Name: オープンソースロボット定位固定装置を構築する (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-10-29T19:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 40 s
Description: 学ぶ、ロボット定位固定装置の構築方法。約1,000ドルで標準的な定位固定装置をロボット化し、齧歯類の神経外科手術における精度と再現性を向上させるオープンソースソリューションを提供します。

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本研究では、薬物乱用の助成DA 006886、及びDA 032270の国民の協会によってサポートされていました。

<ol><li>ドライバボードに付属のコネクタに配線をねじ込むことにより、バイポーラステッピングモータを配線します。バイポーラ·ステッパ·モータの線色（ 図1）標準化されている。 注：記載されステッピングモータは0.346°/ステップに連動1.8°/ステップの分解能を持っています。標準stereotaxは旅行の3 mm/360度を持っています。最終的な解決には、/ステップ2.88μmである。モータはまた、小数のステッピングが可能である。 <ol><li>黒線を接続し、+に緑の線を接続し、B +に赤い線を接続し、青線を接続し、B-。 </li></ol></li><li>取り付け穴を合わせに注意しながら、ステッパ·モータの上にカプラをスライドさせ、12X、M3六角ネジ（20ミリメートル）（ 図2）を使用して固定します。 <ol><li>カプラがしっかりとモータに接続されていることを確認します。 注意：3Dモデルは、スレッドが含まれていません。部品はねじサイズで標識されていますが、彼らは後にタップする必要があります製造された。 </li></ol></li><li>小さな六角レンチを使用して固定装置の全ての3軸の親指グリップから止めネジを外します。親指グリップはねじ込み、その除去のために反時計回りに回している。アーム（ 図3）上の所定の位置に、PTFEワッシャーを保管してください。 </li><li>定位固定装置の腕のねじロッド（ 図3）上にカラーのネジ側を。 <ol><li>首輪とPTFEのOリングの間に隙間がないことを確認してください。これは、ロボットが方向を変更したときに座標が維持されていることを保証します。 </li><li> 3X NF10-32（1/4インチ）カップ点セットのネジを使用して定位腕のネジ部にカラーを固定します。 </li><li>首輪＆定位腕にわたる各モータと連結器をスライドさせます。モータは、腕と同一平面に座ることを確認し、襟に設定されたネジ穴はモータ軸の平らな部分（ 図4）と揃う。 </li><li> COを確保取り付け穴および6x NF10-32（1/2インチ）カップ点セットネジ（ 図4）を使用してstereotaxにuplers。 </li><li> 3X NF10-32（1/4インチ）を使用して、モータ軸にカラーを固定しているねじ（ 図4）を設定します。 </li></ol></li><li>半分踏み、コントローラ端子のそれぞれを設定することで、CNCのドライバボードを準備します。 注：このステッピングモータドライバは、露出した回路基板として提供されます。それは必要ではないが場合は、構築することができる。また、異なるバイポーラステッピングモータドライバの数を使用することができる。もしそうであれば、セットアップ手順が購入さ特定のボードのために続いていることを確認します。 <ol><li>同じように、ステッパモータごとにすべての6ピンの位置を合わせます。ハーフステッピング度/ステップ（ 図5）の二重ステップ分解能が可能になります。 </li><li> 上の位置、 オフの位置にピン2、 上のポジ、ピン3、ピン1フリップTiONから、OFFの位置にピン4、 上の位置にピン5、およびオフの位置にピン6（ 図5）。 </li></ol></li><li> 12 V電源と一緒に、ステッピングモータドライバに（Z - - Y、X）のモーターを接続します。正しい配置は、ドライバにマークされています。また、DB25cable（ 図6）を使用して、コンピュータのシリアルポートにステッピングドライバを添付してください。 </li><li>デフォルトの指示に従って（これは、外科領域に配置される必要があります）パソコン上にCNCフライスソフトウェアをインストールします。インストールしたら、設定を開始するためのソフトウェアを開きます。 <ol><li>ステッパモータと通信するためのソフトウェアを設定します。 注：以下の手順のみTB6560ステッピングモータドライバとの使用のために意図されている。 </li><li>次のようにソフトウェアのメニューをクリックしてください。オープン→設定変更→ポートとピン→信号を出力する。 