CN101779987A - 急性脊髓损伤动物模型建模打击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种急性脊髓损伤动物模型建模打击器，其特征在于，包括支架、杠杆、导轨、探针和用于驱动杠杆的继电装置；杠杆的支点设置在支架上；杠杆的一端设置有吸盘；另一端与探针的上端相连；继电装置与导轨均沿垂直方向固定在支架上；继电装置位于吸盘的上方；探针沿着垂直方向设置在导轨中；导轨上端与探针的上端之间设有回位弹簧；所述的继电装置包括多匝线圈和一个铁芯；铁芯插装在所述的多匝线圈中；多匝线圈的接线端接外部电路的可控电流输出接口。该打击器打击力度和时间可控，打击位置更加准确、打击操作的可重复性强。

Description

急性脊髓损伤动物模型建模打击器

技术领域

本发明涉及一种急性脊髓损伤动物模型建模打击器。

背景技术

脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)致残率很高，其治疗迄今仍无突破性进展。可靠的SCI模型对于阐明其病理生理机制和评价损伤后干预手段的效果非常关键。

机械性脊髓损伤动物模型主要有重物坠击伤模型，切割或吸除伤模型，夹伤、压迫伤模型。重物坠击伤模型由于在损伤的生理学反应和继发损伤的病理生理学方面更接近于人的脊髓损伤，加上大量的已发表经验使其成为现在评估急性脊髓损伤处理策略时最常用的动物模型之一。

建立理想的脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)动物模型，是进行SCI及再生研究的前提，也是研究能否成功的关键因素之一。临床相似性、可调控性和可重复性常作为理想的SCI动物模型的标准。然而由于SCI的复杂性，自艾伦(Allen)1911年首次采用重物坠击(weight-dropping，WD)研制出SCI实验动物模型以来，人们已研制出多种SCI模型，如挫伤、夹压伤、切割伤、低温伤、热损伤、化学损伤、激光损伤、电磁装置损伤及缺血性损伤等，但各种模型各有优缺点，仅能各自侧重反映SCI的某一方面的特点，采用何种动物模型应该取决于实验目的。

目前国内外科研机构一般沿用传统的重物坠击法，但重物坠击法存在着诸多缺陷，例如：在致伤瞬间，脊柱与脊髓的不稳定导致SCI不对称及损伤区大小有差异，探头与脊髓接触时间无法控制；实验动物的种类和个体大小影响相同撞击能量所造成SCI程度；重物坠击脊髓后未及时移开，造成不同程度的脊髓压迫伤，坠击后反弹造成二次乃至多次打击；撞杆类型、坠落的高度、重量及附于硬脊膜上的承垫物都会影响SCI程度。

1911年，艾伦(Allen)采用重物坠击(Weight-dropping，WD)法首次在实验动物上成功复制出脊髓损伤模型。该法最严重的技术问题是下落重物坠击脊髓的时间往往不一致，有时甚至存在持续或反复挫伤情况，脊柱和脊髓的不稳定及脊髓的侧向偏移，导致脊髓损伤不对称，损伤后的大小亦不恒定，这样动物瘫痪症状的有无、严重程度及持续时间均有差别。

为了克服上述缺点，近年来许多国内外学者对WD法进行改良：弗里曼(Freeman)和怀特(Wright)将一个二甲基丙烯酸材料的撞杆植入玻璃管的末端，撞杆的脊髓端呈凹面，与脊髓外形相吻合，将带有撞杆的玻璃管直立在狗脊髓的背面，一个已知重量的物体沿玻璃管自由落下，撞击撞杆，造成脊髓分级损伤。

福特(Ford)在Freeman-Wirght法的基础上又做了进一步改良：当重物沿铜管落下，撞击撞杆后，立即被磁体吸开，脱离撞杆，从而避免了以往那样重物连续碰撞或持续压迫脊髓的情况，从而减少了模型之间的差异。

