Artículo de método

La construcción de un código abierto robótica estereotáxica Instrumento

DOI:

10.3791/51006

⸱

29 de octubre de 2013

 ,  ,  , 
1Department of Psychology, Rutgers, The State University of New Jersey

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo incluye los diseños y el software necesario para actualizar un instrumento estereotáxico existente a un robot (numérico controlado por ordenador; CNC) instrumento estereotáxico para alrededor de 1.000 dólares (sin incluir un taladro).

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo incluye los diseños y el software necesarios para actualizar un instrumento estereotáctico existente a un robot (CNC) instrumento estereotáxica por alrededor de $ 1.000 (sin incluir un taladro), utilizando motores de pasos estándar de la industria y el software de control CNC. Cada eje tiene control de velocidad variable y puede ser operado de manera simultánea o independientemente. La flexibilidad del robot y el sistema de codificación abierta (g-code) que sea capaz de realizar las tareas personalizadas que no son compatibles con los sistemas comerciales. Sus aplicaciones incluyen, pero no se limitan a, los agujeros de perforación, craneotomías borde afilado, adelgazamiento cráneo, y electrodos o cánula de descenso. Con el fin de agilizar la redacción del g-codificación para cirugías simples, hemos desarrollado scripts personalizados que permiten a los individuos para diseñar una cirugía sin ningún conocimiento de programación. Sin embargo, para que los usuarios obtener el máximo provecho de la stereotax motorizado, sería beneficioso tener conocimiento de programación matemática y G-Codificación de Mercancías (sencilla progembistiendo por CNC mecanizado).

La velocidad recomendada de la fresa es mayor que 40.000 rpm. La resolución de motor paso a paso es de 1,8 ° / Paso, dirigido a 0.346 ° / Paso. A stereotax estándar tiene una resolución de 2,88 micras / paso. La velocidad de corte máxima recomendada es de 500 m / seg. La velocidad de avance lento recomendada máxima es de 3500 m / seg. El tamaño máximo recomendado broca es HP 2.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La cirugía estereotáctica roedor se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones de neurociencia, incluyendo lesioning 1, iontoforesis 2, la implantación microhilo 3, 4 estimulación, y de formación de imágenes del cráneo delgada 5. Sin embargo, hay grandes obstáculos que enfrentan aquellos que desean aplicar estas técnicas, incluyendo la curva de aprendizaje para la realización de la cirugía estereotáctica exacta y la alta probabilidad de error humano. Los errores humanos incluyen la medición y fallas de cálculo, así como la poca precisión y replicabilidad de los movimientos humanos. En un esfuerzo para reducir estos errores de confusión, los cirujanos estereotácticas se beneficiarían de un sistema que asegura que todos los procedimientos quirúrgicos se realizan de forma idéntica en todos los sujetos. La reducción de los errores también es un método por el cual los investigadores pueden reducir al mínimo el uso de sujetos animales, un objetivo primordial de los Institutos Nacionales de la Salud para la experimentación animal 6. En un mundo ideal, todos los scirugías tereotactic serían perfectamente reproducible dentro de los experimentos y entre laboratorios. Para solucionar este problema, las empresas han desarrollado nuevos stereotaxics ultra-precisos, y pantallas digitales para la lectura de las mediciones. Para eliminar los errores de movimiento humano, manipuladores y stereotaxics micro motorizados fueron producidos comercialmente, pero su alto coste puede ser prohibitivo para un laboratorio con un presupuesto limitado. Además, su software es totalmente de propiedad, y no puede ser modificado por el investigador para dar cabida a un nuevo tipo de cirugía.