図7に合わせて、プロンプトに入力し、適用を押します。 </li><li>次のようにソフトウェアのメニューをクリックしてください。 →設定変更→ポートと端子→入力信号開いた。 図8に合わせて、プロンプトに入力し、適用を押します。 </li><li>次のようにソフトウェアのメニューをクリックしてください。 →設定変更→ポートとピン→モーター出力を開きます。 図9に合わせて、プロンプトに入力し、適用を押します。 </li><li>次のようにソフトウェアのメニューをクリックしてください。オープン→設定変更→モーターのチューニング。 図10に一致し、[保存軸の設定]をクリックし、プロンプトに入力します。同じ値を使用して、すべての3軸の前の手順を繰り返します。 </li></ol></li><li> CNCソフトウェアの規模にstereotaxを校正。 注：測定単位は、定位固定装置の移動に比例しなくなりますので、ソフトウェアは、標準的なフライス盤のために設計されています。<ol><li>最も近いミリメートルにPgUpキー/ PgDnキーと定位固定装置のZ軸を毎分1インチモーターズの速度を設定し、「ジョグ」。 注：最大推奨ジョギング速度は3,500程度/秒で、最大推奨切削速度が500μm/秒である。 </li><li>ゼロZ軸及びジョグ定位固定装置1mmである。 Mach3の距離がZ軸で行き「スケーリング定数」である。機械座標が「定数スケーリング」によって頭蓋骨座標（mm）を乗じることによって決定される。 </li><li>いくつかの既知の距離を移動するためにそれらをプログラムすることで、すべての3軸のランダムなテストを実行し、動きが正確であることを確認してください。 stereotax旅行が離れすぎたり短すぎると、それに応じてスケーリング定数を変更します。 注：スケーリングが完了すると、含まれるカスタムスクリプトは、手術のためのgコードを生成するために使用されてもよい。しかし、それは、ユーザーが自動生成しようとする前に、Gコードを理解しておくことを強くお勧めします手術。これは自動化された手術をトラブルシューティングおよび修正するための不可欠です。 </li></ol></li><li>特大のプローブホルダを使って定位固定装置にマイクロモータードリルを取り付けます。注：推奨される最小ドリルビット速度は40,000 rpmである。 </li><li> 3頭蓋骨のネジ穴とシャープなエッジ開頭のためにGコードを自動生成します。 <ol><li> PC上の単一のフォルダにソフトウェアテーブルからカスタムスクリプトのすべてを置きます。 </li><li>スクリプト「SharpEdgeCraniotomy.m」を開いて、コードを実行します。 </li><li>プロンプトに両方を選択」は、実行される予定の手術はどのタイプ？ &quot; （ 図11）。 </li><li>頭蓋骨のウィンドウの隅を定義するには、[カスタム]を選択します。 図12に合わせて各プロンプトに入力します。 </li><li>開頭の角のXとYの位置を定義します。各座標は、 図13に例に従って、正しい順序で入力する必要があります</stronG&gt;。 </li><li> 3頭蓋骨の穴（ 図14）を生成するプロンプトに3を入力してください。 </li><li>選択座標を使用して定義し、 図15のテンプレートから各ホールの座標を入力します。 注意：正確な座標が重要でない場合は、ラットの頭蓋骨の画像上に穴のポジションをポイントしてクリックするオプションがあります。位置が自動的に生成されます。 </li><li>掘削パラメータを定義します。最初のテストでの手術のため、デフォルト値を受け入れます。 注：これらの値は、ステッパ·モータに依存していて、動物の頭蓋骨。すべてのラットの品種と目標位置がわずかに異なる頭蓋骨の厚さを有する。このデバイスを使用して最初の数手術のため、掘削深さをテストし、手動で残りの頭蓋骨片を除去できるように準備してください。値は、将来の手術（ 図16）のために修飾することができる。 </li><li> Gコードに名前を付けて、それが自動的に生成され、SA作業ディレクトリにVED。 </li></ol></li><li> CNCフライスソフトウェア、定位楽器の耳の棒にテスト頭蓋骨にGコードをロードします。 <ol><li>手動で矢印キーを使用して、ブレグマにドリルビットをジョグ。正確さを確保するために、低速ジョグ速度（〜5インチ/ m）を使用してください。 </li><li>ドリルビットを超える38,000 rpmで回転し始める。 </li><li> CycleStart社、stereotaxは異なる深さで、同じカットの多くのパスを実行します。各パスの間、stereotaxが一時停止しますので、外科医は、切断を続行するか、中止することができる。を押して、パスをカット継続するサイクル （ALT-R）を続行します 。 </li></ol></li></ol>

