Summary
Este protocolo inclui os desenhos e software necessário para atualizar um instrumento estereotáxico existente para um robô (numérico controlado por computador; CNC) instrumento estereotáxico para cerca de US $ 1.000 (excluindo uma broca).
Abstract
Este protocolo inclui os desenhos e software necessários para a atualização de um instrumento estereotáxico existente para um (CNC) instrumento estereotáxico robótico para cerca de US $ 1.000 (excluindo uma broca), utilizando motores de passo padrão da indústria e CNC software de controle. Cada eixo possui controle de velocidade variável e podem ser operadas simultaneamente ou independentemente. A flexibilidade do robô e sistema de codificação aberta (g-code) torná-lo capaz de realizar tarefas personalizadas que não são suportadas por sistemas comerciais. Suas aplicações incluem, mas não estão limitados a, abertura de furos, craniotomias borda afiada, desbaste crânio e eletrodos ou cânula diminuindo. A fim de agilizar a escrita de g-codificação para cirurgias simples, desenvolvemos scripts personalizados que permitem aos indivíduos para projetar uma cirurgia sem nenhum conhecimento de programação. No entanto, para os usuários a tirar o máximo proveito do stereotax motorizada, seria benéfico para ser entendido em programação matemática e G-Coding (prog simplesbatendo para usinagem CNC).
A velocidade de perfuração recomendada é maior do que 40.000 rpm. A resolução do motor de passo é de 1,8 ° / Step, voltado para 0,346 ° / Step. A stereotax padrão tem uma resolução de 2,88 mM / passo. A velocidade máxima recomendada de corte é 500 mm / seg. A velocidade máxima recomendada é de corrida de 3.500 mM / seg. O tamanho recomendado máximo broca é HP 2.
Introduction
Cirurgia estereotáxica roedor é usado em uma ampla variedade de aplicações, incluindo a lesão neuroscience 1, iontoforese 2, o implante de microfio, 3, 4 estimulação, e imagiologia crânio fina 5. No entanto, existem grandes obstáculos enfrentados por aqueles que desejam aplicar essas técnicas, incluindo a curva de aprendizagem para a realização de cirurgia estereotáxica precisos e alta probabilidade de erro humano. Erros humanos incluem medição e falhas de cálculo, bem como a baixa precisão e reprodutibilidade dos movimentos humanos. Em um esforço para reduzir os erros de confusão, os cirurgiões estereotáxicos se beneficiariam de um sistema que garante que todos os procedimentos cirúrgicos são realizados de forma idêntica entre os indivíduos. A redução de erros também é um método pelo qual os investigadores podem minimizar o uso de matérias de origem animal, o objetivo principal dos Institutos Nacionais de Saúde para experimentos com animais 6. Em um mundo ideal, todo scirurgias tereotactic seria perfeitamente replicável dentro experimentos e entre laboratórios. Para resolver esse problema, as empresas desenvolveram novas stereotaxics ultra-precisos e displays digitais para leitura de medições. Para remover os erros de deslocação humanos, micro manipuladores e stereotaxics motorizados foram produzidas comercialmente, mas seu alto custo pode ser proibitivo para um laboratório com um orçamento limitado. Além disso, o software é totalmente exclusiva, e não pode ser modificada pelo investigador para acomodar um novo tipo de cirurgia.
Uma solução acessível para o problema de erro humano é construir uma stereotax robótico do modelo existente de um laboratório, utilizando-se equipamento padrão da indústria CNC. Por causa de uma comunidade florescente hobby CNC, os materiais são significativamente menos caro do que o equipamento científico. Isto permite construir um instrumento estereotáxico precisas CNC, o que também é altamente flexível e barato. Com um conhecimento básico de usinagem CNC e G-Code, indivíduosals pode programar qualquer cirurgia estereotáxica que eles imaginam, sem as limitações de software proprietário. E, a fim de acelerar a produção de g-code para cirurgias simples, este protocolo inclui um software que permite ao usuário projetar cirurgias (craniotomia borda afiada, de janelas crânio fino, furo de perfuração e implantes rebaixamento) dentro de apontar e clicar menus. Estes programas de saída de um g-code concluído que pode ser executado diretamente de software CNC.
Ao todo, um upgrade estereotáxica motorizada é ideal para quem tem interesse em aumentar a precisão ea replicabilidade das cirurgias, mantendo a flexibilidade e baixo custo de uma plataforma de código aberto.
