オープンソースロボット定位固定装置を構築する

要約

（ドリルは除く）の周りの千ドルのための固定装置、（CNC制御されるコンピュータ数値）このプロトコルは、デザインやロボットへの既存の固定装置をアップグレードするために必要なソフトウェアが含まれています。

要約

このプロトコルは、業界標準のステッピングモーターとCNC制御するソフトウェアを使用して、約$ 1,000（ドリル除く）のロボット（CNC）定位固定装置に既存の固定装置をアップグレードするために必要なデザインやソフトウェアが含まれています。各軸は、可変速度制御を有し、同時にまたは独立して動作させることができる。ロボットの柔軟性とオープンなコーディングシステム（Gコード）は、商用システムでサポートされていないカスタムタスクを実行することが可能にする。そのアプリケーションは、穴あけ、鋭いエッジ開頭術、頭蓋骨の間引き、及び下降電極またはカニューレを含むが、これらに限定されない。単純な手術gでコーディングの書き込みを促進するために、我々は個人が、プログラミングの知識なしで手術を設計することができるように、カスタムスクリプトを開発した。しかし、電動stereotaxを最大限に活用するユーザーのために、それは数理計画法とGコード化（簡易PROGに精通しているために有益であろう）CNC機械加工のための打ち込み。

推奨されるドリル速度は40,000 rpmでより大きい。ステッパーモーターの分解能は0.346°/ステップに連動1.8°/ステップである。標準stereotaxは2.88ミクロン/ステップの分解能を有する。最大推奨切削速度は500μmで/秒である。最大推奨ジョギング速度は3,500ミクロン/秒である。最大推奨ドリルビットサイズがHP 2である。

概要

齧歯類定位手術はlesioning ^1、イオントフォレーシス^2、マイクロワイヤー注入^3、刺激^4、及び薄い頭蓋イメージング⁵を含む神経科学用途に幅広く使用されている。しかし、正確な定位手術を行うための急な学習曲線と、ヒューマンエラーの確率が高いなど、これらの技術を適用したい方が直面している主要なハードルがあります。ヒューマンエラーは、測定や計算の障害だけでなく、人間の動きの精度が低いと、反復可能があります。これらの交絡誤差を低減する努力において、定位外科医は、すべての外科的処置は、被験者間で同様に行われることを確実にするシステムの恩恵を受けるだろう。エラーの減少は、研究者は動物被験体の使用を最小限に抑えることが可能な一つの方法、動物実験⁶のための国立衛生研究所の第一の目標である。理想的な世界では、すべてのStereotactic手術は実験中であり、研究室間で完全に複製可能になります。この問題に対処するために、企業は、測定値を読み取るための新しい超精密stereotaxics、およびデジタルディスプレイを開発した。人間の動きのエラーを削除するには、電動式マイクロマニピュレータとstereotaxicsは、商業的に生産されたが、その高いコストが限られた予算で研究室に法外ことができます。また、彼らのソフトウェアは、完全に独自のものです、そして手術の新しいタイプに対応するために、研究者が変更することはできません。

ヒューマンエラーの問題への手頃な価格のソリューションは、業界標準のCNC装置を使用して、ラボの既存のモデルからロボットstereotaxを構築することです。なぜなら急成長のCNC愛好家コミュニティの、材料はかなり科学機器よりも安価である。これは1にも非常に柔軟で、安価で正確なCNC定位固定装置を、構築することができます。 CNC加工とGコードの基本的な知識と、individuALSは、プロプライエタリなソフトウェアの制限なしに、彼らが想像していることを任意の定位手術をプログラムすることができます。そして、簡単な手術のためのGコードの生成を促進するために、このプロトコルは、ユーザーがポイント内手術（シャープエッジ開頭、薄い頭蓋骨のウィンドウ、穴加工·インプラント低下）を設計し、メニューをクリックすることを可能にするソフトウェアが含まれています。 CNCソフトウェアから直接実行することができ、これらのプログラムの出力完成Gコード。

