Name: 오픈 소스 로봇 정위 장비 구축 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-10-29T19:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 40 s
Description: 학습하세요 저비용 오픈 소스 로봇 정위 장비를 구축하여 설치류 신경외과의 정밀도와 재현성을 향상시키는 방법을 배우세요. 이 프로토콜은 연구자들이 약 1,000달러로 기존 정위 장비를 로봇 시스템으로 업그레이드할 수 있도록 합니다.

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

<ol><li> 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. <ol><li> 검정색 와이어를 연결, A +의 녹색 선을 연결 A-, B의 +에 빨간 선을 연결하고 파란색 선을 연결 B-. </li></ol></li><li> 장착 구멍을 정렬주의하면서, 스테퍼 모터에 커플러를 밀어 12 배 M3 육각 나사 (20mm) (그림 2)를 사용하여 고정합니다. <ol><li> 커플러 단단히 모터에 연결되어 있는지 확인합니다. 참고 : 3D 모델은 스레드를 포함하지 않는다. 부품은 나사의 크기로 표시되어 있지만, 그들은 그들이 한 후 탭해야합니다제조. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 정위 악기의 팔의 실을 꿴 막대 (그림 3)에 칼라의 나사 끝을 고정합니다. <ol><li> 칼라와 PTFE O-링 사이에 틈이 없도록. 이 로봇이 방향을 변경할 때 좌표가 유지되는 것을 보장한다. </li><li> 배 NF10-32 (1 / 4 인치) 컵 지점 세트 나사를 사용하여 정위 팔의 스레드에 고리를 고정합니다. </li><li> 칼라 &amp; 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. </li><li> 공동 보안장착 구멍과 배의 NF10-32 (1 / 2 인치) 컵 지점 세트 나사 (그림 4)를 사용하여 stereotax에 uplers. </li><li> 고정 나사 (그림 4) 배 NF10-32 (1 / 4 인치)를 사용하여 모터 샤프트에 고리를 고정합니다. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 같은 방법으로 스테퍼 모터 당 6 핀을 맞 춥니 다. 하프 스테핑도 / 단계 (그림 5)에서 두 단계 확인을 위해 수 있습니다. </li><li> 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). </li></ol></li><li> 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. </li><li> 기본 지침에 따라 개인용 컴퓨터 (이것은 수술 영역에 위치해야합니다)에 CNC 밀링 소프트웨어를 설치합니다. 한번 설치되면, 구성을 시작하기 위해 소프트웨어를 엽니 다. <ol><li> 스테퍼 모터와 통신하는 소프트웨어를 구성합니다. 참고 : 다음 지침 만 TB6560 스테퍼 모터 드라이버와 함께 사용하기위한 것입니다. </li><li> 다음과 같이 소프트웨어의 메뉴를 클릭합니다. 열기 → 구성 → 포트 및 핀→ 출력 신호. 그림 7과 일치하고 적용 칠 프롬프트를 입력합니다. </li><li> 다음과 같이 소프트웨어의 메뉴를 클릭합니다. → 구성 → 포트 및 핀 → 입력 신호 엽니 다. 그림 8과 일치하고 적용 칠 프롬프트를 입력합니다. </li><li> 다음과 같이 소프트웨어의 메뉴를 클릭합니다. → 구성 → 포트 및 핀 → 모터 출력을 엽니 다. 그림 9와 일치하고 적용 칠 프롬프트를 입력합니다. </li><li> 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. </li></ol></li><li> CNC 소프트웨어의 규모에 stereotax를 보정합니다. 참고 : 측정의 단위는 정위 악기의 여행에 비례하지 않도록 소프트웨어는 표준 밀링 머신을 위해 설계되었습니다.<ol><li> 1 분마다 인치, 및 &quot;조그&quot;가장 가까운 밀리미터로는 PgUp / PgDn을 가진 정위 기기의 Z-축 모터 &#39;속도를 설정합니다. 참고 : 최대 권장 조깅 속도는 3,500 μm의 / 초이고 최대 추천 절삭 속도가 500 μm의 / 초이다. </li><li> 제로 Z 축 조그 정위 악기 1mm. 거리의 Mach3에서 Z 축에 여행은 &quot;스케일링 상수&quot;이다. 기계 좌표는 &quot;일정한 크기 조정&quot;에 의해 두개골 좌표 (mm)를 곱하여 결정된다. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 초대형 프로브 홀더를 사용하여 정위 기기의 마이크로 모터 드릴을 부착합니다. 주 : 최소 권장 드릴 비트 속도는 40,000 RPM입니다. </li><li> 3 두개골의 나사 구멍과 날카로운 에지 개두술을위한 G-코드를 자동으로 생성. <ol><li> PC에 하나의 폴더에 소프트웨어 테이블에서 사용자 정의 스크립트를 모두 넣습니다. </li><li> 스크립트 &quot;SharpEdgeCraniotomy.m&quot;를 열고 코드를 실행합니다. </li><li> 프롬프트에 모두 선택 &quot;당신이 수행 할 것입니다 수술의 종류는 무엇입니까?&quot; (그림 11). </li><li> 두개골 윈도우의 모서리를 정의하기 위해, 사용자 지정을 선택합니다. 그림 12에 맞게 각 프롬프트를 입력합니다. </li><li> 개두술 코너의 X 및 Y 위치를 정의합니다. 각 좌표는 예에 따라, 올바른 순서로 입력해야합니다 그림 13 </stronG&gt;. </li><li> 3 두개골 구멍 (그림 14)를 생성하는 프롬프트에서 3을 입력합니다. </li><li> 선택 좌표를 사용하여 정의하고 그림 15의 템플릿에서 각 구멍의 좌표를 입력합니다. 참고 : 정확한 좌표가 중요하지 않은 경우에, 쥐 두개골의 이미지에 구멍 &#39;위치 포인트를 클릭 할 수있는 옵션이있다. 위치는 자동으로 생성됩니다. </li><li> 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. </li><li> G 코드의 이름을, 그것은 자동으로 생성 SA됩니다작업 디렉토리에 VED. </li></ol></li><li> CNC 밀링 소프트웨어에 G-코드와 정위 악기 귀 막대에 테스트 두개골을로드합니다. <ol><li> 수동으로 화살표 키를 사용하여 브레 그마에 드릴 비트를 조깅. 정확성을 기하기 위해 느린 조그 속도 (~ 5 인치 / m)을 사용합니다. </li><li> 이상 38,000 rpm으로 회전하는 드릴 비트를 시작합니다. </li><li> 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. </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>
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<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>

