Construire un open-source robotique stéréotaxique Instrument

L'objectif général de cette procédure est d'accroître l'accessibilité et la souplesse de la chirurgie neurologique robotisée chez les rongeurs en fournissant aux chercheurs des plans pour construire un instrument stéréotaxique robotisé souple, peu coûteux et open source, ainsi que les logiciels nécessaires pour concevoir et partager des interventions chirurgicales. Cela est réalisé en usinant puis en assemblant un instrument stéréotaxique contrôlé par ordinateur à commande numérique. La deuxième étape consiste à déterminer le rapport d'échelle des attaques stéréotaxiques.

En mesurant la distance stéréotaxique parcourue par unité de distance moteur, un chemin d'outil sera automatiquement généré à partir des coordonnées du crâne et exporté en code G. La dernière étape consiste à tester les chirurgies à l'aide de crânes de l'espèce animale. L'outil conçu pour la chirurgie doit être modifié en fonction des résultats du test.

En fin de compte, l'instrument stéréotaxique peut être utilisé pour réaliser rapidement et partager des neurochirurgies chez des rongeurs vivants. Les applications actuelles incluent, sans s'y limiter, les craniotomies, les fenêtres à crâne mince, et les électrodes ou canules. L'abaissement d'instruments chirurgicaux robotiques peut augmenter la précision et la reproductibilité de la neurochirurgie chez les rongeurs.

Cependant, les modèles commerciaux peuvent être excessivement coûteux. Le protocole suivant fournit des plans pour transformer un microscope stéréo existant en un microscope stéréo motorisé. Le code G utilisé pour commander les moteurs est open source et peut être modifié afin de répondre aux besoins très spécifiques des chirurgiens.

Les scripts MATLAB inclus aideront les premiers utilisateurs à générer automatiquement des interventions chirurgicales à l'aide de menus simples de pointage et de clic. Bien que seules quelques interventions générées soient actuellement prises en charge, le robot peut réaliser la grande majorité des techniques de neurochirurgie utilisées dans les modèles animaux. Les chirurgies robotiques présentent de nombreux avantages, tels que l'élimination de variables à certains moments.

Au cours des 30 dernières années, mon laboratoire a connu des périodes de faibles taux de survie lors de nos chirurgies vitales. Ces périodes sont frustrantes en raison du grand nombre de variables qu'il faut éliminer une à une. La chirurgie robotique éliminerait certaines de ces variables et simplifierait notre processus de dépannage.

De manière générale, cela favorise des interventions chirurgicales plus uniformes, des temps de récupération plus rapides et une réduction du nombre de décès animaux. Commencez cette procédure en raccordant les moteurs pas à pas bipolaires aux connecteurs fournis avec la carte de pilotage. Connectez le fil vert au plus, le fil noir au moins A, le fil rouge au plus B et le fil bleu au moins B.

Diapositive suivante. Placez les accouplements sur les moteurs pas à pas en veillant à aligner les trous de fixation. Fixez-les ensuite à l'aide des vis têtes cylindriques M3 de 1220 millimètres et assurez-vous que les accouplements sont solidement attachés aux moteurs.

Remarquez que les modèles 3D des coupleurs et du collier ne comprennent pas de filetages. Les trous étiquetés avec une dimension de filetage doivent être taraudés après leur fabrication. Ensuite, retirez les vis de blocage des poignées à molette sur les trois axes de l'instrument stéréotaxique à l'aide d'une petite clé hexagonale.

Les poignées de serrage sont filetées, tournez-les donc dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour les retirer, tout en maintenant les joints toriques en PTFE en place sur le bras. Vissez ensuite l'extrémité filetée des colliers sur les tiges filetées des bras de l'instrument stéréotaxique, en veillant à ce qu'il n'y ait aucun espace entre les colliers et les anneaux en P-T-F-E-O. Cela garantit le maintien des coordonnées lorsque le robot change de direction.

Ensuite, fixez les colliers sur les filets des bras stéréotaxiques à l'aide de trois vis de blocage à pointe conique de 10-32 nf d'un quart de pouce. Faites glisser chaque moteur et son accouplement sur les colliers et les bras stéréotaxiques. Assurez-vous que les moteurs soient bien à fleur des bras et que les trous des vis de blocage sur les colliers s'alignent avec la partie plate des arbres des moteurs.

Ensuite, fixez les accouplements aux stéréotypes à l'aide des trous de fixation et de six vis pointeau NF 10 32 d'un demi-pouce. Par la suite, fixez les colliers aux arbres des moteurs à l'aide de vis pointeau NF 10 32 de trois quarts de pouce. Préparez maintenant la carte de commande CNC en réglant chacun des trois contrôleurs de pas sur le fonctionnement en demi-pas, ce qui permet de doubler la résolution de pas pour chacun des trois contrôleurs. Placez l'interrupteur du broche un sur la position activée, celui du broche deux sur la position désactivée, celui du broche trois sur la position activée, celui du broche quatre sur la position désactivée, celui du broche cinq sur la position activée et celui du broche six sur la position désactivée.

Branchez les moteurs des axes X, Y et Z sur le pilote de moteur pas à pas, ainsi que l'alimentation 12 volts. Ensuite, connectez le pilote pas à pas à un port série de l'ordinateur à l'aide d'un câble DB 25. Ouvrez maintenant le logiciel de fraisage CNC pour commencer la configuration de la communication avec les moteurs pas à pas.

