Att bygga en öppen källkod Robotic Stereotaxic Instrument

Summary

Detta protokoll omfattar design och programvara som krävs för att uppgradera en befintlig stereotaktisk instrument till en robot (dator numeriskt styrd, CNC) stereotaxic instrument för runt $ 1000 (exklusive en borr).

Abstract

Detta protokoll omfattar design och mjukvara som krävs för att uppgradera en befintlig stereotaktisk instrument till en robot (CNC) stereotaxic instrument för runt $ 1000 (exklusive en borr), med hjälp av branschstandard stegmotorer och CNC-styrning av programvara. Varje axel har variabel hastighet och kan användas samtidigt eller oberoende. Robotens flexibilitet och öppna kodsystem (g-kod) gör den kapabel att utföra egna uppgifter som inte stöds av kommersiella system. Dess tillämpningar inkluderar, men är inte begränsade till, borra hål, skarpa kant craniotomies, skallen gallring och sänk elektroder eller kanyl. För att påskynda att skriva g-kodning för enkla operationer, har vi utvecklat egna skript som tillåter individer att designa en operation med ingen kunskap om programmering. Men för användarna att få ut det mesta av den motordrivna stereotax, skulle det vara fördelaktigt att vara kunnig i matematisk programmering och G-kodning (enkel programma för CNC-bearbetning).

Rekommenderad borrhastigheten är större än 40.000 rpm. Stegmotorn upplösningen är 1,8 ° / steg, anpassade till 0,346 ° / steg. En standard stereotax har en upplösning på 2,88 ìm / steg. Den maximala rekommenderade skärhastigheten är 500 ^ / sek. Den maximala rekommenderade jogginghastigheten är 3,500 nm / sek. Den maximala rekommenderade borr storlek är HP 2.

Introduction

Stereotactic gnagare kirurgi används i en mängd olika neuroscience tillämpningar, inklusive lesioning ^1, jontofores ^2, Micro implantation ^3, stimulering ^4, och tunn skalle bildbehandling ^5. Men det finns stora hinder inför dem som vill tillämpa dessa tekniker, inklusive den branta inlärningskurvan för att utföra exakt stereotaktisk kirurgi och den höga sannolikheten för mänskliga fel. Mänskliga fel inkluderar mätning och räknefel, liksom den låga noggrannheten och kopieringsmöjlighet av mänskliga rörelser. I ett försök att minska dessa confounding fel, skulle stereotaktiska kirurger dra nytta av ett system som säkerställer att alla kirurgiska ingrepp utförs identiskt över ämnen. Minskningen av fel är också en metod som utredarna kan minimera användningen av djurförsök, ett primärt mål av National Institutes of Health för djurförsök ^6. I en perfekt värld, alla Stereotactic operationer skulle vara helt reproducerbart inom experiment, och mellan labben. För att lösa detta har företagen utvecklat nya ultraexakt stereotaxics och digitala displayer för att läsa mätningar. För att ta bort rörelse fel humana, var motoriserade mikro manipulatorer och stereotaxics produceras kommersiellt, men deras höga kostnaden kan vara oöverkomliga till ett laboratorium med en begränsad budget. Dessutom är deras programvara helt proprietär, och kan inte ändras av forskaren för att rymma en ny typ av kirurgi.

En prisvärd lösning för den mänskliga fel problem är att bygga en robot stereotax från ett labb existerande modell, med hjälp av branschstandard CNC-utrustning. På grund av en spirande CNC hobby gemenskap, materialen är betydligt billigare än vetenskaplig utrustning. Detta tillåter en att bygga ett exakt CNC stereotaxiskt instrument, vilket också är mycket flexibel och billig. Med grundläggande kunskaper i CNC-bearbetning och G-kod, individuelltals kan programmera en stereotaktisk kirurgi att de föreställa sig, utan begränsningar i proprietär programvara. Och, för att påskynda produktionen av g-kod för enkla operationer innefattar detta protokoll programvara som tillåter användaren att designa operationer (skarp kant kraniotomi, tunn skalle fönster, borrning och implantat sänk hål) inom peka och klicka menyer. Dessa program ut en färdig g-kod som kan köras direkt från CNC-program.