저자는 공개 할 경쟁 금전적 이해 관계가 없습니다.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>1x 표준 U 프레임 스테레오탁스</td><td>Kopf</td><td><a href="http://www.kopfinstruments.com/Stereotaxic/900.html">Kopf</a></td><td>이 프로토콜은 대부분의 기존 스테레오택시 장치에서 작동해야 합니다.</td></tr><tr><td>3x 12 V, 1.6 A, 233 oz-inch 기어드 바이폴라 스테퍼 모터</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>모든 고토크 기어드 스테퍼 모터는 해야 합니다.&nbsp;</td></tr><tr><td>1x 3축 CNC 스텝퍼 모터 드라이버 보드 컨트롤러</td><td>Toshiba</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>모든 3축 CNC 드라이버가 해야 합니다. 연결된 항목에는 Mach3 CNC 소프트웨어가 포함되어 있습니다.</td></tr><tr><td>2x 암 커플러: 내측(ML) 및 등측(DV)</td> <td>맞춤 가공</td><td><a href="http://eden.rutgers.edu/~mrcoffey/images/3D%20Models%20-%20CNC%20Stereotax%20Parts.zip">부품 도면</a></td><td>이들은 지역 기계 공장에서 가공해야 합니다. (비용은 변동됩니다)</td></tr><tr><td>1x 전방-후방(AP) 커플러</td><td>맞춤 가공</td><td><a href="http://eden.rutgers.edu/~mrcoffey/images/3D%20Models%20-%20CNC%20Stereotax%20Parts.zip">부품 도면</a></td><td>이들은 지역 기계 공장에서 가공해야 합니다. (비용은 변동됩니다)</td></tr><tr><td>3x 모터에서 스테레오택스 칼라</td>로 <td>맞춤 가공</td><td><a href="http://eden.rutgers.edu/~mrcoffey/images/3D%20Models%20-%20CNC%20Stereotax%20Parts.zip">부품 도면</a></td><td>이것들은 귀하의 현지 기계 공장에서 가공해야 합니다. (비용은 변동됩니다)</td></tr><tr><td><a href="http://eden.rutgers.edu/~mrcoffey/images/Collar.html">브라우저에서 보기</a></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>12x NF10-32 컵 포인트 세트 스크류</td><td>McMaster Carr</td><td><a href="http://www.mcmaster.com/#92313A829">&frac12; &rdquo; 길이</a></td><td>각각 6개가 필요합니다.</td></tr><tr><td><a href="http://www.mcmaster.com/#92313A825">&frac14; &rdquo; 길이</a></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>12x M3 소켓 헤드 스크류 (20 mm)</td><td>McMaster Carr</td><td><a href="http://www.mcmaster.com/#92855A319">20mm 길이</a></td><td>각 모터에 대해 4개가 필요합니다</td></tr><tr><td>. 1x 마이크로 모터 드릴&nbsp;</td><td>버팔로 치과</td><td><a href="http://www.buffalodental.com/pdfnew/x50.pdf">X50</a></td><td>모든 마이크로모터 드릴이 작동합니다.&nbsp; 최소 38,000rpm 권장</td></tr><tr><td>1x 12V DC 전원 공급 장치</td><td>12V 어댑터</td><td><a href="http://www.12vadapters.com/adapter/power-supply/12v/7-amp-7a.html">12v DC &ndash; 7Amp</a></td><td>모든 12V DC PSU가 작동해야 합니다(정격 전류가 모터의 암페어의 합보다 높은지 확인).</td></tr><tr><td>1x 초대형 프로브 홀더</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 등급 B 쥐 두개골</td><td>해골 무제한</td><td><a href="http://www.skullsunlimited.com/record_variant.php?id=4009">Skulls Unlimited</a></td><td></td></tr><tr><td>마하 3 Mill</td><td>ArtSoft USA</td><<td>a href="http://www.machsupport.com/ccount/click.php?id=1">평가판 다운로드</a></td><td>모든 표준 CNC 제어 소프트웨어가 작동해야 합니다.</td></tr><tr><td>수술 디자이너</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>이 코드는 수정할 수 있습니다. 당사는 귀하의 코드 사용 또는 수정에 대해 어떠한 책임도 지지 않습니다.</td></tr></tbody></table>

