Building An Open-source Robotic Stereotaxic Instrument

Summary

Denne protokollen omfatter design og programvare som er nødvendig for å oppgradere et eksisterende stereotaksisk instrument til en robot (datamaskin numerisk styrt, CNC) stereotaksisk instrument for rundt $ 1000 (med unntak av en drill).

Abstract

Denne protokollen omfatter design og programvare som er nødvendig for å oppgradere et eksisterende stereotaksisk instrument til en robot (CNC) stereotaksisk instrument for rundt $ 1000 (med unntak av en drill), ved hjelp av industristandard stepper motorer og CNC kontrollerende programvare. Hver akse har variabel hastighetskontroll og kan drives samtidig eller uavhengig av hverandre. Roboten fleksibilitet og åpne kodesystem (g-kode) gjør den i stand til å utføre egendefinerte oppgaver som ikke støttes av kommersielle systemer. Dens anvendelser inkluderer, men er ikke begrenset til, boring av hull, skarpe kant craniotomies, skalle tynning og senkeelektroder eller kanyle. For å fremskynde skrivingen av g-koding for enkle operasjoner, har vi utviklet egne skript som lar enkeltpersoner til å utforme en operasjon uten kunnskap om programmering. Men for brukerne å få mest mulig ut av den motoriserte stereotax, ville det være fordelaktig å være kunnskapsrik i matematisk programmering og G-Coding (enkel progkomprimering for CNC maskinering).

Den anbefalte borehastigheten er større enn 40.000 rpm. Stepper motor oppløsning er 1,8 ° / Step, rettet til 0,346 ° / Step. En standard stereotax har en oppløsning på 2,88 mikrometer / trinn. Maksimal anbefalt skjærehastighet er 500 mikrometer / sek. Maksimal anbefalt jogging hastighet er 3500 mikrometer / sek. Den maksimale anbefalte bitstørrelsen er HP to.

Introduction

Stereotactic gnager kirurgi er brukt i en lang rekke anvendelser, inkludert nevro lesioning ^1, iontoforese ^2, Mikro implantering ^3, stimulering ^4, og tynne skallen avbildning ^5. Men det er store hindringer overfor de som ønsker å bruke disse teknikkene, inkludert bratt læringskurve for å utføre nøyaktig stereotaktisk kirurgi og den høye sannsynligheten for menneskelige feil. Menneskelige feil omfatter måle-og beregningsfeil, så vel som den lave nøyaktigheten og reproduserbarheten av menneskelige bevegelser. I et forsøk på å redusere disse konfunderende feil, ville stereotaktisk kirurger nytte av et system som sikrer at alle kirurgiske prosedyrer utføres likt på tvers av fag. Reduksjonen av feil er også en metode der etterforskere kan minimere bruken av dyr fag, et primært mål av National Institutes of Health for dyreforsøk ^seks. I en ideell verden, alle stereotactic operasjoner ville være helt replicable innenfor eksperimenter, og mellom laboratorier. For å løse dette problemet, har selskapene utviklet nye ultra-presise stereotaxics og digitale skjermer for å lese målinger. For å fjerne menneskelige bevegelse feil, ble motoriserte mikro manipulatorer og stereotaxics produsert kommersielt, men deres høye kostnader kan være uoverkommelige til et laboratorium med et begrenset budsjett. Dessuten er deres programvare helt proprietære, og kan ikke endres av forskeren å imøtekomme en ny type kirurgi.

En rimelig løsning for den menneskelige feilen problemet er å bygge en robot stereotax fra en lab eksisterende modell, bruker industristandard CNC utstyr. På grunn av et spirende CNC hobby samfunnet, materialene er betydelig rimeligere enn vitenskapelig utstyr. Dette gjør det mulig å bygge opp en nøyaktig CNC stereotaksisk instrument, som også er meget fleksibel og billig. Med en grunnleggende kunnskap om CNC maskinering og G-Code, individueltals kan programmere alle stereotaktisk kirurgi som de forestille seg, uten begrensninger av proprietær programvare. Og, for å fremskynde produksjonen av g-kode for enkle operasjoner, inkluderer denne protokollen programvare som gjør det mulig for brukeren å designe operasjoner (skarp kant kraniotomi, tynn skallen vindus, hullsboring og implantat senking) innen pek og klikk menyer. Disse programmene utgang utfylt g-kode som kan kjøres direkte fra CNC programvare.

