Строительство с открытым исходным кодом Robotic стереотаксического прибора

Резюме

Этот протокол включает в себя дизайн и программное обеспечение, необходимое для обновления существующего стереотаксической инструмент для роботизированной (числовым программным управлением; CNC) стереотаксической инструмент для около $ 1000 (без учета сверла).

Аннотация

Этот протокол включает в себя дизайн и программное обеспечение, необходимые для обновления существующего стереотаксической инструмент для роботизированной (ЧПУ) стереотаксической инструмента для около $ 1000 (без учета сверла), при помощи стандартных шаговых двигателей и контрольный программное обеспечение ЧПУ. Каждая ось имеет регулируемой скоростью и может эксплуатироваться одновременно или независимо. Гибкость робота и открытая система кодирования (г-код) сделать его способен выполнять пользовательские задачи, которые не поддерживаются коммерческими системами. Ее приложения включают, но не ограничиваются, сверление отверстий, острый край краниотомии, череп истончение и снижения электродов или канюли. В целях ускорения написания г-кодирования для простых операций, мы разработали пользовательские сценарии, которые позволяют людям проектировать операцию без знания программирования. Однако для пользователей, чтобы получить максимальную отдачу от моторизованной stereotax, было бы полезно, чтобы быть осведомленным в математическом программировании и G-кодирования (простой прогтаран для обработки с ЧПУ).

Рекомендуемая скорость дрель превышает 40000 оборотов в минуту. В резолюции двигателя шаговый составляет 1,8 ° / шаг, направлены на 0,346 ° / Step. Стандартный stereotax имеет разрешение 2,88 мкм / шаг. Максимальная рекомендуемая скорость резания 500 мкм / сек. Максимальная рекомендуемая скорость бега составляет 3500 мкм / сек. Максимальная рекомендуемая немного размер сверла является HP 2.

Введение

Стереотаксической хирургии грызунов используют в самых разнообразных неврологии приложений, в том числе lesioning ^{1, 2,} ионофореза микропровода имплантации ^{3, 4,} стимуляции и тонкого черепа изображений ^5. Тем не менее, существуют серьезные препятствия, стоящие тех, кто желает применять эти методы, в том числе крутой кривой обучения для выполнения точной стереотаксической хирургии и высокой вероятности человеческих ошибок. Человеческие ошибки включают в себя измерение и неудачи расчета, а также низкую точность и воспроизводимость человека движений. В целях сокращения этих вмешивающихся ошибки, Стереотаксические хирурги извлекли бы выгоду из системы, которая гарантирует, что все хирургические процедуры выполняются тождественно по субъектам. Сокращение числа ошибок также один метод, с помощью которого следователи могут свести к минимуму использование предметов животных, первичную цель Национальных Институтов Здоровья для экспериментов на животных ^6. В идеальном мире, все сtereotactic операции был бы совершенно воспроизведены в экспериментах, и между лабораториями. Для решения этой проблемы, компании разработали новые сверхточных stereotaxics и цифровых дисплеев для чтения измерений. Для удаления ошибок движения человека, моторизованные микро манипуляторы и stereotaxics были произведены коммерчески, но их высокая стоимость может быть непомерно высокой в ​​лабораторию с ограниченным бюджетом. Кроме того, их программное обеспечение полностью собственностью, и не могут быть изменены исследователем, чтобы разместить новый тип операции.

Доступным решением проблемы человеческий фактор является создание робота stereotax от существующей модели лаборатории, используя промышленный стандарт оборудование с ЧПУ. Из-за растущего ЧПУ любительском сообщества, материалы значительно дешевле, чем научного оборудования. Это позволяет построить точную ЧПУ стереотаксического прибора, который также очень гибкий и недорогой. С базовыми знаниями с ЧПУ и G-Code, индивидулов может запрограммировать любой стереотаксической хирургии, что они себе представить, без ограничений проприетарного программного обеспечения. И для того, чтобы ускорить производство г-кода для простых операций, этот протокол включает в себя программное обеспечение, которое позволяет пользователю проектировать операции (острый край трепанация черепа, тонкий череп оконные, сверление и имплантатов снижения) в точке и нажмите меню. Эти программы вывода завершена г-код, который может быть запущена непосредственно с программным обеспечением ЧПУ.

В целом, моторизованный стереотаксическая обновление идеально подходит для тех, кто заинтересован в повышении точности и воспроизводимости операций, сохраняя при этом гибкость и низкую стоимость платформы с открытым кодом в.

