构建开源机器人立体定位仪

摘要

本方案包含将现有立体定位仪升级为机器人（计算机数字控制；CNC）立体定位仪所需的设计文件和软件，成本约为1000美元（不含钻头）。

摘要

本方案包含将现有立体定位仪升级为机器人（数控）立体定位仪所需的设计和软件，成本约为1000美元（不包括钻头），采用工业标准的步进电机和数控控制软件。每个轴均具有可变速度控制功能，可同时或独立操作。该机器人的灵活性和开放编码系统（g代码）使其能够执行商业系统不支持的自定义任务。其应用包括但不限于钻孔、锐缘开颅、颅骨减薄以及插入电极或套管。为了加快简单手术的g代码编写，我们开发了自定义脚本，使用户无需编程知识即可设计手术程序。然而，为了最大限度地利用电动立体定位仪，用户掌握数学编程和G代码（数控加工的简单编程）知识将大有裨益。

推荐的钻孔速度应大于 40,000 rpm。步进电机分辨率为 1.8°/步，经齿轮传动后为 0.346°/步。标准立体定位仪的分辨率为 2.88 μm/步。推荐的最大切割速度为 500 μm/sec。推荐的最大点动速度为 3,500 μm/sec。推荐的最大钻头尺寸为 HP 2。

引言

立体定位啮齿类动物手术广泛应用于神经科学领域的多种研究，包括损毁¹、离子电渗析²、微丝电极植入³、刺激⁴以及薄颅骨成像⁵。然而，希望应用这些技术的研究人员面临诸多障碍，其中包括准确实施立体定位手术所需的学习曲线陡峭，以及人为错误发生的高概率。人为错误包括测量和计算失误，以及人为操作精度低和可重复性差的问题。为了减少这些干扰性误差，立体定位外科医生将受益于一种能够确保所有手术在不同实验对象间完全一致执行的系统。减少误差也是研究人员实现动物实验中尽量减少动物使用数量的一种方法，这符合美国国立卫生研究院（NIH）关于动物实验的主要目标⁶。在理想情况下，所有立体定位手术应在同一实验内及不同实验室之间均具有完美的可重复性。为解决这一问题，一些公司已开发出新型超高精度立体定位仪以及用于读取测量值的数字显示装置。为消除人为操作带来的误差，市场上推出了电动显微操作器和立体定位系统，但其高昂的成本可能使预算有限的实验室难以承受。此外，这些设备的软件完全为专有系统，研究人员无法对其进行修改以适应新型手术的需求。

解决人为误差问题的一种经济方案是利用实验室现有的模型，结合工业标准的数控（CNC）设备，构建一台机器人立体定位仪。由于数控技术爱好者社区的快速发展，相关材料的成本远低于专业科研设备。这使得研究人员能够制造出精度高、灵活性强且成本低廉的数控立体定位装置。只要具备基本的数控加工和G代码知识，使用者即可自主编程，实现任何设想的立体定向手术，而不受专有软件的限制。此外，为了加快简单手术G代码的生成速度，本实验方案配套提供了软件工具，使用户能够自主设计手术方案（如锐缘开颅、薄颅窗制备、钻孔等）。 & 植入物降低）通过点按式菜单实现。这些程序可输出完整的 G 代码，可直接由 CNC 软件运行。

