DE102007054317A1

DE102007054317A1 - Stereotaktisches Instrument mit nachgerüsteter Motorsteuerung und PC-Integration in Hirn-Atlanten

Info

Publication number: DE102007054317A1
Application number: DE102007054317A
Authority: DE
Inventors: Alexander Breit
Original assignee: NEUROSTAR GmbH
Current assignee: NEUROSTAR GmbH
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-07
Also published as: DE112008003568A5; WO2009056131A2; WO2009056131A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein stereotaktisches Instrument mit nachgerüsteter digitaler Motoransteuerung und Integration mit rechnergestützten Hirn-Atlanten zur computergesteuerten, Atlas-basierten, motorisierten Positionierung eines Werkzeugs im Gehirn. Diese kostengünstige Lösung ermöglicht eine komfortable Bedienung der Manipulatoren bei gleichzeitig verbesserter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Werkzeug-Positionierung durch den Einsatz der Motorsteuerung. Gleichzeitig werden fortgeschrittene Software-Anwendungen wie Integration digitaler Atlanten oder Einbindung in Experiment-Kontrolloberflächen unterstützt und vorangetrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stereotaktisches Instrument mit nachgerüsteter digitaler Motoransteuerung und Integration mit rechnergestützten Hirn-Atlanten, zur computergesteuerten, Atlas-basierten, motorisierten Positionierung eines Werkzeugs im Gehirn.
Stand der Technik:
Unter der Bezeichnung Stereotaktisches Instrument ist eine Vorrichtung bekannt geworden, mit deren Hilfe ein Werkzeug an einer vorgegebenen Stelle innerhalb eines Körpers plaziert wird. Wesentlich dabei ist, dass der Körper rigide mit einem vordefinierten Koordinatensystem verbunden ist. Unter Körper versteht man einen Körper oder Körperteil in anatomischem Sinne, z. B. das Gehirn. Als Werkzeuge werden insbesondere Elektroden, Nadeln oder Kanülen eingesetzt.
Herkömmliche stereotaktische Instrumente, die in der tierexperimentellen Hirnforschung eingesetzt werden, basieren auf ein kartesisches Koordinatensystem und sind für jede der drei Achsen des x,y,z-Koordinatensystems mit jeweils einem Manipulator ausgerüstet, dessen linearer Vorschub durch manuelle Bedienung eines Handrads erfolgt. Das Werkzeug wird üblicherweise entlang der vertikalen z-Richtung in das Gewebe vorgeschoben.
In der Regel wird zur Ansteuerung der Hirnstrukturen ein Atlas herangezogen. Dieser liefert dreidimensionale Koordinaten für die Hirnstrukturen, die durch ein, üblicherweise kartesisches, Koordinatensystem gegeben sind, das sich an einem oder mehreren anatomischen Merkmalen orientiert. Die Planung der Werkzeugansteuerung erfolgt aufgrund des Atlas, die konkrete Ansteuerung hat jedoch im Koordinatensystem des Stereotaktischen Instruments zu erfolgen. Polare oder zylindrische Koordinatensysteme können gelegentlich zur Anwendung kommen.
Eine Standardausführung eines Stereotaktischen Instruments ist in 1 gezeigt: Dieser besteht aus einer Halterungs Baugruppe (100), einer Manipulator Baugruppe (200), und einer Werkzeug Baugruppe (300). Zur Halterungs Baugruppe (100) gehören Grundplatte (110) und U-Rahmen (120). Dazu werden zur etablierten 3-Punktfixierung des Tieres ein Mundstück (121) und zwei Ohrenstifte (122, 123) eingesetzt. Hinzu kommt ein Sockel (130), der ein Gleiten der x-Manipulatorschiene (140) ermöglicht. Die Manipulator Baugruppe (200) setzt sich aus Drehkreuz (210) mit Klemmschraube (211), horizontalem y-Manipulatorarm (250), vertikalem z-Manipulatorarm (240), verfahrbahrem Block (260) und V-Block (270) zur Befestigung der Werkzeuggruppe (300). Zur Werkzeug Baugruppe (300) gehören Sicherungsklemme (310), Werkzeugschaft (320) und Werkzeughalter (330).
Das Stereotaktische Instrument ermöglich die Fixierung des Versuchstieres und die Positionierung des Werkzeugs in alle 3 othogonalen Richtungen, durch manuelle Steuerung der x,y,z-Manipulatoren.
Die Koordinaten werden von einem Nonius abgelesen, dessen Genauigkeit 0.1 mm beträgt. Die Einstellung der Position erfolgt über ein Drehknopf, wodurch die Präzision der Positionierung nicht garantiert werden kann.