오픈 소스 로봇 정위 장비 구축

Building An Open-source Robotic Stereotaxic Instrument

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.

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...

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

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

본 절차의 전반적인 목표는 연구자들에게 유연하고 저렴하며 오픈 소스인 로봇 스테레오택틱 기기를 제작할 수 있는 설계도와 수술 설계 및 공유에 필요한 소프트웨어를 제공함으로써, 로봇을 이용한 설치류 신경외과 수술의 접근성과 유연성을 확장하는 것입니다. 이는 먼저 컴퓨터 수치 제어(CNC) 스테레오택틱 기기를 가공 및 조립함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 스테레오택틱 기기의 스케일링 비율을 결정하는 것입니다.운동 거리당 이동한 정위 거리(stereotaxic distance)를 측정하여, 두개골 좌표로부터 툴패스가 자동으로 생성되고 G 코드로 내보내집니다. 마지막 단계는 해당 동물 종의 두개골을 사용하여 수술을 테스트하는 것입니다. 테스트 결과에 따라 수술 설계가 수정되어야 합니다.최종적으로, 이 정위 고정 장치는 설치류의 실시간 신경외과 수술을 빠르게 수행하고 공유하는 데 사용할 수 있습니다. 현재의 응용 분야에는 두개골 절제술, 얇은 두개골 창(thin skull window), 전극 또는 캐뉼라 삽입 등이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다. 로봇 수술 기구를 도입하면 설치류 신경외과 수술의 정확성과 재현성을 높일 수 있습니다.하지만 상용 모델은 가격이 지나치게 비쌀 수 있습니다. 다음 프로토콜은 기존의 스테레오 택서(stereo taxers)를 전동식 스테레오 택서로 업그레이드하기 위한 계획을 제공합니다. 모터 제어에 사용되는 G 코드는 오픈 소스로 제공되며, 외과 의사의 매우 구체적인 요구 사항에 맞게 수정할 수 있습니다.포함된 MATLAB 스크립트는 초기 사용자가 간단한 포인트 앤 클릭 메뉴를 통해 수술 과정을 자동으로 생성할 수 있도록 도와줍니다. 현재는 생성 가능한 수술 종류가 소수에 불과하지만, 로봇은 동물 모델에서 사용되는 대부분의 신경외과적 수술 기법을 수행할 수 있습니다. 로봇 수술은 특정 시점의 변수를 제거하는 것과 같은 많은 장점을 가지고 있습니다.지난 30년 동안 저희 실험실은 생존 수술 시 생존율이 낮아지는 시기를 겪어 왔습니다. 하나씩 제거해야 할 변수가 너무 많기 때문에 이러한 시기는 매우 당혹스럽습니다. 로봇 수술을 도입한다면 이러한 변수 중 일부를 제거하고 문제 해결 과정을 단순화할 수 있을 것입니다.일반적으로, 이는 보다 일관된 수술을 촉진하고 회복 시간을 단축하며 동물의 폐사율을 낮춰줍니다. 드라이버 보드와 함께 제공된 커넥터에 바이폴라 스테퍼 모터를 연결하여 이 절차를 시작하십시오. 녹색 선은 A 플러스에, 검은색 선은 A 마이너스에, 빨간색 선은 B 플러스에, 파란색 선은 B 마이너스에 연결하십시오.다음 슬라이드입니다. 장착 구멍을 주의 깊게 맞추어 스텝 모터 위에 커플러를 배치합니다. 그런 다음 2.0 mm M3 소켓 헤드 나사를 사용하여 고정하고, 커플러가 모터에 단단히 부착되었는지 확인하십시오.