Artykuł metodologiczny

Budowa zrobotyzowanego instrumentu stereotaktycznego o otwartym kodzie źródłowym

DOI:

10.3791/51006

⸱

29 października 2013

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ten protokół zawiera projekty i oprogramowanie niezbędne do ulepszenia istniejącego instrumentu stereotaktycznego do robotycznego (sterowanego numerycznie; CNC) instrument stereotaktyczny za około 1,000 USD (bez wiertarki).

Streszczenie

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

Ten protokół zawiera projekty i oprogramowanie niezbędne do ulepszenia istniejącego instrumentu stereotaktycznego do zrobotyzowanego (CNC) instrumentu stereotaktycznego za około $1,000 (nie licząc wiertarki), przy użyciu standardowych silników krokowych i oprogramowania sterującego CNC. Każda oś ma płynną regulację prędkości i może być obsługiwana jednocześnie lub niezależnie. Elastyczność robota i otwarty system kodowania (g-code) sprawiają, że jest on w stanie wykonywać niestandardowe zadania, które nie są obsługiwane przez systemy komercyjne. Jego zastosowania obejmują między innymi wiercenie otworów, kraniotomię z ostrymi krawędziami, przerzedzanie czaszki i obniżanie elektrod lub kaniuli. Aby przyspieszyć pisanie g-kodowania dla prostych operacji, opracowaliśmy niestandardowe skrypty, które pozwalają osobom zaprojektować operację bez znajomości programowania. Jednak, aby użytkownicy mogli w pełni wykorzystać zmotoryzowany stereotax, korzystne byłoby posiadanie wiedzy z zakresu programowania matematycznego i G-Coding (proste programowanie do obróbki CNC).

Zalecana prędkość wiercenia jest większa niż 40 000 obr./min. Rozdzielczość silnika krokowego wynosi 1,8 ° / krok, ustawiona na 0,346 ° / krok. Standardowy stereotax ma rozdzielczość 2,88 μm/krok. Maksymalna zalecana prędkość cięcia wynosi 500 μm/sek. Maksymalna zalecana prędkość impulsowania wynosi 3 500 μm/s. Maksymalny zalecany rozmiar wiertła to HP 2.

Wprowadzenie

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

Stereotaktyczna chirurgia gryzoni jest stosowana w szerokiej gamie zastosowań neuronauki, w tym w leczeniu zmian1, jonoforezie2,implantacji mikroprzewodów3, stymulacji4 i obrazowaniu cienkiej czaszki5. Istnieją jednak poważne przeszkody stojące przed tymi, którzy chcą zastosować te techniki, w tym stroma krzywa uczenia się wykonywania dokładnej operacji stereotaktycznej i wysokie prawdopodobieństwo błędu ludzkiego. Błędy ludzkie obejmują błędy w pomiarach i obliczeniach, a także niską dokładność i powtarzalność ruchów człowieka. Starając się zmniejszyć te mylące błędy, chirurdzy stereotaktyczni skorzystaliby z systemu, który zapewnia, że wszystkie zabiegi chirurgiczne są wykonywane identycznie u wszystkich pacjentów. Redukcja błędów jest również jedną z metod, dzięki której badacze mogą zminimalizować wykorzystanie zwierząt badanych, co jest głównym celem National Institutes of Health w przypadkueksperymentów na zwierzętach. W idealnym świecie wszystkie operacje stereotaktyczne byłyby doskonale powtarzalne w eksperymentach i między laboratoriami. Aby rozwiązać ten problem, firmy opracowały nową ultraprecyzyjną stereotaksję i cyfrowe wyświetlacze do odczytu pomiarów. Aby wyeliminować błędy ruchów człowieka, zmotoryzowane mikromanipulatory i stereotaktyka zostały wyprodukowane na rynku, ale ich wysoki koszt może być zaporowy dla laboratorium o ograniczonym budżecie. Ponadto ich oprogramowanie jest w pełni zastrzeżone i nie może być modyfikowane przez badacza w celu dostosowania do nowego rodzaju operacji.

