방법 논문

오픈 소스 로봇 정위 장비 구축

DOI:

10.3791/51006

⸱

2013년 10월 29일

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

이 논문에서

요약

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

(드릴 제외) 약 $ 1,000 정위 악기, (CNC 제어 컴퓨터의 숫자)이 프로토콜은 디자인과 로봇으로 기존의 정위 장비를 업그레이드하는 데 필요한 소프트웨어가 포함되어 있습니다.

초록

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

이 프로토콜은 표준 스테퍼 모터와 CNC 제어 소프트웨어를 사용하여, 약 $ 1,000 (드릴 제외)에 대한 로봇 (CNC) 정위 계기로 기존의 정위 장비를 업그레이드하는 데 필요한 설계 및 소프트웨어가 포함되어 있습니다. 각 축은 가변 속도 컨트롤이 동시에 또는 독립적으로 운영 할 수있다. 로봇의 유연성과 개방 코딩 시스템 (G-코드) 상용 시스템에서 지원되지 않는 사용자 지정 작업을 수행 할 수 있도록했습니다. 그 응용 프로그램은 드릴 구멍, 날카로운 가장자리 craniotomies, 머리 숱 및 낮추는 전극 또는 정맥을 포함 하나 이에 한정되지는 않는다. 간단한 수술을위한 G-코드의 작성을 촉진하기 위해, 우리는 개인이 프로그래밍에 대한 지식과 함께 수술을 설계 할 수 있도록 사용자 정의 스크립트를 개발했습니다. 그러나, 모터 stereotax를 최대한 얻을 수있는 사용자의 경우, 수학 프로그래밍 및 G-코딩 (간단한 음식물의 지식이 도움이 될 것입니다) CNC 가공에 부딪치게.

추천 드릴 속도는 40,000 rpm에서보다 크다. 스테퍼 모터의 해상도는 0.346 ° / 단계에 기어드 1.8 ° / 단계입니다. 표준 stereotax 2.88 μm의 / 단계의 해상도를 가지고 있습니다. 권장되는 최대 절단 속도는 500 μm의 / 초이다. 최대 권장 조깅 속도는 3,500 μm의 / 초이다. 최대 권장 드릴 비트 크기는 HP 2.

서론

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정위 설치류 수술은 lesioning 1, 이온 도입 2, 마이크로 와이어 주입 3, 4 자극, 얇은 두개골 영상 5를 포함하여 신경 과학의 다양한 애플리케이션에 사용된다. 그러나 정확한 정위 수술을 수행하기위한 가파른 학습 곡선과 인간의 오류의 높은 확률을 포함하여 이러한 기술을 적용하고자하는 사람들을 직면 주요 장애물이 있습니다. 인간의 오류 측정과 계산의 실패뿐만 아니라, 인간의 움직임의 낮은 정확성과 반복 가능성이 (가) 있습니다. 이러한 혼란 오류를 줄이기위한 노력의 일환으로, 정위 외과 의사가 모든 수술 절차는 주제에 걸쳐 동일하게 수행되도록 시스템에서 혜택을 누릴 것입니다. 오류의 감소는 연구자가 동물 주제의 사용, 동물 실험 6 건강의 국립 연구소의 주요 목표를 최소화 할 수있는 하나의 방법입니다. 이상적으로, 모두들tereotactic 수술 실험에서 완벽하게 복제 할 수 있으며, 실험실 간 것이다. 이 문제를 해결하기 위해, 기업은 측정 값을 읽기위한 새로운 울트라 정확한 stereotaxics, 디지털 디스플레이를 개발했다. 인간의 움직임의 오류를 제거하려면, 동력 마이크로 매니퓰레이터와 stereotaxics는 상업적으로 생산되었다, 그러나 높은 비용은 제한된 예산으로 실험실을 금지 할 수 있습니다. 또한, 그 소프트웨어는 완전히 독점적이며, 수술의 새로운 유형을 수용하도록 연구원에 의해 수정 될 수 없다.