I alt er et motorisert stereotaksisk oppgradering ideelt for de som har en interesse i å øke nøyaktigheten og replikerbarhet av operasjoner, og samtidig beholde den fleksibilitet og lave kostnader for en åpen kildekode-plattform.

Protocol

1. Wire de bipolare steppermotorer ved å skru ledningene inn i kontaktene som følger med føreren ombord. Ledningsfargene på bipolare steppermotorer er standardisert (figur 1).
   Merk: De beskrevne steppermotorer har en oppløsning på 1,8 ° / step, rettet til 0,346 ° / trinn. En standard stereotax har tre mm/360 ° reise. Endelig vedtak er 2,88 mikrometer / trinn. Motorene er også i stand til brøk stepping.
   1. Koble den grønne ledningen til A +, koble den sorte ledningen til A-, koble den røde ledningen til B + og koble den blå ledningen til B-.
2. Skyv koplingene over stepper motorer, er forsiktig med å justere festehull, og fest dem med 12x M3 unbrakoskruer (20 mm) (figur 2).
   1. Kontroller at koplingene er godt festet til motorene.
      Merk: 3D-modeller inkluderer ikke tråder. De deler er merket med gjengestørrelse, men de må være tappet etter at de erprodusert.
3. Fjern justeringsskruene fra tommelgrep på alle tre aksene i stereotaxic instrument ved hjelp av en liten umbrakonøkkelen. De tommelgrep er gjenget, så slå dem mot klokken for fjerning. Hold PTFE skiver på plass på armen (figur 3).
4. Skru den gjengede delen av kragene på gjengestengene av stereotaxic instrumentets armene (figur 3).
   1. Sørg for at det er noe gap mellom krager og PTFE O-ringer. Dette garanterer at koordinatene blir opprettholdt når roboten endringer retninger.
   2. Sikre kragene på gjengene på de stereotaksiske armene som brukte 3x NF10-32 (1/4 tommer) cup settskruer.
   3. Skyv hver motor og kopling over krager og stereotaksiske armene. Sørg for at motorene sitte flush med armene, og sett skruehullene på kragene på linje med den flate delen av motoraksler (figur 4).
   4. Sikre couplers til stereotax ved hjelp av monteringshullene og 6x NF10-32 (1/2 tommer) kopp settskruer (figur 4).
   5. Sikre kragene til motoraksler bruker 3x NF10-32 (1/4 tommer) settskruer (figur 4).
5. Klargjør CNC driver bord ved å sette hver av kontrolleren pins til halv stepping.
   Merk: Denne stepper motor driver kommer som en utsatt kretskort. Et tilfelle kan bygges, selv om det ikke er nødvendig. Dessuten kan en rekke forskjellige bipolare trinnmotordriverne anvendes. I så fall sørge for at oppsettsinstruksjonene følges for den spesifikke styret kjøpt.
   1. Juster alle seks pinner per stepper motor på samme måte. Half-stepping åpner for dobbelt trinnet oppløsning i Degrees / trinn (figur 5).
   2. Flip pin en i på-stilling, pin 2 til av-posisjon, pin 3 til på stillingsjon, pin 4 til av-posisjon, pin 5 til på-stilling, og pin 6 til av-posisjon (figur 5).
6. Plugg motorene (X - Y - Z) inn i stepper motor driver, sammen med 12 V strømforsyning. Korrekt plassering er markert på sjåføren. Også, fest stepper driver til en datamaskin serieport ved hjelp av en DB25cable (figur 6).
7. Installer CNC fresing programvare på en personlig datamaskin (dette må være plassert i en kirurgisk område) etter standardinstruksjonene. Når programmet er installert, åpne programvaren for å begynne konfigurasjon.
   1. Konfigurere programvaren til å kommunisere med de steppermotorer.
      Merk: Disse instruksjonene er ment for bruk kun med TB6560 stepper motor driver.
   2. Klikk gjennom programvarens menyer som følger. Åpne → Config → Porter og Pins→ utgangssignaler. Fyll ut melding om å matche Figur 7 og traff gjelder.
   3. Klikk gjennom programvarens menyer som følger. Åpen → Config → Porter og Pins → Inngangssignaler. Fyll ut melding om å matche Figur 8 og traff gjelder.