Niedrogim rozwiązaniem problemu błędów ludzkich jest zbudowanie zrobotyzowanego stereotaxa z istniejącego modelu laboratorium, przy użyciu standardowego sprzętu CNC. Ze względu na rozwijającą się społeczność hobbystów CNC, materiały są znacznie tańsze niż sprzęt naukowy. Pozwala to na zbudowanie dokładnego instrumentu stereotaktycznego CNC, który jest również bardzo elastyczny i niedrogi. Dzięki podstawowej wiedzy na temat obróbki CNC i G-Code, osoby mogą zaprogramować dowolną operację stereotaktyczną, jaką sobie wyobrazią, bez ograniczeń zastrzeżonego oprogramowania. W celu przyspieszenia produkcji kodu g dla prostych operacji, protokół ten zawiera oprogramowanie, które pozwala użytkownikowi projektować operacje (kraniotomia z ostrymi krawędziami, cienkie okienka czaszki, wiercenie otworów i obniżanie implantów) w menu typu "wskaż i kliknij". Programy te generują kompletny kod g, który można uruchomić bezpośrednio z oprogramowania CNC.

W sumie, zmotoryzowane ulepszenie stereotaktyczne jest idealne dla tych, którzy są zainteresowani zwiększeniem dokładności i powtarzalności operacji, zachowując jednocześnie elastyczność i niski koszt platformy open source.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Podłącz bipolarne silniki krokowe, wkręcając przewody w złącza dostarczone z płytką sterownika. Kolory przewodów w bipolarnych silnikach krokowych są znormalizowane (rysunek 1).
    Uwaga: Opisywane silniki krokowe mają rozdzielczość 1,8°/krok, ustawioną na 0,346°/krok. Standardowy stereotax ma 3 mm/360° skoku. Ostateczna rozdzielczość to 2,88 μm/krok. Silniki są również zdolne do ułamkowego krokowania.
    1. Podłącz zielony przewód do A+, podłącz przewód do A-, podłącz czerwony przewód do B+ i podłącz niebieski przewód do B-.
  2. Nasuń łączniki na silniki krokowe, uważając, aby wyrównać otwory montażowe i zabezpiecz je za pomocą 12 z gniazdowym M3 (20 mm) (Rysunek 2).
    1. Upewnij się, że złącza są mocno przymocowane do silników.
      Uwaga: Modele 3D nie zawierają gwintów. Części są oznaczone rozmiarem gwintu, ale po wyprodukowaniu należy je nagwintować.
  3. Wykręć dociskowe z uchwytów skrzydełkowych we wszystkich 3 osiach instrumentu stereotaktycznego za pomocą małego klucza imbusowego. Uchwyty na kciuki są gwintowane, więc obróć je w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aby je zdjąć. Utrzymuj podkładki PTFE na miejscu na ramieniu (Rysunek 3).
  4. Przykręć gwintowany koniec kołnierzy do prętów gwintowanych ramion przyrządu stereotaktycznego (Rysunek 3).
    1. Upewnij się, że nie ma szczeliny między kołnierzami a O-ringami z PTFE. Gwarantuje to, że współrzędne są zachowywane, gdy robot zmienia kierunek.
    2. Przymocuj kołnierze do gwintów ramion stereotaktycznych za pomocą 3 dociskowych NF10-32 (1/4 cala).
    3. Nasuń każdy silnik i łącznik na kołnierze i ramiona stereotaktyczne. Upewnij się, że silniki są równo z ramionami, a otwory na ustalające w kołnierzach pokrywają się z płaską częścią wałów silnika (Rysunek 4).
    4. Przymocuj łączniki do zestawu stereotax za pomocą otworów montażowych i 6 dociskowych NF10-32 (1/2 cala) z punktem kubkowym (Rysunek 4).
    5. Przymocuj kołnierze do wałów silnika za pomocą 3 dociskowych NF10-32 (1/4 cala) (Rysunek 4).
  5. Przygotuj płytę sterownika CNC, ustawiając każdy z pinów sterownika na pół kroku.