Ein weiterer Nachteil der Stereotaktischen Instrumente dieser Art stellt die Tatsache dar, dass die aktuelle Position von einer Nonius-Skala abgelesen werden muss. Diese Positionsbestimmung wird während eines Experiments häufig durchgeführt. Das Ablesen erfolgt von den drei zueinander orthogonalen Achsen. Dies ist mit erheblichen Aufwand verbunden, wenn man bedenkt, dass solche Versuche unter anderem unter Abzugshauben oder ähnlichen Anordnungen stattfinden können, die ein Ablesen erschweren und Lese- und Übertragungsfehler ermöglichen.
Aus der US 2003/0120282 A1 ist eine verbesserte Ausführung eines Stereotatkischen Instruments bekannt geworden, bei der nachgerüstete lineare Skalen mit Positionssensoren und digitaler Anzeige an einem Standardversion eines Stereotatkischen Instruments angebracht werden. Diese Ausführung ist unter der Bezeichnung Digitaler Stereotaktischer Manipulator bekannt. Ein wesentlicher Vorteil besteht in der sogenannten Null-Setz-Funktion, die eine Kalibrierung der Anzeige vorsieht, so dass die angezeigten Koordinaten nicht mehr die absoluen Koordinaten des Koordinatensystems des Stereotaktischen Instruments darstellen, sondern.
In der US 2007/0055289 A1 wird eine Ausführung beschrieben, die das System durch zwei Rotationssensoren und durch ein Vorschubmodul zur Feineinstellung entlag der z-Achse ergänzt.
Aus der US 2006/0052689 A1 ist eine weitere Verbesserung bekannt geworden, bei der ein Digitaler Stereotaktischer Manipulator die durch o. g. Sensoren ermittelten Koordinaten über eine digitale Schnittstelle an ein Computersystem übertragen, welcher eine direkte Visualisierung dieser Positionsdaten in einem digitalisierten Hirn-Atlas ermöglicht. Die Verbindung des Digitalen Stereotaktischen Manipulators zum Computersystem kann entweder direkt oder über einen programmierbaren logischen Controller (PLC) mit Touch-Screen-Möglichkeit erfolgen. Der Einsatz von Hirn-Atlanten stellt ein gängiges Hilfsmittel in der Hirnforschung dar. Für sämtliche in der Hirnforschung eingesetzten Spezies stehen Atlanten in stereotaktischen Koordinaten zur Verfügung, beispielsweise für Ratte (Rat Brain Atlas, 5th ed., 2004, Paxinos and Watson), Maus (Mouse Brain Atlas, 2nd ed., 2001, Paxinos and Franklin), Affe (Rhesus Monkey Brain Atlas, 1999, Paxinos, Huang and Toga), die sowohl in Druck- als auch in digitaler CD-Version verfügbar sind.
Problem:
Diese Vorrichtungen weisen allesamt nicht unerhebliche Nachteile auf. Insbesondere ist die manuelle Positionierung über Drehknopf unkomfortabel und aufgrund impliziter Limitierung der Feinmotorik hinsichtlich Genauigkeiten und Reproduzierbarkeit eingeschränkt. Ferner ist eine aktive Integration in übliche Experimentieroberflächen, die über das passive Einlesen von Positionierungsdaten und deren Visualisierung in Atlasschnitten hinausgehen, nicht möglich. Die Anwahl einer Zielposition und die anschliessende gezielte Ansteuerung unter automatisierten anwenderunabhängigen Bedingungen ist mit den bisher verfügbaren Anordnungen nicht durchzuführen.
Lösung:
Es ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Die Kernidee der Erfindung ist die Nachrüstung eines Stereotaktischen Instruments mit einer digitalen Motoransteuerung mit dem Ziel einer aktiven, direkt Atlas-basierten, computergesteuerten, motorisierten Positionierung eines Werkzeugs im Gehirn.
Sämtliche Vorteile der vorbeschriebenen Ausführungen im Vergleich zur Standardausführung des Stereotaktischen Instruments sind auch durch die vorliegenden Erfindung gegeben, so dass im folgenden nur die zusätzlichen Vorteile erörtert werden.
Wesentlicher Vorteile der Erfindung sind eine komfortablere Bedienung der Manipulatoren bei gleichzeitig verbesserter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Werkzeug-Positionierung durch den Einsatz der Motorsteuerung anstelle der manuellen Bedienung (2, 3, 4). Eine praktikable Ausführung sieht Schrittmotoren vor, mit beispielsweise 24 Schritte/Motorumdrehung, sowie einem Motorgetriebe mit einer Untersetzung von ca. 100:1. Bei einer Steigung der Gewindespindel von 0.2 Zoll/Umdrehung ergibt sich eine Positionierungsgenauigkeit von ca. 2 μm. Die Motoren werden von einem Controllermodul angesteuert, welcher über eine USB-Schnittstelle an einen Laptop-Computer angeschlossen ist.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Nachrüstung eines vorbestehenden Stereotaktischen Instruments, was eine kostengünstige und sinnvolle Erweiterung des Anwendungsspektrums darstellt.
