בניית קוד פתוח רובוטית Stereotaxic Instrument

Summary

פרוטוקול זה כולל את העיצובים ותוכנה דרושה לשדרוג מכשיר stereotaxic קיים לרובוטית (מספרי מבוקר מחשב; CNC) מכשיר stereotaxic עבור כ -1,000 $ (לא כולל תרגיל).

Abstract

פרוטוקול זה כולל את העיצובים ותוכנה הדרושים לשדרוג מכשיר stereotaxic קיים למכשיר stereotaxic רובוטית (CNC) עבור כ -1,000 $ (לא כולל תרגיל), תוך שימוש במנועים סטנדרטיים בתעשיית צעד ותוכנת שליטה CNC. לכל אחד יש ציר בקרת מהירות משתנה ויכול להיות מופעל בו זמנית או באופן עצמאי. המערכת פתוחה קידוד (G-קוד) והגמישות של הרובוט לעשות את זה מסוגל לבצע משימות מותאמות אישית שאינם נתמכות על ידי מערכות מסחריות. היישומים שלה כוללים, אך לא מוגבלים, לקידוח חורים, craniotomies קצה חד, דליל גולגולת, ואלקטרודות או צינורית להורדת. על מנת לזרז את הכתיבה של G-קידוד לניתוחים פשוטים, פיתחנו סקריפטים מותאמים אישית המאפשרים לאנשים לעצב ניתוח ללא ידע בתכנות. עם זאת, למשתמשים להפיק את המרב של stereotax הממונע, זה יהיה מועיל להיות בעלי ידע בתכנות מתמטי (פרוג הפשוט G-קידודלחדור לעיבוד CNC).

מהירות התרגיל המומלצת היא יותר מ 40,000 סל"ד. הרזולוציה מנוע צעד היא 1.8 ° / שלב, מיועד ל0.346 ° / שלב. יש stereotax סטנדרטי ברזולוציה של 2.88 מיקרומטר / צעד. מהירויות החיתוך המומלצת המרביות היא 500 מיקרומטר / sec. מהירות הריצה המומלצת המרבית היא 3,500 מיקרומטר / sec. גודל המקדח המומלץ המרבי הוא HP 2.

Introduction

ניתוח המכרסמים Stereotactic משמש במגוון רחב של יישומים במדעי המוח, כולל lesioning ^1, iontophoresis ^2, Microwire השתלה ^3, גירוי ^4, והדמיה גולגולת דקה ^5. עם זאת, ישנם מכשולים עיקריים העומדים בפני מי שמבקש ליישם טכניקות אלה, כוללים את עקומת הלמידה התלולה לביצוע ניתוחי stereotactic מדויקים והסתברות הגבוהה של טעויות אנוש. טעויות אנוש כוללות מדידה וחישוב כישלונות, כמו גם דיוק וreplicability הנמוך של תנועות אנושיות. במאמץ להפחית טעויות בלבול אלה, מנתחי stereotactic ירוויחו ממערכת שמבטיחה כי כל הניתוחים מבוצעים באופן זהה על פני נושאים. ההפחתה של טעויות היא גם שיטה אחת שבאמצעותו חוקרים יכולים לצמצם את השימוש בנושאי בעלי חיים, מטרה העיקרית של המכון הלאומי לבריאות לניסויים בבעלי החיים ^6. בעולם אידיאלי, כל זהניתוחי tereotactic יהיו לשכפול מושלם בתוך ניסויים, ובין מעבדות. כדי לטפל בבעיה זו, חברות פיתחו stereotaxics החדש אולטרה מדויק, וצגים דיגיטליים לקריאת מדידות. כדי להסיר שגיאות תנועה אנושיות, מניפולטורים מייקר ממונעים וstereotaxics יוצרו באופן מסחרי, אבל העלות הגבוהה שלהם יכולה להיות מונעת למעבדה עם תקציב מוגבל. כמו כן, התוכנה שלהם היא קניינית באופן מלא, ולא ניתן לשנות על ידי החוקר כדי להתאים סוג חדש של ניתוח.