<ol><li>Yin, H. H., Knowlton, B. J., Balleine, B. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lesions+of+dorsolateral+striatum+preserve+outcome+expectancy+but+disrupt+habit+formation+in+instrumental+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Lesions of dorsolateral striatum preserve outcome expectancy but disrupt habit formation in instrumental learning.</a> Eur. J. Neurosci. 19 (1), 181-189 (2004).</li>
<li>West, M. O., Woodward, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+technique+for+microiontophoretic+study+of+single+neurons+in+the+freely+moving+rat%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">A technique for microiontophoretic study of single neurons in the freely moving rat.</a> J. Neurosci. Methods. 11 (3), 179-186 (1984).</li>
<li>Peoples, L. L., West, M. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phasic+firing+of+single+neurons+in+the+rat+nucleus+accumbens+correlated+with+the+timing+of+intravenous+cocaine+self-administration%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Phasic firing of single neurons in the rat nucleus accumbens correlated with the timing of intravenous cocaine self-administration.</a> J. Neurosci. 16 (10), 3459-3473 (1996).</li>
<li>Wolske, M., Rompre, P. P., Wise, R. A., West, M. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Activation+of+single+neurons+in+the+rat+nucleus+accumbens+during+self-stimulation+of+the+ventral+tegmental+area%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Activation of single neurons in the rat nucleus accumbens during self-stimulation of the ventral tegmental area.</a> J. Neurosci. 13 (1), 1-12 (1993).</li>
<li>Bozza, T., McGann, J. P., Mombaerts, P., &Wachowiak, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+imaging+of+neuronal+activity+by+targeted+expression+of+a+genetically+encoded+probe+in+the+mouse%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">In vivo imaging of neuronal activity by targeted expression of a genetically encoded probe in the mouse.</a> Neuron. 42 (1), 9-21 (2004).</li>
<li>Pitts, M. Office of Laboratory Animal Welfare. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPitts%2C+M+%22Institutional+animal+care+and+use+committee+guidebook%22">Institutional animal care and use committee guidebook</a>. , (2002).</li>
<li>Yoon, T., Otto, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differential+contributions+of+dorsal+vs.+ventral+hippocampus+to+auditory+trace+fear+conditioning%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiol.+Learn.+Mem%22%5BJournal%5D)">Differential contributions of dorsal vs. ventral hippocampus to auditory trace fear conditioning.</a> Neurobiol. Learn. Mem. 87 (4), 464-475 (2007).</li>
<li>Root, D. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differential+roles+of+ventral+pallidum+subregions+during+cocaine+self-administration+behaviors%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Comp.+Neurol%22%5BJournal%5D)">Differential roles of ventral pallidum subregions during cocaine self-administration behaviors.</a> J. Comp. Neurol. 521 (3), 558-588 (2012).</li>
<li>Yang, G., Pan, F., Parkhurst, C. N., Grutzendler, J., Gan, W. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thinned-skull+cranial+window+technique+for+long-term+imaging+of+the+cortex+in+live+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Protoc%22%5BJournal%5D)">Thinned-skull cranial window technique for long-term imaging of the cortex in live mice.</a> Nat. Protoc. 5 (2), 201-208 (2010).</li>
<li>Feng, L., Sametsky, E. A., Gusev, A. G., Uteshev, V. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Responsiveness+to+nicotine+of+neurons+of+the+caudal+nucleus+of+the+solitary+tract+correlates+with+the+neuronal+projection+target%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Responsiveness to nicotine of neurons of the caudal nucleus of the solitary tract correlates with the neuronal projection target.</a> J. Neurophysiol. 108 (7), 1884-1894 (2012).</li>
<li>Babaei, P., Soltani Tehrani,, B,, Alizadeh, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transplanted+Bone+Marrow+Mesenchymal+Stem+Cells+Improve+Memory+in+Rat+Models+of+Alzheimer%27s+Disease%5BTitle%5D)+AND+%22Stem+Cells+Int%22%5BJournal%5D)">Transplanted Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Improve Memory in Rat Models of Alzheimer's Disease.</a> Stem Cells Int. 2012, 369417(2012).</li>
</ol>