커플러와 칼라의 3D 모델에는 나사산이 포함되어 있지 않다는 점에 유의하십시오. 나사산 크기가 표시된 구멍은 제작 후 탭 작업을 통해 나사산을 내야 합니다. 그 후, 작은 육각 렌치를 사용하여 정위 고정 장치의 3개 축에 있는 썸 그립의 무드 볼트를 제거하십시오.엄지 너트는 나사산 형태로 되어 있으므로, PTFE 와셔가 암(arm)에 그대로 유지되도록 주의하면서 시계 반대 방향으로 돌려 제거하십시오. 그런 다음 칼라(collar)의 나사산 끝부분을 정위 고정 기구 암의 나사산 로드에 나사로 고정하며, 칼라와 PTFE 링 사이에 틈이 없도록 하십시오. 이렇게 해야 로봇의 방향이 바뀔 때 좌표가 유지됩니다.그 다음, 3개의 1/4인치 nf 10 32 컵 포인트 무두볼트를 사용하여 칼라를 정위 고정 장치 암의 나사산에 고정합니다. 각 모터와 커플러를 칼라와 정위 고정 장치 암 위로 밀어 넣습니다. 모터가 암에 밀착되었는지, 그리고 칼라의 무두볼트 구멍이 모터 샤프트의 평평한 부분과 일치하는지 확인하십시오.그다음 마운팅 홀과 6개의 1/2인치 NF 10 32 컷 포인트 세트 스크루를 사용하여 커플러를 스테레오타입에 고정합니다. 이어서 3/4인치 NF 10 32 세트 스크루를 사용하여 칼라를 모터 샤프트에 고정합니다. 이제 3개의 스테퍼 컨트롤러 각각을 하프 스테핑(half stepping)으로 설정하여 CNC 드라이버 보드를 준비합니다. 이렇게 하면 3개의 스테퍼 컨트롤러 각각의 스텝 분해능을 두 배로 높일 수 있습니다. 핀 1은 on 위치로, 핀 2는 off 위치로, 핀 3은 on 위치로, 핀 4는 off 위치로, 핀 5는 on 위치로, 핀 6은 off 위치로 전환합니다.x, y, Z 모터를 12V 전원 공급 장치와 함께 스테퍼 모터 드라이버에 연결하십시오. 그런 다음 DB 25 케이블을 사용하여 스테퍼 드라이버를 컴퓨터 시리얼 포트에 연결하십시오. 이제 CNC 밀링 소프트웨어를 열어 스테퍼 모터 통신 설정을 시작하십시오.다음 지침은 TB 6 5 6 0 스테퍼 모터 드라이버 전용임을 유의하시기 바랍니다. config를 클릭한 후, ports와 output signals를 선택하십시오. 프롬프트를 입력하고 apply를 누르십시오.그 다음 'config ports and pins and input signals'를 클릭하고 입력 신호를 입력합니다. 프롬프트를 작성한 후 'apply'를 누릅니다. 이어서 'config'를 클릭합니다.그런 다음 포트와 핀, 그리고 모터 출력을 설정합니다. 프롬프트를 입력하고 적용을 누릅니다. 그 후 설정 및 모터 튜닝을 클릭합니다.프롬프트를 입력하고 축 설정 저장(save axis settings)을 클릭한 다음, 동일한 값을 사용하여 세 개의 AE 모두에 대해 이 단계를 반복합니다. 다음으로, 모터 속도를 분당 1인치로 설정하여 CNC 소프트웨어의 스케일에 맞게 스테레오택틱 장치를 교정하고, Page Up 및 Page Down 키를 사용하여 스테레오택틱 장치의 Z축을 가장 가까운 밀리미터 단위까지 조그 이동시킨 뒤, Z축을 영점 조정하고 스테레오택틱 장치를 1mm 조그 이동시킵니다. 이때 Mach 3의 Z축에서 이동한 거리가 스케일링 상수가 됩니다.세 축 모두를 프로그래밍하여 기지의 거리를 이동하게 함으로써 움직임이 정확한지 확인하는 무작위 테스트를 수행한 후, 초대형 프로브 홀더를 사용하여 마이크로 모터 드릴을 정위 고정 장치에 부착하십시오. 먼저 소프트웨어 표에 있는 모든 사용자 지정 스크립트를 PC의 단일 폴더에 넣으십시오. 그런 다음 script sharp edge craniotomy M을 열어 코드를 실행하십시오.