Opbygning af et open source Robotic stereotaktisk Instrument

Summary

Denne protokol omfatter design og nødvendige software til at opgradere en eksisterende stereotaktisk instrument til en robot (computer numerisk styret CNC) stereotaktisk instrument for omkring $ 1.000 (ekskl. en boremaskine).

Abstract

Denne protokol omfatter design og software, der er nødvendige for at opgradere en eksisterende stereotaktisk instrument til en robot (CNC) stereotaktisk instrument for omkring $ 1.000 (ekskl. en boremaskine), ved hjælp af branchens standard stepmotorer og CNC kontrollerende software. Hver akse har variabel hastighedskontrol og kan betjenes samtidigt eller uafhængigt. Robotten fleksibilitet og åbent kodesystem (g-kode) gør det i stand til at udføre brugerdefinerede opgaver, der ikke understøttes af kommercielle systemer. Dens applikationer omfatter, men er ikke begrænset til, bore huller, skarpe kant craniotomies, kranium udtynding og sænke elektroder eller kanyle. For at fremskynde skrivning af g-koder for simple operationer, har vi udviklet brugerdefinerede scripts, der tillader den enkelte at designe en operation uden kendskab til programmering. Men for brugerne at få mest muligt ud af den motoriserede stereotax, ville det være en fordel at have kendskab til matematisk programmering og G-Coding (simpel programming til CNC bearbejdning).

Den anbefalede borehastighed er større end 40.000 rpm. Stepmotoren opløsning er 1,8 ° / Step, gearet til 0,346 ° / Step. En standard stereotax har en opløsning på 2,88 mM / trin. Den anbefalede maksimale skærehastighed er 500 um / sek. Den maksimale anbefalede jogginghastighed er 3.500 mM / sek. Den anbefalede maksimale boret størrelse er HK 2.

Introduction

Stereotaktisk gnaver kirurgi anvendes i en bred vifte af neuroscience applikationer, herunder lesioning ¹ iontoforese ² Microwire implantation ³ stimulation ⁴ og tynde kranium billeddannelse ^5. Men der er store forhindringer står dem, der ønsker at anvende disse teknikker, herunder den stejle indlæringskurve for at udføre præcis stereotaktisk kirurgi og den høje sandsynlighed for menneskelige fejl. Menneskelige fejl omfatter måling og regnefejl, samt den lave nøjagtighed og gentagelse af de menneskelige bevægelser. I et forsøg på at reducere disse forstyrrende fejl, ville stereotaktisk kirurger drage fordel af et system, der sikrer, at alle kirurgiske procedurer udføres identisk på tværs af fag. Reduktionen af fejl er også en metode, som efterforskerne kan minimere brugen af forsøgsdyr, et primært mål for National Institutes of Health for dyreforsøg ^6. I en ideel verden, alle stereotactic indgreb ville være helt reproducerbare indenfor eksperimenter og mellem laboratorier. For at løse dette problem, har virksomhederne udviklet nye ultrapræcise stereotaxics og digitale displays til læsning målinger. For at fjerne menneskelig bevægelse fejl blev motoriserede mikro manipulatorer og stereotaxics produceres kommercielt, men deres høje omkostninger kan være uoverkommelige til et laboratorium med et begrænset budget. Også deres software er fuldt proprietære, og kan ikke ændres af forskeren til at rumme en ny type operation.

En overkommelig løsning for den menneskelige fejl problem er at bygge en robot stereotax fra et laboratorium eksisterende model med branchens standard CNC-udstyr. På grund af en spirende CNC hobbyist samfund, er de materialer, betydeligt billigere end videnskabeligt udstyr. Dette gør det muligt at bygge et nøjagtigt CNC stereotaktisk instrument, som også er meget fleksibel og billig. Med et grundlæggende kendskab til CNC-bearbejdning og G-kode, individueltals kan programmere noget stereotaktisk kirurgi, som de forestiller sig, uden de begrænsninger af proprietær software. Og, for at fremskynde produktionen af ​​g-kode for simple indgreb, denne protokol indeholder software, der giver brugeren mulighed for at designe operationer (skarp kant kraniotomi, tynde kranium vinduesbaserede, hulboringsprocesser & implantat sænkning) inden peg og klik menuer. Disse programmer output et færdigt g-kode, som kan køres direkte fra CNC-software.