인간의 오류 문제에 저렴한 솔루션은 산업 표준 CNC 장비를 사용하여, 실험실의 기존 모델에서 로봇 stereotax를 구축하는 것입니다. 때문에 급성장 CNC 아마추어 커뮤니티의, 물질은 훨씬 적은 비용이 과학적인 장비보다. 이것은 하나가 또한 매우 유연하고 저렴 정확한 CNC 정위 악기를 구축 할 수 있습니다. CNC 가공 및 G-코드, 개별적의 기본 지식루게릭 병은 독점 소프트웨어의 제한없이, 그들이 상상하는 정위 수술을 프로그램 할 수 있습니다. 그리고, 간단한 수술을위한 G-코드의 생산을 촉진하기 위해,이 프로토콜은 사용자가 지점 내 수술 (날카로운 가장자리 개두술, 얇은 두개골 윈도우, 홀 드릴링 및 임플란트 저하)를 디자인하고 메뉴를 클릭 할 수있는 소프트웨어가 포함되어 있습니다. 이 프로그램의 출력 CNC 소프트웨어에서 직접 실행할 수 있습니다 완성 된 G-코드입니다.

모두에서, 전동 정위 업그레이드는 오픈 소스 플랫폼의 유연성과 저렴한 비용을 유지하면서, 수술의 정확성과 반복 가능성을 증가에 관심을 가지고 사람들을 위해 이상적입니다.