著者らは、開示することなく、競合する金融利害関係はありません。

自動化された手術用機器の使用は、神経科学の研究の中で最も一般的な問題のいくつかを解消するのに役立ちます。まず、ツールパスは、100％の再現性がある。すべてのカットがブレグマを基準に同じ場所にあることが保証されています。第二に、実験者誤差を小さくする必要があります。多くの研究者が高度に熟練した外科医ですが、それも、有能な外科医になるための練習の例外的な時間がかかります。このデバイスは、新しい学生が迅速かつ容易に高精度な手術を行うことができます。第三に、電動外科手術装置、実験6を実行するために必要な動物の数を減少させるはずである。外科医は少なく、トレーニングが必要になりますし、間違いがそれほど頻繁に行われます。最後に、電動定位座標の選択でより解像度を考慮して、人間の手よりも精密で正確な動きを作ることができるである。 今日の神経科学の気候では、Sの精度を向上させるためにプッシュがあったurgical方法と技術。それは小さいサブ領域が存在することは明らかであり、これらは機能的に異なる可能性があることをした場合、もはや十分では全体として脳領域を標的とすることはありません...

齧歯類定位手術はlesioning 1、イオントフォレーシス2、マイクロワイヤー注入3、刺激4、及び薄い頭蓋イメージング5を含む神経科学用途に幅広く使用されている。しかし、正確な定位手術を行うための急な学習曲線と、ヒューマンエラーの確率が高いなど、これらの技術を適用したい方が直面している主要なハードルがあります。ヒューマンエラーは、測定や計算の障害だけでなく、人間の動きの精度が低いと、反復可能があります。これらの交絡誤差を低減する努力において、定位外科医は、すべての外科的処置は、被験者間で同様に行われることを確実にするシステムの恩恵を受けるだろう。エラーの減少は、研究者は動物被験体の使用を最小限に抑えることが可能な一つの方法、動物実験6のための国立衛生研究所の第一の目標である。理想的な世界では、すべてのStereotactic手術は実験中であり、研究室間で完全に複製可能になります。この問題に対処するために、企業は、測定値を読み取るための新しい超精密stereotaxics、およびデジタルディスプレイを開発した。人間の動きのエラーを削除するには、電動式マイクロマニピュレータとstereotaxicsは、商業的に生産されたが、その高いコストが限られた予算で研究室に法外ことができます。また、彼らのソフトウェアは、完全に独自のものです、そして手術の新しいタイプに対応するために、研究者が変更することはできません。 ヒューマンエラーの問題への手頃な価格のソリューションは、業界標準のCNC装置を使用して、ラボの既存のモデルからロボットstereotaxを構築することです。なぜなら急成長のCNC愛好家コミュニティの、材料はかなり科学機器よりも安価である。これは1にも非常に柔軟で、安価で正確なCNC定位固定装置を、構築することができます。 CNC加工とGコードの基本的な知識と、individuALSは、プロプライエタリなソフトウェアの制限なしに、彼らが想像していることを任意の定位手術をプログラムすることができます。そして、簡単な手術のためのGコードの生成を促進するために、このプロトコルは、ユーザーがポイント内手術（シャープエッジ開頭、薄い頭蓋骨のウィンドウ、穴加工·インプラント低下）を設計し、メニューをクリックすることを可能にするソフトウェアが含まれています。 CNCソフトウェアから直接実行することができ、これらのプログラムの出力完成Gコード。 すべてでは、電動定位アップグレードは、オープンソースプラットフォームの柔軟性と低コストを維持しながら、手術の精度と反復可能の増加に興味を持っている人に最適です。