すべてでは、電動定位アップグレードは、オープンソースプラットフォームの柔軟性と低コストを維持しながら、手術の精度と反復可能の増加に興味を持っている人に最適です。

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プロトコル

1. ドライバボードに付属のコネクタに配線をねじ込むことにより、バイポーラステッピングモータを配線します。バイポーラ·ステッパ·モータの線色（ 図1）標準化されている。
   注：記載されステッピングモータは0.346°/ステップに連動1.8°/ステップの分解能を持っています。標準stereotaxは旅行の3 mm/360度を持っています。最終的な解決には、/ステップ2.88μmである。モータはまた、小数のステッピングが可能である。
   1. 黒線を接続し、+に緑の線を接続し、B +に赤い線を接続し、青線を接続し、B-。
2. 取り付け穴を合わせに注意しながら、ステッパ·モータの上にカプラをスライドさせ、12X、M3六角ネジ（20ミリメートル）（ 図2）を使用して固定します。
   1. カプラがしっかりとモータに接続されていることを確認します。
      注意：3Dモデルは、スレッドが含まれていません。部品はねじサイズで標識されていますが、彼らは後にタップする必要があります製造された。
3. 小さな六角レンチを使用して固定装置の全ての3軸の親指グリップから止めネジを外します。親指グリップはねじ込み、その除去のために反時計回りに回している。アーム（ 図3）上の所定の位置に、PTFEワッシャーを保管してください。
4. 定位固定装置の腕のねじロッド（ 図3）上にカラーのネジ側を。
   1. 首輪とPTFEのOリングの間に隙間がないことを確認してください。これは、ロボットが方向を変更したときに座標が維持されていることを保証します。
   2. 3X NF10-32（1/4インチ）カップ点セットのネジを使用して定位腕のネジ部にカラーを固定します。
   3. 首輪＆定位腕にわたる各モータと連結器をスライドさせます。モータは、腕と同一平面に座ることを確認し、襟に設定されたネジ穴はモータ軸の平らな部分（ 図4）と揃う。
   4. COを確保取り付け穴および6x NF10-32（1/2インチ）カップ点セットネジ（ 図4）を使用してstereotaxにuplers。
   5. 3X NF10-32（1/4インチ）を使用して、モータ軸にカラーを固定しているねじ（ 図4）を設定します。
5. 半分踏み、コントローラ端子のそれぞれを設定することで、CNCのドライバボードを準備します。
   注：このステッピングモータドライバは、露出した回路基板として提供されます。それは必要ではないが場合は、構築することができる。また、異なるバイポーラステッピングモータドライバの数を使用することができる。もしそうであれば、セットアップ手順が購入さ特定のボードのために続いていることを確認します。
   1. 同じように、ステッパモータごとにすべての6ピンの位置を合わせます。ハーフステッピング度/ステップ（ 図5）の二重ステップ分解能が可能になります。
   2. 上の位置、 オフの位置にピン2、 上のポジ、ピン3、ピン1フリップTiONから、OFFの位置にピン4、 上の位置にピン5、およびオフの位置にピン6（ 図5）。
6. 12 V電源と一緒に、ステッピングモータドライバに（Z - - Y、X）のモーターを接続します。正しい配置は、ドライバにマークされています。また、DB25cable（ 図6）を使用して、コンピュータのシリアルポートにステッピングドライバを添付してください。
7. デフォルトの指示に従って（これは、外科領域に配置される必要があります）パソコン上にCNCフライスソフトウェアをインストールします。インストールしたら、設定を開始するためのソフトウェアを開きます。
   1. ステッパモータと通信するためのソフトウェアを設定します。
      注：以下の手順のみTB6560ステッピングモータドライバとの使用のために意図されている。
   2. 次のようにソフトウェアのメニューをクリックしてください。オープン→設定変更→ポートとピン→信号を出力する。 図7に合わせて、プロンプトに入力し、適用を押します。
   3. 次のようにソフトウェアのメニューをクリックしてください。 →設定変更→ポートと端子→入力信号開いた。 図8に合わせて、プロンプトに入力し、適用を押します。
   4. 次のようにソフトウェアのメニューをクリックしてください。 →設定変更→ポートとピン→モーター出力を開きます。 図9に合わせて、プロンプトに入力し、適用を押します。
   5. 次のようにソフトウェアのメニューをクリックしてください。オープン→設定変更→モーターのチューニング。 図10に一致し、[保存軸の設定]をクリックし、プロンプトに入力します。同じ値を使用して、すべての3軸の前の手順を繰り返します。
8. CNCソフトウェアの規模にstereotaxを校正。
   注：測定単位は、定位固定装置の移動に比例しなくなりますので、ソフトウェアは、標準的なフライス盤のために設計されています。