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프로토콜

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  1. 드라이버 보드와 함께 제공되는 커넥터에 와이어를 나사에 의해 바이폴라 스테퍼​​ 모터를 연결. 바이폴라 스테퍼 모터에 철사 색깔은 (그림 1) 표준화되어있다.
    참고 : 설명 스테퍼 모터는 0.346 ° / 단계를 대상으로 1.8 ° / 단계의 해상도를 가지고. 표준 stereotax 여행의 3 mm/360 ° 있습니다. 최종 해상도는 / 단계 2.88 μm의 수 있습니다. 모터는 소수 스테핑 할 수있다.
    1. 검정색 와이어를 연결, A +의 녹색 선을 연결 A-, B의 +에 빨간 선을 연결하고 파란색 선을 연결 B-.
  2. 장착 구멍을 정렬주의하면서, 스테퍼 모터에 커플러를 밀어 12 배 M3 육각 나사 (20mm) (그림 2)를 사용하여 고정합니다.
    1. 커플러 단단히 모터에 연결되어 있는지 확인합니다.
      참고 : 3D 모델은 스레드를 포함하지 않는다. 부품은 나사의 크기로 표시되어 있지만, 그들은 그들이 한 후 탭해야합니다제조.
  3. 작은 육각 키를 사용하여 정위 악기의 3 축에 엄지 그립에서 고정 나사를 제거합니다. 엄지 그립은 스레드, 그래서 제거를 위해 그들에게 시계 반대 방향으로 회전된다. 팔 (그림 3)에 장소에 PTFE 워셔.
  4. 정위 악기의 팔의 실을 꿴 막대 (그림 3)에 칼라의 나사 끝을 고정합니다.
    1. 칼라와 PTFE O-링 사이에 틈이 없도록. 이 로봇이 방향을 변경할 때 좌표가 유지되는 것을 보장한다.
    2. 배 NF10-32 (1 / 4 인치) 컵 지점 세트 나사를 사용하여 정위 팔의 스레드에 고리를 고정합니다.
    3. 칼라 & 정위 팔에 각각의 모터와 커플러를 밀어 넣습니다. 모터가 팔을 같은 높이로하고, 고리에 고정 나사 구멍이 모터 샤프트의 평평한 부분 (그림 4)와 일렬로 있는지 확인합니다.
    4. 공동 보안장착 구멍과 배의 NF10-32 (1 / 2 인치) 컵 지점 세트 나사 (그림 4)를 사용하여 stereotax에 uplers.
    5. 고정 나사 (그림 4) 배 NF10-32 (1 / 4 인치)를 사용하여 모터 샤프트에 고리를 고정합니다.
  5. 반 스테핑 제어기 핀을 각각 설정하여 CNC 드라이버 보드를 준비한다.
    주 :이 스테퍼 모터 드라이버가 노출 된 배선판 온다. 필요한 것은 아니지만 경우, 내장 할 수있다. 또한, 다른 바이폴라 스텝퍼 모터 드라이버 개수가 사용될 수있다. 이 경우, 설치 지침이 구입 한 특정 보드 뒤에되어 있는지 확인합니다.
    1. 같은 방법으로 스테퍼 모터 당 6 핀을 맞 춥니 다. 하프 스테핑도 / 단계 (그림 5)에서 두 단계 확인을 위해 수 있습니다.
    2. 에 포지에 떨어져 위치 핀 3에 위치에 핀 2 핀 1 플립기, OFF 위치로 핀 4에 위치에 핀 5 및 오프 위치 핀 6 (그림 5).
  6. 12 V 전원 공급 장치와 함께, 스테퍼 모터 드라이버로 (Z - - Y X) 모터를 연결합니다. 정확한 위치는 드라이버에 표시됩니다. 또한, DB25cable (그림 6)를 사용하여 컴퓨터의 직렬 포트에 스테퍼 드라이버를 연결합니다.
  7. 기본 지침에 따라 개인용 컴퓨터 (이것은 수술 영역에 위치해야합니다)에 CNC 밀링 소프트웨어를 설치합니다. 한번 설치되면, 구성을 시작하기 위해 소프트웨어를 엽니 다.
    1. 스테퍼 모터와 통신하는 소프트웨어를 구성합니다.
      참고 : 다음 지침 만 TB6560 스테퍼 모터 드라이버와 함께 사용하기위한 것입니다.
    2. 다음과 같이 소프트웨어의 메뉴를 클릭합니다. 열기 → 구성 → 포트 및 핀→ 출력 신호. 그림 7과 일치하고 적용 칠 프롬프트를 입력합니다.
    3. 다음과 같이 소프트웨어의 메뉴를 클릭합니다. → 구성 → 포트 및 핀 → 입력 신호 엽니 다. 그림 8과 일치하고 적용 칠 프롬프트를 입력합니다.
