מאמר שיטה

בניית קוד פתוח רובוטית Stereotaxic Instrument

DOI:

10.3791/51006

⸱

29 באוקטובר 2013

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

במאמר זה

סיכום

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

פרוטוקול זה כולל את העיצובים ותוכנה דרושה לשדרוג מכשיר stereotaxic קיים לרובוטית (מספרי מבוקר מחשב; CNC) מכשיר stereotaxic עבור כ -1,000 $ (לא כולל תרגיל).

תקציר

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

פרוטוקול זה כולל את העיצובים ותוכנה הדרושים לשדרוג מכשיר stereotaxic קיים למכשיר stereotaxic רובוטית (CNC) עבור כ -1,000 $ (לא כולל תרגיל), תוך שימוש במנועים סטנדרטיים בתעשיית צעד ותוכנת שליטה CNC. לכל אחד יש ציר בקרת מהירות משתנה ויכול להיות מופעל בו זמנית או באופן עצמאי. המערכת פתוחה קידוד (G-קוד) והגמישות של הרובוט לעשות את זה מסוגל לבצע משימות מותאמות אישית שאינם נתמכות על ידי מערכות מסחריות. היישומים שלה כוללים, אך לא מוגבלים, לקידוח חורים, craniotomies קצה חד, דליל גולגולת, ואלקטרודות או צינורית להורדת. על מנת לזרז את הכתיבה של G-קידוד לניתוחים פשוטים, פיתחנו סקריפטים מותאמים אישית המאפשרים לאנשים לעצב ניתוח ללא ידע בתכנות. עם זאת, למשתמשים להפיק את המרב של stereotax הממונע, זה יהיה מועיל להיות בעלי ידע בתכנות מתמטי (פרוג הפשוט G-קידודלחדור לעיבוד CNC).

מהירות התרגיל המומלצת היא יותר מ 40,000 סל"ד. הרזולוציה מנוע צעד היא 1.8 ° / שלב, מיועד ל0.346 ° / שלב. יש stereotax סטנדרטי ברזולוציה של 2.88 מיקרומטר / צעד. מהירויות החיתוך המומלצת המרביות היא 500 מיקרומטר / sec. מהירות הריצה המומלצת המרבית היא 3,500 מיקרומטר / sec. גודל המקדח המומלץ המרבי הוא HP 2.

מבוא

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

ניתוח המכרסמים Stereotactic משמש במגוון רחב של יישומים במדעי המוח, כולל lesioning 1, iontophoresis 2, Microwire השתלה 3, גירוי 4, והדמיה גולגולת דקה 5. עם זאת, ישנם מכשולים עיקריים העומדים בפני מי שמבקש ליישם טכניקות אלה, כוללים את עקומת הלמידה התלולה לביצוע ניתוחי stereotactic מדויקים והסתברות הגבוהה של טעויות אנוש. טעויות אנוש כוללות מדידה וחישוב כישלונות, כמו גם דיוק וreplicability הנמוך של תנועות אנושיות. במאמץ להפחית טעויות בלבול אלה, מנתחי stereotactic ירוויחו ממערכת שמבטיחה כי כל הניתוחים מבוצעים באופן זהה על פני נושאים. ההפחתה של טעויות היא גם שיטה אחת שבאמצעותו חוקרים יכולים לצמצם את השימוש בנושאי בעלי חיים, מטרה העיקרית של המכון הלאומי לבריאות לניסויים בבעלי החיים 6. בעולם אידיאלי, כל זהניתוחי tereotactic יהיו לשכפול מושלם בתוך ניסויים, ובין מעבדות. כדי לטפל בבעיה זו, חברות פיתחו stereotaxics החדש אולטרה מדויק, וצגים דיגיטליים לקריאת מדידות. כדי להסיר שגיאות תנועה אנושיות, מניפולטורים מייקר ממונעים וstereotaxics יוצרו באופן מסחרי, אבל העלות הגבוהה שלהם יכולה להיות מונעת למעבדה עם תקציב מוגבל. כמו כן, התוכנה שלהם היא קניינית באופן מלא, ולא ניתן לשנות על ידי החוקר כדי להתאים סוג חדש של ניתוח.

