爱尔兰:研究人员创建了用于神经生理学的开源3D打印机

2020 年 03 月 26 日

研究员Thomas Campbell和James F.X.爱尔兰都柏林大学医学院的Jones都为医学领域创建了一种新的3D打印机,并在最近出版的“低成本,模块化,适应性强且开源的设计和实现”中详细介绍了他们的工作。 XYZ神经生理学定位系统。”


作者已经创建了一个开源系统,该系统可以依靠能够移动传感器或探头的XYZ定位系统针对各种项目进行定制。就像龙门起重机一样,这种新型FDM打印机由标准的Raspberry Pi 3,Arduino Mega,RAMPS 1.4电机护罩和NEMA17双极步进电机运行。框架由20×20毫米铝挤压件组成,该挤压件由3D打印部件制成,并通过托架螺栓连接在一起。此类3D打印机的“输入成本”约为670.20美元。


通过集成Raspberry Pi 3,作者还能够合并开放计算机视觉库(OpenCV),该功能说明该系统与其他XYZ定位系统相比具有独特性。开源机器学习软件库与自动运动配合使用,并且创建者希望它可以改变对机械传导的探索,这是一种感觉神经元将机械刺激转换为电信号的方法。


3D打印机的运动由Arduino Mega控制,而Arduino Mega又由Raspberry Pi 3控制:“以这种主从配置来配置微控制器,可以通过Python3编程语言实现复杂运动范例的自动化。系统的电源取决于预期的使用情况。对于神经生理学,必须使用线性稳压的12 V DC电源来确保低EMI,但对于其他应用而言,12 V DC开关电源就足够了。


坎贝尔(Campbell)和琼斯(Jones)选择普拉(PLA)作为打印部件的材料,使用Prusa i3 MK3在Autodesk Fusion360中对校准立方体进行建模,并声明每个立方体的尺寸用数字卡尺测量了六次。不需要任何制造零件的支撑,所有这些零件的设计都具有最小的悬垂。


 

     XYZ系统接线。 

(A)RAMPS 1.4护板(上)和Arduino Mega(下)。 

(B)RAMPS 1.4防护罩和微步进跳线(顶部)。安装有微步进跳线引脚的RAMPS 1.4shield(底部)。请注意,要为每个步进电机启用1/16微步进,有必要围绕每个电机安装三个跳线。 

(C)A4988步进电机驱动器分别显示(顶部)并安装在RAMPS 1.4护罩上(底部)。 

(D)将LCD屏幕连接到RAMPS 1.4护罩。首先,将智能适配器模块放在RAMPS 1.4屏蔽层末端的引脚上。接下来,应将智能模块上的EXP1和EXP2连接到LCD屏幕背面的相应端口。 (E)可以使用A型公头到B型公头通过USB连接Arduino Mega和Raspberry Pi 3。

(F)将限位开关和步进电机接线至RAMPS 1.4屏蔽层。注意步进电机接线的颜色方向和限位开关接线的突出显示的引脚。10T。坎贝尔(J.F.X.)琼斯/ HardwareX 7(2020)e00098
生成说明包括:
.Y轴滑架总成
.X和Z轴组件
.轴对齐
.电子和接线
.马林固件的准备和上传
.Raspberry Pi 3和OpenCV的设置
.创建基于终端的操作系统


为了在功能性神经生理学应用中使用,作者测试了该机器,以查看它是否能够促进肌肉纺锤体内的机械传导。激活阈值已成功显示:
.伸展距离
.拉伸速度

.拉伸加速

 

 

     拉伸肌梭以研究机械转导。 

(A)来自拉伸的肌肉纺锤体的传入神经活动。每两秒钟将短暂的拉伸脉搏施加到管腔,以引起来自肌肉纺锤体的机械传导。每个刺激脉冲指示拉伸的开始。过滤后的神经活动以蓝色表示,未过滤为绿色。 

(B)机械拉伸激活阈值以拉伸距离,速度或加速度的逐渐增加来评估。对于该过滤单元,观察到的激活阈值为14.0 mms x 1和50 mms x2。拉伸距离,速度或加速度的增加与神经活动的增加有关(Filtered Spike Rate)。 

(C)在(B)中观察到的滤过神经活动的透支表明这是单单位记录。所有数据都记录在Spike2(剑桥电子设计)中。 ENG,神经电图。 (有关此图例中颜色参考的解释,读者可参考本文的网络版本。)18T。坎贝尔(J.F.X.)琼斯/ HardwareX 7(2020)e00098。

 

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