<table><tbody><tr><td>1 x 標準 U フレーム Stereotax</td><td>Kopf</td><td><a href="http://www.kopfinstruments.com/Stereotaxic/900.html">Kopf</a></td><td>このプロトコルは、既存のほとんどの固定装置で動作するはずです。</td></tr><tr><td>3x 12 V、1.6 A、233 oz インチ ギヤード バイポーラ ステッピング モーター</td><td>Phidgets</td><td><a href="http://www.robotshop.com/geared-bipolar-stepper-motor-3v-233-oz-in.html">Robot Shop</a></td> <td>高トルク ギヤード ステッピング モーターなら何でもかまいません。&nbsp;</td></tr><tr><td>1 x 3軸CNCステッピングモータドライバボードコントローラ</td><td>東芝</td><td><a href="http://www.ebay.com/itm/CNC-Router-3-Axis-TB6560-3-5A-Stepper-Motor-Driver-Board-For-Engraving-Machine-/300981888819">Ebay</a></td><td>任意の3軸CNCドライバで十分です。リンクされたアイテムには、Mach3 CNCソフトウェアが含まれています。&nbsp;</td></tr><tr><td>2xアームカプラー:内側外側(ML)および背腹側(DV)</td><td>カスタム機械加工<</td><td>a href="http://eden.rutgers.edu/~mrcoffey/images/3D%20Models%20-%20CNC%20Stereotax%20Parts.zip">Part Drawings</a></td><td>これらは、最寄りの機械工場で機械加工する必要があります。(費用は異なります)</td></tr><tr><td>1x前後(AP)カプラー</td><td>カスタム加工<</td><td>a href="http://eden.rutgers.edu/~mrcoffey/images/3D%20Models%20-%20CNC%20Stereotax%20Parts.zip">部品図</a></td><td>これらは地元の機械工場で機械加工する必要があります。(費用は異なります)</td></tr><tr><td>3xモーターからステレオタックスカラー</td><td>へのカスタム加工<</td><td>a href="http://eden.rutgers.edu/~mrcoffey/images/3D%20Models%20-%20CNC%20Stereotax%20Parts.zip">部品図</a></td><td>これらは、地元の機械工場で機械加工する必要があります。(費用は異なります)</td></tr><tr><td><a href="http://eden.rutgers.edu/~mrcoffey/images/Collar.html">ブラウザで表示</a></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>12x NF10-32カップポイント止めネジマク</td><td>マスターカー</td><td><a href="http://www.mcmaster.com/#92313A829">&frac12;&rdquo;長さ</a></td><td>それぞれ6個必要です。</td></tr><tr><td><a href="http://www.mcmaster.com/#92313A825">&frac14;&rdquo;長さ</a></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>12x M3 ソケットヘッドネジ (20 mm)</td><td>McMaster Carr</td><td><a href="http://www.mcmaster.com/#92855A319">20mm 長さ</a></td>各<td>モーターに 4 個必要になります</td></tr><tr><td>1x マイクロモータードリル&nbsp;</td><td>バッファローデンタル</td><td><a href="http://www.buffalodental.com/pdfnew/x50.pdf">X50</a></td><td>どんなマイクロモータードリルでも機能します。&nbsp;少なくとも38,000rpmを推奨</td></tr><tr><td>1x 12 V DC電源</td><td>12ボルトアダプター<</td><td>a href="http://www.12vadapters.com/adapter/power-supply/12v/7-amp-7a.html">12v DC&ndash; 7 Amp</a></td><td>Any 12 V DC PSUが機能するはずです（アンペア数定格がモーターの合計よりも高くなっていることを確認してください アンペア数定格がモーターのアンペア数の合計よりも高い)。</td></tr><tr><td>1 x 特大プローブホルダー</td><td>Stoelting</td><td><a href="http://www.stoeltingco.com/neuroscience/accessories/stereotaxic-probe-holders/extra-large-probe-holder-551.html">Stoelting</a></td><td></td></tr><tr><td>1x グレード B ラット スカル</td><td>スカル アンリミテッド</td><td><a href="http://www.skullsunlimited.com/record_variant.php?id=4009">スカルズ アンリミテッド</a></td><td></td></tr><tr><td>マッハ 3 ミル</td><td>ArtSoftUSA</td><<td>a href="http://www.machsupport.com/ccount/click.php?id=1">試用版ダウンロード</a></td><td>標準のCNC制御ソフトウェアならどれでも動作するはずです。</td></tr><tr><td>外科デザイナー</td><td>Kevin Coffey David Barker</td><td><a href="http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/40282-robot-assisted-stereotactic-surgery">MATLAB File Exchange</a></td><td>これらのコードは変更できます。当社は、お客様によるコードの使用または変更について一切の責任を負いません。</td></tr></tbody></table>

