Методическая статья

Строительство с открытым исходным кодом Robotic стереотаксического прибора

DOI:

10.3791/51006

⸱

29 октября 2013 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Этот протокол включает в себя дизайн и программное обеспечение, необходимое для обновления существующего стереотаксической инструмент для роботизированной (числовым программным управлением; CNC) стереотаксической инструмент для около $ 1000 (без учета сверла).

Аннотация

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

Этот протокол включает в себя дизайн и программное обеспечение, необходимые для обновления существующего стереотаксической инструмент для роботизированной (ЧПУ) стереотаксической инструмента для около $ 1000 (без учета сверла), при помощи стандартных шаговых двигателей и контрольный программное обеспечение ЧПУ. Каждая ось имеет регулируемой скоростью и может эксплуатироваться одновременно или независимо. Гибкость робота и открытая система кодирования (г-код) сделать его способен выполнять пользовательские задачи, которые не поддерживаются коммерческими системами. Ее приложения включают, но не ограничиваются, сверление отверстий, острый край краниотомии, череп истончение и снижения электродов или канюли. В целях ускорения написания г-кодирования для простых операций, мы разработали пользовательские сценарии, которые позволяют людям проектировать операцию без знания программирования. Однако для пользователей, чтобы получить максимальную отдачу от моторизованной stereotax, было бы полезно, чтобы быть осведомленным в математическом программировании и G-кодирования (простой прогтаран для обработки с ЧПУ).

Рекомендуемая скорость дрель превышает 40000 оборотов в минуту. В резолюции двигателя шаговый составляет 1,8 ° / шаг, направлены на 0,346 ° / Step. Стандартный stereotax имеет разрешение 2,88 мкм / шаг. Максимальная рекомендуемая скорость резания 500 мкм / сек. Максимальная рекомендуемая скорость бега составляет 3500 мкм / сек. Максимальная рекомендуемая немного размер сверла является HP 2.

Введение

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

Стереотаксической хирургии грызунов используют в самых разнообразных неврологии приложений, в том числе lesioning 1, 2, ионофореза микропровода имплантации 3, 4, стимуляции и тонкого черепа изображений 5. Тем не менее, существуют серьезные препятствия, стоящие тех, кто желает применять эти методы, в том числе крутой кривой обучения для выполнения точной стереотаксической хирургии и высокой вероятности человеческих ошибок. Человеческие ошибки включают в себя измерение и неудачи расчета, а также низкую точность и воспроизводимость человека движений. В целях сокращения этих вмешивающихся ошибки, Стереотаксические хирурги извлекли бы выгоду из системы, которая гарантирует, что все хирургические процедуры выполняются тождественно по субъектам. Сокращение числа ошибок также один метод, с помощью которого следователи могут свести к минимуму использование предметов животных, первичную цель Национальных Институтов Здоровья для экспериментов на животных 6. В идеальном мире, все сtereotactic операции был бы совершенно воспроизведены в экспериментах, и между лабораториями. Для решения этой проблемы, компании разработали новые сверхточных stereotaxics и цифровых дисплеев для чтения измерений. Для удаления ошибок движения человека, моторизованные микро манипуляторы и stereotaxics были произведены коммерчески, но их высокая стоимость может быть непомерно высокой в ​​лабораторию с ограниченным бюджетом. Кроме того, их программное обеспечение полностью собственностью, и не могут быть изменены исследователем, чтобы разместить новый тип операции.

Доступным решением проблемы человеческий фактор является создание робота stereotax от существующей модели лаборатории, используя промышленный стандарт оборудование с ЧПУ. Из-за растущего ЧПУ любительском сообщества, материалы значительно дешевле, чем научного оборудования. Это позволяет построить точную ЧПУ стереотаксического прибора, который также очень гибкий и недорогой. С базовыми знаниями с ЧПУ и G-Code, индивидулов может запрограммировать любой стереотаксической хирургии, что они себе представить, без ограничений проприетарного программного обеспечения. И для того, чтобы ускорить производство г-кода для простых операций, этот протокол включает в себя программное обеспечение, которое позволяет пользователю проектировать операции (острый край трепанация черепа, тонкий череп оконные, сверление и имплантатов снижения) в точке и нажмите меню. Эти программы вывода завершена г-код, который может быть запущена непосредственно с программным обеспечением ЧПУ.

