Costruire un Open-source Robotic Stereotassica Instrument

Riepilogo

Questo protocollo include i disegni e il software necessari per aggiornare uno strumento stereotassico esistente a un robot (controllo numerico computerizzato); CNC strumento stereotassico per circa 1.000 dollari (escluso un trapano).

Abstract

Questo protocollo include i disegni e il software necessari per aggiornare uno strumento stereotassico esistente a un robot (CNC) strumento stereotassico per circa 1.000 dollari (escluso il trapano), utilizzando l'industria motori passo-passo standard e software di controllo CNC. Ogni asse ha il controllo di velocità variabile e possono essere azionati simultaneamente o indipendentemente. La flessibilità del robot e il sistema di codifica aperta (g-code), lo rendono in grado di svolgere attività personalizzate che non sono supportati da sistemi commerciali. Le sue applicazioni includono, ma non sono limitati a, fori, craniotomie bordi taglienti, cranio diradamento, ed elettrodi abbassamento o cannula. Al fine di accelerare la scrittura di g-codifica per interventi chirurgici semplici, abbiamo sviluppato script personalizzati che permettono agli individui di progettare un intervento chirurgico senza alcuna conoscenza di programmazione. Tuttavia, per gli utenti di ottenere il massimo del stereotax motorizzato, sarebbe utile per essere informati in programmazione matematica e G-Coding (semplice progsperonamento per la lavorazione CNC).

La velocità di fresatura consigliata è superiore a 40.000 rpm. La risoluzione del motore passo-passo è 1,8 ° / Step, orientata a 0,346 ° / Step. Un stereotax standard ha una risoluzione di 2,88 micron / step. La velocità di taglio massima raccomandata è di 500 micron / sec. La velocità di jogging consigliata massima è 3.500 micron / sec. La dimensione massima consigliata punta da trapano è HP 2.

Introduzione

Chirurgia stereotassica roditore è utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni Neuroscienze lesione ^{1, 2} ionoforesi, microconduttori impianto ^{3, 4} stimolazione, e sottile cranio immagini ^5. Tuttavia, ci sono i principali ostacoli che devono affrontare coloro che desiderano applicare queste tecniche, tra cui la ripida curva di apprendimento per eseguire la chirurgia stereotassica preciso e la elevata probabilità di errore umano. Gli errori umani includono la misurazione e fallimenti di calcolo, così come la scarsa precisione e la riproducibilità di movimenti umani. Nel tentativo di ridurre questi errori confondenti, i chirurghi stereotassica trarrebbero beneficio da un sistema che assicura che tutte le procedure chirurgiche sono eseguite in modo identico tra i soggetti. La riduzione degli errori è anche un metodo attraverso il quale gli investigatori possono ridurre al minimo l'uso di soggetti animali, un obiettivo primario dei National Institutes of Health per la sperimentazione animale ^6. In un mondo ideale, tutti sambulatori tereotactic sarebbe perfettamente replicabile all'interno di esperimenti, e tra i laboratori. Per risolvere questo problema, le aziende hanno sviluppato nuovi stereotaxics ultra-precisi e display digitali per la lettura misurazioni. Per rimuovere gli errori di movimento umano, motorizzati micro manipolatori e stereotaxics sono stati prodotti in commercio, ma il loro alto costo può essere proibitivo per un laboratorio con un budget limitato. Inoltre, il software è completamente proprietaria, e non può essere modificato dal ricercatore per accogliere un nuovo tipo di intervento chirurgico.

Una soluzione economica al problema errore umano è quello di costruire un robot da stereotax modello esistente di un laboratorio, utilizzando attrezzature per l'industria CNC standard. A causa di una fiorente comunità di hobbisti CNC, i materiali sono molto meno costosi di attrezzature scientifiche. Questo permette di costruire un accurato strumento stereotassico CNC, che è anche altamente flessibile ed economica. Con una conoscenza di base di lavorazione CNC e G-Code, indivials possono programmare qualsiasi intervento chirurgico stereotassica che si immagina, senza le limitazioni del software proprietario. E, al fine di accelerare la produzione di g-code per interventi chirurgici semplici, questo protocollo include un software che permette all'utente di progettare interventi chirurgici (spigolo craniotomia, sottile windowing cranio, foratura e abbassando impianto) entro punta e clicca menù. Questi programmi di emettere un g-code completato che può essere eseguito direttamente dal software CNC.

In tutto, un aggiornamento stereotassico motorizzata è ideale per coloro che hanno un interesse ad aumentare la precisione e la riproducibilità di interventi chirurgici, pur mantenendo la flessibilità e il basso costo di una piattaforma open source.

