgt durch die Software-Menüs. Öffnen → Config → Ports und Pins → Eingangssignale. Füllen Sie die Eingabeaufforderung Abbildung 8 entsprechen und schlug an.
   4. Klicken Sie wie folgt durch die Software-Menüs. Öffnen → Config → Ports und Pins → Motor Ausgänge. Füllen Sie in der Eingabeaufforderung zu Abbildung 9 entsprechen und schlug an.
   5. Klicken Sie wie folgt durch die Software-Menüs. Öffnen → Config → Motor-Tuning. Füllen Sie die Eingabeaufforderung Abbildung 10 entsprechen und klicken Sie auf Speichern Achseneinstellungen. Wiederholen Sie den vorherigen Schritt für alle drei Achsen mit den gleichen Werten.
8. Kalibrieren Sie den stereotax der Skala der CNC-Software.
   Hinweis: Die Software ist für Standardfräsmaschinen entwickelt, so seine Maßeinheit wird nicht proportional zur Reise eines stereotaktischen Instrument sein.
   1. Stellen der Motoren Geschwindigkeit bis 1 Zoll pro Minute und "Jog" der stereotaktischen Instrument der Z-Achse mit PgUp / PgDn auf den Millimeter genau.
      Hinweis: Die maximal empfohlene Jogging-Drehzahl beträgt 3.500 um / s und die maximale empfohlene Schnittgeschwindigkeit beträgt 500 um / sec.
   2. Null die Z-Achse und die Jog stereotaktischen Instrument 1 mm. Die zurückgelegte Strecke auf der Z-Achse in Mach3 ist das "Skalierungskonstante". Maschinenkoordinaten werden durch Multiplikation Schädel Koordinaten (mm) von der "Skalierung Constant" bestimmt.
   3. Führen Stichproben von allen 3 Achsen durch Programmierung ihnen einige bekannte Strecken, und sicherzustellen, dass die Bewegungen korrekt sind. Wenn die stereotax Reise ist zu weit oder kurz, ändern Sie die Skalierungskonstante entsprechend.
      Hinweis: Sobald Skalierung abgeschlossen ist, kann die mitgelieferten benutzerdefinierte Skripts verwendet werden, um G-Code für Arztpraxen zu generieren. Allerdings ist es sehr empfehlenswert, dass Benutzer mit G-Code vertraut zu machen, bevor Sie automatisch generierenOperationen. Dies ist zwingend notwendig für die Fehlersuche und Änderung automatisierten Operationen.
9. Befestigen Sie den Mikromotor Bohrer an den stereotaktischen Instrument mit dem extra großen Sondenhalter. Hinweis: Die empfohlene Mindestbohrergeschwindigkeit 40.000 Umdrehungen pro Minute.
10. Automatische Generierung G-Code für eine scharfe Kante Kraniotomie mit 3 Schädel Schraubenlöcher.
    1. Zeigen alle benutzerdefinierte Skripts aus der Software-Tabelle in einem einzigen Ordner auf einem PC.
    2. Öffnen Sie das Script "SharpEdgeCraniotomy.m" und führen Sie den Code.
    3. Wählen Sowohl auf die Eingabeaufforderung "Welche Art von Chirurgie werden Sie durchführen?" (Abbildung 11).
    4. Wählen Sie Benutzerdefiniert, um die Ecken des Schädels Fenster definieren. Bitte geben Sie in jeder Eingabeaufforderung auf Abbildung 12 entsprechen.
    5. Definieren die X-und Y-Positionen der Kraniotomie Ecken. Jede Koordinate müssen in der richtigen Reihenfolge eingegeben werden, nach dem Beispiel in Abbildung 13 .
    6. Geben Sie 3 in der Eingabeaufforderung zu 3 Schädel Löcher (Abbildung 14) zu produzieren.
    7. Wählen Sie anhand von Koordinaten definieren, und geben Sie die Koordinaten von jedem Loch aus der Vorlage in Abbildung 15.
       Hinweis: Wenn genauen Koordinaten sind nicht wichtig, es gibt eine Option, um die Löcher Positionen auf einem Bild eines Rattenschädel zeigen und klicken. Positionen werden automatisch erzeugt werden.
    8. Definieren Sie die Bohr-Parameter. Für die ersten Tests Chirurgie, die Standardwerte.
       Hinweis: Diese Werte sind abhängig von den Schrittmotoren, und das Tier Schädel. Jede Ratte Rasse und Zielort hat eine etwas andere Schädeldicke. Für die ersten paar Operationen mit diesem Gerät, sei bereit, die Bohrtiefen testen und alle restlichen Schädelstücke manuell zu entfernen. Die Werte können dann für zukünftige Operationen (Fig. 16) geändert werden.
    9. Nennen Sie den G-Code, es wird automatisch generiert und sa werdenin das Arbeitsverzeichnis ved.
11. Legen Sie die G-Code in die CNC-Fräs-Software und eine Test Schädel in die stereotaktischen Instrumenten Ohr Bars.
    1. Manuelles joggen den Bohrer zu Bregma mit den Pfeiltasten. Verwenden Sie eine langsame Tippgeschwindigkeit (~ 5 Zoll / m), um die Genauigkeit zu gewährleisten.
    2. Starten Sie den Bohrer bei mehr als 38.000 Umdrehungen pro Minute rotiert.
    3. Presse Cycle, die stereotax viele Pässe der gleichen Schnitt durchzuführen, in verschiedenen Tiefen. Zwischen jedem Durchgang wird die stereotax anzuhalten, so kann der Chirurg fortsetzen oder abbrechen Schneiden. Fortfahren drücken Zyklus (Alt-R), um fortzufahren Schnittaufteilung.

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Ergebnisse

Das Ergebnis der Operation in den Methoden entwickelt, wird eine Ratte Schädel mit einer scharfen Kante Kraniotomie und 3 Schädel Löcher (Abbildung 17) sein. Beachten Sie, daß der Schädel verwendet, um die Operation zeigen, viel breiter als der protoRattenSchädel. Die scharfe Kante Kraniotomie kann verwendet werden, um einen Mikroarray in das Gehirn, für High-Density-Aufnahmen neuronalen einzulegen. Die CNC stereotax können auch verwendet werden, um die Anordnung mit hoher Genauigkeit zu senken....

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Diskussion

Die Verwendung von automatischen Chirurgiegeräte hilft, einige der häufigsten Probleme in der neurowissenschaftlichen Forschung zu beseitigen. Erstens sind die Werkzeugwege 100% reproduzierbar. Jeder Schnitt ist garantiert in der gleichen Position relativ zum Bregma sein. Zweitens sollte es Experimentator Fehler zu reduzieren. Obwohl viele Forscher sind hoch qualifizierte Chirurgen, dauert es ein außergewöhnliches Maß an Übung, um auch ein kompetenter Chirurg zu werden. Dieses Gerät ermöglicht es neuen Studenten...

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Materialien

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.