オープンソースロボット定位固定装置を構築する

Building An Open-source Robotic Stereotaxic Instrument

このプロトコルは、業界標準のステッピングモーターとCNC制御するソフトウェアを使用して、約$ 1,000（ドリル除く）のロボット（CNC）定位固定装置に既存の固定装置をアップグレードするために必要なデザインやソフトウェアが含まれています。各軸は、可変速度制御を有し、同時にまたは独立して動作させることができる。ロボットの柔軟性とオープンなコーディングシステム（Gコード）は、商用システムでサポートされていないカスタムタスクを実行することが可能にする。そのアプリケーションは、穴あけ、鋭いエッジ開頭術、頭蓋骨の間引き、及び下降電極またはカニューレを含むが、これらに限定されない。単純な手術gでコーディングの書き込みを促進するために、我々は個人が、プログラミングの知識なしで手術を設計することができるように、カスタムスクリプトを開発した。しかし、電動stereotaxを最大限に活用するユーザーのために、それは数理計画法とGコード化（簡易PROGに精通しているために有益であろう）CNC機械加工のための打ち込み。 推奨されるドリル速度は40,000 rpmでより大きい。ステッパーモーターの分解能は0.346°/ステップに連動1.8°/ステップである。標準stereotaxは2.88ミクロン/ステップの分解能を有する。最大推奨切削速度は500μmで/秒である。最大推奨ジョギング速度は3,500ミクロン/秒である。最大推奨ドリルビットサイズがHP 2である。

方法で設計された手術の最終結果は、鋭いエッジ開頭したラットの頭蓋骨、および3頭蓋骨の穴（ 図17）になります。手術を実証するために使用頭蓋骨はプロトタイプラットの頭蓋骨よりもはるかに広かったことに注意してください。鋭いエッジ開頭術は、高密度記録のために、神経、脳へのマイクロワイヤーアレイを挿入するために使用されてもよい。のCNC stereotaxも高い精度を持つ配列を低下させるために使用することができる。ソフトウェアは、外科医がマイクロワイヤのパラメータを定義することを可能にする、またはカニューレ下げ、このプロトコルに含まれています。鋭いエッジ開頭術はまた、感覚マッピング研究のために、運動皮質の大部分を露出するために使用することができる。 頭蓋骨の穴が頭蓋ねじ（ 図18）を挿入するために使用することができる。動物にヘッドステージを貼り付けるときに、これらは、歯科用セメントのアンカーとして使用することができる。孔はまた、脳に単一の電極を挿入するために使用されてもよい。これらの電極<html>麻酔されたまたは慢性記録...

（ドリルは除く）の周りの千ドルのための固定装置、（CNC制御されるコンピュータ数値）このプロトコルは、デザインやロボットへの既存の固定装置をアップグレードするために必要なソフトウェアが含まれています。

This protocol includes the designs and software necessary to upgrade an existing stereotaxic instrument to a robotic (CNC) stereotaxic instrument for ...

