Summary
该协议包括了设计和必要的软件来升级现有的立体定位仪的机器人（控制计算机数值; CNC）立体定位仪在1000美元左右（不包括钻头）。
Abstract
该协议包括必要的设计和软件升级现有立体定位仪的机器人（CNC）立体定位仪为大约$ 1,000（不包括钻头），使用行业标准的步进电机和数控控制软件。每个轴具有可变速度控制，并且可以同时地或独立地操作。机器人的灵活性和开放的编码系统（G代码），使其能够执行不支持由商业系统的自定义任务。其应用包括，但不限于，钻孔，尖锐边缘开颅手术，颅骨变薄，并降低电极或插管。为了加快G-编码的简单手术的写作，我们已经开发的自定义脚本，允许个人设计一个手术，没有编程知识。然而，为用户获得最大的电动stereotax的，这将是有益的知识渊博的数学规划和G-编码（简单的编冲压数控加工）。
建议钻孔速度大于40000转。步进电机的分辨率为1.8°/步，面向0.346°/步。标准stereotax有2.88微米/步的分辨率。建议的最高切割速度为500微米/秒。建议的最高点动速度是3500微米/秒。建议的最高钻头大小是惠普2。
Introduction
立体定向手术啮齿动物被用在各种各样的神经科学应用，包括lesioning 1，离子电渗疗法2，微丝植入3，刺激4，和薄颅骨成像5。不过，也有面向那些谁想要应用这些技术，包括用于执行精确的立体定向手术的陡峭的学习曲线和人为错误的几率高主要障碍。人为错误包括测量和计算失误，以及低精度和可复制人类的动作。在努力减少这些干扰错误，立体定向外科医生将受益于一个系统，它可以确保所有的外科手术跨学科完全相同进行。错误的减少，也是一种方法，通过它可以调查尽量少用动物学科，美国国立卫生研究院的动物实验6的主要目标。在一个理想的世界里，所有的stereotactic手术将完全复制中的实验和实验室之间。为了解决这个问题，公司已经开发出新的超精密stereotaxics，和数字显示器读取测量结果。若要移除人体运动的错误，电动微型机器人和stereotaxics进行商业化生产，但其成本高，让人望而却步，以在有限的预算的实验室。此外，他们的软件是完全私有的，并且不能由研究者修改，以适应新类型的手术。
经济实惠的解决方案，以人为错误的问题是从实验室现有的模型建立一个机器人stereotax，使用行业标准的数控设备。因为一个新兴的数控爱好者社区，该材料是显著更便宜比科研设备。这允许一个建立一个准确的数控立体定位仪，这也是高度灵活和便宜。随着数控加工及G-Code，individu的基本知识ALS可以设定任何立体定向手术，他们想象，如果没有专有软件的限制。而且，为了加快生产的G代码进行简单的手术，这个协议包括软件，允许用户设计手术（锐边开颅手术，颅骨变薄窗口，钻孔和植入物降低）内的点，然后单击菜单。这些程序输出一个完整的G-代码，可以直接从CNC软件运行。
总之，机动立体升级是非常适合那些谁拥有权益的增加手术的准确性和可复制性，同时保留一个开源平台的灵活性和低成本。
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Protocol
- 拧动线与驱动板提供的连接器线的双极步进电机。线的颜色上双极步进电动机是标准化的（ 图1）。
注：所描述的步进电机的分辨率为1.8°/步，面向0.346°/步。标准stereotax有旅游3 mm/360°。最终的分辨率为2.88微米/步。该电机还能够小数步进的。- 绿色线连接到A +，黑线连接至A-，红色线连接到B +和蓝线连接到B-。
- 滑动耦合器在步进电机，注意对准安装孔，并用12倍 M3六角螺钉（20毫米）（ 图2）固定。
- 确保该耦合器被牢固地连接到电机。
注：3D模型不包括线程。部分标有螺纹尺寸，但它们必须被窃听他们毕竟制造。