Veuillez noter que les instructions suivantes sont destinées uniquement à un usage avec un pilote de moteur pas à pas TB 6 5 6 0. Cliquez sur config, puis sur ports et signaux de sortie. Remplissez l'invite et appuyez sur appliquer.

Ensuite, cliquez sur configurer les ports et les broches ainsi que les signaux d'entrée. Saisissez les informations demandées et cliquez sur appliquer. Ensuite, cliquez sur configurer.

Ensuite, les ports, les broches et les sorties du moteur. Saisissez l'invite et cliquez sur appliquer. Après cela, cliquez sur configuration et réglage du moteur.

Remplissez l'invite et cliquez sur « Enregistrer les paramètres des axes », puis répétez ces étapes pour les trois AEs en utilisant les mêmes valeurs. Ensuite, étalonnez les stéréotypes à l'échelle du logiciel CNC en réglant la vitesse du moteur à un pouce par minute, puis déplacez l'axe Z de l'instrument stéréotaxique à l'aide des touches « Page suivante » et « Page précédente » jusqu'au millimètre le plus proche, remettez à zéro l'axe Z, puis déplacez l'instrument stéréotaxique d'un millimètre. La distance parcourue sur l'axe Z dans Mach Three correspond à la constante d'échelle.

Après avoir effectué des tests aléatoires sur les trois axes en les programmant pour parcourir des distances connues afin de s'assurer que les déplacements sont précis, fixez la micro-fraise motorisée à l'instrument stéréotaxique à l'aide du porte-sonde extra-large. Placez d'abord tous les scripts personnalisés provenant du tableau logiciel dans un même dossier sur un ordinateur. Ensuite, ouvrez le script craniotomie bord tranchant M et exécutez le code.

Sélectionnez les deux options dans l'invite. Quel type de chirurgie allez-vous réaliser ? Ensuite, sélectionnez « personnalisé » pour définir les coins de la fenêtre crânienne, puis indiquez les positions X et Y des coins de la craniotomie.

Chaque coordonnée doit être saisie dans l'ordre correct. Après avoir complété le formulaire, appuyez sur OK. Ensuite, saisissez trois dans l'invite pour créer trois trous dans le crâne. Puis sélectionnez définir à l'aide des coordonnées et entrez les coordonnées de chaque trou à partir du modèle.

Ensuite, définissez les paramètres de perçage pour la première intervention chirurgicale. Acceptez les valeurs par défaut. Nommez le code G.

Il sera généré automatiquement et enregistré dans le répertoire de travail. Chargez le code G dans le logiciel de fraisage CNC et placez un crâne témoin dans les instruments stéréotaxiques. À l’aide des flèches du clavier, positionnez manuellement les barres auriculaires en ajustant progressivement la mèche de forage ; utilisez une vitesse lente pour garantir la précision.

Maintenant, démarrez le micro-moteur et réglez le bouton de vitesse du contrôleur du foret sur 50 000 tr/min. Appuyez sur le bouton de démarrage du cycle. Les attaques stéréo effectueront plusieurs passes de la même coupe à différentes profondeurs entre chaque passe.

Les attaques stéréo s'arrêteront afin que le chirurgien puisse poursuivre ou interrompre la coupe. Couper. Appuyez sur continuer le cycle pour poursuivre les passes de coupe. Voici un crâne montrant le résultat final de la chirurgie précédemment conçue, et ce crâne montre une vis crânienne insérée dans un trou.

La taille des forets utilisée déterminera le diamètre du trou, et par conséquent la taille de la vis. Cette figure montre le crâne contenant une fenêtre crânienne mince indiquée par les flèches. Remarquez que dans le panneau droit, la lumière semble pénétrer à travers la fenêtre crânienne mince.

Les dispositifs chirurgicaux robotiques uniformes peuvent aider à résoudre certains des problèmes les plus courants en neurosciences aujourd'hui. Premièrement, les trajectoires des outils sont 100 % reproductibles. Deuxièmement, cela peut réduire l'expérimentation ou les erreurs.

Troisièmement, les dispositifs chirurgicaux motorisés peuvent réduire le nombre d'animaux nécessaires pour réaliser une expérience, et enfin, ils sont plus précis et plus exacts que la main humaine. Nous avons inclus un logiciel personnalisé qui permet aux chercheurs de générer automatiquement des chirurgies simples. Il est important de garder à l'esprit que les stéréo-attaches motorisés ne sont pas limités par ce logiciel.

Les chercheurs peuvent programmer des trajectoires complexes d'outils afin de mieux adapter leurs interventions neurochirurgicales à chaque cas particulier. Toutefois, la précision du robot dépend de la qualité de la fabrication mécanique, d'un montage adéquat et d'une compréhension correcte du fonctionnement d'une machine-outil à commande numérique. Dès lors que les chercheurs prennent le temps de bien comprendre le fonctionnement de cet instrument stéréotaxique motorisé, ils peuvent réaliser des chirurgies avec une plus grande précision, une meilleure reproductibilité et une formation réduite.

Dans l'ensemble, la chirurgie automatisée offre de nombreux avantages. Des stéréotaxiques motorisés existent. Ils sont disponibles commercialement, mais ils sont extrêmement coûteux.

Le système que Kevin et David ont mis au point ici est de la même qualité élevée, mais à très faible coût, et ils mettent gratuitement à disposition de l'ensemble de la communauté scientifique le logiciel et le système.