פתרון סביר לבעיית הטעות האנוש הוא לבנות stereotax רובוטית מהמודל הקיים של מעבדה, תוך שימוש בציוד CNC סטנדרט בתעשייה. בגלל קהילת תחביבים המתפתחת CNC, החומרים הם באופן משמעותי פחות יקר מאשר ציוד מדעי. זה מאפשר לאדם לבנות מכשיר מדויק CNC stereotaxic, שהוא גם גמיש ולא יקר מאוד. עם ידע בסיסי במכונות CNC ו-G-Code, individuals יכול לתכנת כל ניתוח stereotactic שהם מדמיינים, ללא מגבלות של תוכנת קניינית. וגם, על מנת לזרז את הייצור של ה-G-קוד לניתוחים פשוטים, פרוטוקול זה כולל תוכנה המאפשרת למשתמש לעצב ניתוחים (פתיחת גולגולת קצה חד, חלונאית גולגולת דקה, קידוח ושתל הפחתת חור) בתוך הצבע ולחץ תפריטים. פלט אלה תוכניות G-קוד סיים שניתן להפעיל ישירות מתוך תוכנת CNC.

בסך הכל, שדרוג stereotaxic ממונע הוא אידיאלי עבור אלה שיש להם אינטרס להגדיל את הדיוק וreplicability של ניתוחים, תוך שמירה על הגמישות ועלות הנמוכה של פלטפורמת קוד פתוח.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. חוט stepper מנועים דו קוטביים על ידי הברגה את החוטים למחברים מסופקים עם לוח הנהג. צבעי חוטים בstepper מנועים דו קוטביים הם סטנדרטיים (איור 1).
    שים לב: יש מנועים צעד שתוארו ברזולוציה של 1.8 ° / צעד, שמותאם ל0.346 ° / צעד. יש stereotax סטנדרטי 3 mm/360 ° נסיעה. ההחלטה הסופית היא 2.88 מיקרומטר / צעד. מנועים הם מסוגלים גם דריכה חלקית.
    1. חבר את החוט הירוק ל+, לחבר את הכבל השחור ל, לחבר את החוט האדום ל-B + ולחבר את החוט הכחול ל-B-.
  2. חלק את המצמדים מעל stepper מנועים, להיות זהיר, כדי ליישר את החורים לתלייה, ולאבטח אותם באמצעות 12x ברגים M3 תושבת הראש (20 מ"מ) (איור 2).
    1. להבטיח כי המצמדים מחוברים היטב למנועים.
      הערה: המודלים 3D אינם כוללים אשכולות. החלקים מסומנים עם גודל חוט, אבל הם חייבים להיות טפח לאחר שהםמיוצר.
  3. הסר את ברגי סט מאוחז האגודל על כל 3 הצירים של מכשיר stereotaxic באמצעות מפתח משושה קטן. אוחז האגודל הם מושחלים, ולכן להפוך אותם נגד כיוון השעון להסרה. שמור מנקי PTFE במקום על הזרוע (איור 3).
  4. בורג סוף הליכי של הצווארונים על מוטות הברגה של זרועותיו של מכשיר stereotaxic (איור 3).
    1. להבטיח שאין פער בין הצווארונים וPTFE O-הטבעות. הדבר זה מבטיח שקואורדינטות נשמרות כאשר הרובוט משנה את הכיוונים.
    2. אבטח את הצווארונים על החוטים של זרועות stereotaxic באמצעות 3x NF10-32 ברגים (1/4 אינץ') סט נקודת כוס.
    3. הסט כל מנוע ומצמד על הצווארונים וזרועות stereotaxic. ודא שהמנועים לשבת מיושרים עם הנשק, ואת חורי ברגים בסט הצווארונים ליישר קו עם החלק השטוח של פירי המנוע (איור 4).