I alt en motoriseret stereotaktisk opgradering er ideel for dem, der har en interesse i at øge nøjagtigheden og replikabilitet af operationer, og samtidig bevare den fleksibilitet og lave omkostninger ved en open source-platform.

Protocol

1. Tilslut bipolære stepmotorer ved at skrue ledningerne i stikkene, der følger med driveren bord. Wire farver på bipolar stepper motorer er standardiseret (Figur 1).
   Bemærk: De beskrevne stepper motorer har en opløsning på 1,8 ° / trin, gearet til 0,346 ° / trin. En standard stereotax har 3 mm/360 ° af rejser. Den endelige opløsning er 2,88 mM / trin. Motorerne er også i stand til fraktioneret stepping.
   1. Tilslut den grønne ledning til A +, tilslut den sorte ledning til A-, rød ledning til B + og tilslutte den blå ledning til B-.
2. Skub koblingerne over stepmotorer, være omhyggelig med at tilpasse monteringshullerne, og fastgør dem med 12x M3 unbrakoskruer (20 mm) (figur 2).
   1. Sørg for, at koblingerne er fast knyttet til motorerne.
      Bemærk: 3D-modeller inkluderer ikke tråde. Delene er mærket med gevind størrelse, men de skal udnyttes, når de erfremstillet.
3. Fjern stilleskruerne fra tommelfingergreb på alle 3 akser stereotaktisk instrument ved hjælp af en lille unbrakonøgle. De tommelfingergreb er gevind, så slå dem mod uret for fjernelse. Hold skiverne PTFE på plads på armen (Figur 3).
4. Skru den gevindskårne ende af kraverne på de gevindskårne stænger stereotaktisk instrument arme (figur 3).
   1. Sørg for at der ikke er noget mellemrum mellem de kraver og PTFE O-ringe. Dette garanterer, at koordinater opretholdes, når robotten skifter retninger.
   2. Fastgør kraver på gevindet af stereotaktisk arme ved hjælp 3x NF10-32 (1/4 tomme) krater stilleskruer.
   3. Skub hver motor og kobling over kraver og stereotaksiske arme. Sørg for, at motorerne sidder flugter med armene, og de ​​indstillede skruehuller på kraverne linje med den flade del af motorakslerne (Figur 4).
   4. Fastgør couplers til stereotax hjælp af monteringshullerne og 6x NF10-32 (1/2 tommer) krater sætskruer (Figur 4).
   5. Fastgør kraver til motorakslerne hjælp 3x NF10-32 (1/4 tomme) sætskruer (Figur 4).
5. Forbered CNC-driveren bord ved at sætte hver af controller stifter til halv stepping.
   Bemærk: Denne stepmotor driver kommer som en udsat printkortet. Et tilfælde kan bygges, selv om det ikke er nødvendigt. Desuden kan en række forskellige bipolære stepmotor drivere anvendes. Hvis ja, sikre, at de setup instruktionerne følges for den specifikke bestyrelse købt.
   1. Juster alle 6 ben pr stepmotor på samme måde. Halv-stepping giver mulighed for dobbelt så stepopløsning i grader / trin (figur 5).
   2. Flip pin 1 til positionen, ben 2 til slukket position, ben 3 til på positivtion, ben 4 til off-position, ben 5 til positionen, og pin 6 til slukket position (figur 5).
6. Sæt motorerne (X - Y - Z) ind i stepmotor driver, sammen med 12 V strømforsyning. Den korrekte placering er markeret på føreren. Også vedhæfte stepper driver til en computers seriel port ved hjælp af et DB25cable (figur 6).
7. Installer CNC fræsning software på en personlig computer (dette bliver nødt til at være placeret i et kirurgisk område) efter standardindstillingerne instruktioner. Når det er installeret, skal du åbne software til at begynde konfiguration.
   1. Konfigurere softwaren til at kommunikere med stepmotorer.
      Bemærk: De følgende instruktioner er kun beregnet til brug med TB6560 stepmotor driver.
   2. Klik gennem software menuer som følger. Åbne → Config → Porte og Pins→ udgangssignaler. Fyld i prompt at matche Figur 7 og ramte anvendelse.
   3. Klik gennem software menuer som følger. Åbent → Config → Porte og Pins → indgangssignaler. Fyld i prompt at matche Figur 8 og ramte anvendelse.