I alla är en motoriserad stereotaxisk uppgradering perfekt för dem som har ett intresse av att öka noggrannheten och kopieringsmöjlighet av operationer, med bibehållen flexibilitet och låga kostnader för en öppen källkod plattform.

Protocol

1. Anslut bipolära stegmotorer genom att skruva fast kablarna i kontakterna levereras med förarkortet. Tråd färger på bipolära stegmotorer är standardiserade (Figur 1).
   Anm: De beskrivna stegmotorer har en upplösning på 1,8 ° / steg, anpassade till 0,346 ° / steg. En standard stereotax har 3 mm/360 ° av resor. Den slutliga resolutionen är 2,88 um / steg. Motorerna har också förmåga att fraktionerad stepping.
   1. Anslut den gröna ledningen till A +, anslut den svarta kabeln till A-, koppla den röda kabeln till B + och ansluta den blåa ledningen till B-.
2. Skjut koppel över stegmotorer, var noga med att rikta in monteringshålen, och fäst dem med 12x M3 insexskruvarna (20 mm) (Figur 2).
   1. Se till att kopplingarna är ordentligt ansluten till motorerna.
      Observera: 3D-modeller inkluderar inte trådar. Delarna är märkta med gängstorlek, men de måste utnyttjas efter att de ärtillverkas.
3. Ta bort fästskruvarna från tumgrepp på alla 3 axlar stereotaxic instrument som med hjälp av en liten insexnyckel. De tumgrepp är gängade, så vrid dem moturs för borttagning. Håll PTFE-brickor på plats på armen (Figur 3).
4. Skruva fast den gängade änden av kragarna på gängstängerna i stereotaxic instrumentets armar (Figur 3).
   1. Se till att det inte finns något mellanrum mellan kragar och PTFE O-ringar. Detta garanterar att koordinaterna bevaras när roboten ändrar riktningar.
   2. Säkra kragarna på gängorna på de stereotaktiska armarna använder 3x NF10-32 (1/4 tum) kopp punkten ställskruvar.
   3. Skjut varje motor och koppel över kragar och stereotaktiska armar. Se till att motorerna sitter jämnt med armarna, och de inställda skruvhålen på kragarna linje med den platta delen på motoraxlarna (Figur 4).
   4. Säkra couplers till stereotax hjälp av monteringshålen och 6x NF10-32 (1/2 tum) cup punkt stoppskruvarna (Figur 4).
   5. Fäst kragar till motoraxlarna med hjälp 3x NF10-32 (1/4 tum) stoppskruvarna (Figur 4).
5. Förbered CNC föraren ombord genom att var och en av styrenhetens stift till halv stepping.
   OBS: Denna stegmotorn förare kommer som en utsatt kretskort. Ett ärende kan byggas, men det är inte nödvändigt. Dessutom kan ett antal olika bipolära stegmotorförare användas. Om så är fallet, se till att installationsinstruktionerna följs för den specifika styrelsen köpt.
   1. Rikta alla 6 stift per stegmotor på samma sätt. Half-stepping möjliggör dubbelt upplösning steget i grader / steg (Figur 5).
   2. Flip stift 1 till läge, stift 2 till läget, stift 3 till den positiontion, stift 4 till läget, stift 5 till läge, och stift 6 till läget (Figur 5).
6. Anslut motorerna (X - Y - Z) i stegmotorn föraren, tillsammans med 12 V strömförsörjning. Rätt placering är markerad på föraren. Dessutom fäster steg föraren till en dators serieport med hjälp av en DB25cable (Figur 6).
7. Installera CNC-fräsning programvara på en persondator (detta måste finnas i ett operationsområde) efter standardinstruktionerna. En gång installerat, öppnar du programmet för att påbörja konfigurationen.
   1. Konfigurera programvaran för att kommunicera med stegmotorerna.
      OBS: Följande instruktioner är avsedda att användas endast med TB6560 stegmotorn förare.
   2. Klicka vidare programvarans menyer enligt följande. Öppna → Config → Portar och Pins→ utsignaler. Fyll i uppmaningen att matcha Figur 7 och slå gälla.
   3. Klicka vidare programvarans menyer enligt följande. Öppna → Config → Portar och Pins → insignaler. Fyll i uppmaningen att matcha Figur 8 och slog gäller.
