Yöntem makalesi

Bir Açık kaynak Robotik Stereotaksik Enstrüman Bina

DOI:

10.3791/51006

⸱

29 Ekim 2013

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

Bu makalede

Özet

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

Bu protokol, mevcut bir stereotaksik aleti robotik (bilgisayar, sayısal kontrollü; CNC) yaklaşık 1.000 $ 'lık stereotaksik alet (matkap hariç).

Özet

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

Bu protokol endüstri standardı step motorları ve CNC kontrol yazılımı kullanarak, yaklaşık 1.000 $ (matkap hariç) için bir robot (CNC) stereotaksik alet varolan stereotaksik enstrüman yükseltmek için gerekli tasarım ve yazılım içerir. Her eksen değişken hız kontrolü vardır ve aynı anda veya bağımsız çalıştırılabilir. Robotun esneklik ve açık kodlama sistemi (g-kodu) ticari sistemleri tarafından desteklenmeyen özel görevleri yetenekli olun. Uygulamaları, matkap delikleri, keskin kenar kraniyotomi, kafatası incelmesi ve düşürücü elektrotlar ya da kanül arasında, ancak bunlarla sınırlı değildir. Basit ameliyatlar için g-kodlama yazma hızlandırmak amacıyla, bireylerin hiçbir programlama bilgisine sahip bir cerrahi tasarlamak için izin özel komut geliştirdik. Ancak, motorlu stereotaksi dışında en iyi şekilde kullanıcılar için, matematiksel programlama ve G-Kodlama (basit prog bilgili olması faydalı olacaktır) CNC işleme için sıkıştırma.

Önerilen matkap hızı 40.000 rpm daha büyüktür. Step motor çözünürlüğü 0,346 ° / Adım yönelik 1.8 ° / Step, olduğunu. Standart stereotaksi 2.88 mm / adım çözünürlüğe sahip. Önerilen maksimum kesme hızı 500 mm / sn 'dir. Önerilen maksimum koşu hızı 3,500 mm / sn 'dir. Önerilen maksimum matkap boyutu HP 2'dir.

Giriş

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

Stereotaktik kemirgen cerrahi hasraı 1, iyontoforez 2, mikrotel implantasyon 3, stimülasyon 4, ve ince kafatası görüntüleme 5 dahil nörobilim uygulamalar geniş bir yelpazede kullanılmaktadır. Ancak, doğru stereotaktik ameliyat için dik bir öğrenme eğrisi ve insan hatası, yüksek olasılık içeren bu teknikleri uygulamak isteyenler karşıya önemli engeller vardır. İnsan hata ölçüm ve hesaplama arızaları, hem de insan hareketlerinin düşük doğruluk ve tekrarlanabilirliğini içerir. Bu karıştırıcı hataları azaltmak için bir çaba, stereotaktik cerrahlar tüm cerrahi işlemler denekler genelinde aynı yerine getirilmesini sağlayan bir sistemden yararlanacak. Hatalarının azaltılması da araştırmacılar hayvan deneklerin kullanımını hayvan deney için 6 Ulusal Sağlık Enstitüleri birincil hedefi en aza indirmek mümkün kılan bir yöntemdir. İdeal bir dünyada, tüm stereotactic ameliyatları deneyler içinde mükemmel tekrarlanabilir olması ve laboratuarları arasında olacaktır. Bu sorunu çözmek için, şirketlerin ölçümleri okumak için yeni ultra-hassas stereotaxics ve dijital görüntüler geliştirdik. Insan hareketi hataları kaldırmak için, motorlu mikro manipülatörler ve stereotaxics ticari olarak üretilen, ancak yüksek maliyet sınırlı bir bütçe ile bir laboratuvara engelleyici olabilir. Ayrıca, kendi yazılım tamamen özel ve yeni bir cerrahi türü karşılamak için araştırmacı tarafından değiştirilemez.