프롬프트에서 두 항목을 모두 선택하십시오. 수행할 수술 유형을 선택하는 화면이 나타납니다. 이어서 'custom'을 선택하여 두개골 윈도우의 모서리를 설정하고, 개두술 모서리의 x 및 Y 위치를 지정하십시오.각 좌표는 정확한 순서대로 입력해야 합니다. 양식을 모두 작성한 후, 확인(okay)을 누르십시오. 다음으로, 프롬프트에 3을 입력하여 세 개의 두개골 구멍을 생성합니다. 그 후 좌표를 사용하여 정의(define using coordinates)를 선택하고, 템플릿에 있는 각 구멍의 좌표를 입력하십시오.그 후, 첫 번째 테스트 수술을 위한 드릴링 파라미터를 설정합니다. 기본값을 수락하십시오. G 코드의 이름을 지정합니다.G 코드는 자동으로 생성되어 작업 디렉토리에 저장됩니다. G 코드를 CNC 밀링 소프트웨어에 로드하고, 테스트용 두개골을 정위 고정 장치에 장착하십시오. 키보드의 화살표 키를 사용하여 드릴 비트를 수동으로 조그(jog) 이동시키며, 정확성을 보장하기 위해 낮은 조그 속도를 사용하십시오.이제 마이크로 모터 드릴을 시작하고 드릴 컨트롤러의 속도 다이얼을 50,000 RPM으로 설정하십시오. 사이클 시작 버튼을 누릅니다. 스테레오 어태커(stereo attacks)가 각 패스 사이의 서로 다른 깊이에서 동일한 절삭 과정을 여러 번 반복 수행할 것입니다.외과의가 계속 진행하거나 중단할 수 있도록 스테레오 어택(stereo attacks)이 일시 정지됩니다. 절삭 단계입니다. 절삭 패스를 계속 진행하려면 계속 사이클(continue cycle)을 누르십시오. 여기는 앞서 설계된 수술을 실행한 최종 결과가 나타난 두개골이며, 이 두개골은 구멍에 두개골 나사가 삽입된 상태를 보여줍니다.사용하는 드릴 비트의 크기에 따라 구멍의 직경이 결정되며, 결과적으로 나사의 크기가 결정됩니다. 이 그림은 화살표로 표시된 얇은 두개골 창이 있는 두개골을 보여줍니다. 오른쪽 패널에서 빛이 얇은 두개골 창을 투과하는 것처럼 보인다는 점에 유의하십시오.로봇 수술 장비를 균일하게 사용하면 오늘날 신경과학 분야에서 발생하는 가장 일반적인 문제들 중 일부를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 첫째, 도구 경로의 재현성이 100% 보장됩니다. 둘째, 실험상의 오차나 오류를 줄일 수 있습니다.셋째로, 전동식 수술 장비는 실험 수행에 필요한 동물의 수를 줄일 수 있으며, 마지막으로 사람의 손보다 더 정밀하고 정확합니다. 저희는 연구자가 간단한 수술을 자동으로 생성할 수 있도록 하는 맞춤형 소프트웨어를 포함하였습니다. 전동식 스테레오택시스(stereotaxis) 장치가 이 소프트웨어에 의해 제한되지 않는다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.연구자들은 각자의 독특한 신경외과 수술에 가장 적합하도록 복잡한 툴 패스를 코딩할 수 있습니다. 하지만 로봇의 정확도는 정밀 가공, 적절한 설정, 그리고 CNC 기계의 작동 방식에 대한 정확한 이해에 달려 있습니다. 연구자들이 이 전동식 정위 기구의 작동 원리를 이해하는 데 시간을 투자한다면, 더 적은 훈련으로도 더 높은 재현성과 정확성을 갖춘 수술을 수행할 수 있습니다.전반적으로 자동화된 수술은 많은 이점을 제공합니다. 전동식 정위 고정 장치가 존재하며 시판되고 있으나, 가격이 매우 고가입니다.Kevin과 David가 여기서 구축한 시스템은 비용은 매우 낮지만 품질은 동일하게 우수하며, 이들은 소프트웨어와 시스템을 전체 연구 커뮤니티에 무료로 제공하고 있습니다.