В целом, моторизованный стереотаксическая обновление идеально подходит для тех, кто заинтересован в повышении точности и воспроизводимости операций, сохраняя при этом гибкость и низкую стоимость платформы с открытым кодом в.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Провод биполярных шаговых двигателей при помощи винтов провода в разъемы, поставляемые с платой драйвера. Цвет проводов на биполярных шаговых двигателей стандартизированы (рис. 1).
    Примечание: Описанные шаговые двигатели имеют разрешение 1,8 ° / шаг в увязке с 0,346 ° / шаг. Стандартный stereotax имеет 3 mm/360 ° путешествия. Окончательное разрешение составляет 2,88 мкм / шаг. Двигатели также способны фракционной степпинга.
    1. Подключите зеленый провод к А +, подключите черный провод к-, подключите красный провод к B + и подключите синий провод с B-.
  2. Вставьте соединители за шаговых двигателей, стараясь выровнять монтажные отверстия и закрепите их с помощью 12x M3 винта с головкой (20 мм) (рис. 2).
    1. Убедитесь, что соединители прочно прикреплены к двигателям.
      Примечание: 3D модели не включают темы. Части помечены размера резьбы, но они должны быть использованы после того как ониизготовлены.
  3. Снимите установочные винты из захваты для пальцев на всех 3 осей стереотаксической инструмента с использованием небольшой шестигранный ключ. В захваты для пальцев с резьбой, так повернуть их против часовой стрелки для удаления. Держите ПТФЭ шайбы на свои места на руке (рис. 3).
  4. Винт резьбовой конец воротников на резьбовых стержней оружия стереотаксической инструмента (рис. 3).
    1. Убедитесь, что нет зазора между воротниками и ПТФЭ уплотнительные кольца. Это гарантирует, что координаты сохраняются, когда робот меняет направления.
    2. Закрепите хомуты на резьбу стереотаксической оружия с использованием 3x NF10-32 (1/4 дюйма) чашка точка установочные винты.
    3. Слайд каждый двигатель и муфту над воротниками и стереотаксической оружия. Убедитесь, что двигатели сидеть на одном уровне с гербом, и набор отверстия для винтов на воротниках линии с плоской части вал двигателя (рис. 4).
    4. Закрепите сотрудничестваuplers к stereotax используя крепежные отверстия и 6х NF10-32 (1/2 дюйма) Кубок точка установочные винты (рис. 4).
    5. Закрепите хомуты для вал двигателя с помощью 3x NF10-32 (1/4 дюйма) установочные винты (рис. 4).
  5. Подготовьте драйвера доска с ЧПУ, установив каждого из штифтов контроллера до половины степпинга.
    Примечание: Этот драйвер шагового двигателя приходит как открытой печатной плате. Дело может быть построен, хотя это не является необходимым. Кроме того, могут быть использованы несколько различных биполярных драйверов шагового двигателя. Если это так, убедитесь, что инструкции по установке следуют за конкретной платы приобрели.
    1. Выравнивание все 6 флажки на шаговым двигателем таким же образом. Half-степпинг позволяет за двухместный резолюции шагом в градусах / шаг (рис. 5).
    2. Флип контакт 1 к на положении, контакт 2 выключенном положении, контакт 3 к на положеТион, контакт 4 в положение выкл, контакт 5 к на должность и контактный 6 в положение выключения (рис. 5).
  6. Подключите моторы (х - у - Я) в драйвер шагового двигателя, вместе с блоком питания 12 В. Правильная постановка отмечена на водителя. Кроме того, приложите драйвер шагового к последовательному порту компьютера с помощью DB25cable (рис. 6).
  7. Установите фрезерный программное обеспечение ЧПУ на персональный компьютер (это необходимо будет расположен в хирургической области) следующим инструкциям по умолчанию. После установки, откройте программу, чтобы начать конфигурацию.
    1. Настройка программного обеспечения для связи с шаговых двигателей.
      Примечание: Следующие инструкции предназначены для использования только с водителем TB6560 шагового двигателя.
    2. Нажмите по меню в программном обеспечении следующим образом. Открытые → Config → Порты и Пен→ Выходные сигналы. Заполните приглашение, чтобы соответствовать Рисунок 7 и нажмите применить.
    3. Нажмите по меню в программном обеспечении следующим образом. Открыть → Config → Порты и штыри → Входные сигналы. Заполните приглашение, чтобы соответствовать Рисунок 8 и нажмите применить.
    4. Нажмите по меню в программном обеспечении следующим образом. Откройте → Config → Порты и булавки → Автосалоны выходов. Заполните приглашение, чтобы соответствовать Рисунок 9 и нажмите применить.
    5. Нажмите по меню в программном обеспечении следующим образом. Открыть → настройки конфигурации → двигателя. Заполните строке, чтобы соответствовать Рисунок 10 и нажмите Save Settings оси. Повторите предыдущий шаг для всех 3 осей, используя те же значения.
  8. Калибровка stereotax с масштабом программного обеспечения ЧПУ.
    Примечание: Программа предназначена для стандартных фрезерных станков, так что его Единица измерения не будет пропорциональна поездок стереотаксической инструмента.
