Construire un open-source robotique stéréotaxique Instrument

Résumé

Ce protocole comprend les modèles et les logiciels nécessaires pour mettre à niveau un instrument stéréotaxique existant à un robot (numérique par ordinateur contrôlé; CNC) instrument stéréotaxique pour environ 1000 $ (à l'exclusion d'une perceuse).

Résumé

Ce protocole comprend les modèles et les logiciels nécessaires pour mettre à niveau un instrument stéréotaxique existant à un (CNC) instrument stéréotaxique robotisée pour environ 1000 $ (à l'exclusion d'une perceuse), à ​​l'aide de l'industrie des moteurs pas à pas standard et logiciel de contrôle CNC. Chaque axe a vitesse variable et peut être actionné en même temps ou indépendamment. La flexibilité du robot et le système de codage ouvert (g-code), il est capable d'effectuer des tâches personnalisées qui ne sont pas pris en charge par les systèmes commerciaux. Ses applications incluent, mais ne sont pas limités à, des trous de forage, craniotomies de bord pointu, crâne amincissement, et des électrodes ou canule abaissement. Afin d'accélérer la rédaction de g-codage pour les chirurgies simples, nous avons développé des scripts personnalisés qui permettent aux individus de concevoir une chirurgie sans aucune connaissance de programmation. Cependant, pour les utilisateurs de tirer le meilleur parti de la stereotax motorisé, il serait avantageux d'être informés de la programmation mathématique et G-codage (simples progéperonnage pour l'usinage CNC).

La vitesse de forage recommandée est supérieure à 40 000 tours par minute. La résolution de moteur pas à pas est de 1,8 ° / étape, visant à 0,346 ° / Étape. Un stereotax standard a une résolution de 2,88 um / étape. La vitesse de coupe maximale recommandée est de 500 um / s. La vitesse de jogging maximale recommandée est de 3500 um / s. La taille maximale recommandée de trépan de forage est HP 2.

Introduction

Chirurgie stéréotaxique rongeur est utilisé dans une grande variété d'applications, y compris les neurosciences lesioning ^{1, 2} iontophorèse, microfils implantation ^{3, 4} stimulation, et mince crâne imagerie ^5. Cependant, il ya des obstacles majeurs auxquels sont confrontés ceux qui souhaitent appliquer ces techniques, y compris la courbe d'apprentissage abrupte pour effectuer la chirurgie stéréotaxique précise et la haute probabilité d'erreur humaine. Les erreurs humaines comprennent la mesure et erreurs de calcul, ainsi que la faible précision et la reproductibilité des mouvements humains. Dans un effort pour réduire ces erreurs de confusion, les chirurgiens stéréotaxiques bénéficieraient d'un système qui garantit que toutes les procédures chirurgicales sont effectuées de façon identique dans toutes les disciplines. La réduction des erreurs est également une méthode par laquelle les chercheurs peuvent réduire l'utilisation de matières d'origine animale, l'objectif principal des Instituts nationaux de la santé pour l'expérimentation animale ^6. Dans un monde idéal, tout schirurgies tereotactic seraient parfaitement reproductible dans des expériences, et entre les laboratoires. Pour résoudre ce problème, les entreprises ont développé de nouvelles stereotaxics ultra-précis, et d'affichages numériques pour la lecture des mesures. Pour éliminer les erreurs du mouvement humain, manipulateurs micro et stereotaxics motorisés ont été produits dans le commerce, mais leur coût élevé peut être prohibitif pour un laboratoire avec un budget limité. De plus, leur logiciel est totalement propriétaire, et ne peut être modifié par le chercheur pour accueillir un nouveau type de chirurgie.

Une solution abordable pour le problème de l'erreur humaine est de construire un stereotax robotique à partir du modèle existant d'un laboratoire, en utilisant l'industrie des équipements CNC standard. Parce que d'une communauté en plein essor de l'amateur CNC, les matériaux sont nettement moins chers que les équipements scientifiques. Ceci permet de construire un instrument stéréotaxique CNC précise, ce qui est également très souple et peu coûteux. Avec une connaissance de base de l'usinage CNC et G-code, individuellementals peuvent programmer une chirurgie stéréotaxique qu'ils imaginent, sans les limitations des logiciels propriétaires. Et, afin d'accélérer la production de g-code pour les chirurgies simples, ce protocole comprend un logiciel qui permet à l'utilisateur de concevoir chirurgies (tranchant craniotomie, mince crâne fenêtrage, trou de forage et d'implants descente) dans point et cliquez sur les menus. Ces sorties programmes un g-code qui peut être complété exécuté directement à partir du logiciel CNC.

En tout, une mise à jour stéréotaxique motorisé est idéal pour ceux qui ont un intérêt à accroître la précision et la reproductibilité des interventions chirurgicales, tout en conservant la flexibilité et le faible coût d'une plate-forme open source.