Insan hatası soruna uygun bir çözüm endüstri standardı CNC ekipman kullanarak, bir laboratuvar mevcut model bir robot stereotaksi inşa etmektir. Çünkü gelişen CNC hobi topluluğu, malzemeleri daha az pahalı bilimsel ekipman daha vardır. Bu da son derece esnek ve ucuz bir doğru CNC steryotaksik enstrüman, oluşturmanıza olanak verir. CNC işleme ve G-Code, individu temel bilgilere sahipals tescilli yazılım sınırlamaları olmadan, onlar hayal herhangi stereotaktik cerrahi programlayabilir. Ve, basit ameliyatlar için g-kod üretimini hızlandırmak için, bu protokol kullanıcı açısından içinde ameliyatları (keskin kenar kraniotomi, ince kafatası pencere, delik delme ve implant düşürücü) tasarım ve menüleri tıklayın sağlar yazılım içerir. Bu programlar çıktı CNC yazılımı doğrudan çalıştırılabilir olabilir tamamlanmış bir g-kodu.

Tüm, motorlu stereotaksik yükseltme bir açık kaynak platformu esneklik ve düşük maliyetli korurken, ameliyatları doğruluğu ve tekrarlanabilirliği artan bir ilgi var olanlar için idealdir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kabloları sürücü kartıyla birlikte verilen konektörlere vidalayarak bipolar step motorları bağlayın. Bipolar step motorlardaki tel renkleri standartlaştırılmıştır (Şekil 1).
    Not: Açıklanan step motorlar, 0,346°/adım'a dişli, 1,8°/adım çözünürlüğe sahiptir. Standart bir stereotax 3 mm / 360 ° hareket mesafesine sahiptir. Son çözünürlük 2.88 μm/adımdır. Motorlar ayrıca fraksiyonel adımlama yeteneğine de sahiptir.
    1. Yeşil kabloyu A+'ya bağlayın, siyah kabloyu A-'ya bağlayın, kırmızı kabloyu B+'ya bağlayın ve mavi kabloyu B-'ye bağlayın.
  2. Montaj deliklerini hizalamaya dikkat ederek kuplörleri step motorların üzerine kaydırın ve 12x M3 Soket Başlı Vidalar (20 mm) kullanarak sabitleyin (Şekil 2).
    1. Kuplörlerin motorlara sıkıca takıldığından emin olun.
      Not: 3D modeller iş parçacığı içermez. Parçalar diş boyutu ile etiketlenmiştir, ancak üretildikten sonra kılavuz çekilmeleri gerekir.
  3. Küçük bir altıgen anahtar kullanarak stereotaksik aletin 3 ekseninin tümündeki başparmak tutamaklarından ayar vidalarını çıkarın. Başparmak kulpları dişlidir, bu nedenle çıkarmak için saat yönünün tersine çevirin. PTFE rondelalarını kol üzerinde yerinde tutun (Şekil 3).
  4. Bileziklerin dişli ucunu stereotaksik aletin kollarının dişli çubuklarına vidalayın (Şekil 3).
    1. Bilezikler ve PTFE O-ringler arasında boşluk olmadığından emin olun. Bu, robot yön değiştirdiğinde koordinatların korunmasını garanti eder.
    2. 3x NF10-32 (1/4 inç) fincan nokta ayar vidaları kullanarak bilezikleri stereotaksik kolların dişlerine sabitleyin.
    3. Her motoru ve kuplörü bileziklerin ve stereotaksik kolların üzerine kaydırın. Motorların kollarla aynı hizada oturduğundan ve manşonlardaki ayar vida deliklerinin motor millerinin düz kısmı ile aynı hizada olduğundan emin olun (Şekil 4).
    4. Montaj deliklerini ve 6x NF10-32 (1/2 inç) fincan nokta ayar vidalarını kullanarak kuplörleri stereotax'a sabitleyin (Şekil 4).
    5. 3x NF10-32 (1/4 inç) ayar vidalarını kullanarak bilezikleri motor millerine sabitleyin (Şekil 4).
  5. Kontrolör pinlerinin her birini yarım adıma ayarlayarak CNC sürücü kartını hazırlayın.
    Not: Bu step motor sürücüsü, açıkta kalan bir devre kartı olarak gelir. Gerekli olmasa da bir dava inşa edilebilir. Ayrıca, bir dizi farklı bipolar step motor sürücüsü kullanılabilir. Öyleyse, satın alınan belirli anakart için kurulum talimatlarına uyulduğundan emin olun.