   4. Klicka vidare programvarans menyer enligt följande. Öppna → Config → Portar och Pins → Motor utgångar. Fyll i uppmaningen att matcha figur 9 och slå gälla.
   5. Klicka vidare programvarans menyer enligt följande. Öppna → Config → Motor tuning. Fyll i uppmaningen att matcha figur 10 och klicka på Spara Axis Settings. Upprepa föregående steg för alla 3 axlar med samma värderingar.
8. Kalibrera stereotax till omfattningen av CNC-program.
   OBS: Programvaran är avsedd för standardfräsmaskiner, så dess måttenhet inte kommer att stå i proportion till resor av en stereotaktisk instrument.
   1. Ställ motorernas hastighet till 1 tum per minut, och "jogga" stereotaxic instrumentets Z-axel med PgUp / PgDn till närmaste millimeter.
      OBS: Den maximala rekommenderade jogginghastigheten är 3,500 nm / sek och den maximala rekommenderade skärhastigheten är 500 nm / sek.
   2. Nollställ Z-axeln, och Jog stereotaxic instrument 1 mm. Avståndet reste på Z-axeln i Mach3 är "Skalning Constant". Maskin koordinater bestäms genom att multiplicera skallen koordinater (mm) med "Skalning Constant".
   3. Utför slumpmässiga tester av alla 3 axlar genom att programmera dem att resa några kända avstånd, och se till att rörelserna är korrekta. Om stereotax resor är för långt eller kort, ändra skalningskonstanten i enlighet därmed.
      Anm: När skalning är klar kan de inkluderade anpassade skript användas för att alstra g-kod för operationer. Det är dock starkt rekommenderat att användarna bekanta med g-kod innan du försöker automatiskt genereraoperationer. Detta är absolut nödvändigt för att felsöka och modifiera automatiserade operationer.
9. Fäst mikromotorborr till stereotaxic instrument med hjälp av extra stor probhållaren. Anm: Minsta rekommenderade borr hastighet är 40.000 rpm.
10. Auto genererar G-kod för en skarp kant kraniotomi med 3 skallen skruvhål.
    1. Placera alla anpassade skript från mjukvarubordet i en mapp på en PC.
    2. Öppna scriptet "SharpEdgeCraniotomy.m" och köra koden.
    3. Välj Både till prompten "Vilken typ av kirurgi kommer du att utföra?" (Figur 11).
    4. Välj Anpassad för att definiera hörnen på skallen fönstret. Fyll i var snabb att matcha Figur 12.
    5. Definiera x-och y lägena för kraniotomi hörnen. Varje koordinat måste anges i rätt ordning, enligt exemplet i figur 13
    6. Ange 3 i uppmaningen att producera 3 skallen hål (Figur 14).
    7. Välj Definiera med koordinater och ange koordinaterna för varje hål från mallen i figur 15.
       OBS: Om exakta koordinaterna är inte viktigt, det finns ett alternativ för att peka och klicka på de hål positioner på en bild av en råtta skalle. Positioner genereras automatiskt.
    8. Definiera borrparametrar. För första testerna kirurgi, acceptera standardvärdena.
       Anmärkning: Dessa värden är beroende av stegmotorerna, och djurets skalle. Varje råtta ras och målplats har en något annorlunda skalle tjocklek. För de första några operationer som använder denna enhet, vara beredd att testa borrdjup och ta bort eventuella kvar skallen bitar manuellt. Värdena kan sedan modifieras för framtida operationer (Figur 16).
    9. Namnge g-kod, det kommer att genereras och sa automatisktved till arbetskatalogen.
11. Fyll på g-kod i CNC-fräsning programvara och en prov skalle i stereotaktiska instrument örat barer.
    1. Jogga manuellt borren till Bregma med piltangenterna. Använd en långsam jog hastighet (~ 5 tum / m) för att säkerställa noggrannheten.
    2. Starta borren roterar med mer än 38.000 rpm.
    3. Tryck CycleStart; stereotax utför många passager av samma snitt, på olika djup. Mellan varje pass kommer stereotax paus, så att kirurgen kan fortsätta eller avbryta kapning. Tryck på Fortsätt Cycle (Alt-R) för att fortsätta skära passerar.