   4. Klik gennem software menuer som følger. Åbn → Config → Porte og Pins → motorudgange. Fyld i prompt at matche Figur 9 og ramte anvendelse.
   5. Klik gennem software menuer som følger. Åbent → Config → Motor tuning. Fyld i prompt at matche Figur 10 og klik på Gem Axis indstillinger. Gentag det forrige trin for alle 3 akser ved hjælp af de samme værdier.
8. Kalibrer stereotax til omfanget af CNC-softwaren.
   Bemærk: Softwaren er designet til standard fræsemaskiner, så dens måleenhed ikke vil være proportional med den rejse af en stereotaktisk instrument.
   1. Indstil motorernes hastighed til 1 cm per minut, og "jog" stereotaktisk instruments Z-aksen med PgUp / PgDn til nærmeste mm.
      Bemærk: Den maksimale anbefalede jogginghastighed er 3.500 um / sek og den maksimale anbefalede skærehastighed er 500 um / sek.
   2. Nul Z-aksen, og Jog stereotaktisk instrument 1 mm. Den tilbagelagte afstand på Z-aksen i Mach3 er "Skalering Constant". Machine koordinater bestemmes ved at multiplicere kraniet koordinater (mm) ved "Skalering konstant".
   3. Udføre tilfældige test af alle 3 akser ved at programmere dem til at rejse nogle kendte afstande, og sikre bevægelser er korrekte. Hvis stereotax rejse er for langt eller kort, ændre skaleringen konstant i overensstemmelse hermed.
      Bemærk: Når skalering er færdig, kan de medfølgende brugerdefinerede scripts bruges til at generere g-kode til operationer. Men er det stærkt anbefales, at brugerne bliver fortrolige med g-koden, før du forsøger at auto-generereoperationer. Det er bydende nødvendigt for fejlfinding og ændre automatiserede operationer.
9. Fastgør mikro-motor boret til stereotaktisk instrument ved hjælp af den ekstra store sonde indehaver. Bemærk: Det anbefalede mindste boret hastighed er 40.000 rpm.
10. Auto-generere G-koden for en skarp kant kraniotomi med 3 kranium skruehuller.
    1. Placer alle de brugerdefinerede scripts fra software-bordet i en enkelt mappe på en pc.
    2. Åbn scriptet "SharpEdgeCraniotomy.m" og køre koden.
    3. Vælg Både til prompten "Hvilken type kirurgi Vil du være Performing?" (Figur 11).
    4. Vælg Brugerdefineret, for at definere hjørnerne af kraniet vindue. Udfyld hver prompt at matche Figur 12..
    5. Definer X-og Y-positioner for kraniotomi hjørner. Hvert koordinat skal indtastes i korrekt rækkefølge, ifølge eksemplet i figur 13
    6. Indtast 3 i prompt til at producere 3 kraniet huller (figur 14).
    7. Vælg Definer vha. koordinater, og indtaste koordinaterne for hvert hul fra skabelonen i Figur 15.
       Bemærk: Hvis præcise koordinater ikke er vigtige, er der en mulighed for at pege og klikke hullerne holdninger på et billede af en rotte kranium. Positioner vil automatisk blive genereret.
    8. Definer boreparametrene. For første test kirurgi, acceptere standardværdierne.
       Bemærk: Disse værdier er afhængige af stepmotorer, og dyrets kranium. Hver rotte race og målområde har en lidt anderledes kranium tykkelse. For de første par operationer ved hjælp af denne anordning, være parat til at teste boredybder og fjerne eventuelle resterende kraniet stykker manuelt. Værdierne kan derefter modificeres for fremtidige indgreb (fig. 16).
    9. Navngiv g-kode, og det vil automatisk blive genereret og saaba til arbejdsgruppen bibliotek.
11. Load g-kode i CNC fræsning software og en test kranium i stereotaktisk instrumenter øre barer.
    1. Manuelt jog boret til Bregma ved hjælp af piletasterne. Brug en langsom jog hastighed (~ 5 tommer / m) for at sikre nøjagtighed.
    2. Start borehovedet roterer med mere end 38.000 rpm.
    3. Tryk CycleStart, den stereotax vil udføre mange gennemløb af samme snit, i forskellige dybder. Mellem hver pass, vil stereotax pause, så kirurgen kan fortsætte eller afbryde skæring. Tryk på Fortsæt Cycle (Alt-R) for at fortsætte med at nedbringe passerer.