פתרון סביר לבעיית הטעות האנוש הוא לבנות stereotax רובוטית מהמודל הקיים של מעבדה, תוך שימוש בציוד CNC סטנדרט בתעשייה. בגלל קהילת תחביבים המתפתחת CNC, החומרים הם באופן משמעותי פחות יקר מאשר ציוד מדעי. זה מאפשר לאדם לבנות מכשיר מדויק CNC stereotaxic, שהוא גם גמיש ולא יקר מאוד. עם ידע בסיסי במכונות CNC ו-G-Code, individuals יכול לתכנת כל ניתוח stereotactic שהם מדמיינים, ללא מגבלות של תוכנת קניינית. וגם, על מנת לזרז את הייצור של ה-G-קוד לניתוחים פשוטים, פרוטוקול זה כולל תוכנה המאפשרת למשתמש לעצב ניתוחים (פתיחת גולגולת קצה חד, חלונאית גולגולת דקה, קידוח ושתל הפחתת חור) בתוך הצבע ולחץ תפריטים. פלט אלה תוכניות G-קוד סיים שניתן להפעיל ישירות מתוך תוכנת CNC.

בסך הכל, שדרוג stereotaxic ממונע הוא אידיאלי עבור אלה שיש להם אינטרס להגדיל את הדיוק וreplicability של ניתוחים, תוך שמירה על הגמישות ועלות הנמוכה של פלטפורמת קוד פתוח.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. חוט stepper מנועים דו קוטביים על ידי הברגה את החוטים למחברים מסופקים עם לוח הנהג. צבעי חוטים בstepper מנועים דו קוטביים הם סטנדרטיים (איור 1).
   שים לב: יש מנועים צעד שתוארו ברזולוציה של 1.8 ° / צעד, שמותאם ל0.346 ° / צעד. יש stereotax סטנדרטי 3 mm/360 ° נסיעה. ההחלטה הסופית היא 2.88 מיקרומטר / צעד. מנועים הם מסוגלים גם דריכה חלקית.
   1. חבר את החוט הירוק ל+, לחבר את הכבל השחור ל, לחבר את החוט האדום ל-B + ולחבר את החוט הכחול ל-B-.
2. חלק את המצמדים מעל stepper מנועים, להיות זהיר, כדי ליישר את החורים לתלייה, ולאבטח אותם באמצעות 12x ברגים M3 תושבת הראש (20 מ"מ) (איור 2).
   1. להבטיח כי המצמדים מחוברים היטב למנועים.
      הערה: המודלים 3D אינם כוללים אשכולות. החלקים מסומנים עם גודל חוט, אבל הם חייבים להיות טפח לאחר שהםמיוצר.
3. הסר את ברגי סט מאוחז האגודל על כל 3 הצירים של מכשיר stereotaxic באמצעות מפתח משושה קטן. אוחז האגודל הם מושחלים, ולכן להפוך אותם נגד כיוון השעון להסרה. שמור מנקי PTFE במקום על הזרוע (איור 3).
4. בורג סוף הליכי של הצווארונים על מוטות הברגה של זרועותיו של מכשיר stereotaxic (איור 3).
   1. להבטיח שאין פער בין הצווארונים וPTFE O-הטבעות. הדבר זה מבטיח שקואורדינטות נשמרות כאשר הרובוט משנה את הכיוונים.
   2. אבטח את הצווארונים על החוטים של זרועות stereotaxic באמצעות 3x NF10-32 ברגים (1/4 אינץ') סט נקודת כוס.
   3. הסט כל מנוע ומצמד על הצווארונים וזרועות stereotaxic. ודא שהמנועים לשבת מיושרים עם הנשק, ואת חורי ברגים בסט הצווארונים ליישר קו עם החלק השטוח של פירי המנוע (איור 4).
   4. להבטיח את השתתפותםuplers לstereotax באמצעות חורי התלייה וNF10-32 ברגי סט נקודת כוס (1/2 אינץ) 6x (איור 4).
   5. אבטח את הצווארונים לפירי המנוע באמצעות 3x NF10-32 (1/4 אינץ') ברגי סט (איור 4).
5. הכן את לוח נהג CNC על ידי הגדרת כל אחד מפיני הבקר למחצית דריכה.