Una solución asequible para el problema de error humano es construir una stereotax robótico del modelo existente de un laboratorio, utilizando un equipo estándar de la industria CNC. Debido a la creciente comunidad de aficionados del CNC, los materiales son mucho más baratos que los equipos científicos. Esto permite a uno construir un instrumento estereotáxico CNC precisa, que también es muy flexible y de bajo costo. Con un conocimiento básico de mecanizado CNC y G-Code, individualmenteals pueden programar cualquier cirugía estereotáctica que se imaginan, sin las limitaciones de software propietario. Y, a fin de acelerar la producción de g-código para cirugías simples, este protocolo incluye un software que permite al usuario diseñar cirugías (craneotomía afilada punta, ventanas cráneo delgado, taladrado y de implantes bajar) dentro de apuntar y hacer clic menús. Estos programas de salida de un código de g concluido que se pueden ejecutar directamente desde el software de CNC.

En total, una actualización estereotáxica motorizado es ideal para aquellos que tienen un interés en el aumento de la precisión y la repetibilidad de las cirugías, al tiempo que conserva la flexibilidad y el bajo coste de una plataforma de código abierto.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Cablear los motores paso a paso bipolares enroscando los cables en los conectores que se suministran con la tarjeta de drivers. Colores de los cables de motores paso a paso bipolares están estandarizados (Figura 1).
    Nota: Los motores paso a paso se describen tienen una resolución de 1,8 ° / paso, orientado a 0,346 ° / paso. A stereotax estándar tiene 3 mm/360 ° de recorrido. La resolución final es de 2.88 m / paso. Los motores son también capaces de paso a paso fraccional.
    1. Conecte el cable verde a A +, conecte el cable negro a A-, conecte el cable rojo a B + y conectar el cable azul a B-.
  2. Deslice los enganches en los motores paso a paso, con cuidado para alinear los orificios de montaje y fije usando 12x Tornillos M3 de cabeza hueca (20 mm) (Figura 2).
    1. Asegúrese de que los acopladores estén firmemente sujetos a los motores.
      Nota: Los modelos 3D no incluyen roscas. Las partes se etiquetan con los diámetros de rosca, pero deben ser aprovechados después de que sefabricado.
  3. Quite los tornillos de fijación de los apoyos para el pulgar en los 3 ejes del instrumento estereotáxico utilizando una llave hexagonal pequeña. Los apoyos para el pulgar son roscados, para convertirlos a la izquierda para la extracción. Mantenga las arandelas de PTFE en su sitio en el brazo (Figura 3).
  4. Atornillar el extremo roscado de los collares sobre las varillas roscadas de los brazos del instrumento estereotáxico (Figura 3).
    1. Asegúrese de que no hay diferencia entre los collares y PTFE juntas tóricas. Esto garantiza que las coordenadas se mantienen cuando el robot cambia de dirección.
    2. Asegure los collares en la rosca de los brazos estereotáxicas utilizando 3x NF10-32 (1/4 de pulgada) tornillos de punta ahuecada.
    3. Deslizar cada motor y el acoplador sobre los collarines y los brazos estereotáxica. Asegúrese de que los motores se sientan al ras con los brazos, y los agujeros de tornillo de fijación en los collares se alinean con la parte plana de los ejes del motor (Figura 4).
    4. Asegure la couplers al stereotax utilizando los orificios de montaje y 6x NF10-32 (1/2 pulgada) tornillos de punta ahuecada (Figura 4).
    5. Asegure los cuellos de los ejes del motor utilizando 3x NF10-32 (1/4 de pulgada) tornillos de fijación (Figura 4).
  5. Prepare el tablero de conductor del CNC mediante la creación de cada uno de los pines del controlador a medio paso a paso.
    Nota: Este controlador de motor paso a paso se presenta como una placa de circuito expuesto. Un caso puede ser construido, aunque no es necesario. También, se puede utilizar un número de diferentes controladores de motor paso a paso bipolar. Si es así, asegúrese de que las instrucciones de configuración se siguen para la junta que haya adquirido.
    1. Alinear los 6 alfileres por motor paso a paso de la misma manera. La mitad-paso a paso permite el doble de la resolución de paso en grados / paso (Figura 5).
    2. Voltear el pin 1 a la posición de encendido, el pin 2 a la posición de apagado, el pin 3 para ponerlo en la posiciónción, el pin 4 a la posición de apagado, el pin 5 a la posición de encendido, y la patilla 6 a la posición de apagado (Figura 5).