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Protocole

1. Câbler les moteurs pas à pas bipolaires en vissant les fils dans les connecteurs fournis avec la carte de conducteur. Les couleurs de fils sur les moteurs pas à pas bipolaires sont normalisés (figure 1).
   Remarque: Les moteurs pas à pas décrites ont une résolution de 1,8 ° / étape, visant à 0,346 ° / étape. Un stereotax norme a 3 mm/360 ° de Voyage. La résolution finale est de 2,88 um / étape. Les moteurs sont également capables de marchepied fractionnée.
   1. Connectez le fil vert à A +, connecter le fil noir à A-, connecter le fil rouge de B + et connecter le fil bleu à B-.
2. Faites glisser les coupleurs sur les moteurs pas à pas, en prenant soin d'aligner les trous de montage, et fixer à l'aide 12x Vis M3 Socket Head (20 mm) (figure 2).
   1. Veiller à ce que les coupleurs sont fermement attachés aux moteurs.
      Remarque: Les modèles 3D ne comprennent pas les discussions. Les pièces sont marquées avec des pas de vis, mais elles doivent être exploitées après qu'ils sontfabriqué.
3. Retirer les vis de réglage des poignées de pouce sur les 3 axes de l'instrument stéréotaxique utilisant une petite clé hexagonale. Les poignées de pouce sont filetés, afin de les tourner dans le sens antihoraire pour l'enlever. Gardez les rondelles de PTFE en place sur le bras (figure 3).
4. Vissez l'extrémité filetée des colliers sur les tiges filetées des bras de l'instrument stéréotaxique (figure 3).
   1. Assurez-vous qu'il n'ya pas d'écart entre les joints toriques en PTFE et colliers. Cela garantit que les coordonnées sont maintenus lorsque le robot change de direction.
   2. Fixez les colliers sur les fils des bras stéréotaxique utilisant 3x NF10-32 (1/4 de pouce) point de coupe vis de réglage.
   3. Faites glisser chaque moteur et le coupleur sur les colliers et les bras stéréotaxiques. Veiller à ce que les moteurs affleurer avec les bras, et les trous ensemble de vis sur les colliers s'alignent avec la partie plate des arbres moteurs (figure 4).
   4. Fixez le couplers à la stereotax en utilisant les trous de montage et 6x NF10-32 (1/2 pouce) point de coupe vis de réglage (figure 4).
   5. Fixez les colliers aux arbres de moteur utilisant 3x NF10-32 (1/4 de pouce) vis de réglage (Figure 4).
5. Préparation de la carte de conducteur CNC en définissant chacune des broches du contrôleur à la moitié de marchepied.
   Remarque: Ce pilote de moteur pas à pas est comme une carte de circuit exposés. Une affaire peut être construit, mais il n'est pas nécessaire. En outre, un certain nombre de différents contrôleurs de moteurs pas à pas bipolaires peut être utilisée. Si c'est le cas, veiller à ce que les instructions d'installation sont suivies pour le conseil que vous avez acheté.
   1. Alignez les 6 broches par moteur pas à pas de la même manière. Demi-marchepied permet le double de la résolution de l'étape en degrés / étape (figure 5).
   2. Retournez la broche 1 à la position, la broche 2 à la position d'arrêt, la broche 3 à la position surtion, la broche 4 à la position d'arrêt, la broche 5 à la position sur, et la broche 6 à la position d'arrêt (Figure 5).
6. Brancher les moteurs (X - Y - Z) dans le pilote de moteur pas à pas, en même temps que le bloc d'alimentation 12 V. Le positionnement correct est marqué sur le conducteur. En outre, fixer le conducteur de pas de port série d'un ordinateur en utilisant un DB25cable (Figure 6).
7. Installez le logiciel de fraisage CNC sur un ordinateur personnel (ce devra être situé dans une zone chirurgicale) en suivant les instructions par défaut. Une fois installé, ouvrez le logiciel pour commencer la configuration.
   1. Configurer le logiciel pour communiquer avec les moteurs pas à pas.
      Remarque: Les instructions suivantes sont destinées à un usage uniquement avec le pilote de moteur pas à pas TB6560.
   2. Cliquez dans les menus du logiciel comme suit. Ouvert → → Config Ports and Pins→ signaux de sortie. Remplissez l'invite pour correspondre à la figure 7 et cliquez sur Apply.
   3. Cliquez dans les menus du logiciel comme suit. Ouvrir → Config → Ports et Pins → signaux d'entrée. Remplissez l'invite pour correspondre à la figure 8 et cliquez sur Apply.
   4. Cliquez dans les menus du logiciel comme suit. Ouvrez → Config → Ports et Pins → Sorties moteur. Remplissez l'invite pour correspondre à la figure 9 et cliquez sur Apply.
   5. Cliquez dans les menus du logiciel comme suit. Ouvrir → réglage Config → moteur. Remplissez l'invite pour correspondre à la figure 10 et cliquez sur Enregistrer les paramètres de l'Axe. Répétez l'étape précédente pour les 3 axes en utilisant les mêmes valeurs.
8. Calibrer le stereotax à l'échelle du logiciel CNC.
   Remarque: Le logiciel est conçu pour les machines de fraisage standard, de sorte que l'unité de mesure ne sera pas proportionnelle à la Voyage d'un instrument stéréotaxique.