Representative Results

Det slutliga resultatet av operationen utformad i förfarandena kommer att vara en råtta skalle med en skarp kant kraniotomi och 3 skalle hål (figur 17). Observera att skallen används för att demonstrera operationen var mycket bredare än den proto råtta skalle. Den skarpa kanten kraniotomi kan användas för att sätta in en Micro array in i hjärnan, för hög densitet neurala inspelningar. CNC stereotax kan också användas för att sänka array med stor precision. Programvara ingår i detta protokoll som tillåter kirurgen att definiera parametrarna för en Microwire, eller kanyl sänkning. Skarp kant craniotomies skulle också kunna användas för att avslöja stora delar av motoriska cortex, för sensorimotor kartläggningsstudier.

Skallen hålen kan användas för att sätta skallen skruvarna (Figur 18). Dessa kan användas som ankare för dentalcement vid påförande av huvudet scenen till djuret. Hålen kan även användas för att infoga enskilda elektroder in i hjärnan. Dessa elektroder kan användas för sövda eller kroniska inspelningar. Men när du använder stereotax för sövda inspelning, se till att strömmen till motorerna är av innan att samla in data. Motorernas elektriska egenskaper kan framkalla brus i inspelningen.

CNC stereotax kan också producera tunn skalle fönster med stor noggrannhet (figur 19). Dessa fönster kan användas för in vivo optisk avbildning i bedövade djur. Likformigheten hos den tunna skalle möjliggör ännu ljuspenetrering, vilket är nödvändigt för jämförande eller kvantitativ analys av optisk bilddata.

Figur 1. Kopplingsschema för stegmotorplugg.

"Src =" / files/ftp_upload/51006/51006fig2.jpg "/>
Figur 2. Assembly schema för att fästa kopplingarna till stegmotorerna.

Figur 3. Montering diagram för att fästa kragarna till stereotaxic armen.

Figur 4. Montering diagram för att fästa motorer / koppel till kragar / stereotaktisk arm.

Figur 5. Switch schema för inställning av stegmotorn föraren att halva steg.

Figur 6. Kopplingsschema för stegmotorn förare.

Figur 7. Konfigurationsschema för utsignaler i CNC-mjukvara.

Figur 8. Konfigurationsdiagram för ingångssignaler i CNC-mjukvara.

Figur 9. Configuration diagram för motorutgångar i CNC-mjukvara.

Figur 10. Konfigurationsschema för motor tuning i CNC-mjukvara.

Figur 11. Fråga för att välja operation typ i programvaran "kirurgi design" (sharpedgecraniotomies.m).

Figur 12. Uppmaning att välja anpassade eller förinställda mål koordinater i programmet "operation design".

Figur 13. Prompt för entering fönster koordinaterna (4 hörn) i programmet "operation design".

Figur 14. Fråga efter valet av antalet skallen hål i programmet "operation design".

Figur 15. Frågar efter val av metod för att placera skallen hål, och för att komma in i hål koordinaterna i programmet "operation design".

Figur 16. Fråga för att definiera borrparametrarna i programmet "operation design".

Figur 17. En skalle som visar slutresultatet av att köra den tidigare utformade kirurgi.

Figur 18. En skalle visar skallen skruvar införda i ett hål som produceras under exempel kirurgi. Den borr storlek avgör hålets diameter och följdskruvstorleken.

Figur 19. Visar skallen från exempel kirurgi, containinga tunn skalle fönster, indikeras av pilarna. Observera att i den högra panelen, (skallen belyst inifrån)ljus tycks tränga igenom tunna skallen fönstret jämnt. Observera också att fönstret inte behöver vara fyrkantig, eller innehålla 90 ° hörn.

Discussion

Användningen av automatiska kirurgi utrustning bidrar till att eliminera en del av de vanligaste problemen i neurovetenskaplig forskning. Först verktygsvägarna är 100% reproducerbara. Varje klipp är garanterat på samma plats i förhållande till Bregma. För det andra bör det minska försöksfelet. Även om många forskare är mycket skickliga kirurger, tar det en exceptionell mängd metoder för att bli ännu en kompetent kirurg. Denna enhet kommer att tillåta nya studenter att snabbt och enkelt utföra mycket exakta operationer. För det tredje bör motoriserade kirurgianordningar minskar antalet djur som behövs för att utföra ett experiment ^6. Kirurger behöver mindre träning, och misstag kommer att göras mindre ofta. Slutligen är den motoriserade stereotaxiska kan göra mer precisa och korrekta rörelser än den mänskliga handen, vilket möjliggör mer upplösning i koordinat val.