    4. 다음과 같이 소프트웨어의 메뉴를 클릭합니다. → 구성 → 포트 및 핀 → 모터 출력을 엽니 다. 그림 9와 일치하고 적용 칠 프롬프트를 입력합니다.
    5. 다음과 같이 소프트웨어의 메뉴를 클릭합니다. 열기 → 구성 → 자동차 튜닝. 그림 10과 일치하고 저장 축 설정을 클릭 할 수있는 프롬프트를 입력합니다. 같은 값을 사용하여 모든 3 축에 대해 이전 단계를 반복합니다.
  8. CNC 소프트웨어의 규모에 stereotax를 보정합니다.
    참고 : 측정의 단위는 정위 악기의 여행에 비례하지 않도록 소프트웨어는 표준 밀링 머신을 위해 설계되었습니다.
    1. 1 분마다 인치, 및 "조그"가장 가까운 밀리미터로는 PgUp / PgDn을 가진 정위 기기의 Z-축 모터 '속도를 설정합니다.
      참고 : 최대 권장 조깅 속도는 3,500 μm의 / 초이고 최대 추천 절삭 속도가 500 μm의 / 초이다.
    2. 제로 Z 축 조그 정위 악기 1mm. 거리의 Mach3에서 Z 축에 여행은 "스케일링 상수"이다. 기계 좌표는 "일정한 크기 조정"에 의해 두개골 좌표 (mm)를 곱하여 결정된다.
    3. 일부 알려진 거리를 여행하도록 프로그래밍하여 3 축의 임의의 테스트를 수행하고 움직임이 정확한지 확인하십시오. stereotax 여행이 너무 멀리 또는 짧은 경우, 그에 따라 스케일링 상수를 수정합니다.
      참고 : 스케일링이 완료되면 포함 커스텀 스크립트 수술 g위한 코드를 생성하기 위해 사용될 수있다. 그러나, 그것은 매우 사용자가 자동​​으로 생성하기 전에 G-코드에 익숙해지는 것이 좋습니다수술. 이 자동화 된 수술의 문제를 해결하고 수정하기위한 필수적입니다.
  9. 초대형 프로브 홀더를 사용하여 정위 기기의 마이크로 모터 드릴을 부착합니다. 주 : 최소 권장 드릴 비트 속도는 40,000 RPM입니다.
  10. 3 두개골의 나사 구멍과 날카로운 에지 개두술을위한 G-코드를 자동으로 생성.
    1. PC에 하나의 폴더에 소프트웨어 테이블에서 사용자 정의 스크립트를 모두 넣습니다.
    2. 스크립트 "SharpEdgeCraniotomy.m"를 열고 코드를 실행합니다.
    3. 프롬프트에 모두 선택 "당신이 수행 할 것입니다 수술의 종류는 무엇입니까?" (그림 11).
    4. 두개골 윈도우의 모서리를 정의하기 위해, 사용자 지정을 선택합니다. 그림 12에 맞게 각 프롬프트를 입력합니다.
    5. 개두술 코너의 X 및 Y 위치를 정의합니다. 각 좌표는 예에 따라, 올바른 순서로 입력해야합니다 그림 13 .
    6. 3 두개골 구멍 (그림 14)를 생성하는 프롬프트에서 3을 입력합니다.
    7. 선택 좌표를 사용하여 정의하고 그림 15의 템플릿에서 각 구멍의 좌표를 입력합니다.
      참고 : 정확한 좌표가 중요하지 않은 경우에, 쥐 두개골의 이미지에 구멍 '위치 포인트를 클릭 할 수있는 옵션이있다. 위치는 자동으로 생성됩니다.
    8. 드릴링 매개 변수를 정의합니다. 첫 번째 테스트 수술의 경우, 기본 값을 받아 들인다.
      주 :이 값은 스테퍼 모터에 의존하고, 동물의 두개골. 모든 쥐의 유형 및 대상 위치는 약간 다른 두개골의 두께를 갖는다. 이 장치를 사용하여 초기 몇 수술 들어, 드릴링 깊이 테스트 및 수동 나머지 두개골 조각을 제거 할 준비가 될. 값들은 향후 수술 (도 16)에 대해 변형 될 수있다.
    9. G 코드의 이름을, 그것은 자동으로 생성 SA됩니다작업 디렉토리에 VED.
  11. CNC 밀링 소프트웨어에 G-코드와 정위 악기 귀 막대에 테스트 두개골을로드합니다.
    1. 수동으로 화살표 키를 사용하여 브레 그마에 드릴 비트를 조깅. 정확성을 기하기 위해 느린 조그 속도 (~ 5 인치 / m)을 사용합니다.
    2. 이상 38,000 rpm으로 회전하는 드릴 비트를 시작합니다.
    3. 보도 자료 CycleStart, stereotax는 다른 깊이에서, 같은 컷의 많은 패스를 수행합니다. 각 패스 사이에 stereotax가 일시 중지됩니다, 그래서 의사는 절단을 계속하거나 중단 할 수 있습니다. 키를 눌러 패스를 절단 계속주기 (Alt-R)를 계속합니다.