布雷斯汉(Bresnahan)等设计了更加精细的打击系统。在打击杆上安装位移、力量传感器，利用专门软件，借助电子计算机。在打击脊髓过程中通过负反馈系统随时调节打击的力量，保证同组动物之间承受打击量的一致性。消除了动物间由于脊髓表面物理学特性差异所产生的误差。

格鲁勒(Gruner)提出了损伤监测模型(Monitored Contusion Model)，法尔科内(Falcone)等改良的WD仪等等，以及国内胡侦明、劳汉昌等在脊髓背侧垫以圆形薄铜片(直径3mm)将25g铜制重物以25cm高处落下，撞击薄铜片，制作大鼠完全性截瘫模型，李明、叶晓健等人在硬膜的表面垫一曲度与脊髓表面一致的塑料垫片，将砝码在玻璃试管引导下以某一高处垂直落下，打击垫片致脊髓损伤。

然而，以上这些打击方法没有被国内外广大科研机构所广泛应用。高额的运营费用、复杂的打击过程成为这些打击方法被束之高阁的根本原因。

另外，如图1所示，传统电磁继电装置的吸合运动可产生触头的弧线运动，这显然非打击器打击的理想动作。为此，如何将弧线运动转换成垂直直线运动，成为该模型设计的关键所在。

对于传统打击设备，应用传统重物坠击法以质量为20g的打击棒在不同高度实施打击：12.5mm组(A组)，25mm组(B组)，50mm组(C组)作为对照组进行打击。其打击力度用冲量表示，分别为：

$I=F\·t=\mathrm{mgt}=\mathrm{mg}\sqrt{\frac{2h}{g}}$ (式1.1)

m为打击棒的质量，g为重力加速度，h为打击棒定位的高度。

A组：

$I_1=\mathrm{mg}\sqrt{\frac{2h}{g}}=20g\×9.8N\·{\mathrm{kg}}^{-1}\×\sqrt{\frac{2\×12.5\×{10}^{-3}m}{9.8m\·s^{-2}}}=9.899\×{10}^{-3}N\·s$ (式1.2)

B组： $I_2=\mathrm{mg}\sqrt{\frac{2h}{g}}=20g\×9.8N\·{\mathrm{kg}}^{-1}\×\sqrt{\frac{2\×25{\×10}^{-3}m}{9.8m\·s^{-2}}}=1.4\×{10}^{-2}N\·s$

(式1.3)

C组： $I_2=\mathrm{mg}\sqrt{\frac{2h}{g}}=20g\×9.8N\·{\mathrm{kg}}^{-1}\×\sqrt{\frac{2\×50\×{10}^{-3}}{9.8m{\·s}^{-2}}}=1.980\×{10}^{-2}N\·s$

(式1.4)

三组之间的关系是：考虑到释放打击棒时产生的偏差以及打击棒坠落时与引导管之间摩擦的影响，每次实验实际打击力度会有不同差异。

发明内容

本发明要解决技术问题是提供一种急性脊髓损伤动物模型建模打击器，该打击器打击力度和时间可控，打击位置更加准确、打击操作的可重复性强。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种急性脊髓损伤动物模型建模打击器，其特征在于，包括支架、杠杆、导轨、探针和用于驱动杠杆的继电装置；杠杆的支点设置在支架上；杠杆的一端设置有吸盘；另一端与探针的上端相连；继电装置与导轨均沿垂直方向固定在支架上；继电装置位于吸盘的上方；探针沿着垂直方向设置在导轨中；导轨上端与探针的上端之间设有回位弹簧；所述的继电装置包括多匝线圈和一个铁芯；铁芯插装在所述的多匝线圈中；多匝线圈的接线端接外部电路的可控电流输出接口。