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Protocollo

1. Cablare i motori passo-passo bipolari avvitando i fili nei connettori forniti con la scheda driver. Colori dei fili su motori passo passo bipolari sono standardizzate (Figura 1).
   Nota: I motori passo-passo descritte hanno una risoluzione di 1,8 ° / step, volto a 0,346 ° / step. Un stereotax standard ha 3 mm/360 ° di viaggio. La risoluzione finale è 2.88 micron / step. I motori sono anche in grado di intervenire frazionata.
   1. Collegare il filo verde ad A +, collegare il filo nero ad A-, collegare il filo rosso al B + e collegare il filo blu a B-.
2. Far scorrere gli accoppiatori sui motori passo-passo, facendo attenzione ad allineare i fori di montaggio e fissarli utilizzando 12x Viti M3 Socket testa (20 mm) (Figura 2).
   1. Assicurarsi che i manicotti sono saldamente attaccati ai motori.
      Nota: I modelli 3D non comprendono i thread. Le parti sono etichettati con dimensioni filettatura, ma devono essere sfruttato dopo che sonofabbricati.
3. Rimuovere le viti di fermo dalle impugnature pollice su tutti e 3 gli assi dello strumento stereotassico con una piccola chiave esagonale. Gli incavi per i pollici sono filettati, in modo da girare in senso antiorario per la rimozione. Conservare le rondelle in PTFE posto sul braccio (Figura 3).
4. Avvitare l'estremità filettata dei collari sulle aste filettate braccia dello strumento stereotassico (Figura 3).
   1. Assicurarsi che non c'è divario tra i collari e PTFE O-ring. Ciò garantisce che le coordinate vengono mantenuti quando il robot cambia direzione.
   2. Fissare i collari sui fili delle braccia stereotassica con 3x NF10-32 (1/4 di pollice) Viti punto tazza set.
   3. Far scorrere ogni motore e accoppiatore sopra i collari e braccia stereotassica. Assicurarsi che i motori si siedono a filo con le armi, e i fori delle viti insieme sui collari allineati con la parte piatta degli alberi motore (Figura 4).
   4. Fissare il couplers alla stereotax utilizzando i fori di montaggio e 6x NF10-32 (1/2 pollice) Viti punto cup set (Figura 4).
   5. Fissare i collari per gli alberi motore con 3x NF10-32 (1/4 di pollice) viti di fermo (Figura 4).
5. Preparare la scheda driver CNC impostando ciascuno dei perni del controller a mezzo passo.
   Nota: Questo driver motore passo-passo si presenta come un circuito esposto. Un caso può essere costruito, anche se non è necessario. Inoltre, può essere utilizzato un numero di differenti dispositivi di comando motore passo-passo bipolare. Se è così, in modo che le istruzioni sono seguite per la scheda specifica acquistato.
   1. Allineare tutte le 6 pin per motore passo-passo nello stesso modo. Half-passo consente il doppio della risoluzione passo in Gradi / step (Figura 5).
   2. Capovolgere il pin 1 in posizione ON, pin 2 in posizione off, pin 3 alla posizione inzione, pin 4 nella posizione off, pin 5 in posizione ON, e pin 6 in posizione off (Figura 5).
6. Collegare i motori (X - Y - Z) nel driver del motore passo-passo, con l'alimentazione a 12 V. Il posizionamento corretto è segnato sul driver. Inoltre, collegare il driver passo passo alla porta seriale di un computer utilizzando un DB25cable (Figura 6).
7. Installare il software di fresatura CNC su un personal computer (questo dovrà essere situato in una zona chirurgica) seguendo le istruzioni predefinite. Una volta installato, aprire il software per iniziare la configurazione.
   1. Configurare il software per comunicare con i motori passo-passo.
      Nota: Le seguenti istruzioni devono essere utilizzati solo con il driver del motore passo-passo TB6560.
   2. Fare clic attraverso i menu del software come segue. Aperto → Config → Porte e Pins→ Segnali di uscita. Compila la richiesta di abbinare la figura 7 e premi applica.
   3. Fare clic attraverso i menu del software come segue. Aprire Config → → Porte e pin → segnali di ingresso. Compila la richiesta di abbinare la figura 8 e premi applica.
   4. Fare clic attraverso i menu del software come segue. Aprire Config → → Porte e Spille → uscite motore. Compila la richiesta di abbinare Figura 9 e premi applica.
   5. Fare clic attraverso i menu del software come segue. Aprire → sintonia Config → Motor. Compila la richiesta di abbinare Figura 10 e fare clic su Salva impostazioni dell'Asse. Ripetere il passaggio precedente per tutti e 3 gli assi utilizzando gli stessi valori.
8. Calibrare il stereotax alla scala del software CNC.
   Nota: Il software è progettato per le macchine di fresatura standard, quindi la sua unità di misura non sarà proporzionale alla corsa di uno strumento stereotassico.
   1. Impostare la velocità dei motori 'di 1 pollice per minuto, e "jog" Z-axis dello strumento stereotassico con PgUp / PgDn al millimetro.