Representative Results

Det endelige resultat af kirurgi designet i fremgangsmåder vil være en rotte kranium med en skarp kant kraniotomi og 3 kraniet huller (fig. 17). Bemærk, at kraniet bruges til at demonstrere operationen var meget bredere end den prototypiske rotte kraniet. Den skarpe kant kraniotomi kan anvendes til at indsætte en Microwire array i hjernen, for high density neurale optagelser. CNC stereotax kan også anvendes til at sænke array med stor præcision. Softwaren er inkluderet i denne protokol, der gør det muligt for kirurgen at definere parametrene for en Microwire eller kanyle sænkning. Skarp kant craniotomies kan også anvendes til at afdække store dele af motoriske cortex for sensorimotor kortlægninger.

Kraniet Hullerne kan bruges til at indsætte kraniet skruer (fig. 18). Disse kan bruges som holdepunkter for dentalcement ved påsætning et hoved fase til dyret. Hullerne kan også anvendes til at indsætte enkelte elektroder ind i hjernen. Disse elektroder kan anvendes til bedøvede eller kroniske optagelser. Men når du bruger stereotax for bedøvede optagelse, sikre strømmen til motorerne er slukket, før indsamle data. De motorer elektriske egenskaber kan fremkalde støj i optagelsen.

CNC stereotax kan også producere tynde kraniet vinduer med stor nøjagtighed (figur 19). Disse vinduer kan anvendes til in vivo-optisk billeddannelse i bedøvede dyr. Ensartetheden af ​​den tynde kraniet giver mulighed for endnu lysgennemtrængning, som er nødvendig for sammenlignende eller kvantitativ analyse af optisk billeddata.

Figur 1. Eldiagram for stepmotor stik.

"Src =" / files/ftp_upload/51006/51006fig2.jpg "/>
Figur 2. Montering diagram til fastgørelse koblingerne til stepmotorer.

Figur 3. Montageskitse til fastgørelse af kraver at stereotaktisk arm.

Figur 4.. Montering diagram til fastgørelse af motorer / koblingerne til kraver / stereotaktisk arm.

Figur 5. Switch skema for indstilling af stepmotor driver til halve trin.

Figur 6. Eldiagram for stepmotor driver.

Figur 7. Konfiguration diagram for udgangssignaler i CNC-software.

Figur 8. Konfiguration diagram for indgangssignaler i CNC-software.

Figur 9. Configuration Diagram til motorudgange i CNC-software.

Figur 10. Konfiguration diagram til motor tuning i CNC-software.

Figur 11. Spørg om valg af kirurgi type i "kirurgi designe" software (sharpedgecraniotomies.m).

Figur 12. Spørg om valg af sædvane eller forudindstillet målkoordinaterne i "kirurgi designe" software.

Figur 13. Spørg efter entering vindue koordinater (4 hjørner) i "kirurgi designe" software.