    1. Step motor başına 6 pimin tümünü aynı şekilde hizalayın. Yarım adımlama, adım çözünürlüğünün Derece/adım cinsinden iki katına çıkarılmasına olanak tanır (Şekil 5).
    2. Pim 1'i açık konuma, pim 2'yi kapalı konuma, pim 3'ü açık konuma, pim 4'ü kapalı konuma, pim 5'i açık konuma ve pim 6'yı kapalı konuma çevirin (Şekil 5).
  6. Motorları (X - Y - Z) 12 V güç kaynağı ile birlikte step motor sürücüsüne takın. Doğru yerleşim sürücü üzerinde işaretlenmiştir. Ayrıca, step sürücüyü bir DB25 kablosu kullanarak bir bilgisayarın seri bağlantı noktasına bağlayın (Şekil 6).
  7. Varsayılan talimatları izleyerek CNC freze yazılımını kişisel bir bilgisayara kurun (bunun cerrahi bir alana yerleştirilmesi gerekir). Kurulduktan sonra, yapılandırmaya başlamak için yazılımı açın.
    1. Yazılımı step motorlarla iletişim kuracak şekilde yapılandırın.
      Not: Aşağıdaki talimatlar yalnızca TB6560 step motor sürücüsü ile kullanılmak üzere tasarlanmıştır.
    2. Yazılımın menülerini aşağıdaki gibi tıklayın. →Config→ bağlantı noktalarını ve pinleri→çıkış sinyallerini açın. Şekil 7 ile eşleşmesi için istemi doldurun ve uygula'ya basın.
    3. Yazılımın menülerini aşağıdaki gibi tıklayın. Açık→Yapılandırma→Bağlantı Noktaları ve Pimler→Giriş Sinyalleri. Şekil 8 ile eşleşmesi için istemi doldurun ve uygula'ya basın.
    4. Yazılımın menülerini aşağıdaki gibi tıklayın. Açık→Yapılandırma→Bağlantı Noktaları ve Pimler→Motor Çıkışları. Şekil 9 ile eşleşmesi için istemi doldurun ve uygula'ya basın.
    5. Yazılımın menülerini aşağıdaki gibi tıklayın. Açık→Config→Motor ayarı. Şekil 10 ile eşleşmesi için istemi doldurun ve Eksen Ayarlarını Kaydet'e tıklayın. Aynı değerleri kullanarak 3 eksenin tümü için önceki adımı tekrarlayın.
  8. Stereotax'ı CNC yazılımının ölçeğine göre kalibre edin.
    Not: Yazılım, standart freze makineleri için tasarlanmıştır, bu nedenle ölçü birimi, stereotaksik bir aletin hareketiyle orantılı olmayacaktır.
    1. Motorların hızını dakikada 1 inç'e ayarlayın ve stereotaksik aletin Z eksenini PgUp/PgDn ile en yakın milimetreye "hareket ettirin".
      Not: Önerilen maksimum koşu hızı 3.500 μm/sn ve önerilen maksimum kesme hızı 500 μm/sn'dir.
    2. Z eksenini sıfırlayın ve stereotaksik aleti 1 mm hareket ettirin. Mach3'te Z ekseninde kat edilen mesafe "Ölçekleme Sabiti" dir. Makine koordinatları, kafatası koordinatlarının (mm) "Ölçekleme Sabiti" ile çarpılmasıyla belirlenir.
    3. Bilinen bazı mesafeleri kat edecek şekilde programlayarak 3 eksenin tümünün rastgele testlerini gerçekleştirin ve hareketlerin doğru olduğundan emin olun. Stereotax hareketi çok uzak veya kısaysa, ölçeklendirme sabitini buna göre değiştirin.
      Not: Ölçeklendirme tamamlandıktan sonra, dahil edilen özel komut dosyaları ameliyatlar için g kodu oluşturmak için kullanılabilir. Bununla birlikte, kullanıcıların ameliyatları otomatik olarak oluşturmaya çalışmadan önce g koduna aşina olmaları önemle tavsiye edilir. Bu, otomatik ameliyatlarda sorun giderme ve değiştirme için zorunludur.
  9. Ekstra büyük prob tutucuyu kullanarak mikro motorlu matkabı stereotaksik alete takın. Not: Önerilen minimum matkap ucu hızı 40.000 rpm'dir.
  10. 3 kafatası vida deliği ile keskin kenar kraniyotomi için otomatik G Kodu oluşturun.