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결과

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방법으로 설계 수술의 최종 결과는 날카로운 에지 개두술을 가진 쥐의 두개골, 3 두개골 구멍 (그림 17)입니다. 수술을 설명하는 데 사용되는 두개골 원형 쥐의 두개골보다 훨씬 넓은 것을 유의하십시오. 날카로운 에지 개두 고밀도 신경 레코딩을위한 뇌에 마이크로 와이어 어레이를 삽입하기 위해 사용될 수있다. CNC의 stereotax 또한 매우 정밀 배열을 낮추기 위해 사용될 수있다. 소프트웨어는 외과 의사가 마이크로 와이어의 매개 변수를 정의하기 위해, 또는 정맥이 저하 할 수 있습니다이 프로토콜에 포함되어 있습니다. 날카로운 가장자리 craniotomies는 감각 매핑 연구를 위해, 운동 피질의 많은 부분을 발견하는 데 사용할 수 있습니다.

두개골 구멍 두개골 나사 (그림 18)를 삽입하는 데 사용할 수 있습니다. 동물에 머리 단계를 부착 할 때 이러한 치과 시멘트 앵커로 사용할 수 있습니다. 구멍은 또한 뇌에 하...

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토론

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자동화 된 수술 장비의 사용은 신경 과학 연구에서 가장 일반적인 문제 중 일부를 제거하는 데 도움이됩니다. 첫째, 공구 경로는 100 % 재현이다. 모든 컷은 브레 그마에 상대적으로 동일한 위치에있는 것으로 보장된다. 둘째, 실험 오차를 감소시켜야한다. 많은 연구자들은 고도로 숙련 된 외과 의사이지만, 심지어는 유능한 외과 의사가되기 위해 연습의 뛰어난 금액을 걸립니다. 이 장치는 새로운 학생들이 신속하고 용이하게 고정밀도 수술을 수행 할 수 있도록하는 것이다. 셋째, 전동식 수술 장치는 실험 6을 수행하는 데 필요한 동물의 수를 감소한다. 외과 의사는 적은 훈련이 필요하고, 실수를 자주한다. 마지막으로, 동력 정위가 보유 좌표에 더 해상도를 허용하는 인간의 손보다 더욱 정밀하고 정확한 움직임을 만들 수있다.

오늘날의 신경 기후에서의 정확성을 높이기 위해 푸시있어왔다urgical 방법과 기술. 그것은 작은 하위 영역이 존재하는 것이 분명하다, 그들은 기능적...

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공개 사항

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저자는 공개 할 경쟁 금전적 이해 관계가 없습니다.

감사의 글

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이 연구는 약물 남용 보조금 DA 006886 및 032270 DA에있는 국립 연구소에 의해 지원되었다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
1x 표준 U 프레임 스테레오탁스KopfKopf이 프로토콜은 대부분의 기존 스테레오택시 장치에서 작동해야 합니다.
3x 12 V, 1.6 A, 233 oz-inch 기어드 바이폴라 스테퍼 모터PhidgetsRobot Shop모든 고토크 기어드 스테퍼 모터는 해야 합니다. 
1x 3축 CNC 스텝퍼 모터 드라이버 보드 컨트롤러ToshibaEbay모든 3축 CNC 드라이버가 해야 합니다. 연결된 항목에는 Mach3 CNC 소프트웨어가 포함되어 있습니다.
2x 암 커플러: 내측(ML) 및 등측(DV)맞춤 가공부품 도면이들은 지역 기계 공장에서 가공해야 합니다. (비용은 변동됩니다)
1x 전방-후방(AP) 커플러맞춤 가공부품 도면이들은 지역 기계 공장에서 가공해야 합니다. (비용은 변동됩니다)
3x 모터에서 스테레오택스 칼라맞춤 가공부품 도면이것들은 귀하의 현지 기계 공장에서 가공해야 합니다. (비용은 변동됩니다)
브라우저에서 보기
12x NF10-32 컵 포인트 세트 스크류McMaster Carr½ ” 길이각각 6개가 필요합니다.
¼ ” 길이
12x M3 소켓 헤드 스크류 (20 mm)McMaster Carr20mm 길이각 모터에 대해 4개가 필요합니다
. 1x 마이크로 모터 드릴 버팔로 치과X50모든 마이크로모터 드릴이 작동합니다.  최소 38,000rpm 권장
1x 12V DC 전원 공급 장치12V 어댑터12v DC – 7Amp모든 12V DC PSU가 작동해야 합니다(정격 전류가 모터의 암페어의 합보다 높은지 확인).
1x 초대형 프로브 홀더StoeltingStoelting
1x 등급 B 쥐 두개골해골 무제한Skulls Unlimited
마하 3 MillArtSoft USAa href="http://www.machsupport.com/ccount/click.php?id=1">평가판 다운로드모든 표준 CNC 제어 소프트웨어가 작동해야 합니다.
수술 디자이너Kevin Coffey David BarkerMATLAB File Exchange이 코드는 수정할 수 있습니다. 당사는 귀하의 코드 사용 또는 수정에 대해 어떠한 책임도 지지 않습니다.
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참고문헌

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

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