  6. Enchufe los motores (X - Y - Z) en el controlador de motor paso a paso, junto con la fuente de alimentación de 12 V. La colocación correcta se marca en el controlador. También, conecte el conductor de pasos al puerto serie de un ordenador mediante un DB25cable (Figura 6).
  7. Instalar el software de fresado CNC a un ordenador personal (este tendrá que ser situado en una zona quirúrgica) siguiendo las instrucciones predeterminadas. Una vez instalado, abra el software para comenzar la configuración.
    1. Configurar el software para comunicarse con los motores paso a paso.
      Nota: Las siguientes instrucciones son para uso exclusivo con el conductor del motor de pasos TB6560.
    2. Haga clic a través de los menús del software de la siguiente manera. Abrir → Config → Puertos y pines→ Señales de salida. Rellene el símbolo para que coincida con la Figura 7 y pulse Aplicar.
    3. Haga clic a través de los menús del software de la siguiente manera. Abrir → Config → Puertos y pines → Señales de entrada. Rellene el símbolo para que coincida con la Figura 8 y pulse Aplicar.
    4. Haga clic a través de los menús del software de la siguiente manera. Abra → Config → Puertos y Pasadores → Salidas de motor. Rellene el símbolo para que coincida con la Figura 9 y pulse Aplicar.
    5. Haga clic a través de los menús del software de la siguiente manera. Abrir → tuning Config → Motor. Rellene el símbolo para que coincida con la Figura 10 y haga clic en Guardar configuración del Eje. Repita el paso anterior para los 3 ejes con los mismos valores.
  8. Calibrar el stereotax a la escala de los programas de CNC.
    Nota: El software está diseñado para máquinas de fresado estándar, por lo que su unidad de medida no será proporcional al recorrido de un instrumento estereotáxico.
    1. Ajuste la velocidad de los motores 'a 1 pulgada por minuto, y "jog" Z-eje del instrumento estereotáxico con RePág / AvPág al milímetro.
      Nota: La velocidad de avance lento recomendada máxima es de 3500 m / s, y la velocidad de corte máxima recomendada es de 500 m / seg.
    2. Poner a cero el eje Z, y el Jog estereotáxica instrumento 1 mm. La distancia recorrida en el eje Z en Mach3 es la "constante de escala". Coordenadas de la máquina se determinan multiplicando las coordenadas del cráneo (mm) por la "constante de escala".
    3. Realizar pruebas aleatorias de los 3 ejes programándolas viajar algunas distancias conocidas, y asegurar que los movimientos son precisos. Si el recorrido stereotax está demasiado lejos o definitiva, modificar la constante de escala en consecuencia.
      Nota: Una vez que la escala es completa, los scripts incluidos se pueden utilizar para generar código G para las cirugías. Sin embargo, se recomienda encarecidamente que los usuarios se familiaricen con el código G antes de intentar generar automáticamentecirugías. Esto es imprescindible para la solución de problemas y la modificación de las cirugías automatizados.
  9. Fije el taladro micro motor para el instrumento estereotáxico se utiliza el soporte extra grande sonda. Nota: La velocidad de la broca mínima recomendada es de 40.000 rpm.
  10. Generación automática de código G para una craneotomía borde afilado con 3 orificios de los tornillos del cráneo.
    1. Coloque todos los scripts de la tabla de software en una sola carpeta en un PC.
    2. Abra el script "SharpEdgeCraniotomy.m" y ejecutar el código.
    3. Seleccionar Tanto al mensaje "¿Qué tipo de cirugía usted estará presentando?" (Figura 11).
    4. Seleccione Personalizado para definir las esquinas de la ventana de cráneo. Rellene cada pregunta para que coincida con la figura 12.
    5. Definir las posiciones X e Y de las esquinas de craneotomía. Cada coordenada se debe introducir en el orden correcto, según el ejemplo de la Figura 13 .
    6. Introduzca 3 en el símbolo para producir 3 agujeros del cráneo (Figura 14).
    7. Seleccione Definir mediante coordenadas, e introduzca las coordenadas de cada agujero de la plantilla en la Figura 15.
      Nota: Si las coordenadas exactas no son importantes, hay una opción para apuntar y hacer clic en las posiciones de los agujeros 'en una imagen de un cráneo de la rata. Las posiciones serán generados automáticamente.
    8. Defina los parámetros de perforación. Por primera cirugía de pruebas, acepte los valores por defecto.