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Protocol
- Fio os motores de passo bipolares apertando os fios nos conectores fornecidos com a placa de motorista. As cores dos fios de motores de passo bipolares são padronizados (Figura 1).
Nota: Os motores de passo descritos têm uma resolução de 1,8 ° / passo, orientada para 0,346 ° / passo. A stereotax padrão tem 3 mm/360 ° de viagem. A resolução final é 2,88 mM / passo. Os motores também são capazes de pisar fracionada.- Conecte o fio verde para A +, conecte o fio preto para A-, conecte o fio vermelho para B + e ligar o fio azul para B-.
- Deslize os engates nos motores de passo, tomando cuidado para alinhar os furos de fixação, e prenda-os com 12x Parafusos M3 cabeça de soquete (20 mm) (Figura 2).
- Certifique-se de que os engates estão firmemente ligados aos motores.
Nota: Os modelos 3D não incluem threads. As partes são rotulados com tamanho de rosca, mas que deve ser aproveitado após eles sãofabricado.
- Certifique-se de que os engates estão firmemente ligados aos motores.
- Remova os parafusos de fixação das garras do polegar em todos os três eixos do instrumento estereotáxico usando uma pequena chave sextavada. Os apertos de polegar são segmentadas, assim transformá-las anti-horário para a remoção. Manter as anilhas de PTFE no lugar sobre o braço (Figura 3).
- Parafuso a extremidade roscada de os colares sobre as barras roscadas de braços do instrumento estereotáxico (Figura 3).
- Certifique-se de que não há diferença entre os colares e anéis de vedação PTFE. Isto garante que as coordenadas são mantidas quando o robot muda de instruções.
- Fixe os colares para os fios dos braços estereotáxica utilizando 3x NF10-32 (1/4 de polegada) parafusos de ponta cavada.
- Deslize cada motor e acoplador sobre os colares e os braços estereotáxica. Certifique-se que os motores ficam nivelados com os braços, e os furos conjunto sobre os colares alinhar com a parte plana dos eixos do motor (Figura 4).
- Fixe o couplers ao stereotax usando os furos de montagem e 6x NF10-32 (1/2 polegada) parafusos de ponta xícara (Figura 4).
- Fixe os colares para os eixos do motor utilizando 3x NF10-32 (1/4 de polegada) parafusos de fixação (Figura 4).
- Prepare a placa de motorista CNC, definindo cada um dos pinos do controlador à metade do piso.
Nota: Este driver de motor de passo vem como uma placa de circuito exposto. Um exemplo pode ser construído, embora não seja necessário. Além disso, podem ser utilizados um número de diferentes controladores de motor passo a passo bipolar. Se assim for, verifique se as instruções de instalação são seguidos para a placa que tiver adquirido.- Alinhe todos os 6 pinos por motor de passo da mesma forma. Half-stepping permite o dobro da resolução passo em graus / passo (Figura 5).
- Virar o pino 1 para a posição, o pino 2 para a posição desligado, o pino 3 ao em posiçãoção, o pino 4 para a posição desligado, o pino 5 para a posição, e pino 6 para a posição desligado (Figura 5).
- Ligue os motores (X - Y - Z) no driver de motor de passo, junto com a fonte de alimentação de 12 V. A colocação correta é marcado no driver. Além disso, conecte o condutor de passo a porta serial de um computador usando um DB25cable (Figura 6).
- Instale o software de fresagem CNC em um computador pessoal (este terá de estar localizado em uma área cirúrgica) seguindo as instruções padrão. Uma vez instalado, abra o software para iniciar a configuração.
- Configure o software para se comunicar com os motores de passo.
Nota: As seguintes instruções são para uso apenas com o driver de motor de passo TB6560. - Clique através dos menus do software como se segue. Abertas → Configuração → Ports and Pins→ Sinais de saída. Preencha o prompt para corresponder Figura 7 e clique em Aplicar.
- Clique através dos menus do software como se segue. Abrir → Configuração → Ports and Pins → sinais de entrada. Preencha o prompt para corresponder Figura 8 e clique em Aplicar.
- Clique através dos menus do software como se segue. Abra → Configuração → Portos e pinos → saídas do motor. Preencha o prompt para corresponder Figura 9 e clique em Aplicar.
- Clique através dos menus do software como se segue. Afinação Configuração → Motor → Abrir. Preencha o prompt para corresponder Figura 10 e clique em Salvar configurações do Eixo. Repita o passo anterior para todos os 3 eixos usando os mesmos valores.