    4. להבטיח את השתתפותםuplers לstereotax באמצעות חורי התלייה וNF10-32 ברגי סט נקודת כוס (1/2 אינץ) 6x (איור 4).
    5. אבטח את הצווארונים לפירי המנוע באמצעות 3x NF10-32 (1/4 אינץ') ברגי סט (איור 4).
  5. הכן את לוח נהג CNC על ידי הגדרת כל אחד מפיני הבקר למחצית דריכה.
    הערה: מנהל התקן של מנוע צעד זה מגיע כמעגלים חשופים. מקרה עשוי להיות בנוי, אם כי זה לא הכרחי. כמו כן, ניתן להשתמש במספר נהגי רכב השונים דו קוטביים צעד. אם כן, להבטיח כי הם אחריו ללוח הספציפי רכש את הוראות ההתקנה.
    1. יישר כל 6 הפינים למנוע צעד באותה הדרך. חצי דריכה מאפשרת להכפיל את הרזולוציה הצעד במעלות / צעד (איור 5).
    2. Flip פין 1 למצב, פין 2 למצב כבוי, הפינים 3 בחיוביtion, פינים 4 למצב כבוי, פינים 5 למצב, וסיכה 6 למצב כבוי (איור 5).
  6. חבר את מנועים (X - Y - Z) לנהג מנוע צעד, יחד עם 12 V אספקת החשמל. המיקום הנכון מסומן על הנהג. כמו כן, לצרף את נהג צעד ליציאה טורית של מחשב באמצעות DB25cable (איור 6).
  7. התקנת תוכנת כרסום CNC למחשב אישי (זה צריך להיות ממוקם באזור ניתוח) ביצוע הוראות ברירת המחדל. לאחר התקנה, פתח את התוכנה כדי להתחיל בקביעת תצורה.
    1. להגדיר את התוכנה כדי לתקשר עם מנועים stepper.
      הערה: ההוראות הבאות מיועדות לשימוש רק עם נהג מנוע צעד TB6560.
    2. לחץ באמצעות התפריטים של התוכנה באופן הבא. → Config יציאות פתוחות → וסיכות→ אותות פלט. מלא את הפקודה כדי להתאים איור 7 ופגעו להחיל.
    3. לחץ באמצעות התפריטים של התוכנה באופן הבא. פתוח → Config יציאות → ואותות קלט סיכות →. מלא את הפקודה כדי להתאים איור 8 ופגעו להחיל.
    4. לחץ באמצעות התפריטים של התוכנה באופן הבא. פתח → Config יציאות → וסיכות יציאות מוטוריות →. מלא את הפקודה כדי להתאים איור 9 ופגעו להחיל.
    5. לחץ באמצעות התפריטים של התוכנה באופן הבא. כוונון פתוח → Config → מוטורי. מלא את הפקודה כדי להתאים איור 10 ולחץ על הגדרות ציר שמור. חזור על השלב הקודם עבור כל 3 הצירים באמצעות אותם הערכים.
  8. כייל את stereotax לקנה המידה של תוכנת CNC.
    שים לב: התוכנה מיועדת למכונות טחינה רגילות, ולכן היחידה של מידה לא תהיה פרופורציונלית לנסיעות של מכשיר stereotaxic.
    1. הגדרת המהירות 'מנועים ל1 אינץ לדקה, ו" לרוץ "Z-הציר של המכשיר stereotaxic עם PgUp / PgDn למילימטר הקרוב ביותר.
      הערה: מהירות הריצה המומלצת המרבית היא 3,500 מיקרומטר / שנייה ומהירות החיתוך המומלצת המרבית היא 500 מיקרומטר / sec.
    2. אפס ציר ה-Z, ורוץ מ"מ מכשיר 1 stereotaxic. המרחק נסע על ציר ה-Z בMach3 הוא "קנה מידה קבועה". קואורדינטות מכונת נקבעות על ידי הכפלת קואורדינטות גולגולת (מ"מ) על ידי "קנה מידה קבועה".