building-an-open-source-robotic-stereotaxic-instrument

Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

출처: Lee, H. et. al., Successful In vivo Calcium Imaging with a Head-Mount Miniaturized Microscope in the Amygdala of Freely Vihaving Mouse(자유롭게 행동하는 마우스의 편도체에서 헤드 마운트 소형 현미경을 사용한 성공적인 생체 내 칼슘 이미징). J. Vis. Exp. (2020)이 비디오는 구배 굴절률 또는 GRIN 렌즈와 소형 현미경을 사용하여 마우스의 생체 내 칼슘 이미징을 보여줍니다. 이 설정은 마찰이 없는 이동식 케이지 시스템 내에서 머리를 고정하여 뉴런을 자극하고 칼슘 이온 유입을 유발합니다. GRIN 렌즈는 뇌의 칼슘 신호를 포착하여 신경 활동을 실시간으로 시각화할 수 있습니다.

자유롭게 움직이는 마우스의 실시간 미세내시경 칼슘 이미징

바이러스 성 벡터는 타겟 유전자 조작을 위해 수 있습니다. 우리는 등쪽 뿔에 바이러스 벡터의 stereotaxic 주입, 기본 somatosensory afferents 및 중추 신경계의 뉴런 사이의 시냅스 접촉의 눈에 잘 띄는 사이트를 사용하여 조건부 유전자 발현 또는 마우스 척추 절제하는 방법을 보여줍니다.

마우스 척추 조건부 유전자 조작을위한 바이러스 성 벡터의 Stereotaxic 주입

SEEG 방법론은 정위 로봇으로 단순화되고 더 빨라집니다. 수술실에서 로봇을 사용하기 전에 수술 전 체적 MRI를 환자에게 등록하는 데 세심한 주의를 기울여야 합니다. 로봇은 절차를 간소화하여 수술 시간을 줄이고 정확한 이식을 가능하게 합니다.