   הערה: מנהל התקן של מנוע צעד זה מגיע כמעגלים חשופים. מקרה עשוי להיות בנוי, אם כי זה לא הכרחי. כמו כן, ניתן להשתמש במספר נהגי רכב השונים דו קוטביים צעד. אם כן, להבטיח כי הם אחריו ללוח הספציפי רכש את הוראות ההתקנה.
   1. יישר כל 6 הפינים למנוע צעד באותה הדרך. חצי דריכה מאפשרת להכפיל את הרזולוציה הצעד במעלות / צעד (איור 5).
   2. Flip פין 1 למצב, פין 2 למצב כבוי, הפינים 3 בחיוביtion, פינים 4 למצב כבוי, פינים 5 למצב, וסיכה 6 למצב כבוי (איור 5).
6. חבר את מנועים (X - Y - Z) לנהג מנוע צעד, יחד עם 12 V אספקת החשמל. המיקום הנכון מסומן על הנהג. כמו כן, לצרף את נהג צעד ליציאה טורית של מחשב באמצעות DB25cable (איור 6).
7. התקנת תוכנת כרסום CNC למחשב אישי (זה צריך להיות ממוקם באזור ניתוח) ביצוע הוראות ברירת המחדל. לאחר התקנה, פתח את התוכנה כדי להתחיל בקביעת תצורה.
   1. להגדיר את התוכנה כדי לתקשר עם מנועים stepper.
      הערה: ההוראות הבאות מיועדות לשימוש רק עם נהג מנוע צעד TB6560.
   2. לחץ באמצעות התפריטים של התוכנה באופן הבא. → Config יציאות פתוחות → וסיכות→ אותות פלט. מלא את הפקודה כדי להתאים איור 7 ופגעו להחיל.
   3. לחץ באמצעות התפריטים של התוכנה באופן הבא. פתוח → Config יציאות → ואותות קלט סיכות →. מלא את הפקודה כדי להתאים איור 8 ופגעו להחיל.
   4. לחץ באמצעות התפריטים של התוכנה באופן הבא. פתח → Config יציאות → וסיכות יציאות מוטוריות →. מלא את הפקודה כדי להתאים איור 9 ופגעו להחיל.
   5. לחץ באמצעות התפריטים של התוכנה באופן הבא. כוונון פתוח → Config → מוטורי. מלא את הפקודה כדי להתאים איור 10 ולחץ על הגדרות ציר שמור. חזור על השלב הקודם עבור כל 3 הצירים באמצעות אותם הערכים.
8. כייל את stereotax לקנה המידה של תוכנת CNC.
   שים לב: התוכנה מיועדת למכונות טחינה רגילות, ולכן היחידה של מידה לא תהיה פרופורציונלית לנסיעות של מכשיר stereotaxic.
   1. הגדרת המהירות 'מנועים ל1 אינץ לדקה, ו" לרוץ "Z-הציר של המכשיר stereotaxic עם PgUp / PgDn למילימטר הקרוב ביותר.
      הערה: מהירות הריצה המומלצת המרבית היא 3,500 מיקרומטר / שנייה ומהירות החיתוך המומלצת המרבית היא 500 מיקרומטר / sec.
   2. אפס ציר ה-Z, ורוץ מ"מ מכשיר 1 stereotaxic. המרחק נסע על ציר ה-Z בMach3 הוא "קנה מידה קבועה". קואורדינטות מכונת נקבעות על ידי הכפלת קואורדינטות גולגולת (מ"מ) על ידי "קנה מידה קבועה".
   3. לבצע בדיקות של כל 3 הצירים אקראיות על ידי תכנות להם לנסוע כמה מרחקים ידועים, ולהבטיח את התנועות מדויקות. אם נסיעות stereotax רחוקה או קצר מדי, לשנות את קנה המידה קבוע בהתאם.
      הערה: ברגע שקנה ​​המידה היא מלאה, סקריפטים המותאמים אישית הכלולים עשויים לשמש ליצירת G-קוד לניתוחים. עם זאת, מומלץ מאוד שמשתמשים להכיר את ה-G-קוד לפני שתנסו ליצור אוטומטיניתוחים. זה הכרחי לפתרון בעיות ושינוי ניתוחים אוטומטיים.