Eine vorteilhafte Ausführung, sieht eine vereinfachte Alternative vor, bei der die Computeransteuerung durch einen programmierbaren Mikrocontroller mit digitaler Eingabemöglichkeit ersetzt wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass über die Software-Integration des Hirn-Atlas eine aktive, Atlas-basierte Positionierung des Werkzeugs unter optimaler Visualisierung möglich ist (5).
Die Anwahl einer Zielposition und die anschliessende gezielte Ansteuerung unter automatisierten, anwenderunabhängigen Bedingungen wird aufgrund der Erfindung erstmalig realisierbar.
Eine praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass gemäß Anspruch 3 eine Integration des Stereotaktischen Instruments in allgemeine tierexperimentelle Softwareapplikationen ermöglicht wird (6). Applikationen dieser Art sind beispielsweise elektrophysiologische Anwendungen oder Injektionsexperimente.
Vorteilhaft kann ein modifiziertes konstruktives Design eines Stereotaktischen Instruments mit bereits integrierter Motoransteuerung darstellen, bei der beispielsweise eine geringere Steigung der Gewindespindel der Manipulatoren zu einer verbesserten Genauigkeit der Positionierung führt.
Um das Einsatzgebiet der Erfindung zu erhöhen, erstreckt sich diese auch auf Stereotaktische Instrumente, die auf alternative polare oder zylindrische Koordinatensysteme basieren.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels:
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Standardausführung eines Stereotaktischen Instruments
2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eines Stereotaktisches Instruments mit nachgerüsteter digitaler Motoransteuerung
3 eine detaillierte Zeichnung des x-Manipulators gemäß Erfindung
4 eine detaillierte Zeichnung der y- und z-Manipulatoren gemäß Erfindung
5 eine coronales Atlasschnittbild welche die Atlas-basierte Positionierung der Werkzeugspitze und deren Visualisierung darstellt.
6 eine beispielhafte Softwareapplikation zur Kontrolle und Management eines elektrophysiologischen Experiments, bei der die erfindungsgemäße Atlas-basierte Motoransteuerung in die Gesamtanwendung integriert ist.
Die in 1 dargestellte Standardausführung eines Stereotaktischen Instruments wurde bereits im Abschnitt Stand der Technik erläutert.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eines Stereotaktisches Instruments mit nachgerüsteter digitaler Motoransteuerung. Im Vergleich zur Standardausführung aus 1 lassen sich folgende Ergänzungen hervorheben: als Nachrüstung für den x-Achsen-Manipulator den Aufsatz Motoransteuerung (150), Motorstecker (155), Motorkabel (156), als Nachrüstung für den y-Achsen-Manipulator den Aufsatz Motoransteuerung (290), Motorstecker (295), Motorkabel (296), als Nachrüstung für den z-Achsen-Manipulator den Aufsatz Motoransteuerung (280), Motorstecker (285), Motorkabel (286). Die übrigen Bezeichnungen entsprechen denen aus 1. Nicht dargestellt sind die Werkzeug Baugruppe, das Controllermodul für die 3 Motoren mit Netzteil und USB-Kabel, sowie der Laptop-Computer mit integriertem, digitalisiertem Atlas.
3 zeigt ein Detail des Ausführungsbeispiel der Erfindung, den x-Manipulator betreffend. Der x-Manipulator besteht aus einem Sockel (130), der ein Gleiten der x-Manipulatorschiene (140) ermöglicht. Die x-Manipulatorschiene (140) setzt sich aus Gleitschiene (147), Gewindespindel (142), Buchse (145), Endstück (146), einem Paar Federscheiben (143a, b) und einem Paar Kunsstoffscheiben (144a, b), sowie aus einem Drehknopf (141), der erfindungsgemäß mit der x-Motoransteuerung ausgetausscht wird. Die Montage der x-Motoransteuerung setzt sich aus folgenden Schritten zusammen: Entfernung des Drehknopfs (141), Verbindung der Gewindespindel (142) mit dem Motor mit integriertem Getriebe für die x-Achse (151) über eine Kupplung (nicht gezeigt) nach erfolgter Vorspannung, Anbringen des Aufsatzes (150, 2) dessen Fixierung sowohl an Motor (151) als auch an das Endstück (146).