- Configure o software para se comunicar com os motores de passo.
- Calibre o stereotax para a escala do software CNC.
Nota: O software é projetado para máquinas de usinagem convencionais, pelo que a sua unidade de medida não será proporcional ao percurso de um instrumento estereotáxico.- Defina a velocidade dos motores de 1 polegada por minuto, e "jog" eixo Z do instrumento estereotáxico com PgUp / PgDn ao milímetro.
Nota: A velocidade máxima recomendada é de corrida de 3.500 mM / seg ea velocidade máxima recomendada de corte é 500 mm / seg. - Zero do eixo Z, e Jog o estereotáxica instrumento de 1 mm. A distância percorrida no eixo Z no Mach3 é a "Escala Constant". Coordenadas da máquina são determinadas multiplicando as coordenadas do crânio (mm) pela "Escala Constant".
- Realizar testes aleatórios de todos os 3 eixos, programando-os a viajar algumas distâncias conhecidas, e garantir os movimentos são precisos. Se a viagem stereotax está muito longe ou curto, modificar a constante de escala de acordo.
Nota: Depois de escala é concluída, os scripts personalizados incluídos podem ser usados para gerar g-code para cirurgias. No entanto, é altamente recomendável que os usuários se familiarizem com g-code antes de tentar gerar auto-cirurgias. Isto é imperativo para a solução de problemas e modificar cirurgias automatizadas.
- Defina a velocidade dos motores de 1 polegada por minuto, e "jog" eixo Z do instrumento estereotáxico com PgUp / PgDn ao milímetro.
- Prenda a broca micro motor para o instrumento estereotáxico usando o suporte extra grande sonda. Nota: A velocidade mínima recomendada broca é de 40.000 rpm.
- Auto-gerar G-Code para uma craniotomia borda afiada com 3 furos para parafusos crânio.
- Coloque todos os scripts personalizados da tabela de software em uma única pasta em um PC.
- Abra o script "SharpEdgeCraniotomy.m" e executar o código.
- Selecione Ambos para o prompt "que tipo de cirurgia você estará realizando?" (Figura 11).
- Selecione Personalizar para definir os cantos da janela do crânio. Preencha cada pedido para combinar Figura 12.
- Definir as posições X e Y dos cantos craniotomia. Cada coordenada deve ser inserido na ordem correta, de acordo com o exemplo na Figura 13
- Insira 3 no prompt para produzir 3 buracos do crânio (Figura 14).
- Selecione Definir utilizando coordenadas e insira as coordenadas de cada buraco a partir do modelo na Figura 15.
Nota: Se as coordenadas precisas não são importantes, há uma opção para apontar e clicar as posições dos furos para uma imagem de um crânio de ratos. Posições será gerada automaticamente. - Definir os parâmetros de perfuração. Pela primeira cirurgia testes, aceite os valores padrão.
Nota: Estes valores estão dependentes dos motores de passo, e o crânio do animal. Cada local raça de rato e alvo tem uma espessura crânio ligeiramente diferente. Para as poucas cirurgias iniciais utilizando este dispositivo, estar preparado para testar a profundidade de perfuração e remova todos os pedaços do crânio restantes manualmente. Os valores podem então ser modificados para cirurgias futuras (Figura 16). - Nomeie o g-code, que será gerado e sa automaticamenteved ao diretório de trabalho.
- Carregue o g-code no software de fresagem CNC e um crânio de teste para os instrumentos estereotáxica barras de ouvido.
- Correr manualmente a broca para Bregma usando as setas. Use uma velocidade de jog lento (~ 5 polegadas / m) para garantir a precisão.
- Comece a broca rotativa de maior do que 38.000 rpm.
- Imprensa CycleStart, o stereotax irá realizar muitas passagens da mesma corte, em diferentes profundidades. Entre cada passagem, o stereotax fará uma pausa, de modo que o cirurgião pode continuar ou abortar corte. Pressione o botão Continuar Ciclo (Alt-R) para continuar cortando passes.
