CN102028546A - 鲤鱼电极穿颅植入脑立体定位法 - Google Patents

Abstract

一种鲤鱼电极穿颅植入脑立体定位法，属于脑立体定位技术领域。本发明主要解决不开颅将电极植入脑进行精确定位的问题。本发明方法是从鱼嘴至头与躯干第一片鱼鳞交界点沿正中线划一直线，以两眼眶上边缘为基准平行于正中线各划一直线；沿两眼眶前缘划一连线，沿两眼眶后缘划一连线，在两侧鳃盖骨与眼眶骨交接活动关节点之间划一连线，经头与躯干第一片鱼鳞交接点并垂直于正中线划一条线。7条线将颅骨表面分6个区，每个区是一个坐标系。利用嘴、背鳍和两侧鳃盖骨夹持4点固定，脑立体定位仪定位，电极沿颅骨钻孔植入脑，磁共振成像设备导航并纠正偏差实现不开颅三维立体精确定位。本发明适用于水生动物收集脑电或传导电信号控制生物行为。

Description

鲤鱼电极穿颅植入脑立体定位法

技术领域

本发明涉及一种不开颅将电极植入鲤鱼脑组织的立体定位方法，属于脑立体技术领域，即通过鲤鱼颅骨表面标志建立电极定位区，应用脑立体定位仪确定植入电极的坐标位置，将电极经颅骨钻孔穿过植入脑组织，借助医学成像设备进行导航并纠正偏差，实现植入电极精确定位从而进行水生动物的脑电信号处理或生物行为控制。

背景技术

现代科学研究对脑进行定向注射、刺激、破坏、提取脑电以及生物行为控制等都需要应用脑立体定位技术来精确定位。1873年Dittmar首次介绍了立体定向技术的原理。1906年，对立体定位原理和设备设计贡献最大的英国的Robert Henry Clarke和Victory Horsley提出，脑内任一靶点都可在脑切面图谱上定位，欲使穿刺针尖到达脑内某一结构，只要与相应的X、Y、Z三坐标点对应即可，并于1908年设计了三维坐标立体定向仪，这是基于动物脑颅骨上的标志点(外耳道、眼窝下缘、卤点)和结构特点，并且头骨定点是建立在笛卡尔三维立体坐标系统。美国《The johns Hopkins press》1966年出版的“A stereotaxic atlas of the brain of the pigeon”，介绍了鸽子脑定位时将两耳蜗作为后面固定点，选用嘴喙为前固定点。中国《东北师范大学学报》1989年第4期“鸟头定位仪的制作及脑的立体定位”论文，提出在鸟类发声中枢立体定位实验中，利用两耳和嘴喙三点定位法，确定假想的水平面、矢状面和冠状面，并确定零坐标进行神经核团的立体定位。中国《广西科学技术出版社》1990年出版的“中缅鼠鼩和广西猕猴脑立体定位图谱”，介绍其立体定位方法是以三个互相垂直的标准平面的三维坐标系统为基础，确定三维坐标系统的零点，通过体视显微镜核对并纠正肉眼观察的大体测量数据的偏差，再通过脑切片的平均数来纠正误差。日本《Brain Research Bulletin》杂志2004年第62卷“Development of a stereotaxic instrument for study of the bovine central nervous system”论文，设计了可以借助X射线造影技术定位的脑定位方法，根据对牛头的测量数据和颅骨标志点及脑内部结构，以眼眶突出点和与其平行的水平杆为水平面，以两耳中间到嘴部的连线为垂直面，两面的交叉点与头颅上的卤点相重合，再借助X射线造影技术的辅助，可以达到精确定位。中国发明专利申请公布说明书200610086008.X“壁虎脑立体定位方法及装置”，公开了利用大壁虎左右两眼眶后缘靠近下颌骨与上颌骨关节联结处的骨节构具有唯一性且能定位并夹持，再通过上颌骨点位的夹持，三点确定一个定位基准平面实现脑立体定位。