本手順の全体的な目的は、柔軟で安価なオープンソースのロボット式定位固定装置の構築プランと、手術の設計および共有に必要なソフトウェアを研究者に提供することで、ロボットを用いた齧歯類脳神経外科手術のアクセシビリティと柔軟性を向上させることです。これは、まずコンピューター数値制御（CNC）による定位固定装置を機械加工し、組み立てることで達成されます。次のステップでは、定位固定装置のスケーリング比を決定します。モーターの移動距離あたりの定位視座標上の移動距離を測定することで、頭蓋骨座標からツールパスが自動的に生成され、Gコードにエクスポートされます。最終ステップは、動物種の頭蓋骨を用いて手術のテストを行うことです。テストの結果に基づき、手術設計を修正するように計画されています。最終的に、この脳定位固定装置を使用することで、げっ歯類の生体脳外科手術を迅速に実施し、共有することが可能になります。現在の用途には、開頭術、薄い頭蓋骨ウィンドウの作成、電極やカニューレの留置などが含まれますが、これらに限定されません。ロボット手術器具を導入することで、げっ歯類の脳外科手術の精度と再現性を向上させることができます。しかしながら、市販のモデルは非常に高価である場合があります。以下のプロトコルでは、既存のステレオタキシス装置を電動ステレオタキシス装置にアップグレードするための計画を提示します。モーターの制御に使用されるGコードはオープンソースであり、外科医の非常に具体的なニーズに合わせて修正することが可能です。付属のMATLABスクリプトを使用することで、簡単なポイント・アンド・クリックメニューを用いて手術を自動的に生成でき、導入初期の方々に役立ちます。現在サポートされている自動生成手術はわずかですが、このロボットは動物モデルで使用される神経外科手術の手技の大部分を実行可能です。ロボット手術には、特定のタイミングにおける変数を排除できるなど、多くの利点があります。過去30年間にわたり、私の研究室では生存手術における生存率が低下する時期に悩まされてきました。排除すべき変数が数多くあり、それらを一つずつ検証しなければならないため、こうした時期は非常に困難です。ロボット手術を導入すれば、それらの変数のいくつかを排除でき、トラブルシューティングのプロセスを簡素化できると考えられます。一般的に、これにより手術の整合性が高まり、回復時間が短縮され、動物の死亡数も減少します。まず、バイポーラステッパモーターをドライバーボード付属のコネクタに配線します。緑色の線をAプラスに、黒色の線をAマイナスに、赤色の線をBプラスに、青色の線をBマイナスに接続してください。次のスライドです。ステッパーモーターにカップラーを被せ、取付穴の位置を慎重に合わせます。次に、1220 mmのM3六角穴付きボルトを使用して固定し、カップラーがモーターにしっかりと取り付けられていることを確認します。カプラーとカラーの3Dモデルにはネジ山が含まれていないことに注意してください。ネジサイズが指定されている穴は、製作後にタップ加工する必要があります。その後、小型の六角レンチを使用して、ステレオタキシス装置の3軸すべてのサムグリップからセットスクリューを取り外します。サムネジはネジ切りされているため、PTFEワッシャーをアームに保持したまま、反時計回りに回して取り外します。次に、カラーのネジ端を脳定位固定装置アームのネジ棒にねじ込み、カラーとPTFEリングの間に隙間がないことを確認してください。これにより、ロボットが方向を変えた際にも座標が維持されます。次に、3本の1/4インチNF 10-32カップポイントセットスクリューを使用して、カラーをステレオタキシスアームのネジ部に固定します。各モーターとカプラーを、カラーとステレオタキシスアームの上にスライドさせて装着します。モーターがアームに密着していること、およびカラーのセットスクリュー穴がモーターシャフトの平坦な部分と一致していることを確認してください。次に、取付穴と6本の1/2インチ NF 10-32 カットポイントセットスクリューを使用して、カプラーをステレオタイプに固定します。その後、3/4インチ NF 10-32 セットスクリューを使用して、カラーをモーターシャフトに固定します。続いて、CNCドライバーボードの3つのステッピングコントローラーそれぞれをハーフステップに設定し、各コントローラーのステップ分解能を2倍にします。ピン1をON、ピン2をOFF、ピン3をON、ピン4をOFF、ピン5をON、ピン6をOFFの位置に切り替えます。x、y、Z軸のモーターを、12 V電源とともにステッパーモータードライバーに接続します。次に、DB 25ケーブルを使用してステッパードライバーをコンピュータのシリアルポートに取り付けます。その後、CNCフライス加工ソフトウェアを開き、ステッパーモーター通信の設定を開始します。以下の手順は、TB 6 5 6 0 ステッパーモータードライバーを使用する場合にのみ適用されることに注意してください。「config」をクリックし、「ports」および「output signals」を選択します。