    Uwaga: Ten sterownik silnika krokowego jest dostarczany jako odsłonięta płytka drukowana. Przypadek może zostać zbudowany, chociaż nie jest to konieczne. Można również zastosować wiele różnych bipolarnych sterowników silników krokowych. Jeśli tak, upewnij się, że instrukcje konfiguracji są postępowane dla konkretnej zakupionej płyty.
    1. Wyrównaj wszystkie 6 pinów na silnik krokowy w ten sam sposób. Półkrok pozwala na podwojenie rozdzielczości kroku w stopniach/krok (ilustracja 5).
    2. Przestaw pin 1 do pozycji włączonej, styk 2 do pozycji wyłączonej, styk 3 do pozycji włączonej, styk 4 do pozycji wyłączonej, pin 5 do pozycji włączonej i pin 6 do pozycji wyłączonej (Rysunek 5).
  6. Podłącz silniki (X - Y - Z) do sterownika silnika krokowego wraz z zasilaczem 12 V. Prawidłowe umieszczenie jest zaznaczone na sterowniku. Sterownik krokowy należy również podłączyć do portu szeregowego komputera za pomocą DB25 (Rysunek 6).
  7. Zainstaluj oprogramowanie do frezowania CNC na komputerze osobistym (będzie ono musiało znajdować się w obszarze chirurgicznym) zgodnie z domyślnymi instrukcjami. Po zainstalowaniu otwórz oprogramowanie, aby rozpocząć konfigurację.
    1. Skonfiguruj oprogramowanie do komunikacji z silnikami krokowymi.
      Uwaga: Poniższa instrukcja jest przeznaczona do użytku wyłącznie ze sterownikiem silnika krokowego TB6560.
    2. Kliknij menu oprogramowania w następujący sposób. Otwórz →config→ porty i sygnały wyjściowe pinów→wyjściowych. Wypełnij monit, aby dopasować go do rysunku 7 i naciśnij Zastosuj.
    3. Kliknij menu oprogramowania w następujący sposób. Open→Config→Porty i piny→sygnały wejściowe. Wypełnij monit, aby dopasować go do rysunku 8 i naciśnij Zastosuj.
    4. Kliknij menu oprogramowania w następujący sposób. Open→Config→Porty i piny→wyjścia silnika. Wypełnij monit, aby dopasować go do rysunku 9 i naciśnij Zastosuj.
    5. Kliknij menu oprogramowania w następujący sposób. Open→Config→Tuning silnika. Wypełnij monit, aby dopasować go do rysunku 10, a następnie kliknij przycisk Zapisz ustawienia osi. Powtórz poprzedni krok dla wszystkich 3 osi, używając tych samych wartości.
  8. Skalibruj stereotax do skali oprogramowania CNC.
    Uwaga: Oprogramowanie jest przeznaczone dla standardowych frezarek, więc jego jednostka miary nie będzie proporcjonalna do skoku instrumentu stereotaktycznego.
    1. Ustaw prędkość silników na 1 cal na minutę i "impulsuj" oś Z instrumentu stereotaktycznego za pomocą PgUp/PgDn z dokładnością do milimetra.
      Uwaga: Maksymalna zalecana prędkość impulsowania wynosi 3 500 μm/s, a maksymalna zalecana prędkość cięcia to 500 μm/s.
    2. Wyzeruj oś Z i przesuń impulsowo instrument stereotaktyczny o 1 mm. Odległość przebyta na osi Z w Mach3 to "stała skalowania". Współrzędne maszyny są określane przez pomnożenie współrzędnych czaszki (mm) przez "stałą skalowania".
    3. Wykonuj losowe testy wszystkich 3 osi, programując je tak, aby pokonywały pewne znane odległości i upewnij się, że ruchy są dokładne. Jeśli skok stereotax jest zbyt duży lub krótki, odpowiednio zmodyfikuj stałą skalowania.
      Uwaga: Po zakończeniu skalowania dołączone niestandardowe skrypty mogą być używane do generowania kodu g dla operacji. Jednak zdecydowanie zaleca się, aby użytkownicy zapoznali się z g-code przed próbą automatycznego generowania operacji. Jest to niezbędne do rozwiązywania problemów i modyfikowania zautomatyzowanych operacji.
  9. Przymocuj wiertarkę z mikrosilnikiem do instrumentu stereotaktycznego za pomocą bardzo dużego uchwytu sondy. Uwaga: Minimalna zalecana prędkość wiertła to 40 000 obr./min.