    3. לבצע בדיקות של כל 3 הצירים אקראיות על ידי תכנות להם לנסוע כמה מרחקים ידועים, ולהבטיח את התנועות מדויקות. אם נסיעות stereotax רחוקה או קצר מדי, לשנות את קנה המידה קבוע בהתאם.
      הערה: ברגע שקנה ​​המידה היא מלאה, סקריפטים המותאמים אישית הכלולים עשויים לשמש ליצירת G-קוד לניתוחים. עם זאת, מומלץ מאוד שמשתמשים להכיר את ה-G-קוד לפני שתנסו ליצור אוטומטיניתוחים. זה הכרחי לפתרון בעיות ושינוי ניתוחים אוטומטיים.
  9. צרף את תרגיל מנוע מיקרו למכשיר stereotaxic באמצעות בדיקה בעל הגדולה במיוחד. הערה: מהירות המקדח המומלצת המינימלית היא 40,000 סל"ד.
  10. Auto-ליצור G-קוד לפתיחת גולגולת קצה חד עם 3 חורי ברגים בגולגולת.
    1. מניחים את כל התסריטים המותאמים אישית משולחן התוכנה לתוך תיקייה אחת במחשב.
    2. פתח את "SharpEdgeCraniotomy.m" התסריט ולהריץ את הקוד.
    3. בחר שני לפקודה "איזה סוג של ניתוח המתוכנן לבמה?" (איור 11).
    4. בחר מותאם אישית, להגדיר את הפינות של חלון הגולגולת. מלא כל הודעה כזו כדי להתאים איור 12.
    5. הגדר את עמדות X ו-Y של פינות פתיחת הגולגולת. כל לתאם יש להזין בבסדר נכון, על פי הדוגמא באיור 13 .
    6. הזן את 3 בפקודה לייצר 3 חורים בגולגולת (14 איור).
    7. בחר הגדרת שימוש בקואורדינטות, והזן את הקואורדינטות של כל חור מהתבנית באיור 15.
      הערה: אם קואורדינטות מדויקות אינן חשובות, יש אפשרות להצביע וללחוץ עמדות 'החורים על תמונה של גולגולת חולדה. פוזיציות יופקו באופן אוטומטי.
    8. הגדר את הפרמטרים הקידוח. לניתוח המבחנים הראשון, לקבל את ערכי ברירת המחדל.
      הערה: ערכים אלה נשענים על מנועי הפסיעה, והגולגולת של החיה. לכל מיקום גזע חולדה ויעד עובי גולגולת מעט שונה. לכמה ניתוחים הראשוניים שימוש במכשיר זה, להיות מוכן לבדוק את עומק הקידוח ולהסיר כל חלקי גולגולת הנותרים באופן ידני. הערכים אז יכולים להיות שונה לניתוחים בעתיד (איור 16).
    9. שם G-הקוד, זה יופק באופן אוטומטי וsaved לספריית העבודה.
  11. טען את ה-G-הקוד לתוכנת כרסום CNC וגולגולת מבחן לברי אוזן מכשירי stereotaxic.
    1. ידני לרוץ המקדח לגבחת באמצעות מקשי חצים. השתמש במהירות איטית ריצה (~ 5 סנטימטר / מ ') כדי להבטיח דיוק.
    2. התחל את התרגיל קצת מסתובבים בגדול מ 38,000 סל"ד.
    3. עיתונות CycleStart; stereotax יבצע מעברים רבים מאותו החתך, בעומקים שונים. בין כל מעבר, stereotax ישתהה, כך שהמנתח יכול להמשיך או לנטוש את החיתוך. לחץ על המשך מחזור (Alt-R) להמשיך חיתוך עובר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