总之，对于希望在保持开源平台灵活性和低成本的同时提高手术准确性和可重复性的研究人员而言，电动立体定位仪升级套件是理想选择。

方案

1. 将双极性步进电机的导线连接到驱动板附带的接线端子上。双极性步进电机的导线颜色是标准化的（图1).
   注意：所述步进电机的分辨率为1.8°/步，经齿轮减速后为0.346°/步。标准立体定位仪的行程为3 mm/360°。最终分辨率为2.88 μm/步。该电机还支持细分步进。
   1. 将绿线连接至A+，黑线连接至A-，红线连接至B+，蓝线连接至B-。
2. 将联轴器滑过步进电机，注意对齐安装孔，并使用以下方式固定 12x M3 内六角螺钉（20 mm）（图2).
   1. 确保耦合器牢固地安装在电机上。
      注意：3D 模型不包含螺纹。零件上标注了螺纹尺寸，但在制造完成后必须进行攻丝。
3. 使用小六角扳手从立体定位仪三个轴的拇指旋钮上拆下紧定螺钉。拇指旋钮带有螺纹，拆卸时应逆时针旋转。保持聚四氟乙烯（PTFE）垫圈位于臂上原位不动图3).
4. 将套管的螺纹端拧到立体定位仪臂部的螺纹杆上图3).
   1. 确保衬套与聚四氟乙烯O型圈之间无间隙，以保证机器人在改变方向时坐标位置保持不变。
   2. 使用螺纹将套管固定在立体定位仪臂上 3x NF10-32（1/4英寸）杯头紧定螺钉。
   3. 将每个电机和联轴器滑过套环 & 立体定位臂。确保电机与臂部完全贴合，且联轴器上的紧固螺钉孔与电机轴的扁平部分对齐（图4).
   4. 使用安装孔将耦合器固定在立体定位仪上 6x NF10-32（1/2 英寸）杯头紧定螺钉图4).
   5. 使用紧固件将联轴器固定在电机轴上 3x NF10-32（1/4 英寸）内六角螺钉（图4).
5. 通过将控制器的每个引脚设置为半步进模式来准备CNC驱动板。
   注意：该步进电机驱动器以裸露的电路板形式提供。可以为其制作外壳，但并非必需。此外，也可使用多种不同的双极性步进电机驱动器。若如此，请确保遵循所购电路板对应的安装说明。
   1. 以相同方式对齐每个步进电机的全部6个插针。半步进模式可使每步的分辨率提高一倍（度/步）。图5).
   2. 翻转针脚 1 到 开启 位置，针脚 2 至 关闭 位置，针脚 3 至 在 位置，针脚 4 至 关闭 位置，针脚 5 到 在 位置，并将针脚 6 连接到 关闭 位置图5).
6. 将电机（X-Y-Z）和12 V电源连接至步进电机驱动器，正确接口位置已在驱动器上标明。同时，使用DB25电缆将步进电机驱动器连接至计算机的串行端口。图6).
7. 将CNC铣削软件按照默认说明安装到个人计算机上（该计算机需位于手术区域）。安装完成后，打开软件以开始配置。
   1. 配置软件以与步进电机通信。
      注意：以下说明仅供使用 仅 与 TB6560 步进电机驱动器
   2. 依次点击软件菜单：打开 → 配置 → 端口和引脚 → 输出信号。根据提示填写以匹配 图7 并点击应用。
   3. 依次点击软件菜单：打开→配置→端口和引脚→输入信号。根据提示填写以匹配 图8 并点击应用。
   4. 依次点击软件菜单：打开→配置→端口和引脚→电机输出。填写提示信息以匹配 图9 并点击应用。
   5. 依次点击软件菜单：打开→配置→电机调校。根据提示填写以匹配 图10 并单击 保存坐标轴设置对所有3个轴重复上一步骤，使用相同的数值。
8. 将立体定位仪校准至数控软件的刻度。
   注意：该软件专为标准铣床设计，因此其测量单位与立体定位仪的移动行程不成比例。
   1. 将电机的速度设置为每分钟1英寸， "慢跑" 使用 PgUp/PgDn 键将立体定位仪的 Z 轴调整至最接近的毫米刻度。
      注意：建议的最大点动速度为 3,500 µm/sec，建议的最大切割速度为 500 µm/sec。
   2. 将Z轴归零，并微调立体定位仪1 mm。Mach3中Z轴移动的距离即为 "缩放常数"机器坐标通过将颅骨坐标（mm）乘以 "缩放常数".
   3. 通过编程使所有3个轴移动已知距离，进行随机测试，并确保运动的准确性。如果立体定位仪的移动距离过长或过短，应相应调整比例常数。
      注意：缩放完成后，可使用附带的自定义脚本为手术生成g代码。但在尝试自动生成手术程序前，强烈建议用户先熟悉g代码。这对于自动化手术的故障排查与修改至关重要。
9. 使用超大探针夹将微型电机钻固定在立体定位仪上。注意：建议钻头的最低转速为 40,000 rpm。
10. 自动生成带有3个颅骨螺钉孔的锐边开颅术G代码。
    1. 将软件表格中的所有自定义脚本放入计算机上的一个文件夹中。
    2. 打开脚本 "SharpEdgeCraniotomy.m"运行代码。
    3. 选择 两者 提示 "你将进行哪种类型的手术？" (图11).
    4. 选择 自定义，以确定颅窗的边界。根据提示逐一填写以匹配 图12.
    5. 定义颅骨开窗四个角的 X 和 Y 位置。每个坐标必须按照示例中的顺序依次输入， 图13.
    6. 在提示中输入 3 以生成 3 个颅骨孔（图14).
    7. 选择 使用坐标定义，并从模板中输入每个孔的坐标 图15.
       注意：如果精确坐标不重要，可以选择在大鼠颅骨图像上通过指点点击的方式确定孔位。系统将自动生成相应位置。
    8. 定义钻孔参数。在首次测试手术中，采用默认值。
       注意：这些数值取决于步进电机和动物颅骨的特性。每种大鼠品系及靶向位置的颅骨厚度均有轻微差异。在初次使用该设备进行的几次手术中，需准备好测试钻孔深度，并手动清除残留的颅骨碎片。随后可根据实际情况调整数值，用于后续手术。图16).
    9. 命名g代码文件；该文件将自动生成并保存至工作目录。
11. 将g代码载入数控铣削软件，并将测试颅骨装入立体定位仪的耳杆中。
    1. 使用方向键手动微调钻头至前囟点。采用慢速微调模式（约5英寸/分钟）以确保定位准确。
    2. 启动钻头，使其转速超过 38,000 rpm。
    3. 按压 循环开始；立体定位仪将在不同深度对同一切口进行多次切割。每次切割后，立体定位仪将暂停，以便外科医生决定继续切割或终止操作。按 继续循环 (Alt-R) 以继续进行切割操作。