      Nota: La velocità di jogging consigliata massima è 3.500 micron / sec e la velocità di taglio massimo consigliato è di 500 micron / sec.
   2. Zero l'asse Z, e il Jog stereotassico strumento 1 mm. La distanza percorsa sulla Z in Mach3 è il "Scaling costante". Le coordinate della macchina sono determinate moltiplicando le coordinate del cranio (mm) dal "Scaling costante".
   3. Eseguire i test casuali di tutti e 3 gli assi programmando loro di percorrere alcune distanze note, e garantire i movimenti sono accurati. Se la corsa stereotax è troppo lontano o corto, modificare la costante ridimensionamento di conseguenza.
      Nota: Una volta che il ridimensionamento è completo, possono essere utilizzati i script personalizzati inclusi per generare g-code per gli ambulatori. Tuttavia, si consiglia vivamente agli utenti di familiarizzare con g-code prima di tentare di generare automaticamenteinterventi chirurgici. Questo è indispensabile per la risoluzione dei problemi e la modifica ambulatori automatizzati.
9. Fissare il micro trapano del motore allo strumento stereotassico utilizzando il supporto extra large sonda. Nota: La velocità minima consigliata punta è di 40.000 rpm.
10. Generazione automatica di codice G per una craniotomia spigolo vivo con 3 fori cranio.
    1. Mettere tutti gli script personalizzati dalla tabella software in un'unica cartella sul PC.
    2. Aprire lo script "SharpEdgeCraniotomy.m" ed eseguire il codice.
    3. Selezionare Sia al prompt "Che tipo di chirurgia sarai Performing?" (Figura 11).
    4. Selezionare Personalizzata per definire gli angoli della finestra cranio. Compilare in ogni prompt per abbinare Figura 12.
    5. Definire le posizioni X e Y degli angoli craniotomia. Ogni coordinata deve essere indicato in modo corretto, secondo l'esempio in Figura 13 .
    6. Inserire 3 nel prompt di produrre 3 fori cranio (Figura 14).
    7. Selezionare Definisci utilizzando le coordinate, inserisci le coordinate di ogni foro dal modello in Figura 15.
       Nota: Se le coordinate precise non sono importanti, c'è la possibilità di puntare e fare clic collocare i buchi su un immagine di un teschio ratto. Le posizioni saranno generati automaticamente.
    8. Definire i parametri di perforazione. Per il primo intervento chirurgico prove, accettare i valori predefiniti.
       Nota: Questi valori dipendono i motori passo-passo, e cranio dell'animale. Ogni ratto razza e di destinazione posizione ha uno spessore cranio leggermente diverso. Per i pochi interventi chirurgici iniziali utilizzo di questo dispositivo, essere pronti a testare la profondità di foratura e rimuovere manualmente eventuali pezzi di cranio rimanenti. I valori possono essere modificate per interventi futuri (Figura 16).
    9. Nominare il g-code, ma verrà generato e sa automaticamenteved nella directory di lavoro.
11. Caricare il g-code nel software fresatura CNC e un teschio di prova negli strumenti stereotassica barre orecchio.
    1. Jogging manualmente la punta di Bregma utilizzando i tasti freccia. Utilizzare una velocità di corsa lenta (~ 5 pollici / m) per garantire l'accuratezza.
    2. Avviare la punta rotante a più di 38.000 giri al minuto.
    3. Premere CycleStart, il stereotax eseguirà molti passaggi dello stesso taglio, a diverse profondità. Tra ogni passaggio, il stereotax metterà in pausa, in modo che il chirurgo può continuare o interrompere il taglio. Premere Continua Ciclo (Alt-R) per continuare a tagliare passaggi.

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Risultati

Il risultato finale della chirurgia creazione nei metodi sarà un teschio ratto con una craniotomia spigolo vivo, e 3 fori cranio (Figura 17). Si noti che il cranio utilizzato per dimostrare la chirurgia era molto più ampia del ratto cranio prototipo. Il bordo tagliente craniotomia può essere utilizzato per inserire una matrice microconduttori nel cervello, ad alta densità registrazioni neurali. Il stereotax CNC può essere usato per ridurre l'array con grande precisione. Software è incluso in q...

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Discussione

L'uso di attrezzature di chirurgia automatizzato aiuta a eliminare alcuni dei problemi più comuni nella ricerca neuroscientifica. In primo luogo, i percorsi utensile sono al 100% riproducibili. Ogni taglio è garantito essere nella stessa posizione rispetto al bregma. In secondo luogo, occorre ridurre l'errore sperimentatore. Anche se molti ricercatori sono chirurghi altamente qualificati, ci vuole una quantità eccezionale di pratica per diventare anche un chirurgo competente. Questo dispositivo permetterà ai...

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Materiali

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.