   1. 最も近いミリメートルにPgUpキー/ PgDnキーと定位固定装置のZ軸を毎分1インチモーターズの速度を設定し、「ジョグ」。
      注：最大推奨ジョギング速度は3,500程度/秒で、最大推奨切削速度が500μm/秒である。
   2. ゼロZ軸及びジョグ定位固定装置1mmである。 Mach3の距離がZ軸で行き「スケーリング定数」である。機械座標が「定数スケーリング」によって頭蓋骨座標（mm）を乗じることによって決定される。
   3. いくつかの既知の距離を移動するためにそれらをプログラムすることで、すべての3軸のランダムなテストを実行し、動きが正確であることを確認してください。 stereotax旅行が離れすぎたり短すぎると、それに応じてスケーリング定数を変更します。
      注：スケーリングが完了すると、含まれるカスタムスクリプトは、手術のためのgコードを生成するために使用されてもよい。しかし、それは、ユーザーが自動生成しようとする前に、Gコードを理解しておくことを強くお勧めします手術。これは自動化された手術をトラブルシューティングおよび修正するための不可欠です。
9. 特大のプローブホルダを使って定位固定装置にマイクロモータードリルを取り付けます。注：推奨される最小ドリルビット速度は40,000 rpmである。
10. 3頭蓋骨のネジ穴とシャープなエッジ開頭のためにGコードを自動生成します。
    1. PC上の単一のフォルダにソフトウェアテーブルからカスタムスクリプトのすべてを置きます。
    2. スクリプト「SharpEdgeCraniotomy.m」を開いて、コードを実行します。
    3. プロンプトに両方を選択」は、実行される予定の手術はどのタイプ？ " （ 図11）。
    4. 頭蓋骨のウィンドウの隅を定義するには、[カスタム]を選択します。 図12に合わせて各プロンプトに入力します。
    5. 開頭の角のXとYの位置を定義します。各座標は、 図13に例に従って、正しい順序で入力する必要があります。
    6. 3頭蓋骨の穴（ 図14）を生成するプロンプトに3を入力してください。
    7. 選択座標を使用して定義し、 図15のテンプレートから各ホールの座標を入力します。
       注意：正確な座標が重要でない場合は、ラットの頭蓋骨の画像上に穴のポジションをポイントしてクリックするオプションがあります。位置が自動的に生成されます。
    8. 掘削パラメータを定義します。最初のテストでの手術のため、デフォルト値を受け入れます。
       注：これらの値は、ステッパ·モータに依存していて、動物の頭蓋骨。すべてのラットの品種と目標位置がわずかに異なる頭蓋骨の厚さを有する。このデバイスを使用して最初の数手術のため、掘削深さをテストし、手動で残りの頭蓋骨片を除去できるように準備してください。値は、将来の手術（ 図16）のために修飾することができる。
    9. Gコードに名前を付けて、それが自動的に生成され、SA作業ディレクトリにVED。
11. CNCフライスソフトウェア、定位楽器の耳の棒にテスト頭蓋骨にGコードをロードします。
    1. 手動で矢印キーを使用して、ブレグマにドリルビットをジョグ。正確さを確保するために、低速ジョグ速度（〜5インチ/ m）を使用してください。
    2. ドリルビットを超える38,000 rpmで回転し始める。
    3. CycleStart社、stereotaxは異なる深さで、同じカットの多くのパスを実行します。各パスの間、stereotaxが一時停止しますので、外科医は、切断を続行するか、中止することができる。を押して、パスをカット継続するサイクル （ALT-R）を続行します 。

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結果

方法で設計された手術の最終結果は、鋭いエッジ開頭したラットの頭蓋骨、および3頭蓋骨の穴（ 図17）になります。手術を実証するために使用頭蓋骨はプロトタイプラットの頭蓋骨よりもはるかに広かったことに注意してください。鋭いエッジ開頭術は、高密度記録のために、神経、脳へのマイクロワイヤーアレイを挿入するために使用されてもよい。のCNC stereotaxも高い精度を...

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ディスカッション

自動化された手術用機器の使用は、神経科学の研究の中で最も一般的な問題のいくつかを解消するのに役立ちます。まず、ツールパスは、100％の再現性がある。すべてのカットがブレグマを基準に同じ場所にあることが保証されています。第二に、実験者誤差を小さくする必要があります。多くの研究者が高度に熟練した外科医ですが、それも、有能な外科医になるための練習の例外的な時?...

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資料

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.