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Representative Results
O resultado final da cirurgia projetado nos métodos será um crânio de ratos com uma craniotomia borda afiada, e 3 buracos do crânio (Figura 17). Note-se que o crânio utilizado para demonstrar a cirurgia foi muito maior do que o crânio de ratos prototípico. A craniotomia aresta viva pode ser utilizado para inserir uma matriz microfio, dentro do cérebro, para a gravação de alta densidade neurais. O stereotax CNC também pode ser utilizado para baixar a matriz com uma grande precisão. Software estiver incluído neste protocolo que permite que o cirurgião para definir os parâmetros de uma microfio, ou cânula de abaixamento. Craniotomias arestas vivas pode também ser utilizado para descobrir grandes porções do córtex motor, para estudos de mapeamento sensório.
Os furos crânio pode ser usado para inserir parafusos crânio (Figura 18). Estes podem ser usados como âncoras para cimento dental quando aposição de um estágio de cabeça para o animal. Os orifícios também podem ser usados para inserir os eléctrodos individuais para o cérebro. Estes eletrodos pode ser usado para gravações anestesiados ou crônicas. No entanto, quando se utiliza o stereotax para gravação anestesiado, garantir a alimentação dos motores esteja desligada antes de coleta de dados. As propriedades elétricas motores pode induzir ruído na gravação.
O stereotax CNC também podem produzir janelas crânio fino com uma grande dose de precisão (Figura 19). Essas janelas podem ser utilizadas para imagiologia in vivo em animais anestesiados óptico. A uniformidade do crânio fina permite a penetração mesmo a luz, que é necessária para a análise comparativa ou quantitativa de dados de imagem óptico.
Figura 1. Esquema de ligação para stepper ficha do motor.
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Figura 2. Diagrama de montagem para prender os acopladores para os motores de passo.
Figura 3. Diagrama de montagem para prender os colares para o braço estereotáxico.
Figura 4. Diagrama de montagem para prender os motores / acopladores à coleiras / braço estereotáxico.
Figura 5. Mudar diagrama para definir o driver de motor de passo a passos e meio.
Figura 6. Esquema de ligação para stepper driver de motor.
Figura 7. Diagrama de configuração para sinais de saída em software CNC.
Figura 8. Diagrama de configuração para sinais de entrada no software CNC.
Figura 9. Configuration diagrama para saídas do motor em software CNC.
Figura 10. Diagrama de configuração para o ajuste do motor no software CNC.
Figura 11. Avisar por escolher o tipo de cirurgia no software "cirurgia concepção" (sharpedgecraniotomies.m).
Figura 12. Prompt para a escolha de costume ou de destino predefinido coordena no software "cirurgia concepção".
Figura 13. Solicitar enterincoordenadas g de janela (4 cantos) do software "cirurgia concepção".
Figura 14. Avisar por escolher o número de buracos do crânio no software "cirurgia concepção".
Figura 15. Pede a escolha do método de colocação de buracos do crânio, e para entrar nas coordenadas de furos no software "cirurgia concepção".
Figura 16. Prompt para a definição dos parâmetros de perfuração no software "cirurgia concepção".
Figura 17. Um crânio mostrando o resultado final da execução da cirurgia anteriormente projetado.
Figura 18. Um crânio mostrando parafusos crânio inseridas em um buraco produzido durante a cirurgia exemplo. O tamanho brocas irá determinar o diâmetro do buraco e, conseqüentemente, o tamanho do parafuso.
Figura 19. Mostra o crânio da cirurgia exemplo, a janela crânio containinga fino, indicado pelas setas. Note-se que, no painel direito, (crânio iluminado por dentro)luz parece penetrar na janela crânio fina uniformemente. Observe também que a janela não precisa ser quadrado, ou conter 90 ° cantos.
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Discussion
O uso de equipamentos de cirurgia automatizada ajuda a eliminar alguns dos problemas mais comuns na pesquisa em neurociência. Primeiro, os caminhos da ferramenta são 100% reproduzível. Cada corte tem a garantia de ser no mesmo local em relação ao bregma. Em segundo lugar, ele deve reduzir o erro experimentador. Embora muitos pesquisadores são cirurgiões altamente qualificados, é preciso uma quantidade excepcional de prática para se tornar até mesmo um cirurgião competente. Este dispositivo permitirá que os novos alunos para executar rapidamente e facilmente cirurgias de alta precisão. Em terceiro lugar, os dispositivos de cirurgia motorizados devem reduzir o número de animais necessários para realizar uma experiência 6. Cirurgiões vai precisar de menos treinamento, e os erros serão feitas com menos freqüência. Finalmente, o estereotáxica motorizada é capaz de fazer movimentos mais precisos e exatos do que a mão humana, permitindo uma maior resolução em coordenar escolha.