  10. Automatycznie generuj G-Code dla kraniotomii z ostrymi krawędziami z 3 otworami na czaszki.
    1. Umieść wszystkie niestandardowe skrypty z tabeli oprogramowania w jednym folderze na komputerze.
    2. Otwórz skrypt "SharpEdgeCraniotomy.m" i uruchom kod.
    3. Wybierz oba te elementy, aby wyświetlić monit "Jaki rodzaj operacji będziesz wykonywać?" (Rysunek 11).
    4. Wybierz opcję Niestandardowe, aby zdefiniować narożniki okna czaszki. Wypełnij każdy monit, aby pasował do rysunku 12.
    5. Określ pozycje X i Y narożników kraniotomii. Każda współrzędna musi być wprowadzona w odpowiedniej kolejności, zgodnie z przykładem na rysunku 13.
    6. Wprowadź 3 w monicie, aby utworzyć 3 otwory na czaszkę (Rysunek 14).
    7. Wybierz opcję Definiuj za pomocą współrzędnych i wprowadź współrzędne każdego otworu z szablonu na rysunku 15.
      Uwaga: Jeśli dokładne współrzędne nie są ważne, istnieje możliwość wskazania i kliknięcia pozycji otworów na obrazie czaszki szczura. Pozycje zostaną wygenerowane automatycznie.
    8. Określ parametry wiercenia. W przypadku pierwszej operacji testowej zaakceptuj wartości domyślne.
      Uwaga: Wartości te są zależne od silników krokowych i czaszki zwierzęcia. Każda rasa szczurów i miejsce docelowe ma nieco inną grubość czaszki. W przypadku kilku pierwszych operacji przy użyciu tego urządzenia należy przygotować się na przetestowanie głębokości wiercenia i ręczne usunięcie wszelkich pozostałych fragmentów czaszki. Wartości te mogą być następnie modyfikowane dla przyszłych operacji (ryc. 16).
    9. Nazwij kod g; zostanie on automatycznie wygenerowany i zapisany w katalogu roboczym.
  11. Załaduj kod g do oprogramowania do frezowania CNC, a czaszkę testową do listew usznych instrumentów stereotaktycznych.
    1. Ręcznie przesuń wiertło do Bregmy za pomocą strzałek. Użyj niskiej prędkości impulsowania (~5 cali/m), aby zapewnić dokładność.
    2. Rozpocznij obracanie wiertła z prędkością większą niż 38 000 obr./min.
    3. Naciśnij CycleStart; stereotax wykona wiele przejść tego samego cięcia, na różnych głębokościach. Pomiędzy każdym przejściem stereotax będzie się zatrzymywać, więc chirurg może kontynuować lub przerwać cięcie. Naciśnij przycisk Kontynuuj cykl (Alt-R), aby kontynuować wykonywanie przejść tnących.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Końcowym wynikiem operacji zaprojektowanej w metodach będzie czaszka szczura z kraniotomią o ostrym ostrzu krawędzi i 3 otworami na czaszkę (Rysunek 17). Należy zauważyć, że czaszka użyta do zademonstrowania operacji była znacznie szersza niż prototypowa czaszka szczura. Kraniotomia z ostrymi krawędziami może być wykorzystana do wprowadzenia matrycy mikroprzewodów do mózgu, w celu uzyskania nagrań neuronowych o dużej gęstości. Stereotax CNC może być również używany do obniżania matrycy z dużą precyzją. D...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Zastosowanie zautomatyzowanego sprzętu chirurgicznego pomaga wyeliminować niektóre z najczęstszych problemów w badaniach neurobiologicznych. Po pierwsze, ścieżki narzędzi są w 100% powtarzalne. Gwarantujemy, że każde cięcie będzie odbywać się w tym samym miejscu względem Bregmy. Po drugie, powinno to zmniejszyć błąd eksperymentatora. Chociaż wielu badaczy to wysoko wykwalifikowani chirurdzy, potrzeba wyjątkowej praktyki, aby stać się nawet kompetentnym chirurgiem. To urządzenie pozwoli nowym studentom szybko i łatwo wyko...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych do ujawnienia.