   4. Klikk gjennom programvarens menyer som følger. Åpne → Config → Porter og Pins → Motor utganger. Fyll ut melding om å matche Figur 9 og traff gjelder.
   5. Klikk gjennom programvarens menyer som følger. Åpen → Config → Motor tuning. Fyll ut melding om å matche Figur 10 og klikker på Lagre Axis innstillinger. Gjenta forrige trinn for alle tre aksene med de samme verdiene.
8. Kalibrere stereotax til omfanget av CNC programvare.
   Merk: Programvaren er designet for standard fresemaskiner, så det er måleenheten ikke vil stå i forhold til reiser av en stereotaksisk instrument.
   1. Sett motorenes hastighet til 1 cm per minutt, og "jogge" stereotaxic instrumentets Z-aksen med PgUp / PgDn til nærmeste millimeter.
      Merk: Den maksimale anbefalte jogging hastighet er 3500 mikrometer / sek og maksimal anbefalt skjærehastighet er 500 mikrometer / sek.
   2. Zero Z-aksen, og Jog stereotaxic instrument 1 mm. Avstanden reiste på Z-aksen i Mach3 er "Scaling Constant". Maskin koordinater bestemmes ved å multiplisere skull koordinater (mm) av "Scaling Constant".
   3. Utfør tilfeldige tester av alle tre akser ved å programmere dem til å reise noen kjente avstander, og sikre bevegelsene er nøyaktige. Hvis stereotax reise er for langt eller kort, endre skalerings konstant tilsvarende.
      Merk: Når skaleringen er fullført, kan de medfølgende definerte skript kan brukes til å generere g-kode for operasjoner. Imidlertid er det sterkt anbefalt at brukerne blir kjent med g-kode før du prøver å auto-generereoperasjoner. Dette er viktig for feilsøking og modifisere automatiserte operasjoner.
9. Fest mikro motor drill til stereotaxic instrumentet med den ekstra store probe holderen. Merk: Minste anbefalte drill bit hastighet er 40 000 rpm.
10. Auto-generere G-kode for en skarp kant kraniotomi med tre skallen skruehullene.
    1. Plasser alle egendefinerte skript fra programvare tabellen inn i en enkelt mappe på en PC.
    2. Åpne skriptet "SharpEdgeCraniotomy.m" og kjøre koden.
    3. Velg Både på spørsmålet "Hvilken type kirurgi du trenger å gjøre?" (Figur 11).
    4. Velg Custom, å definere hjørnene av skallen vinduet. Fyll hver prompt å matche Figur 12.
    5. Definer X-og Y-posisjonene til kraniotomi hjørner. Hver koordinere må angis i riktig rekkefølge, ifølge eksempelet i Figur 13
    6. Tast 3 i meldingen om å produsere tre skallen hull (Figur 14).
    7. Velg Definer ved hjelp av koordinater, og angi koordinatene til hvert hull fra malen i figur 15.
       Merk: Hvis presise koordinater er ikke viktig, det er et alternativ til å peke og klikke hullene posisjoner på et bilde av en rotte skallen. Posisjoner vil automatisk bli generert.
    8. Definer boreparametere. For første testene kirurgi, godta standardverdiene.
       Merk: Disse verdiene er avhengig av stepper motorer, og dyrets skallen. Hver rotte rase og målplassering har en litt annen skallen tykkelse. For de første få operasjoner som bruker denne enheten, må du være forberedt på å teste boredybder og fjerne eventuelle gjenværende skallen stykker manuelt. Verdiene kan da bli modifisert for fremtidige operasjoner (figur 16).
    9. Gi navn til g-kode, det vil automatisk bli generert og saVED til arbeidsmappen.
11. Laste g-koden inn i CNC fresing programvare og en test skallen inn i stereotaksiske instrumenter øret barer.
    1. Manuelt jogge boret til Bregma hjelp av piltastene. Bruk en langsom jogge hastighet (~ 5 cm / m) for å sikre nøyaktighet.
    2. Start borkronen roterer med større enn 38.000 rpm.
    3. Trykk CycleStart, den stereotax vil utføre mange passerer av samme snitt, på forskjellige dybder. Mellom hver passering, vil stereotax pause, slik at kirurgen kan fortsette eller avbryte skjæring. Trykk på Fortsett Cycle (Alt-R) for å fortsette å kutte passerer.