   1. Réglez la vitesse des moteurs de 1 pouce par minute, et "jog" de l'axe Z-de l'instrument stéréotaxique avec PgUp / PgDn au millimètre près.
      Remarque: La vitesse de jogging maximale recommandée est de 3500 um / s et la vitesse de coupe maximale recommandée est de 500 um / s.
   2. Zéro de l'axe Z, et Jog l'instrument stéréotaxique 1 mm. La distance parcourue sur l'axe Z dans Mach3 est la "constante d'échelle". coordonnées de la machine sont déterminés en multipliant les coordonnées du crâne (mm) par la "constante d'échelle".
   3. Effectuer des tests aléatoires de 3 axes en les programmant pour voyager quelques distances connues, et s'assurer que les mouvements sont précis. Si le Voyage de stereotax est trop loin ou à court, modifier la constante de mise à l'échelle en conséquence.
      Remarque: Une fois mise à l'échelle est terminée, les scripts personnalisés inclus peuvent être utilisés pour générer le g-code pour les chirurgies. Cependant, il est fortement recommandé que les utilisateurs se familiarisent avec le g-code avant de tenter de générer automatiquementchirurgies. Ceci est impératif pour le dépannage et la modification des chirurgies automatisés.
9. Fixez le micro forage de moteur de l'instrument stéréotaxique utilisant le grand support de sonde supplémentaire. Remarque: La vitesse minimale recommandée de l'outil de forage est de 40.000 tours par minute.
10. Auto-générer G-code pour une craniotomie de tranchant avec 3 trous de vis du crâne.
    1. Placez tous les scripts personnalisés à partir de la table de logiciels dans un seul dossier sur un PC.
    2. Ouvrez le script "SharpEdgeCraniotomy.m" et exécuter le code.
    3. Sélectionnez deux à l'invite "Quel type de chirurgie vous serez spectacle?" (Figure 11).
    4. Sélectionnez Personnalisé pour définir les coins de la fenêtre de crâne. Remplissez chaque invite pour correspondre à la figure 12.
    5. Définir les positions X et Y des coins de craniotomie. Chaque coordonnée doit être saisi dans le bon ordre, selon l'exemple de la figure 13 .
    6. Entrez 3 dans l'invite de produire 3 trous du crâne (figure 14).
    7. Sélectionnez Définir l'aide des coordonnées, et entrez les coordonnées de chaque trou à partir du modèle de la figure 15.
       Remarque: Si les coordonnées précises ne sont pas importants, il ya une option pour pointer et cliquer les positions des trous sur une image d'un crâne de rat. Les postes seront générés automatiquement.
    8. Définir les paramètres de forage. Pour la première chirurgie tests, acceptez les valeurs par défaut.
       Note: Ces valeurs dépendent des moteurs pas à pas, et le crâne de l'animal. Chaque emplacement de la race de rat et la cible a une épaisseur de crâne légèrement différente. Pour les quelques chirurgies initiales à l'aide de ce dispositif, être prêt à tester les profondeurs de forage et enlever tous les morceaux de crâne restants manuellement. Les valeurs peuvent ensuite être modifiés pour de futures interventions chirurgicales (figure 16).
    9. Nommez le g-Code, il sera généré automatiquement et saved au répertoire de travail.
11. Chargez le g-code dans le logiciel de fraisage CNC et un crâne de test dans les instruments stéréotaxiques barres d'oreilles.
    1. Jogging manuellement le foret à Bregma l'aide des touches fléchées. Utilisez une vitesse de jogging lent (~ 5 pouces / m) pour assurer l'exactitude.
    2. Lancer l'outil de forage tournant à 38 000 tours par minute supérieure.
    3. Appuyez sur CycleStart; la stereotax effectuera de nombreux passages de la même coupe, à des profondeurs différentes. Entre chaque passage, la stereotax pause, de sorte que le chirurgien peut continuer ou abandonner coupe. Appuyez sur Continuer Cycle (Alt-R) de continuer passes.

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Résultats

Le résultat de l'opération dans les procédés conçu final sera un crâne de rat avec une craniotomie d'arête vive, et trois trous de crâne (Figure 17). Notez que le crâne utilisé pour démontrer la chirurgie était beaucoup plus large que le crâne de rat prototype. Le bord craniotomie forte peut être utilisé pour insérer un tableau de micro-fil dans le cerveau, pour une grande densité enregistrements de neurones. Le stereotax CNC peut également être utilisé pour abaisser la matri...

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Discussion

L'utilisation de l'équipement de chirurgie automatisé permet d'éliminer certains des problèmes les plus communs dans la recherche en neurosciences. Tout d'abord, les trajectoires d'outil sont reproductibles à 100%. Chaque coupe est assuré d'être dans la même position par rapport au bregma. Deuxièmement, il convient de réduire les erreurs de l'expérimentateur. Bien que de nombreux chercheurs sont des chirurgiens hautement qualifiés, il faut une quantité exceptionnelle de pratique ...

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matériels

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.