- 确保该耦合器被牢固地连接到电机。
- 从立体定位仪的使用小六角扳手所有3个轴的拇指握把取下固定螺丝。拇指握把有螺纹，所以将它们逆时针去除。保持PTFE垫圈代替在臂（ 图3）。
- 用螺丝将衣领的螺纹端上的立体定位仪的武器的螺纹杆（ 图3）。
- 确保有衣领和PTFE O形圈之间没有间隙。这保证了坐标保持在机器人改变方向。
- 固定衣领上使用3倍 NF10-32（1/4英寸）杯点紧定螺钉立体定位臂的线程。
- 将每个电机和耦合器在衣领和立体定向武器。确保电机坐与臂平齐，并且在套环的固定螺丝孔与电动机轴的平面部分（ 图4）。
- 安全合作使用该安装孔和6倍 NF10-32（1/2英寸）杯点紧定螺钉（ 图4）uplers到stereotax。
- 固定套环，以使用3×NF10-32（1/4英寸）的固定螺钉（ 图4）的电机轴。
- 由每个控制器引脚设置为半步制备数控驱动板。
注：该步进电机驱动器来作为一个暴露的电路板。情况可以是内置的，尽管它不是必需的。另外，也可以使用许多不同的双极步进电机驱动器。如果是这样，请确保遵循针对购买的特定电路板的安装说明。- 对齐所有6针每步进电机以同样的方式。半步允许在度/步（ 图5）步进分辨率的两倍。
- 翻转针1到ON的位置，针2至关闭位置，引脚3 上的位置化，引脚4到关闭位置，引脚5到ON位置，和引脚6到关闭位置（ 图5）。
- 请将电机（X - Y - Z）为步进电机驱动器，以及12 V电源。正确的位置上标有驱动程序。此外，使用DB25cable（ 图6）连接步进驱动器到计算机的串行端口。
- 安装数控铣床软件安装到个人计算机（这将需要位于手术区域）以下的默认指令。一旦安装完毕，打开开始配置软件。
- 配置软件与步进电机进行通信。
注：以下说明适用于只使用与TB6560的步进电机驱动器。 - 点击进入该软件的菜单如下。打开→配置→端口和引脚→输出信号。在提示填写，以配合图7和命中适用。
- 点击进入该软件的菜单如下。打开→配置→端口和引脚→输入信号。在提示填写，以配合图8和命中适用。
- 点击进入该软件的菜单如下。打开→配置→端口和引脚→电机输出。在提示填写，以配合图9和命中适用。
- 点击进入该软件的菜单如下。打开→配置→电机调谐。在提示匹配图10，然后单击保存轴设置填充。重复使用相同值的所有3个轴的上一步。
- 配置软件与步进电机进行通信。
- 校准stereotax到CNC软件的规模。
注：该软件是专为标准铣床，所以衡量其单位不会成比例立体定位仪的旅行。- 电机“速度设定为每分钟1英寸，而”点动“立体定位仪的Z轴与上一页/下一页至毫米。
注：建议的最高点动速度是3500微米/秒，最大推荐的切削速度为500微米/秒。 - 零的Z轴，以及操控立体定位仪1毫米。在Z轴中Mach3的行驶距离是“缩放常数”。机床坐标系是由“缩放常数”相乘头骨坐标（毫米）来确定。
- 通过编程他们前往一些已知的距离执行所有3个轴的抽样测试，确保运动是准确的。如果stereotax行程过远或短，相应地修改比例常数。
注意：一旦缩放完成后，包括自定义脚本可用于生成G代码进行手术。但是，我们强烈建议用户熟悉G代码试图自动生成前手术。这是绝对必要的故障排除和修改自动手术。
- 电机“速度设定为每分钟1英寸，而”点动“立体定位仪的Z轴与上一页/下一页至毫米。
- 使用超大探头支架装上微型马达钻立体定位仪。注：推荐的最小钻头转速为40,000 RPM。
- 自动生成G代码与3头骨螺丝孔锐边开颅手术。
- 将所有的软件表中的自定义脚本到PC上的一个文件夹。
- 打开脚本“SharpEdgeCraniotomy.m”并运行代码。
- 选择两者的提示“是什么类型的手术你会被执行？” （ 图11）。
- 选择自定义 ，定义骨窗的角落。在每个提示填写匹配图12。
- 定义的开颅角落的X和Y位置。每个坐标必须以正确的顺序被输入，根据该示例在图13中