Representative Results

Sluttresultatet av operasjonen utformet i fremgangsmåtene blir en rotte skallen med en skarp kant kraniotomi og 3 skull huller (fig. 17). Merk at skallen brukes til å demonstrere operasjonen var mye større enn den prototypiske rotte skallen. Den skarpe kanten kraniotomi kan brukes til å sette inn en mikrotråd matrise inn i hjernen, for høy tetthet nevrale opptak. De CNC stereotax kan også anvendes til å senke matrisen med stor presisjon. Programvaren er inkludert i denne protokoll som gjør det mulig for kirurgen å definere parametre for en mikrotråd, eller kanyle senking. Skarp kant craniotomies kan også brukes til å avdekke store deler av motor cortex, for sensorimotor kartleggingsstudier.

De skull hull kan benyttes for å sette inn skallen skruer (figur 18). Disse kan bli brukt som ankere for dentalsement ved påføring av hodet trinn til dyret. Hullene kan også anvendes til å sette enkeltelektroder inn i hjernen. Disse elektrodene kan benyttes til bedøvede eller kroniske opptak. Men når du bruker stereotax for bedøvet opptak, sikre strøm til motorene er av før innsamling av data. Motorene elektriske egenskaper kan indusere støy i opptaket.

CNC stereotax kan også produsere tynne skallen vinduer med en stor nøyaktighet (Figur 19). Disse vinduer kan anvendes for in vivo optisk avbildning i bedøvede dyr. Jevnheten av den tynne skallen muliggjør også lett gjennomtrengning, noe som er nødvendig for sammenlignende eller kvantitativ analyse av optiske avbildningsdata.

Figur 1. Koblingsskjema for stepper motorkontakten.

"Src =" / files/ftp_upload/51006/51006fig2.jpg "/>
Figur 2. Monterings diagram for å feste koplinger til trinnmotorene.

Figur 3. Monterings diagram for å feste kragene til stereotaxic arm.

Figur 4. Montering diagrammet for å feste motorer / koplinger til krager / stereotaksisk arm.

Figur 5. Slå diagrammet for innstilling av stepper motor driver til halvtrinn.

Figur 6. Koblingsskjema for stepper motor driver.

Figur 7. Konfigurasjon diagram for utgangssignaler i CNC programvare.

Figur 8. Konfigurasjon diagram for inngangssignaler i CNC programvare.

Figur 9. Configuration Skjemaet for motor utganger i CNC programvare.

Figur 10. Konfigurasjon Skjemaet for motor tuning i CNC programvare.

Figur 11. Be om å velge kirurgi type i "kirurgi designe" programvare (sharpedgecraniotomies.m).

Figur 12. Spør for å velge tilpassede eller forhåndsinnstilte mål koordinater i "kirurgi design"-programvare.

Figur 13. Spør for entering vindus koordinater (4 hjørner) i "kirurgi design"-programvare.

Figur 14. Spør for å velge antall skallen hull i "kirurgi design"-programvare.

Figur 15. Ber om valg av metode for å plassere skallen hull, og for å legge inn hull koordinatene i "kirurgi design"-programvare.

Figur 16. Be om å definere boreparametere i "kirurgi design"-programvare.

Figur 17. En hodeskalle som viser sluttresultatet av å kjøre den tidligere designet kirurgi.

Figur 18. En hodeskalle viser skull skruer settes inn i et hull som produseres i løpet av f.eks kirurgi. Den borkroner størrelse vil bestemme hullets diameter og consequentially størrelsen skruen.

Figur 19. Viser hodeskallen fra eksempelet kirurgi, containinga tynn skallen vinduet, angitt med pilene. Merk at i panelet til høyre, (skallen lyser innenfra)lyset synes å trenge inn i den tynne skallen vinduet jevnt. Legg også merke til at vinduet ikke trenger å være firkantet, eller inneholde 90 ° hjørner.

Discussion

Bruk av automatisert operasjon utstyr hjelper til å eliminere noen av de vanlige problemer i nevro forskning. For det første verktøyet baner er 100% reproduserbar. Hver kutt er garantert å være på samme sted i forhold til Bregma. For det andre bør det redusere eksperimentator feil. Selv om mange forskere er dyktige kirurger, det tar en eksepsjonell mengde praksis for å bli enda en kompetent kirurg. Denne enheten vil tillate nye studenter til å raskt og enkelt utføre svært nøyaktige operasjoner. For det tredje, bør motorisert kirurgi enheter redusere antallet dyr som trengs for å utføre et eksperiment ^6.. Kirurger vil trenge mindre trening, og feil vil bli gjort sjeldnere. Endelig er den motoriserte stereotaksisk stand til å gjøre mer presise og nøyaktige bevegelser enn den menneskelige hånd, noe som åpner for mer oppløsning i koordinere valg.