    1. Установить скорость двигателей "до 1 дюйма в минуту, и" пробежку "по оси Z. стереотаксической инструмента с PgUp / PgDn с точностью до миллиметра.
      Примечание: Максимальная рекомендуемая скорость бега составляет 3500 мкм / сек и максимальная рекомендуемая скорость резания 500 мкм / сек.
    2. Нулевой Z-оси, и Jog стереотаксическая инструмент 1 мм. Расстояние, пройденное на Z-оси в Mach3 является "Масштабирование Константа". Координаты станка определяются путем умножения координаты черепа (мм) на "Масштабирование Константа".
    3. Выполните случайных испытаний всех 3 осей, запрограммировав их путешествовать некоторые известные расстояния, а также обеспечить движения точны. Если stereotax путешествия находится слишком далеко или короткие, изменить константу масштабирования соответственно.
      Примечание: После того, как масштабирование завершена, включенные пользовательские скрипты могут быть использованы для создания G-кода для операций. Тем не менее, настоятельно рекомендуется, чтобы пользователи ознакомятся с г-кода перед тем, как автоматически создаватьоперации. Это необходимо для устранения неполадок и изменение автоматизированные операции.
  9. Прикрепите микро-мотор сверла для стереотаксической инструмента с использованием очень большой держателя зонда. Примечание: Минимальная рекомендуемая скорость сверло 40000 оборотов в минуту.
  10. Автоматическое создание G-код для резкого края трепанации черепа с 3 черепа отверстия для винтов.
    1. Поместите все пользовательские скрипты из таблицы программного обеспечения в одной папке на ПК.
    2. Откройте скрипт "SharpEdgeCraniotomy.m" и запустить код.
    3. Выберите Оба в строке "Какой тип хирургии вы будете выступать?" (Рис. 11).
    4. Выберите Custom, чтобы определить углы окна черепа. Заполните каждом таком запросе, чтобы соответствовать Рисунок 12.
    5. Определите X и Y позиции трепанации черепа углах. Каждая координата должны быть введены в правильном порядке, в соответствии пример на рисунке 13 .
    6. Введите 3 в приглашении для производства 3 отверстия черепа (рис. 14).
    7. Выберите Определить Использование Координаты и ввести координаты каждого отверстия из шаблона в рисунке 15.
      Примечание: Если точные координаты не важно, есть опция, чтобы кликать позиции отверстия "на образе крысы черепа. Позиции будут автоматически.
    8. Определите параметры бурения. Для первого испытания хирургии, принять значения по умолчанию.
      Примечание: Эти значения зависят от шаговых двигателей, и череп животного. Каждый крысы породы и целевое местоположение имеет несколько иной толщины черепа. Для первых нескольких операций с использованием этого устройства, будь готов испытать глубины бурения и удаления оставшихся черепа куски вручную. Значения могут быть модифицированы для будущих операций (рис. 16).
    9. Назовите г-код, он будет автоматически и савед в рабочую директорию.
  11. Загрузите г-код в мукомольной программного обеспечения ЧПУ и тестовый череп в стереотаксической инструментов уха баров.
    1. Вручную бегать сверло для брегмы помощью клавиш со стрелками. Используйте малую скорость поворотный (~ 5 дюймов / м) для обеспечения точности.
    2. Начать сверло вращающийся под углом более 38 000 оборотов в минуту.
    3. Пресс CycleStart; stereotax будет многократные прогоны одного и того же разреза, на разных глубинах. Между каждом проходе, stereotax будет пауза, так хирург может продолжить или прервать резки. Нажмите Продолжить цикл (Alt-R), чтобы продолжить проходов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Конечным результатом операции разработан в методах будет крыса череп с острым краем трепанации черепа, и 3 черепа отверстия (рис. 17). Обратите внимание, что череп используется для демонстрации операцию был гораздо шире, чем прототип крысы черепа. Острый край трепанация черепа могут быть использованы для вставки микропроволоки массив в мозг, для высокой плотности нейронных записей. Stereotax ЧПУ также могут быть использованы, чтобы снизить массив с большой точностью. Программное обеспечение входит в это...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Использование автоматизированной хирургии оборудования помогает устранить некоторые из наиболее распространенных проблем в исследовании нейронауки. Во-первых, траектории инструмента на 100% воспроизводимые. Каждое сокращение гарантированно будет в том же месте по отношению к брегмы. Во-вторых, он должен уменьшить ошибку экспериментатора. Хотя многие исследователи высококвалифицированные хирурги, она занимает исключительное количество практики, чтобы стать еще компетентный хирург. Это устройство позволит новые студенты, ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют конкурирующие финансовые интересы раскрывать.