- 在提示符下输入3，产生3骷髅洞（ 图14）。
- 选择定义使用坐标 ，并从图15中的模板输入每个孔的坐标。
注意：如果精确坐标并不重要，有一个选项来指向和点击孔的立场到大鼠头骨的图像。头寸将被自动生成。 - 定义钻孔参数。对于第一次测试的手术，接受默认值。
注意：这些值依赖于步进电机，和动物的头骨。每鼠品种和目标位置有一个稍微不同颅骨厚度。对于使用该设备的初始几个手术，准备测试钻井深度和手动删除任何剩余的头骨碎片。的值可以被修改为将来手术（ 图16）。 - 名称G代码，它会自动生成和SA粘弹性阻尼器的工作目录。
- 加载克码到数控铣床软件和测试颅骨插入立体定位仪器耳棒。
- 使用箭头键手动慢跑钻头前囟门。使用低速点动速度（〜5英寸/米），以确保准确性。
- 启动钻头旋转时大于38,000转。
- 按CycleStart;的stereotax将执行相同的切很多次传球，在不同深度。每遍之间，stereotax将暂停，所以外科医生可能会继续或中止切割。按继续循环 （按Alt-R）继续削减通行证。
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Representative Results
设计中的方法，手术的最终结果将是一只老鼠颅骨用锋利的边缘开颅手术，以及3骷髅洞（ 图17）。注意，用来演示手术颅骨比原型大鼠颅骨宽得多。锋利的边缘开颅可用于插入一个微丝阵列进入大脑，对于高密度的神经录音。数控stereotax也可用于降低非常精确阵列。软件包含在本协议中，允许外科医生来定义微丝的参数，或套管降低。锋利的边缘开颅手术也可用于揭示运动皮层的大部分，为感觉运动定位研究。
颅骨孔可以用于插入头骨螺钉（ 图18）。这些可以粘贴一个头部阶段的动物时，可以用作锚牙科用粘固剂。孔也可以被用于插入单个电极进入大脑。这些电极可用于麻醉的或慢性的录音。但是，使用stereotax的麻醉记录时，确保电源到电机处于关闭状态收集数据之前。电机的电性能可能会诱发在记录噪声。
数控stereotax也可能会产生颅骨薄的窗户提供了大量准确的（ 图19）。这些窗口可用于在麻醉的动物体内光学成像。薄颅骨的均匀性使得即使光穿透，这是必要的光学成像数据的比较或定量分析。
图1。接线图步进电机的插头。
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图2。组装图，用于将耦合器的步进电机。
图3。装配图，用于将衣领的立体手臂。
图4。装配图，用于将电动机/耦合器的项圈/立体手臂。
图5。图切换为步进电机驱动器设置为半音。
图6。接线图的步进电机驱动器。
图7。配置图在CNC软件输出信号。
图8。配置图在CNC软件输入信号。
图9。 ConfiguratioN线图电机输出的数控软件。
图10。配置框图电机调谐数控软件。
图11。提示在“手术设计”软件（sharpedgecraniotomies.m）选择手术方式。
图12。提示选择定制或预设的目标坐标中的“手术设计”的软件。
图13。提示enterin克窗口坐标（4角），在“手术设计”的软件。
图14。提示选择在“手术设计”软件的骷髅洞数。
图15。提示您选择将骷髅洞，方法和在“手术设计”软件进入孔坐标。
图16。提示定义中的“手术设计”软件的钻井参数。
图17。头骨显示运行以前设计的手术的最终结果。
图18。头骨显示插入的例子在手术过程中产生的一个洞头骨螺丝 。该钻头的大小将决定孔的直径和作出相应的螺丝大小。
图19。显示示例手术，containinga薄颅骨窗口，按照箭头指示的头骨。注意，在右侧面板中，（从颅骨内亮）光线似乎均匀穿透颅骨薄窗口。还要注意的是窗口不必是正方形，或含有90°角。