    1. Yazılım tablosundaki tüm özel komut dosyalarını bilgisayardaki tek bir klasöre yerleştirin.
    2. "SharpEdgeCraniotomy.m" komut dosyasını açın ve kodu çalıştırın.
    3. "Ne Tür Bir Ameliyat Yapacaksınız?" (Şekil 11) istemi için Her İkisi'ni de seçin.
    4. Kafatası penceresinin köşelerini tanımlamak için Özel'i seçin. Her istemi Şekil 12 ile eşleşecek şekilde doldurun.
    5. Kraniyotomi köşelerinin X ve Y konumlarını tanımlayın. Şekil 13'teki örneğe göre her koordinat doğru sırayla girilmelidir.
    6. 3 kafatası deliği oluşturmak için komut istemine 3 girin (Şekil 14).
    7. Koordinatları Kullanarak Tanımla'yı seçin ve şablondan her bir deliğin koordinatlarını Şekil 15.
      Not: Kesin koordinatlar önemli değilse, deliklerin konumlarını bir sıçan kafatası görüntüsüne işaret etme ve tıklama seçeneği vardır. Pozisyonlar otomatik olarak oluşturulacaktır.
    8. Delme parametrelerini tanımlayın. İlk test ameliyatı için varsayılan değerleri kabul edin.
      Not: Bu değerler step motorlara ve hayvanın kafatasına bağlıdır. Her sıçan ırkı ve hedef konumu biraz farklı bir kafatası kalınlığına sahiptir. Bu cihazı kullanan ilk birkaç ameliyat için, delme derinliklerini test etmeye ve kalan kafatası parçalarını manuel olarak çıkarmaya hazır olun. Değerler daha sonra gelecekteki ameliyatlar için değiştirilebilir (Şekil 16).
    9. G kodunu adlandırın; otomatik olarak oluşturulacak ve çalışma dizinine kaydedilecektir.
  11. G kodunu CNC freze yazılımına ve bir test kafatasını stereotaksik aletlerin kulak çubuklarına yükleyin.
    1. Ok tuşlarını kullanarak matkap ucunu manuel olarak Bregma'ya doğru hareket ettirin. Doğruluğu sağlamak için yavaş bir koşu hızı (~ 5 inç / m) kullanın.
    2. Matkap ucunu 38.000 rpm'den daha yüksek bir hızda döndürmeye başlayın.
    3. CycleStart tuşuna basın; stereotax, aynı kesimin farklı derinliklerde birçok geçişini gerçekleştirecektir. Her geçiş arasında, stereotax duraklayacaktır, böylece cerrah kesmeye devam edebilir veya kesmeyi durdurabilir. Geçişleri kesmeye devam etmek için Döngüye Devam Et (Alt-R) düğmesine basın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Yöntemlerde tasarlanan ameliyatın sonucu, keskin kenarlı bir kraniyotomi olan bir sıçan kafatası ve 3 kafatası deliği olacaktır (Şekil 17). Ameliyatı göstermek için kullanılan kafatasının, prototipik sıçan kafatasından çok daha geniş olduğuna dikkat edin. Keskin kenarlı kraniyotomi, yüksek yoğunluklu nöral kayıtlar için beyne bir mikrotel dizisi yerleştirmek için kullanılabilir. CNC stereotax, diziyi büyük bir hassasiyetle düşürmek için de kullanılabilir. Bu protokole, cerrahın bir mikrotel veya kanül dü...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Otomatik cerrahi ekipmanlarının kullanılması, sinirbilim araştırmalarında en yaygın sorunlardan bazılarının ortadan kaldırılmasına yardımcı olur. İlk olarak, takım yolları %100 tekrarlanabilir. Her kesimin Bregma'ya göre aynı konumda olması garanti edilir. İkincisi, deneyci hatasını azaltmalıdır. Birçok araştırmacı çok yetenekli cerrahlar olmasına rağmen, yetkin bir cerrah olmak için bile olağanüstü miktarda pratik yapmak gerekir. Bu cihaz, yeni öğrencilerin son derece hassas ameliyatları hızlı ve kolay bir şekilde gerçe...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarların açıklayacak rakip mali çıkarları yoktur.