プロンプトに入力し、「apply」を押してください。次に、「config ports and pins and input signals」をクリックし、プロンプトに内容を入力して「apply」を押します。その後、「config」をクリックします。次に、ポート、ピン、およびモーター出力を設定します。プロンプトに入力し、「適用」をクリックしてください。その後、「設定」と「モーターチューニング」をクリックします。プロンプトに入力して「save axis settings」をクリックし、同じ値を用いて3つのAEすべてに対してこれらの手順を繰り返します。次に、モーターの速度を1 inch/minに設定し、ステレオタキシス装置のZ軸をPage Up/Page Downキーで最も近いミリメートルまでジョグさせ、Z軸をゼロにしてからステレオタキシス装置を1 mmジョグさせることで、ステレオタキシス装置をCNCソフトウェアのスケールに校正します。Mach3でZ軸が移動した距離がスケーリング定数となります。3つの軸すべてについて、既知の距離を移動するようにプログラムし、動作が正確であることを確認するためのランダムテストを行った後、特大プローブホルダーを使用してマイクロモータードリルを脳定位固定装置に取り付けます。まず、ソフトウェアテーブルにあるすべてのカスタムスクリプトをPC上の単一のフォルダに保存します。次に、スクリプト「sharp edge craniotomy M」を開き、コードを実行します。プロンプトで両方を選択します。「どのような手術を行いますか？」という問いに対し、続いて「custom」を選択して頭蓋窓のコーナーを定義し、開頭術のコーナーのxおよびY位置を指定します。各座標を正しい順序で入力してください。フォームへの入力が完了したら、「okay」を押します。次に、プロンプトに「3」と入力し、頭蓋骨に3つの穴を作成します。その後、「define using coordinates」を選択し、テンプレートに従って各穴の座標を入力してください。その後、最初のテスト手術のドリリングパラメータを設定します。デフォルト値を適用してください。Gコードに名前を付けます。Gコードは自動的に生成され、作業ディレクトリに保存されます。GコードをCNCミリングソフトウェアに読み込み、テスト用の頭蓋骨を定位固定装置にセットします。キーボードの矢印キーを使用して、ドリルビットをトレマまで手動でジョグ移動させます。その際、精度を確保するために低速のジョグ速度を使用してください。次にマイクロモータードリルを始動し、ドリルコントローラーの速度ダイヤルを50,000 RPMに設定します。サイクルスタートを押してください。ステレオアタッカーが、各パスの間に異なる深さで同じカットを何度も繰り返します。外科医が続行または中止を選択できるよう、ステレオ攻撃が一時停止します。切削。切削パスを続行するには、continue cycleを押してください。こちらが、事前に設計した手術を実行した最終結果を示す頭蓋骨であり、こちらの頭蓋骨には、孔に挿入された頭蓋骨ネジが示されています。使用するドリルビットのサイズによって、穴の直径、ひいてはネジのサイズが決まります。この図は、矢印で示された薄い頭蓋窓を持つ頭蓋骨を示しています。右側のパネルでは、光が薄い頭蓋窓を透過しているように見えることに注目してください。ロボット手術装置を均一に活用することで、今日の神経科学における最も一般的な問題のいくつかを解決できます。第一に、ツールの経路を100%再現することが可能です。第二に、実験誤差を減少させることができます。第三に、電動手術装置は実験に必要な動物数を削減でき、さらに、人間の手よりも精密で正確です。研究者が単純な手術を自動的に生成できるカスタムソフトウェアを同梱しています。電動ステレオタキシス装置は、このソフトウェアに限定されるものではない点に注意してください。研究者は、独自の脳神経外科手術に最適となるよう、複雑なツールパスをコーディングすることが可能です。ただし、ロボットの精度は、精緻な機械加工、適切なセットアップ、およびCNC工作機械の動作に関する正確な理解に依存します。研究者がこの電動定位装置の機能を理解するために時間をかけることで、より高い再現性と少ないトレーニングで、より精度の高い手術を行うことができます。全体として、自動手術は多くの利点をもたらします。電動式定位固定装置が存在し、市販されていますが、非常に高価です。ケビンとデビッドが構築したこのシステムは、非常に低コストでありながら同等の高品質を実現しており、彼らはこのソフトウェアとシステムを研究コミュニティ全体に無料で提供しています。

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神経科学

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オープンソースロボット定位固定装置を構築する

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