Podziękowania

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

To badanie było wspierane przez National Institute on Drug Abuse Grants DA 006886, oraz DA 032270.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
1x Standard U Frame StereotaxKopfKopfTen protokół powinien działać z większością istniejących urządzeń stereotaktycznych.
3x 12 V, 1,6 A, 233 uncje cala Bipolarny silnik krokowy z przekładniąPhidgetsRobot ShopKażdy silnik krokowy z przekładnią o wysokim momencie obrotowym powinien wystarczyć. 
1x 3-osiowy sterownik sterownika silnika krokowego CNCToshibaEbayKażdy 3-osiowy sterownik CNC powinien wystarczyć. Powiązany element zawiera oprogramowanie CNC Mach3. 
2x Łączniki ramienia: przyśrodkowo-boczne (ML) i grzbietowo-brzuszne (DV)zamówienie obrabianeRysunki częściMuszą być obrabiane przez lokalny warsztat mechaniczny. (koszty będą się różnić)
1x łącznik przednio-tylny (AP)na zamówienie obrabianyRysunki częściTe muszą być obrabiane przez lokalny warsztat mechaniczny. (koszty będą się różnić)
3x Silnik do kołnierza stereotaxna zamówienie obrabianyRysunki częściTe muszą być obrabiane przez lokalny warsztat mechaniczny. (koszty będą się różnić)
Zobacz w przeglądarce
12x NF10-32 dociskowe z końcówką kubkowąMcMaster Carr½ ” DługośćBędziesz potrzebował 6 sztuk każdego z nich.
¼ ” Długość
12x z gniazdowym M3 (20 mm)McMaster Carr20mm DługośćBędziesz potrzebować 4 dla każdego silnika
1x Wiertarka mikrosilnikowa Buffalo DentalX50Każda wiertarka mikrosilnikowa będzie działać.  Zalecane co najmniej 38 000 obr./min
Zasilacz 1x 12 V DC Adaptery12 V12v DC – 7 AmpKażdy zasilacz 12 V DC powinien działać (upewnij się, że natężenie prądu jest wyższe niż suma natężenia prądu silników).
1x Bardzo Duży Uchwyt SondyStoeltingStoelting
1x Grade B Czaszki SzczuraNieograniczoneSkulls Unlimited
Mach 3 MillArtSoft USAa href="http://www.machsupport.com/ccount/click.php?id=1">Trial DownloadKażde standardowe oprogramowanie sterujące CNC powinno działać.
Projektant chirurgiiKevin Coffey David BarkerMATLAB File ExchangeTe kody są dostępne do modyfikacji. Nie ponosimy odpowiedzialności za użycie lub modyfikację kodu.
na <

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Modernizacja stereotaktyczna CNCneurochirurgia open sourcesterowanie silnikami krokowymigenerowanie kodu Gkalibracja stereotaktycznaautomatyzacja kraniotomiineurochirurgia gryzonizmotoryzowany aparat stereotaktycznyoprogramowanie do frezowania CNC

Powiązane artykuły