Figur 14. Spørg om valg af antallet af kraniet huller i "kirurgi designe" software.

Figur 15. Beder om at vælge den metode til at placere kraniet huller, og for at komme ind hullet koordinater i "kirurgi designe" software.

Figur 16. Spørg om fastlæggelse af boreparametrene i "kirurgi designe" software.

Figur 17. Et kranium viser det endelige resultat af at køre tidligere designet kirurgi.

Figur 18. Et kranium viser kraniet skruer indsat i et hul produceret under eksempel kirurgi. Den borehoveder størrelse vil bestemme hullets diameter og som følge heraf skruen størrelse.

Figur 19. Viser kraniet fra eksempel kirurgi, containinga tynde kranium vindue, angivet med pile. Bemærk, at i det højre panel (dødningehoved oplyst indefra)lys synes at trænge ind i tynde kraniet vindue ensartet. Bemærk også, at vinduet ikke behøver at være firkantet eller indeholder 90 ° hjørner.

Discussion

Anvendelse af automatiserede kirurgi udstyr hjælper med at fjerne nogle af de mest almindelige problemer i neurovidenskab forskning. Først værktøjsbanerne er 100% reproducerbare. Hvert snit er garanteret at være i samme placering i forhold til Bregma. For det andet bør det reducere eksperimentator fejl. Selv om mange forskere er dygtige kirurger, tager det en usædvanlig mængde af praksis til at blive endnu en kompetent kirurg. Denne enhed vil give nye studerende mulighed for hurtigt og nemt at udføre meget præcise operationer. For det tredje bør motoriseret kirurgi enheder reducere antallet af dyr, der er nødvendige for at udføre et eksperiment ^6. Kirurger har brug for mindre uddannelse, og fejl vil ske mindre hyppigt. Endelig er den motoriserede stereotaksiske er i stand til at gøre mere præcise og nøjagtige bevægelser end den menneskelige hånd, der giver mulighed for mere opløsning i koordinere valg.

I dagens neurovidenskab klima, har der været et skub til at øge nøjagtigheden af ​​surgical metoder og teknikker. Det er ikke længere nok til at målrette en hjerne regionen som helhed, når det er klart, at der findes mindre delregioner, og at de kunne være funktionelt adskilte. Et eksempel kommer fra forskning med fokus på microinjections i hippocampus. Ikke alene enkeltpersoner ønske at målrette delregioner, ligesom CA1 og CA3, men de ønsker at studere dorsale og ventrale delfelter inden for disse områder ^7. Men mod disse regioner med en manuel kirurgisk teknik er overordentlig vanskelig. Fordelen ved den motoriserede stereotaktisk tilgang er, at når de korrekte koordinater for et målområde er identificeret, kan enhver fremtidig kirurgi rettes til samme placering. Men det er vigtigt at bemærke, at morfologiske forskelle i kraniet og hjerner af dyr, der stadig vil bidrage nogle fejl til operationer.

Et andet område, der vil drage fordel automatisere operationer er kronisk mikroelektrode implantationer. Nogle labs forsøgerat sænke elektroder ind i underområder af kerner, såsom underområder af globus pallidus eller ventrale pallidum ^8. Sænkning elektroder med en motoriseret stereotaktisk instrument vil ikke blot øge præcisionen, men bør øge skrivbare neuron udbytte. Dette skyldes det faktum, at microwires forårsage skade, når de sænkes. Robotten er i stand til at sænke elektroderne langsommere end menneskelige hænder, og ved en konstant hastighed, hvilket minimerer skade på axoner eller neuroner, der meget vel kan være afferent til målområdet.

Robotten niveau af nøjagtighed, bør også være til gavn for dem, der er billeddannelse gennem kranier, for at opnå kvantitative mål for optisk tæthed ^9. Mængden af ​​lys, der kan gå ind og ud gennem kraniet er afhængig af kraniet tykkelse. Vores motoriseret stereotax er i stand til at sikre, at hele overfladen af ​​det tynde kranium vinduet har samme dybde. Dette hjælper lys trænge igennem vinduet ligeligt over hele densoverflade.