结果

本方法设计的手术最终结果为大鼠颅骨上形成一个锐缘开颅切口及3个颅骨孔（图17）。需要注意的是，用于演示手术的颅骨比典型的大鼠颅骨更宽。锐缘开颅切口可用于将微丝电极阵列插入脑内，以实现高密度神经信号记录。CNC立体定位仪还可用于精确地下降电极阵列。本方案中包含的软件允许操作者设定微丝电极或套管下降的参数。锐缘开颅切口也可用于暴露大脑运动皮层的大片区域，适用于感觉运动功能定位研究。

颅骨上的孔可用于插入颅骨螺丝（图18）。这些螺丝可作为牙科水泥的锚定点，用于将头固定装置固定在动物头部。这些孔也可用于将单个电极插入大脑，电极可用于麻醉状态或慢性记录实验。然而，在使用立体定位仪进行麻醉状态下记录时，务必在采集数据前关闭电机电源，因为电机的电学特性可能会在记录中引入噪声。

CNC立体定位仪还可非常精确地制作薄颅窗（图19）。这些窗口可用于 在 体内 在麻醉动物中进行光学成像。颅骨薄而均匀，可实现均匀的光线穿透...

讨论

使用自动化手术设备有助于消除神经科学研究中一些最常见的问题。首先，工具路径具有100%的可重复性。每一次切割的位置相对于前囟点（Bregma）都保证完全一致。其次，该设备可减少实验人员的操作误差。尽管许多研究人员具备高超的手术技能，但要成为一名合格的外科医生仍需大量练习。该设备可使新学生快速、轻松地完成高精度的手术操作。第三，电动化手术设备应能减少实验所需的动物数量⁶。外科医生所需的培训时间更短，操作失误的发生频率也更低。最后，电动化立体定位仪能够实现比人手更精确、更准确的运动，从而在坐标选择上提供更高的分辨率。

在当今神经科学领域，人们越来越重视提高手术方法和技术的精确性。当明确存在更小的亚区且其功能可能不同时，仅将脑区整体作为靶点已不再足够。一个典型的例子来自针对海马体的微量注射研究。研究人员不仅希望靶向 CA1 和 CA3 等亚区，还希望进一步研究这些区域内的背侧和腹侧亚区⁷。然而，使用手动手术技术靶向这些区域极具挑战性。采用电动立体定位方法的优势在于，一旦确定了目标区域的准确坐标，后续所有手术均可精确定位至完全相同的位置。但需要注...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1x 标准U型架立体定位仪	Kopf	Kopf	该方案应适用于大多数现有的立体定位仪设备。
3个12 V、1.6 A、233盎司·英寸齿轮减速双极性步进电机	Phidgets	机器人商店	任何高扭矩齿轮步进电机均可使用。
1x 三轴CNC步进电机驱动板控制器	东芝	Ebay	任何三轴CNC驱动器均可使用。所链接的产品包含Mach3 CNC软件。
2x 上肢连接器：内侧-外侧（ML） &和背腹（DV）	定制加工	部件图	这些部件必须由您当地的机械加工车间进行加工。（成本会有所不同）
1x 前后（AP）耦合器	定制加工	零件图	这些部件必须由您当地的机械加工车间进行加工。（成本会有所不同）
3x 电机至立体定位仪套管	定制加工	部件图	这些部件必须由您当地的机械加工车间进行加工。（成本会有所不同）
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12x NF10-32 杯头定位螺钉	McMaster Carr	½” 长度	每种各需6个。
¼” 长度
12个M3内六角螺钉（20 mm）	McMaster Carr	20 mm 长度	每个电机需要4个
1x 微型电机钻	水牛牙科	X50	任何微型电机钻均可使用。  建议转速至少为 38,000 rpm
1x 12 V 直流电源	12伏适配器	12伏直流电 – 7 安培	任何12 V直流电源均可使用（确保其额定电流高于所有电机电流之和）’ 电流强度）。
1x 超大探头支架	斯托尔廷	斯托尔廷
1个B级大鼠头骨	Skulls Unlimited	Skulls Unlimited
Mach 3 铣床	ArtSoft USA	试用下载	任何标准的CNC控制软件均可使用。
手术设计工具	Kevin Coffey David Barker	MATLAB 文件交换	这些代码可供修改。我们对您使用或修改代码的行为不承担任何责任。