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

протокол

1. Провод биполярных шаговых двигателей при помощи винтов провода в разъемы, поставляемые с платой драйвера. Цвет проводов на биполярных шаговых двигателей стандартизированы (рис. 1).
   Примечание: Описанные шаговые двигатели имеют разрешение 1,8 ° / шаг в увязке с 0,346 ° / шаг. Стандартный stereotax имеет 3 mm/360 ° путешествия. Окончательное разрешение составляет 2,88 мкм / шаг. Двигатели также способны фракционной степпинга.
   1. Подключите зеленый провод к А +, подключите черный провод к-, подключите красный провод к B + и подключите синий провод с B-.
2. Вставьте соединители за шаговых двигателей, стараясь выровнять монтажные отверстия и закрепите их с помощью 12x M3 винта с головкой (20 мм) (рис. 2).
   1. Убедитесь, что соединители прочно прикреплены к двигателям.
      Примечание: 3D модели не включают темы. Части помечены размера резьбы, но они должны быть использованы после того как ониизготовлены.
3. Снимите установочные винты из захваты для пальцев на всех 3 осей стереотаксической инструмента с использованием небольшой шестигранный ключ. В захваты для пальцев с резьбой, так повернуть их против часовой стрелки для удаления. Держите ПТФЭ шайбы на свои места на руке (рис. 3).
4. Винт резьбовой конец воротников на резьбовых стержней оружия стереотаксической инструмента (рис. 3).
   1. Убедитесь, что нет зазора между воротниками и ПТФЭ уплотнительные кольца. Это гарантирует, что координаты сохраняются, когда робот меняет направления.
   2. Закрепите хомуты на резьбу стереотаксической оружия с использованием 3x NF10-32 (1/4 дюйма) чашка точка установочные винты.
   3. Слайд каждый двигатель и муфту над воротниками и стереотаксической оружия. Убедитесь, что двигатели сидеть на одном уровне с гербом, и набор отверстия для винтов на воротниках линии с плоской части вал двигателя (рис. 4).
   4. Закрепите сотрудничестваuplers к stereotax используя крепежные отверстия и 6х NF10-32 (1/2 дюйма) Кубок точка установочные винты (рис. 4).
   5. Закрепите хомуты для вал двигателя с помощью 3x NF10-32 (1/4 дюйма) установочные винты (рис. 4).
5. Подготовьте драйвера доска с ЧПУ, установив каждого из штифтов контроллера до половины степпинга.
   Примечание: Этот драйвер шагового двигателя приходит как открытой печатной плате. Дело может быть построен, хотя это не является необходимым. Кроме того, могут быть использованы несколько различных биполярных драйверов шагового двигателя. Если это так, убедитесь, что инструкции по установке следуют за конкретной платы приобрели.
   1. Выравнивание все 6 флажки на шаговым двигателем таким же образом. Half-степпинг позволяет за двухместный резолюции шагом в градусах / шаг (рис. 5).
   2. Флип контакт 1 к на положении, контакт 2 выключенном положении, контакт 3 к на положеТион, контакт 4 в положение выкл, контакт 5 к на должность и контактный 6 в положение выключения (рис. 5).
6. Подключите моторы (х - у - Я) в драйвер шагового двигателя, вместе с блоком питания 12 В. Правильная постановка отмечена на водителя. Кроме того, приложите драйвер шагового к последовательному порту компьютера с помощью DB25cable (рис. 6).
7. Установите фрезерный программное обеспечение ЧПУ на персональный компьютер (это необходимо будет расположен в хирургической области) следующим инструкциям по умолчанию. После установки, откройте программу, чтобы начать конфигурацию.
   1. Настройка программного обеспечения для связи с шаговых двигателей.
      Примечание: Следующие инструкции предназначены для использования только с водителем TB6560 шагового двигателя.
   2. Нажмите по меню в программном обеспечении следующим образом. Открытые → Config → Порты и Пен→ Выходные сигналы. Заполните приглашение, чтобы соответствовать Рисунок 7 и нажмите применить.
   3. Нажмите по меню в программном обеспечении следующим образом. Открыть → Config → Порты и штыри → Входные сигналы. Заполните приглашение, чтобы соответствовать Рисунок 8 и нажмите применить.
   4. Нажмите по меню в программном обеспечении следующим образом. Откройте → Config → Порты и булавки → Автосалоны выходов. Заполните приглашение, чтобы соответствовать Рисунок 9 и нажмите применить.
   5. Нажмите по меню в программном обеспечении следующим образом. Открыть → настройки конфигурации → двигателя. Заполните строке, чтобы соответствовать Рисунок 10 и нажмите Save Settings оси. Повторите предыдущий шаг для всех 3 осей, используя те же значения.
8. Калибровка stereotax с масштабом программного обеспечения ЧПУ.