4 zeigt ein Detail des Ausführungsbeispiel der Erfindung, die y- und z-Manipulatorarme betreffend. Der z-Manipulatorarm (240) setzt sich aus Gewindespindel (242), Buchse mit Innengewinde (245), Endstück (246), Noniusstange (247), Stabilisierungsstange (248), einem Paar Federscheiben (243a, b) und einem Paar Kunsstoffscheiben (244a, b), sowie aus einem Drehknopf (241), der erfindungsgemäß mit der z-Motoransteuerung ausgetausscht wird. Die Montage der z-Motoransteuerung setzt sich aus folgenden Schritten zusammen: Entfernung des Drehknopfs (241), Verbindung der Gewindespindel (242) mit dem Motor mit integriertem Getriebe für die z-Achse (281) über eine Kupplung (nicht gezeigt) nach erfolgter Vorspannung, Anbringen des Aufsatzes (280, 2) dessen Fixierung sowohl an Motor (281) als auch an das Endstück (246). Der y-Manipulatorarm (250) setzt sich aus Gewindespindel (252), Buchse mit Innengewinde (255), Endstück (256), Noniusstange (257), Stabilisierungsstange (258), einem Paar Federscheiben (253a, b) und einem Paar Kunsstoffscheiben (254a, b), sowie aus einem Drehknopf (251), der erfindungsgemäß mit der y-Motoransteuerung ausgetausscht wird. Die Montage der y-Motoransteuerung setzt sich aus folgenden Schritten zusammen: Entfernung des Drehknopfs (241), Verbindung der Gewindespindel (242) mit dem Motor mit integriertem Getriebe für die y-Achse (281) über eine Kupplung (nicht gezeigt) nach erfolgter Vorspannung, Anbringen des Aufsatzes (280, 2) dessen Fixierung sowohl an Motor (281) als auch an das Endstück (246). Abgebildet sind noch der verfahrbare Block (260) und der V-Block (270), der zur Montage der Werkzeug Baugruppe dient.
5 zeigt ein coronales Atlasschnittbild welche die Atlas-basierte Positionierung der Werkzeugspitze und deren Visualisierung wiederspiegelt. In diesem Anwendungsbeispiel befindet sich die Werkzeugspitze an der x,y,z-Position (–3.6, 1.8, 5.8), wie aus den Atlasbildern ersichtlich.
6 zeigt eine beispielhafte Softwareapplikation zur Kontrolle und Management eines elektrophysiologischen Experiments, bei der die erfindungsgemäße Atlas-basierte Motoransteuerung in die Gesamtanwendung integriert ist. In einem Atlasausschnitt (600) wird die Position der Elektrode (Werkzeug) (710) visualisiert, sowie die bisherigen Zwischenpositionen im Verlauf des Experiments. Die Tiefenangabe (z-Koordinate) wird nochmal als Skaleneintrag (720) und als Zahlenwert (730) dargestellt. Des Weiteren wird das Signal (750) abgebildet, welches von der Elektrode an der genannten Position abgeleitet wird. Die Motoransteuerung (760) erfolgt komfortabel über die Pfeiltasten-Schaltflächen (761a, 761b), die Motorschrittweite (762) kann ebenfalls komfortabel angewählt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2003/0120282 A1 [0009]
- US 2007/0055289 A1 [0010]
- US 2006/0052689 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Rat Brain Atlas, 5th ed., 2004, Paxinos and Watson [0011]
- Mouse Brain Atlas, 2nd ed., 2001, Paxinos and Franklin [0011]
- Rhesus Monkey Brain Atlas, 1999, Paxinos, Huang and Toga [0011]

Claims

Stereotaktisches Instrument mit nachgerüsteter digitaler Motoransteuerung zur computergesteuerten, motorisierten Positionierung eines Werkzeugs im Gehirn.
Stereotaktisches instrument nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Integration mit rechnergestützten Hirn-Atlanten zur Atlas-basierten, aktiven Positionierung eines Werkzeugs im Gehirn.
Stereotaktisches Instrument nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die zusätzliche Integration in eine allgemeine tierexperimentelle Softwareapplikation, beispielsweise bei elektrophysiologischen Messungen oder bei Injektionen.
Stereotaktisches Instrument nach Anspruch 1, wobei die Computeransteuerung durch eine vereinfachte Ansteuerung über einen programmierbaren Mikrocontroller mit digitaler Eingabemöglichkeit ersetzt wird.
Stereotaktisches Instrument nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nicht eine nachgerüstete Motoransteuerung besitzt, sondern bereits konstruktiv mit integrierter Motoransteuerung ausgestattet ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es nicht auf einem kartesischen Koordinatensystem basiert, sondern mit alternativen (polaren oder zylindrischen) Koordinatensystemen arbeitet.