Det er vigtigt at bemærke de begrænsninger af den medfølgende kirurgi generere software. For det første vil alle hjørner afrundes til radius af boret. For hul boring kode diameteren af ​​hvert hul er afhængig af øvelser diameter. For tynde kranium vindue og kraniotomi koder, centrum af boret følge skærebanen. Dette betyder, at størrelsen af ​​vinduet vil stige på alle sider af radius af borekronen. Dette kan afhjælpes ved at subtrahere radius af borekronen fra hjørne dimensioner. Også for den tynde kraniet vindue og kraniotomi koder, dybden af ​​boringen er statisk på hver pass. Dette betyder, at hele vinduet vil blive boret til samme dybde, uanset krumningen af ​​kraniet. Dette er især vigtigt at overveje ved ekstremt laterale koordinater, hvor kraniet kurver ventralt. Men der er ingen sådanne begrænsninger på hardware, og forskere skal ikke bruge den medfølgende Software. Med korrekt forståelse af g-kode, kan brugerne oprette indgreb fra bunden, der passer perfekt konturen af ​​den specifikke kraniet bliver brugt. Desuden kan enhver hul større end den nuværende bit diameter gøres ved hjælp af simple cirkel interpolation. Bevægelse i tre dimensioner er kun begrænset af bevægelsen af ​​stereotax, og brugerens færdighed ved g-kodning.

I alt automatisere operationer giver en række fordele for en beskeden pris, og som sådan bliver en stadig mere populær teknik ^{10, 11.} Men det er vigtigt at erkende, at nøjagtigheden af ​​robotten afhænger kvalitet bearbejdning, ordentlig setup, og korrekt forståelse af, hvordan CNC-maskiner fungerer. Så længe forskere er villige til at tage sig tid til at forstå, hvordan denne motoriseret stereotaktisk instrument, kan de udføre operationer mere præcist, med bedre formeringsevne og med mindre uddannelse. Dette gør at integrere en motoriseret stereotaktisk instrument itil eksperimenter kloge valg for enhver laboratorium, der udfører en lang række operationer.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
1x Standard U Frame Stereotax	Kopf	Kopf	This protocol should work with most existing stereotaxic devices.
3x 12 V, 1.6 A, 233 oz-inch Geared Bipolar Stepper Motor	Phidgets	Robot Shop	Any high torque geared stepper motor should do.
1x 3 Axis CNC Stepper Motor Driver Board Controller	Toshiba	Ebay	Any 3 Axis CNC driver should do. Linked Item includes Mach3 CNC software.
2x Arm Couplers: medial-lateral (ML) & dorsal-ventral (DV)	custom machined	Part Drawings	These must be machined by your local machine shop. (costs will vary)
1x anterior-posterior (AP) Coupler	custom machined	Part Drawings	These must be machined by your local machine shop. (costs will vary)
3x Motor to Stereotax Collar	custom machined	Part Drawings	These must be machined by your local machine shop. (costs will vary)
View in Browser
12x NF10-32 Cup Point Set Screws	McMaster Carr	½” Length	You will need 6 of each.
¼” Length
12x M3 Socket Head Screws (20 mm)	McMaster Carr	20mm Length	You will need 4 for each motor
1x Micro-Motor Drill	Buffalo Dental	X50	Any Micromotor drill will work.  At least 38,000 rpm recommended
1x 12 V DC Power Supply	12 Volt Adapters	12v DC – 7 Amp	Any 12 V DC PSU should work (ensure amperage rating is higher than the sum of the motors’ amperage).
1x Extra Large Probe Holder	Stoelting	Stoelting
1x Grade B Rat Skull	Skulls Unlimited	Skulls Unlimited
Mach 3 Mill	ArtSoft USA	Trial Download	Any Standard CNC controlling software should work.
Surgery Designer	Kevin Coffey David Barker	MATLAB File Exchange	These codes are available to modify. We accept no responsibility for your use or modification of code.