在支架上还设置有导航装置；所述的导航装置由安装在导轨两侧的2个激光导航灯组成；2个激光导航灯发出的激光形成的交汇点位于导轨和探针的下方。

探针与杠杆的一端通过螺纹连接。

本发明的有益效果：

本发明采用电磁继电装置将电能转化为磁场能，磁场吸引衔铁转化为动能，通过悬臂杠杆系统将动能传导至探针，使探针在垂直方向运动，完成急性脊髓损伤动物模型建模打击。本发明具有的优点如下：

(1)打击力度可调控性，根据动物种类、体重及所要求的损伤程度，设置不同档位的打击力度；传统重物坠击法是通过手工调节打击棒坠落高度实现，方法简陋不精准，而且打击棒容易在坠击实验过程中摩擦接触引导管，造成误差，该方案采用在线数控显示打击电压及打击强度，根据动物体重、种类或所要求的损伤程度设置不同档位的打击力度，可调性强，精准性高，也便于重复实验。

(2)在回位弹簧的作用下，实施一次打击后探针迅速复位，避免重复打击和脊髓受压；传统重物坠击法没有采取相关措施避免重复打击，打击棒追击损伤实验对象后不可避免的会出现反弹造成二次伤害，且打击棒落下后未能及时移开可对脊髓造成压迫伤。对临床病例分析不利，而本方案设计的初衷就是实现自动打击，自动回退，防止出现反弹引起二次损伤。该设备机械部分由电磁继电设备、导轨、探针、支架等结构组成，通过控制电磁继电设备的驱动电压和驱动时间，调换导轨上端回退弹簧的长度和弹性系数，共同完成打击力度和打击时间的调节；导轨上方的回退弹簧一方面可以保障电磁继电设备断电后探针及时回退，另外一方面可以削弱电磁继电设备的非线性度。

(3)控制打击过程中探针与脊髓接触时间；传统重物坠击法SCI是依靠地球引力实施打击，没有回退装置，固然也不能对接触时间进行操控，本方案可以计算每次打击时间，通过参数设置尽可能的减少或根据需求设定打击接触时间。

(4)精确定位打击目标，控制脊髓损伤的部位；传统采用引导管方式定位，定位不精确，有时会造成打击点偏离脊髓中央，或者打击过程中从脊髓上滑离，本方案采用激光精确导航，能够让实验人员方便快捷的对准打击点，实现精确打击目标。

(5)控制打击过程中探针击伤脊髓的深度；传统方法没有考虑此方面，本方案打击行程固定，可以有效防止由于力量过大而造成的骨髓严重变形，实现对实验对象的合理保护。

(6)可更换探头以满足不同情况下建模的要求；本方案探针前端配有螺纹，并相应的设计了多种探头，探头有内螺纹，两者结合类似于螺丝与螺帽。探头可随意更换以适应不同实验对象的不同需求，适应性更强。

(7)本装置成本低，操作过程简便。

附图说明

图1为现有打击器的结构示意图；

图2为本发明实施例中的急性脊髓损伤动物模型建模打击器的结构示意图；

图3为本发明实施例中的导航机构的结构示意图。

标号说明：1-支架，2-导航灯，3-激光束，4-探针，5-激光交汇点，6-杠杆，7-回位弹簧，8-继电装置，9-吸盘，10-支架底座，11-固定架，12-打击杠杆，13-电磁铁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图2和图3所示，一种急性脊髓损伤动物模型建模打击器，包括支架、杠杆、导轨、探针和用于驱动杠杆的继电装置；杠杆的支点设置在支架上；杠杆的一端设置有吸盘；另一端与探针的上端相连；继电装置与导轨均沿垂直方向固定在支架上；继电装置位于吸盘的上方；探针沿着垂直方向设置在导轨中；导轨上端与探针的上端之间设有回位弹簧；所述的继电装置包括多匝线圈和一个铁芯；铁芯插装在所述的多匝线圈中；多匝线圈的接线端接外部电路的可控电流输出接口。