      Nota: Estos valores dependen de los motores paso a paso, y el cráneo del animal. Cada lugar de la raza de la rata y el objetivo tiene un grosor del cráneo ligeramente diferente. Para las pocas cirugías iniciales usando este dispositivo, esté preparado para poner a prueba la profundidad de perforación y retire todos los trozos de cráneo restantes manualmente. Los valores se pueden modificar para futuras cirugías (Figura 16).
    9. Nombra el código G, sino que se generará de forma automática y saved al directorio de trabajo.
  11. Cargue el código G en el software de fresado CNC y un cráneo de ensayo en los instrumentos estereotáxicas bares del oído.
    1. Refrescar manualmente la broca para Bregma con las teclas de flecha. Utilice una velocidad de trote lento (~ 5 pulgadas / m) para asegurar la exactitud.
    2. Iniciar la broca que gira a mayor que 38.000 rpm.
    3. Presione CycleStart, el stereotax realizará muchos pases del mismo corte, a diferentes profundidades. Entre cada paso, el stereotax hará una pausa, por lo que el cirujano puede continuar o cancelar el corte. Pulse Continuar Ciclo (Alt-R) para continuar cortando pases.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El resultado final de la cirugía diseñada en los métodos será un cráneo de rata con una craneotomía borde afilado, y 3 agujeros del cráneo (Figura 17). Tenga en cuenta que el cráneo utilizado para demostrar la cirugía fue mucho más amplio que el cráneo de rata prototípico. La craneotomía borde afilado se puede usar para insertar una matriz de microhilo en el cerebro, para las grabaciones de alta densidad neuronales. El stereotax CNC también se puede usar para reducir la matriz con gran precisión. Softwa...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El uso de equipos de cirugía automatizada ayuda a eliminar algunos de los problemas más comunes en la investigación en neurociencias. En primer lugar, las trayectorias de la herramienta son 100% reproducible. Cada corte está garantizado a estar en la misma ubicación con respecto a Bregma. En segundo lugar, se debe reducir el error experimentador. Aunque muchos investigadores son cirujanos altamente calificados, se necesita una cantidad excepcional de la práctica a ser aún un cirujano competente. Este dispositivo permiti...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen intereses financieros en competencia a revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este estudio fue apoyado por el Instituto Nacional sobre el Abuso de Drogas Subvenciones DA 006886, 032270 y DA.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
1x Standard U Frame StereotaxKopfKopfEste protocolo debería funcionar con la mayoría de los dispositivos estereotáxicos existentes.
3 motores paso a paso bipolares con engranajes de 12 V, 1.6 A, 233 oz-pulgadasPhidgetsRobot ShopCualquier motor paso a paso con engranajes de alto par debería servir. 
1x Controlador de placa de controlador de motor paso a paso CNC de 3 ejesToshibaEbayCualquier controlador CNC de 3 ejes debería servir. El artículo vinculado incluye el software CNC Mach3. 
2x Acopladores de brazo: medial-lateral (ML) y dorsal-ventral (DV)mecanizados a medidaDibujos de piezasEstos deben ser mecanizados por su taller mecánico local. (los costos pueden variar)
1x Acoplador antero-posterior (AP)mecanizado a medidaPlanos de piezasEstos deben ser mecanizados por su taller de mecanizado local. (los costos pueden variar)
3x Motor a Collar Stereotaxmecanizado a medidaDibujos de piezasEstos deben ser mecanizados por su taller mecánico local. (los costos pueden variar)
Ver en el navegador
12x Tornillos de fijación de punta de copa NF10-32McMaster Carr½ ” LongitudNecesitará 6 de cada uno.
¼ ” Longitud
12x Tornillos de cabeza hueca M3 (20 mm)McMaster Carr20mm LongitudNecesitará 4 para cada motor
1x Taladro de micromotor Buffalo DentalX50Cualquier taladro de micromotor funcionará.  Se recomiendan al menos 38,000 rpm
1 fuente de alimentación de 12 V CC Adaptadores12 voltios12v DC – 7 AmpCualquier fuente de alimentación de 12 V CC debería funcionar (asegúrese de que la clasificación de amperaje sea mayor que la suma del amperaje de los motores).
1x Soporte de sonda extra grandeStoeltingStoelting
1x Grado B Cráneode Rata Cráneos IlimitadosSkulls Unlimited
Mach 3 MillArtSoft USAa href="http://www.machsupport.com/ccount/click.php?id=1">Descarga de pruebaCualquier software de control CNC estándar debería funcionar.
Diseñador de cirugíaKevin Coffey David BarkerMATLAB File ExchangeEstos códigos están disponibles para modificar. No aceptamos ninguna responsabilidad por el uso o la modificación del código.
de <