로봇 정위 유도 시스템을 활용한 입체뇌파(SEEG) 방법론에 대한 수술 기술 및 뉘앙스

여기에 설명된 것은 각진 관상 접근 법을 사용하여 도전적이고 도달하기 어려운 뇌 영역(공간 제한으로 인해)을 표적으로 할 수 있는 입체적 절차입니다. 이 프로토콜은 마우스와 쥐 모델에 모두 적응할 수 있으며, 바이러스 구조의 캐뉼라 이식 및 미세 주입을 포함하여 다양한 신경 과학 응용 분야에 적용 될 수있다.

다목적 신경 과학 기술을 위한 적응가능한 각진 입체 적 접근 법

마이크로 버블 에이전트를 가진 집중한 초음파는 혈액 두뇌 장벽을 초점하고 일시적으로 열 수 있습니다. 이 기술은 혈액 뇌 장벽을 통해 에이전트의 넓은 범위를 제공하기 위해 사용되었습니다. 이 문서에서는 MRI 지침유무이드 없이 설치류 뇌에 국소화된 전달을 위한 자세한 프로토콜을 제공합니다.

쥐 모델에서 집중 초음파를 사용하여 위치 특정 혈액 뇌 장벽 개방에 대한 벤치 탑 접근

혈액-뇌 장벽 (BBB) 일시적으로 마이크로 버블 매개 집중 초음파로 중단 될 수 있습니다 (FUS). 여기서는 비초음파 전문가가 액세스할 수 있는 모듈식 FUS 시스템을 사용하여 생체 내 고처리량 BBB 개방을 위한 단계별 프로토콜을 설명합니다.

설치류의 혈액 뇌 장벽 개방을 위한 고처리량 이미지 유도 입체 신경 탐색 및 집중 초음파 시스템

이 프로토콜은 단일 신경 줄기 세포와 뇌 슬라이스의 뉴런으로 미세 주입을위한 로봇 플랫폼의 사용을 보여줍니다. 이 기술은 다재다능하며 높은 공간 해상도로 조직에서 세포를 추적하는 방법을 제공합니다.

로봇 미세 주입을 사용하여 뇌 조각의 단일 신경 줄기 세포 및 뉴런 조작

3D 스테레오 비디오의 인간의 깊이 인식은 카메라 분리, 수렴 지점, 물체의 거리 및 친숙도에 따라 달라집니다. 이 백서는 이상적인 카메라 구성을 결정하기 위해 살아있는 오픈 하트 수술 중 신속하고 신뢰할 수 있는 테스트 데이터 수집을 위한 로봇화된 방법을 제시합니다.

오픈-심장 수술의 스테레오 3D 시각화를 위한 이상적인 구성을 결정하기 위해 카메라 위치의 로봇화 테스트

여기에서 우리는 현재 최대 10개의 분산된 뇌 영역에서 대칭적인 양측 와이어 전극 기록이 가능한 TD Drive라는 독특한 쥐용 3D 프린팅 가능한 임플란트를 소개합니다.

TD Drive: 행동하는 쥐와 잠자는 쥐의 다중 영역 전기생리학적 기록을 위한 파라메트릭 오픈 소스 임플란트

이 프로토콜은 난치성 간질 환자의 침습적 발작 모니터링에 사용되는 뇌내 전극의 정위 이식 방법인 로봇 보조 스테레오 뇌파검사(sEEG)를 제시합니다. sEEG에 대한 정위 로봇 유도를 통합하는 기술은 안전하고 정확하며 특히 더 많은 수의 전극을 이식할 때 수술 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

침습성 간질 모니터링을 위한 로봇 유도 입체뇌파검사(Robotic-Guided Stereoelectroencephalography)

학습하세요 저비용 오픈 소스 로봇 정위 장비를 구축하여 설치류 신경외과의 정밀도와 재현성을 향상시키는 방법을 배우세요. 이 프로토콜은 연구자들이 약 1,000달러로 기존 정위 장비를 로봇 시스템으로 업그레이드할 수 있도록 합니다.

오픈 소스 로봇 정위 장비 구축

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