התוצאה הסופית של הניתוח שתוכנן בשיטות תהיה גולגולת עכברוש עם פתיחת גולגולת קצה חד, ו3 חורים בגולגולת (איור 17). שים לב שהגולגולת משמשת כדי להדגים את הניתוח הייתה רחבה הרבה יותר מאשר גולגולת החולדה הטיפוסית. Craniotomy הקצה חד ניתן להשתמש כדי להוסיף מערך Microwire לתוך המוח, להקלטות עצביות בצפיפות גבוהה. גם stereotax CNC ניתן להשתמש כדי להפחית את המערך בדייקנות רבה. תוכנה כלולה בפרוטוקול זה שמאפשר למנתח כדי להגדיר את הפרמטרים של מייקרו תיל, או צינורית להורדת. crani...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

השימוש בציוד ניתוח אוטומטי מסייע לסלק חלק מהבעיות הנפוצות ביותר במחקר במדעי מוח. ראשית, נתיבי כלי 100% לשחזור. בכל חתך הוא מתיימר להיות באותו המקום ביחס לגבחת. שנית, הוא צריך להקטין את טעות הנסיין. למרות שחוקרים רבים הם מנתחים מיומנים, זה לוקח כמות יוצאת דופן של אימון כדי להיות אפילו מנתח מוסמך. מכשיר זה יאפשר לסטודנטים חדשים כדי לבצע במהירות ובקלות ניתוחים מדויקים מאוד. שלישית, מכשירי ניתוח ממונע צריכים להפחית את מספר בעלי החיים הנדרשים לביצוע ניסוי 6. מנתחים יצטרכו פח...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

יש המחברים אין אינטרסים כלכליים מתחרים לחשוף.

תודות

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

מחקר זה נתמך על ידי המכון הלאומי האמריקאי לשימוש בסמים מענקים 006,886 תובע, ותובע 032,270.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
1x מסגרת U סטנדרטית StereotaxKopfKopfפרוטוקול זה אמור לעבוד עם רוב המכשירים הסטריאוטקסיים הקיימים.
3x 12 וולט, 1.6 A, 233 אונקיות-אינץ' מנוע צעד דו קוטביגיר PhidgetsRobot Shopכל מנוע צעד עם מומנט גבוה צריך לעשות. 
1x 3 צירים CNC מנוע צעד לוח נהג בקרToshibaEbayכל דרייבר CNC 3 צירים צריך לעשות. הפריט המקושר כולל תוכנת Mach3 CNC. 
2x מצמדי זרועות: מדיאלי-רוחבי (ML) וגב-גחון (DV)במכונה מותאמת אישיתשרטוטי חלקיםאלה חייבים להיות מעובדים על ידי חנות המכונות המקומית שלך. (העלויות ישתנו)
1x מצמד קדמי-אחורי (AP)במכונה מותאמת אישיתשרטוטי חלקיםאלה חייבים להיות מעובדים על ידי חנות המכונות המקומית שלך. (העלויות ישתנו)
3x מנוע לצווארון סטריאוטקסבמכונה מותאמת אישיתשרטוטי חלקיםאלה חייבים להיות מעובדים על ידי חנות המכונות המקומית שלך. (העלויות ישתנו)
הצג בדפדפן
12x NF10-32 ברגים סט נקודותMcMaster Carr½ ” אורךתצטרך 6 מכל אחד.
¼ ” אורך
12x ברגי ראש שקע M3 (20 מ"מ)McMaster Carr20 מ"מ אורךתצטרך 4 לכל מנוע
1x מקדחה מיקרו-מנועית באפלו דנטלX50כל מקדחה מיקרומוטרית תעבוד.  לפחות 38,000 סל"ד מומלץ
1x 12 V DC ספק כוחמתאמי 12 וולט12V DC – 7 Ampכל PSU 12 V DC אמור לעבוד (ודא ampדירוג גבוה מסכום המנועים amperage).
1x מחזיק בדיקה גדול במיוחדStoeltingStoelting
1x Grade B Rat Skull SkullSkulls UnlimitedSkulls Unlimited
Mach 3 MillArtSoft USAa href="http://www.machsupport.com/ccount/click.php?id=1">הורדת ניסיוןכל תוכנת בקרת CNC סטנדרטית אמורה לעבוד.
מעצב הניתוחקווין קופי דיוויד בארקרMATLAB File Exchangeקודים אלה זמינים לשינוי. איננו מקבלים אחריות על השימוש או השינוי שלך בקוד.
<

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

CNCStepper MotorG CodeCNC

מאמרים קשורים