Благодарности

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

Работа выполнена при поддержке Национального института по злоупотреблению наркотиками грантов DA 006886 и DA 032270.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
1x Standard U Frame StereotaxKopfKopfЭтот протокол должен работать с большинством существующих стереотаксических устройств.
3x 12 В, 1,6 А, 233 унции-дюйма Зубчатый биполярный шаговый двигательPhidgetsRobot ShopПодойдет любой шаговый двигатель с высоким крутящим моментом. 
1x 3-осевой драйвер шагового двигателя с ЧПУ Контроллер платыToshibaEbayЛюбой 3-осевой драйвер ЧПУ должен подойти. Связанный элемент включает программное обеспечение Mach3 для ЧПУ. 
2x Муфты с рычагами: медиально-латеральные (ML) и дорсально-вентральные (DV)изготовленные на заказЧертежи деталейОни должны быть обработаны в вашем местном механическом цехе. (стоимость может варьироваться)
1x передне-задний (AP) Муфтаизготовлен на заказ<a href="http://eden.rutgers.edu/~mrcoffey/images/3D%20Models%20-%20CNC%20Stereotax%20Parts.zip">Чертежи деталейОни должны быть обработаны в вашей местной механической мастерской. (стоимость может варьироваться)
3x Motor to Stereotax Collarна заказ обработанныйЧертежи деталейОни должны быть обработаны в вашей местной механической мастерской. (стоимость может варьироваться)
Просмотр в браузере
12x NF10-32 Cup Point Set ScrewsMcMaster Carr½ ” LengthВам понадобится по 6 штук каждого.
¼ ” Длина
12x винты с торцевой головкой M3 (20 мм)McMaster Carr20мм ДлинаВам понадобится 4 для каждого мотора
1x Micro-Motor Drill Buffalo DentalX50Подойдет любая микромоторная дрель." Рекомендуется не менее 38 000 об/мин
1x 12 В постоянного тока12 В адаптеры 12 В12 В постоянного тока – 7 AmpЛюбой блок питания 12 В постоянного тока должен работать (убедитесь, что номинальная сила тока выше, чем сумма силы тока двигателей).
1x Сверхбольшой держатель щупаStoeltingStoelting
1x Черепа крысы класса BНеограниченноSkulls Unlimited
mach 3 MillArtSoft СШАПробная версияЛюбое стандартное программное обеспечение для управления ЧПУ должно работать.
Дизайнер хирургииКевин Коффи Дэвид БаркерMATLAB File ExchangeЭти коды доступны для изменения. Мы не несем ответственности за использование или изменение вами кода.

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

G

Похожие статьи