   Примечание: Программа предназначена для стандартных фрезерных станков, так что его Единица измерения не будет пропорциональна поездок стереотаксической инструмента.
   1. Установить скорость двигателей "до 1 дюйма в минуту, и" пробежку "по оси Z. стереотаксической инструмента с PgUp / PgDn с точностью до миллиметра.
      Примечание: Максимальная рекомендуемая скорость бега составляет 3500 мкм / сек и максимальная рекомендуемая скорость резания 500 мкм / сек.
   2. Нулевой Z-оси, и Jog стереотаксическая инструмент 1 мм. Расстояние, пройденное на Z-оси в Mach3 является "Масштабирование Константа". Координаты станка определяются путем умножения координаты черепа (мм) на "Масштабирование Константа".
   3. Выполните случайных испытаний всех 3 осей, запрограммировав их путешествовать некоторые известные расстояния, а также обеспечить движения точны. Если stereotax путешествия находится слишком далеко или короткие, изменить константу масштабирования соответственно.
      Примечание: После того, как масштабирование завершена, включенные пользовательские скрипты могут быть использованы для создания G-кода для операций. Тем не менее, настоятельно рекомендуется, чтобы пользователи ознакомятся с г-кода перед тем, как автоматически создаватьоперации. Это необходимо для устранения неполадок и изменение автоматизированные операции.
9. Прикрепите микро-мотор сверла для стереотаксической инструмента с использованием очень большой держателя зонда. Примечание: Минимальная рекомендуемая скорость сверло 40000 оборотов в минуту.
10. Автоматическое создание G-код для резкого края трепанации черепа с 3 черепа отверстия для винтов.
    1. Поместите все пользовательские скрипты из таблицы программного обеспечения в одной папке на ПК.
    2. Откройте скрипт "SharpEdgeCraniotomy.m" и запустить код.
    3. Выберите Оба в строке "Какой тип хирургии вы будете выступать?" (Рис. 11).
    4. Выберите Custom, чтобы определить углы окна черепа. Заполните каждом таком запросе, чтобы соответствовать Рисунок 12.
    5. Определите X и Y позиции трепанации черепа углах. Каждая координата должны быть введены в правильном порядке, в соответствии пример на рисунке 13 .
    6. Введите 3 в приглашении для производства 3 отверстия черепа (рис. 14).
    7. Выберите Определить Использование Координаты и ввести координаты каждого отверстия из шаблона в рисунке 15.
       Примечание: Если точные координаты не важно, есть опция, чтобы кликать позиции отверстия "на образе крысы черепа. Позиции будут автоматически.
    8. Определите параметры бурения. Для первого испытания хирургии, принять значения по умолчанию.
       Примечание: Эти значения зависят от шаговых двигателей, и череп животного. Каждый крысы породы и целевое местоположение имеет несколько иной толщины черепа. Для первых нескольких операций с использованием этого устройства, будь готов испытать глубины бурения и удаления оставшихся черепа куски вручную. Значения могут быть модифицированы для будущих операций (рис. 16).
    9. Назовите г-код, он будет автоматически и савед в рабочую директорию.
11. Загрузите г-код в мукомольной программного обеспечения ЧПУ и тестовый череп в стереотаксической инструментов уха баров.
    1. Вручную бегать сверло для брегмы помощью клавиш со стрелками. Используйте малую скорость поворотный (~ 5 дюймов / м) для обеспечения точности.
    2. Начать сверло вращающийся под углом более 38 000 оборотов в минуту.
    3. Пресс CycleStart; stereotax будет многократные прогоны одного и того же разреза, на разных глубинах. Между каждом проходе, stereotax будет пауза, так хирург может продолжить или прервать резки. Нажмите Продолжить цикл (Alt-R), чтобы продолжить проходов.

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

Результаты

Конечным результатом операции разработан в методах будет крыса череп с острым краем трепанации черепа, и 3 черепа отверстия (рис. 17). Обратите внимание, что череп используется для демонстрации операцию был гораздо шире, чем прототип крысы черепа. Острый край трепанация черепа м...

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

Обсуждение

Использование автоматизированной хирургии оборудования помогает устранить некоторые из наиболее распространенных проблем в исследовании нейронауки. Во-первых, траектории инструмента на 100% воспроизводимые. Каждое сокращение гарантированно будет в том же месте по отношению к брегмы...

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

Материалы

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.