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Yin, H. H., Knowlton, B. J., Balleine, B. W. Lesions of dorsolateral striatum preserve outcome expectancy but disrupt habit formation in instrumental learning. Eur. J. Neurosci. 19 (1), 181-189 (2004).
  2. West, M. O., Woodward, D. J. A technique for microiontophoretic study of single neurons in the freely moving rat. J. Neurosci. Methods. 11 (3), 179-186 (1984).
  3. Peoples, L. L., West, M. O. Phasic firing of single neurons in the rat nucleus accumbens correlated with the timing of intravenous cocaine self-administration. J. Neurosci. 16 (10), 3459-3473 (1996).
  4. Wolske, M., Rompre, P. P., Wise, R. A., West, M. O. Activation of single neurons in the rat nucleus accumbens during self-stimulation of the ventral tegmental area. J. Neurosci. 13 (1), 1-12 (1993).
  5. Bozza, T., McGann, J. P., Mombaerts, P., &Wachowiak, M. In vivo imaging of neuronal activity by targeted expression of a genetically encoded probe in the mouse. Neuron. 42 (1), 9-21 (2004).
  6. Pitts, M. Office of Laboratory Animal Welfare. Institutional animal care and use committee guidebook. , (2002).
  7. Yoon, T., Otto, T. Differential contributions of dorsal vs. ventral hippocampus to auditory trace fear conditioning. Neurobiol. Learn. Mem. 87 (4), 464-475 (2007).
  8. Root, D. H., et al. Differential roles of ventral pallidum subregions during cocaine self-administration behaviors. J. Comp. Neurol. 521 (3), 558-588 (2012).
  9. Yang, G., Pan, F., Parkhurst, C. N., Grutzendler, J., Gan, W. B. Thinned-skull cranial window technique for long-term imaging of the cortex in live mice. Nat. Protoc. 5 (2), 201-208 (2010).
  10. Feng, L., Sametsky, E. A., Gusev, A. G., Uteshev, V. V. Responsiveness to nicotine of neurons of the caudal nucleus of the solitary tract correlates with the neuronal projection target. J. Neurophysiol. 108 (7), 1884-1894 (2012).
  11. Babaei, P., Soltani Tehrani,, B,, Alizadeh, A. Transplanted Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Improve Memory in Rat Models of Alzheimer's Disease. Stem Cells Int. 2012, 369417(2012).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Mejora Estereot xica CNCNeurocirug a de C digo AbiertoControl de Motores Paso a PasoGeneraci n de C digo GCalibraci n Estereot xicaAutomatizaci n de la Craneotom aNeurocirug a de RoedoresEstereotaxia MotorizadaSoftware de Fresado CNC

Artículos relacionados