Teşekkürler

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

Bu çalışma, Ulusal Uyuşturucu Bağımlılığı Hibeleri Enstitüsü DA 006886 ve DA 032270 tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1x Standart U Çerçeve StereotaxKopfKopfBu protokol mevcut stereotaksik cihazların çoğuyla çalışmalıdır.
3x 12 V, 1.6 A, 233 oz-inç Dişli Bipolar Step MotorPhidgetsRobot Shop>Herhangi bir yüksek torklu dişli step motor yapmalıdır. 
1x 3 Eksen CNC Step Motor Sürücü Kartı DenetleyicisiToshibaEbayHerhangi bir 3 Eksenli CNC sürücüsünün yapması gerekenler. Bağlantılı Öğe, Mach3 CNC yazılımını içerir.
2x Kol Kuplörleri: medial-lateral (ML) ve dorsal-ventral (DV)özel işlenmiş Parça ÇizimleriBunlar yerel makine atölyeniz tarafından işlenmelidir. (maliyetler değişecektir)
1x ön-arka (AP) Ataşman Değiştiriciözel işlenmişParça ÇizimleriBunlar yerel makine atölyeniz tarafından işlenmelidir. (maliyetler değişecektir)
3x Motordan Stereotax Yakayaözel işlenmişParça ÇizimleriBunlar yerel makine atölyeniz tarafından işlenmelidir. (maliyetler değişecektir)
View in Browser
12x NF10-32 Fincan Nokta Ayar VidalarıMcMaster Carr½ ” UzunlukHer birinden 6 tanesine ihtiyacınız olacak.
¼ ” Uzunluk
12x M3 Soket Başlı Vidalar (20 mm)McMaster Carr20mm UzunlukHer motor için 4 adet ihtiyacınız olacak
1x Mikro Motorlu Matkap Buffalo DentalX50Herhangi bir Mikromotor matkabı çalışacaktır.  En az 38.000 rpm önerilir
1x 12 V DC Güç Kaynağı12 Volt Adaptörler12v DC – 7 AmpHerhangi bir 12 V DC PSU çalışmalıdır (amper değerinin motorların amper toplamından daha yüksek olduğundan emin olun).
1x Ekstra Büyük Prob TutucuStoeltingStoelting
1x B Sınıfı Sıçan KafatasıKafatasları SınırsızSkulls Unlimited
Mach 3 DeğirmenArtSoft USAa href="http://www.machsupport.com/ccount/click.php?id=1">Deneme Sürümünü İndirmeHerhangi bir Standart CNC kontrol yazılımı çalışmalıdır.
Cerrahi TasarımcıKevin Coffey David BarkerMATLAB File ExchangeBu kodlar değiştirilebilir. Kodu kullanımınız veya değiştirmeniz için hiçbir sorumluluk kabul etmiyoruz.
<

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

CNC Stereotaksik Y kseltmeA k Kaynak N rocerrahiStep Motor KontrolG Kodu retimiStereotaksik KalibrasyonKraniyotomi OtomasyonuKemirgen N rocerrahisiMotorize StereotaksCNC Frezeleme Yaz l m

İlgili makaleler