在支架上还设置有导航装置；所述的导航装置由安装在导轨两侧的2个激光导航灯组成；2个激光导航灯发出的激光形成的交汇点位于导轨和探针的下方。

探针与杠杆的一端通过螺纹连接。

如图2所示，采用悬臂杠杆装置可以使短距离的电磁作用转换为自由行程较长的探针运动并可以实现直接垂直打击，力度可通过调节继电设备的通电电流与电压实现力度控制。打击时间是通过回拉装置与继电设备工作电压和电流共同调节。

本系统采用的电磁继电模式的打击方法，直流电磁铁吸力计算可采用下面计算方法：

起始位置(δ＞h/2)吸力计算公式：N代表牛顿

$F_1=6.4\×{10}^{-8}{\left(\mathrm{IW}\right)}^2[\frac{\mathrm{\π}{r}^2}{{\mathrm{\δ}}^2}+{\left(\frac{l}{h}\right)}^2\frac{2\mathrm{\π}}{\ln \frac{b+r}{r}}]N$ (式1.5)

式中：I——线圈电流，A

      W——线圈匝数

      r——铁心半径，cm

      δ——工作气隙长度，cm

      b——铁心边缘到磁轭内壁的距离，cm

中间位置(δ＝h/2)吸力计算公式：N代表牛顿

$F_2=1.65\×{10}^{-3}\mathrm{IW}\frac{\mathrm{\π}{r}^2}{h}N$ (式1.6)

打击目标的打击力是吸合位置(δ＝0)的吸力，即F3，

$F_3={\left(\frac{\mathrm{\μIW}\·S}{5000L}\right)}^2\·\frac{1}{\mathrm{\π}{r}^2}N;$

公式最后的N代表牛顿。

式中：S——磁路中最小截面积，平方厘米(cm²)；

μ——磁导率(无单位也叫无量纲)；

L——磁路长路(m)。

导航机构

如图3所示，采用两个线性红外激光交叉聚焦方式实现精确定位，打击实验时，首先要打开导航开关，将动物模型暴露脊髓正对激光束交汇点，如此，则可以实现动物模型的准确打击。打击过程中，有时为了观察方便也可以将导航灯关闭。

工作过程：

初始状态：将被打击的实验动物固定在探针的下方，开启导航装置，使得激光束交汇点对准实验动物的脊椎，初始状态时，在回位弹簧的作用下，由于此时继电装置未通入电流，继电装置与吸盘是分开的。

打击状态：给继电装置的线圈通电，则线圈产生电磁吸引力吸引吸盘向上运动；杠杆的另一端则克服回位弹簧的弹力推动探针沿着导轨向下运动并打击实验动物的脊椎部位。打击的力度和深度由通入线圈的电流控制；打击持续的时间由通电的时间决定。

恢复状态：一旦继电装置失电，在回位弹簧的作用下，探针迅速回位，准备下一次打击操作。

Claims (3)

1.一种急性脊髓损伤动物模型建模打击器，其特征在于，包括支架、杠杆、导轨、探针和用于驱动杠杆的继电装置；杠杆的支点设置在支架上；杠杆的一端设置有吸盘；另一端与探针的上端相连；继电装置与导轨均沿垂直方向固定在支架上；继电装置位于吸盘的上方；探针沿着垂直方向设置在导轨中；导轨上端与探针的上端之间设有回位弹簧；所述的继电装置包括多匝线圈和一个铁芯；铁芯插装在所述的多匝线圈中；多匝线圈的接线端接外部电路的可控电流输出接口。

2.根据权利要求1所述的急性脊髓损伤动物模型建模打击器，其特征在于，在支架上还设置有导航装置；所述的导航装置由安装在导轨两侧的2个激光导航灯组成；2个激光导航灯发出的激光形成的交汇点位于导轨和探针的下方。

3.根据权利要求1或2所述的急性脊髓损伤动物模型建模打击器，其特征在于，探针与杠杆的一端通过螺纹连接。

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