I dagens nevrovitenskap klima, har det vært et push for å øke nøyaktigheten av surgical metoder og teknikker. Det er ikke lenger tilstrekkelig til å målrette et hjerneregion som et hele når det er klart at mindre underområder finnes, og at de kan være funksjonelt forskjellige. Et eksempel kommer fra forskning med fokus på microinjections i hippocampus. Ikke bare enkeltpersoner ønsker å målrette underregioner, som CA1 og CA3, men de ønsker å studere dorsal og ventral felter innenfor disse regionene ^7. Men rettet mot disse regionene med en manuell kirurgisk teknikk er svært vanskelig. Fordelen med den motordrevne stereotaxic tilnærmingen er at, når de riktige koordinater for en target-området er identifisert, kan hver fremtidig kirurgi bli dirigert til den samme posisjon. Det er imidlertid viktig å merke seg at morfologiske forskjellene i skallen og hjernen av dyr vil fortsatt bidra litt feil til operasjoner.

Et annet felt som ville ha nytte av å automatisere operasjoner er kronisk microelectrode implantasjoner. Noen laboratorier prøverå senke elektrodene inn i underregioner av nuclei, slik som underregionene av globus pallidus og ventral pallidum ^8.. Senking elektroder med en motorisert stereotaksisk instrument vil ikke bare øke nøyaktigheten, men bør øke skrivbar nevron yield. Dette skyldes det faktum at microwires forårsake skade når de senkes. Roboten er i stand til å senke elektrodene er lengre enn menneskehender, og med en konstant hastighet, noe som reduserer skade på axoner eller neuroner som meget godt kan være afferent til målområdet.

Robotens grad av nøyaktighet bør også være gunstig for dem som er tenkelig gjennom hodeskaller, for å få kvantitative mål på optisk tetthet ^ni. Mengden av lys som kan gå inn og ut gjennom skallen er avhengig av skallen tykkelse. Vår motoriserte stereotax er i stand til å sikre at hele overflatearealet av den tynne skallen vinduet har identisk dybde. Dette hjelper lys trenge gjennom vinduet likt på hele sittoverflate.

Det er viktig å legge merke til begrensningene i den medfølgende kirurgi genererende programvare. For det første vil alle hjørner avrundes til radien av borkronen. For hullboringen koden, er diameteren av hvert hull er avhengig av diameteren øvelser. For de tynne skallen vindu og kraniotomi-koder, vil senteret av borkronen følge skjærebanen. Dette innebærer at størrelsen på vinduet øke på alle sider av radien av borkronen. Dette kan bøtes på ved å subtrahere radien av borkronen fra hjørne dimensjoner. Også for den tynne skallen vinduet og kraniotomi koder, er dybden av bore statisk på hver passering. Dette betyr at hele vinduet blir boret til samme dybde, uansett krumningen av skallen. Dette er spesielt viktig å vurdere i ekstremt side koordinater, der skallen kurver ventrally. Men det finnes ingen slike begrensninger i maskinvare, og trenger forskerne ikke bruke den medfølgende software. Med riktig forståelse av g-kode, kan brukerne opprette operasjoner fra scratch som passer perfekt konturene av den spesifikke skallen som brukes. Dessuten kan ethvert hull som er større enn den aktuelle bit diameter gjøres ved hjelp av enkle sirkel interpolasjon. Bevegelse i tre dimensjoner er bare begrenset av reiser av stereotax, og brukerens kompetanse på g-koding.

I alle, automatisere operasjoner gir en rekke fordeler for en beskjeden kostnad, og som sådan, blir en stadig mer populær teknikk ^{10, 11.} Men det er viktig å erkjenne at nøyaktigheten av roboten avhenger kvalitet maskinering, riktig oppsett og riktig forståelse av hvordan CNC maskiner fungerer. Så lenge forskere er villig til å ta seg tid til å forstå funksjonen av dette motoriserte stereotaksisk instrument, kan de utføre operasjoner mer nøyaktig, med bedre replikerbarhet, og med mindre trening. Dette gjør integrere en motorisert stereotaksisk instrument itil eksperimenter et smart valg for enhver lab som utfører et stort antall operasjoner.

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.