9. צרף את תרגיל מנוע מיקרו למכשיר stereotaxic באמצעות בדיקה בעל הגדולה במיוחד. הערה: מהירות המקדח המומלצת המינימלית היא 40,000 סל"ד.
10. Auto-ליצור G-קוד לפתיחת גולגולת קצה חד עם 3 חורי ברגים בגולגולת.
    1. מניחים את כל התסריטים המותאמים אישית משולחן התוכנה לתוך תיקייה אחת במחשב.
    2. פתח את "SharpEdgeCraniotomy.m" התסריט ולהריץ את הקוד.
    3. בחר שני לפקודה "איזה סוג של ניתוח המתוכנן לבמה?" (איור 11).
    4. בחר מותאם אישית, להגדיר את הפינות של חלון הגולגולת. מלא כל הודעה כזו כדי להתאים איור 12.
    5. הגדר את עמדות X ו-Y של פינות פתיחת הגולגולת. כל לתאם יש להזין בבסדר נכון, על פי הדוגמא באיור 13 .
    6. הזן את 3 בפקודה לייצר 3 חורים בגולגולת (14 איור).
    7. בחר הגדרת שימוש בקואורדינטות, והזן את הקואורדינטות של כל חור מהתבנית באיור 15.
       הערה: אם קואורדינטות מדויקות אינן חשובות, יש אפשרות להצביע וללחוץ עמדות 'החורים על תמונה של גולגולת חולדה. פוזיציות יופקו באופן אוטומטי.
    8. הגדר את הפרמטרים הקידוח. לניתוח המבחנים הראשון, לקבל את ערכי ברירת המחדל.
       הערה: ערכים אלה נשענים על מנועי הפסיעה, והגולגולת של החיה. לכל מיקום גזע חולדה ויעד עובי גולגולת מעט שונה. לכמה ניתוחים הראשוניים שימוש במכשיר זה, להיות מוכן לבדוק את עומק הקידוח ולהסיר כל חלקי גולגולת הנותרים באופן ידני. הערכים אז יכולים להיות שונה לניתוחים בעתיד (איור 16).
    9. שם G-הקוד, זה יופק באופן אוטומטי וsaved לספריית העבודה.
11. טען את ה-G-הקוד לתוכנת כרסום CNC וגולגולת מבחן לברי אוזן מכשירי stereotaxic.
    1. ידני לרוץ המקדח לגבחת באמצעות מקשי חצים. השתמש במהירות איטית ריצה (~ 5 סנטימטר / מ ') כדי להבטיח דיוק.
    2. התחל את התרגיל קצת מסתובבים בגדול מ 38,000 סל"ד.
    3. עיתונות CycleStart; stereotax יבצע מעברים רבים מאותו החתך, בעומקים שונים. בין כל מעבר, stereotax ישתהה, כך שהמנתח יכול להמשיך או לנטוש את החיתוך. לחץ על המשך מחזור (Alt-R) להמשיך חיתוך עובר.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

התוצאה הסופית של הניתוח שתוכנן בשיטות תהיה גולגולת עכברוש עם פתיחת גולגולת קצה חד, ו3 חורים בגולגולת (איור 17). שים לב שהגולגולת משמשת כדי להדגים את הניתוח הייתה רחבה הרבה יותר מאשר גולגולת החולדה הטיפוסית. Craniotomy הקצה חד ניתן להשתמש כדי להוסיף מערך Microwire לתוך ה...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

השימוש בציוד ניתוח אוטומטי מסייע לסלק חלק מהבעיות הנפוצות ביותר במחקר במדעי מוח. ראשית, נתיבי כלי 100% לשחזור. בכל חתך הוא מתיימר להיות באותו המקום ביחס לגבחת. שנית, הוא צריך להקטין את טעות הנסיין. למרות שחוקרים רבים הם מנתחים מיומנים, זה לוקח כמות יוצאת דופן של אימון כד?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

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)
View in Browser
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.