I dagens neurovetenskap klimat, har det funnits ett tryck att öka noggrannheten för surgical metoder och tekniker. Det räcker inte längre att rikta en hjärnregion som helhet när det är klart att mindre ekonomiska regioner finns, och att de skulle kunna vara funktionellt distinkt. Ett exempel kommer från forskning med fokus på microinjections i hippocampus. Inte bara individer önskan att rikta ekonomiska regioner, som CA1 och CA3, men de vill studera rygg-och ventral delområden inom dessa områden ^7. Men rikta dessa regioner med en manuell kirurgisk teknik är ytterst svårt. Fördelen med den motordrivna stereotaktisk metod är att när de korrekta koordinaterna för ett målområde identifieras, får varje framtida kirurgi riktas till samma plats. Men det är viktigt att notera att morfologiska skillnader i skallen och hjärnan hos djur som fortfarande kommer att bidra med lite fel till operationer.

Ett annat område som skulle gynnas av att automatisera operationer är kronisk mikroelektrod implantationer. Vissa laborationer försökeratt sänka elektroder i ekonomiska regioner av kärnor, till exempel delområden av globus pallidus eller ventrala pallidum ^8. Sänkning elektroder med en motoriserad stereotaxic instrument kommer inte bara att öka noggrannheten, men bör öka inspelningsbar neuron avkastning. Detta beror på det faktum att microwires orsaka skada eftersom de är nedfällda. Roboten kan sänka elektrodlångsammare än mänskliga händer och med konstant hastighet, vilket minimerar skador på axoner eller nervceller som mycket väl kan vara afferenta till målområdet.

Robotens noggrannhetsnivå bör också vara till nytta för dem som avbildning genom skallar, för att erhålla kvantitativa mått på optisk densitet ^9. Den mängd ljus, som kan gå in och ut genom skallen är beroende på skallen tjocklek. Vår motoriserade stereotax kan säkerställa att hela ytan av den tunna skallen fönstret har samma djup. Detta hjälper ljuset tränga fönstret lika över hela sinyta.

Det är viktigt att notera begränsningarna i den medföljande kirurgi generera programvara. Först kommer alla hörnen avrundas till radien hos borrkronan. För hålborrning kod, är diametern hos varje hål beroende på borr diameter. För de tunna skallen fönster och kraniotomi koder, kommer i mitten av borret följa skärvägen. Detta innebär att storleken på fönstret kommer att öka på alla sidor av radien av borrkronan. Detta kan avhjälpas genom att subtrahera radien för borren från hörn dimensioner. Även för tunn skalle fönster och kraniotomi koder, är djupet av borrningen statisk vid varje passering. Detta innebär att hela fönstret ska borras till samma djup, utan hänsyn till krökningen av skallen. Detta är särskilt viktigt att beakta vid extremt laterala koordinater, där skallen kurvor ventralt. Men det finns inga sådana begränsningar av hårdvara, och forskare behöver inte använda den medföljande software. Med rätt förståelse av g-kod, kan användarna skapa operationer från scratch som perfekt matchar konturerna av den specifika skallen som används. Dessutom kan vilket som helst hål som är större än den aktuella biten diameter göras med användning av enkel cirkel interpolation. Rörelse i tre dimensioner är endast begränsas av resor i stereotax, och användarens kunskaper i g-kodning.

Sammanlagt automatisera operationer ger ett antal fördelar för en blygsam kostnad, och som sådan, blir ett allt populärare teknik ^{10, 11.} Men det är viktigt att inse att noggrannheten hos roboten beror på kvalitet bearbetning, rätt inställning, och riktig förståelse av hur CNC-maskiner fungerar. Så länge som forskare är villiga att ta sig tid att förstå hur detta motordrivna stereotaktisk instrument, kan de utföra operationer mer exakt, med bättre reproduktionsförmåga, och med mindre utbildning. Detta gör att integrera en motoriserad stereotaxic instrumenttill experiment ett smart val för alla labb som utför ett stort antal 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.