No atual clima neurociência, tem havido um esforço para aumentar a precisão da smétodos e técnicas urgical. Já não é suficiente para atingir uma região do cérebro como um todo, quando é evidente que existem sub-regiões menores, e que eles poderiam ser funcionalmente distintas. Um exemplo vem da pesquisa com foco em microinjeções em hipocampo. Não só os indivíduos desejam direcionar as sub-regiões, como CA1 e CA3, mas eles desejam estudar dorsal e ventral subcampos dentro dessas regiões 7. No entanto, a segmentação dessas regiões com uma técnica cirúrgica manual é extremamente difícil. A vantagem da abordagem estereotáxica motorizado é que, uma vez que as coordenadas corretas de uma região-alvo são identificados, cada cirurgia futuro podem ser encaminhadas para o local idêntico. No entanto, é importante notar que as diferenças morfológicas no crânio e cérebro de animais ainda contribuirá com cerca de erro para cirurgias.
Outro campo que se beneficiariam de cirurgias automatizando é implantes de microeletrodos crônicas. Alguns laboratórios estão tentandopara reduzir os eléctrodos em sub-regiões do núcleo, tais como as sub-regiões do globo pálido ou pallidum ventral 8. Abaixando eletrodos com um instrumento estereotáxico motorizado não só irá aumentar a precisão, mas deve aumentar a produção de neurônio gravável. Isto é devido ao facto de causar danos microfios como eles são reduzidos. O robô é capaz de reduzir os eletrodos mais lento do que as mãos humanas e em uma taxa constante, minimizando danos aos axônios ou neurônios, que pode muito bem ser aferentes para a região de destino.
O nível do robô de precisão também deve ser benéfico para aqueles que estão imaginando por crânios, obter medidas quantitativas de densidade óptica 9. A quantidade de luz que pode entrar e sair através do crânio é dependente da espessura do crânio. Nossa stereotax motorizada é capaz de garantir que toda a superfície da janela crânio fino tem profundidade idênticas. Isso ajuda a luz penetrar a janela igualmente em toda a sua totalidadesuperfície.
É importante observar as limitações da cirurgia que gera o software incluído. Primeiro, todos os cantos serão arredondados para o raio da broca. Para o código de perfuração do furo, o diâmetro de cada orifício é dependente do diâmetro brocas. Para os códigos de janela crânio e craniotomia finas, o centro da broca seguirão o caminho de corte. Isto significa que o tamanho de janela irá aumentar em todos os lados por o raio da broca. Isto pode ser remediado através da subtracção do raio da broca de perfuração a partir das dimensões de canto. Também para a janela crânio fino e códigos craniotomia, a profundidade de perfuração é estática em cada passagem. Isto significa que toda a janela será perfurado até à mesma altura, independentemente de a curvatura do crânio. Isto é especialmente importante a considerar em coordenadas extremamente laterais, onde as curvas do crânio ventral. No entanto, não existem tais limitações ao hardware, e os pesquisadores não precisam usar o softwar incluídoe. Com a compreensão adequada do g-code, os usuários podem criar a partir do zero cirurgias que combinam perfeitamente com o contorno do crânio específico que está sendo usado. Além disso, qualquer furo maior do que o diâmetro da ponta de corrente pode ser feita usando simples interpolação círculo. Movimento em três dimensões só é limitado pela viagem da stereotax, e proficiência do usuário no g-codificação.
Ao todo, automatizando cirurgias oferece uma série de benefícios para um custo modesto e, como tal, está se tornando uma técnica cada vez mais popular 10, 11. Mas é importante reconhecer que a precisão do robô depende de usinagem de qualidade, a configuração adequada e compreensão adequada de como operar máquinas CNC. Enquanto os pesquisadores estão dispostos a tomar o tempo para entender o funcionamento deste instrumento estereotáxico motorizado, eles podem realizar cirurgias com maior precisão, com melhor reprodutibilidade, e com menos treinamento. Isso faz com que a integração de um instrumento estereotáxico motorizado empara experimentos uma escolha inteligente para qualquer laboratório que realiza um grande número de cirurgias.
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Disclosures
Os autores não têm concorrentes interesses financeiros para divulgar.
Acknowledgments
Este estudo foi financiado pelo Instituto Nacional sobre Abuso de Drogas Grants DA 006886, 032270 e DA.
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. |
References
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