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Discussion
使用自动化手术设备有助于消除一些在神经科学研究中最常见的问题。首先，刀具路径是100％可重复的。每一个切割保证在相对位置前囟门一样。其次，它应该减少实验者错误。虽然许多研究人员都高度熟练的外科医生，它需要实践的一个特殊的量变得一个称职的外科医生。该设备将允许新的学生能够快速，轻松地进行高精度的手术。第三，电动手术设备应减少执行一个实验6所需的动物数量。外科医生将需要较少的培训，并且会出错不经常做。最后，机动立体能够进行更加精确和准确的动作比人的手，允许在坐标选择更高的分辨率。
在今天的神经气候，出现了一个推，以增加s的准确性urgical方法和技巧。它不再是足够的瞄准一个大脑区域作为一个整体时，很显然，较小的子区域存在，而且它们可能是功能不同。一个例子来自研究侧重于显微注射到海马。不仅个人的愿望为目标分区域，像CA1和CA3区，但他们希望这些区域内7学习背，腹子字段。然而，针对这些地区有手动外科技术是非常困难的。的机动化立体定位方法的好处是，一旦目标区域的正确的坐标被确定，每一个未来的手术，可在相同的位置。然而，重要的是要注意，在动物的头骨和大脑的形态差异仍然会贡献一些错误的手术。
将受益于自动化的手术的另一个领域是慢性微电极植入。一些实验室正试图降低电极进入细胞核，如苍白球或腹侧苍白球8分区域分区域。降低电极与机动立体定位仪，不仅提高准确性，但应该增加可记录的神经元的收益。这是由于这样的事实，微丝造成损坏，因为它们降低了。机器人能够降低比人的手，以恒定的速率更慢的电极，减少受损神经轴突或神经元很可能也是传入到目标区域。
精度机器人的水平也应该是那些谁是通过成像头骨，获得光密度9的定量措施有利。光可透过颅骨进入和退出的金额取决于颅骨的厚度。我们的机动stereotax能够确保薄颅骨窗的整个表面区域都具有相同的深度。这有助于同样在其整个光穿透窗表面。
要注意包括手术生成软件的限制是重要的。首先，各个角落会被四舍五入到钻头的半径。用于钻孔的代码，每个孔的直径取决于钻头直径。对于薄骨窗开颅和代码，钻头的中心将按照切割路径。这意味着该窗口的大小将由钻头的半径增加各边。这可以通过减去从角尺寸钻头的半径进行补救。也为薄颅骨窗和开颅码，钻孔的深度是静态的每个通。这意味着整个窗口将被钻至相同的深度，而与颅骨的曲率。这是特别重要的是考虑在极端横向坐标，其中颅骨曲线腹侧。但是，有没有这样的限制，硬件，研究人员无需使用包含softwarË。随着G代码正确的认识，用户可以从头开始创建的手术，完美正在使用的特定头骨的轮廓相匹配。另外，比当前位直径大的任何孔可以使用简单的圆圈内插进行。移动在三维空间仅由stereotax的行程受到限制，并且在克编码用户的熟练程度。
总之，自动化外科手术提供了许多用于适度的成本效益，因此，正在成为一种越来越流行的技术10，11。但要认识到机器人的精度取决于加工质量，适当的设置，以及如何数控机床操作正确的认识是非常重要的。只要研究人员愿意花时间去了解这个机动立体定位仪的运作，他们可能更准确地执行手术，具有较好的可复制性，和更低的培训。这使得集成在一个机动立体定位仪以实验的明智选择，执行大量的手术，任何一个实验室。
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Disclosures
作者没有竞争经济利益披露。
Acknowledgments
这项研究是药物滥用津贴的DA 006886，和DA 032270支持的研究所。
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. |
References
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