日本《Neuroscience Letters》杂志2009年第452期“Artificial control of swimming in goldfishby brain stimulation：Confirmation of the midbrain nuclei as the swimming center”论文，介绍了金鱼行为控制实验，主要是根据头骨标志点和统计数值来确定靶点。金鱼的运动是由中脑Nflm(内核中纵束)决定的，刺激此区域可控制运动。将金鱼麻醉，切除顶盖颅骨，暴露脑，在大脑背面标记并定位Nflm中间部分。假定端脑末端和小脑尖端之间距离是X，Nflm中间部分就是小脑体尖端向前0.4X，距脑中线表面1.1X深。确定位置后，插入电极，将硅橡胶倒入颅腔固定头骨上的电极，产生的洞用牙科丙烯酸填补。电极通过薄绝缘电线连接到电刺激器，应用电刺激器控制；或将电极连接到固定在鱼背部的无线控制刺激回路，应用无线控制微刺激系统进行无线控制。

现代医学影像设备磁共振成像(MRI)和电子计算机X线体层扫描(CT)可以显示颅内病变及其靶点，避免了脑室造影间接定位不精确的缺点，使得立体定向手术更加安全可靠，现代医学立体定向手术已进入以MRI和CT引导施行定向手术为代表的新阶段。而MRI的突出优点是无创伤，无电离辐射，多方位，多参数，多序列，大视野，组织分辨率高，尤其是对软组织具有更好的分辨能力，能够分辨脑白质和脑灰质，在临床上更适合颅脑的成像。

国内外在动物脑立体定位方面研究爬行动物、鸟类和陆地哺乳动物的的比较多，水下动物研究的却很少，而且国内外主要都是采用开颅的方法将电极植入脑组织中。开颅对颅骨和脑组织易造成损伤、出血、炎症、感染，缩短动物的生存时间，特别对水生动物在深水条件下抗水压维持生命实现执行水下任务是有影响的。所以需要最大限度地维持水生动物颅脑自身固有的结构和形态，目前国内外尚未提出借助磁共振成像技术不开颅的鲤鱼脑立体定位方法，因此研究这种脑立体定位方法具有一定的实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用鲤鱼颅骨表面标志并借助磁共振成像技术辅助而将电极直接穿过颅骨植入脑组织的立体定位方法，实现不开颅手术就能够将电极准确植入特定的脑神经结构，维持动物颅脑自身固有的结构，减轻损伤、出血、感染、炎性反应，并在深水条件下能够对抗强大水压有利于长期维持生命以执行水下任务。

本发明采取的技术方案

脑立体定位原理一般是利用颅骨表面解剖学标志或其它参考点所规定的三度坐标系统，应用由Robert Henry Clarke和Victory Horsley发明的设备系统使用笛卡尔坐标系的X轴、Y轴和Z轴三个坐标轴，利用立体定位仪的三维移动标尺标记脑内神经结构的部位，使颅外定位标志与其脑组织在定位仪上的空间位置相互关联，按照脑定位图谱，将电极植入脑内靶目标中，以便在非直视暴露下对其进行定向刺激、破坏、注射、引导电位等研究。

鱼头部的解剖结构和形态与陆地哺乳动物具有较大的差别，鱼头部两侧没有外耳道，不能象陆地动物和鸟类一样将耳杆插入两侧外耳道同时固定上颌骨进行定位及3点固定。本发明方法是将鱼嘴和背鳍鳍棘固定，并对向夹持两侧鳃盖骨，对4个特征点进行4点固定，实现头颅和身体保持平衡状态并对中。脑组织内任一点都可在脑定位图谱上定位，如果电极尖端植入脑内某一位置，只要与相应的X轴、Y轴、Z轴三坐标点对应即可准确定位。本发明方法确定水平基准面、矢状面、冠状面作为电极定位的坐标系3个平面。应用7条线将颅骨皮肤表面分6个定位区，每个区是一个坐标系。根据鲤鱼脑定位图谱或实验统计数据，应用脑立体定位仪在每个坐标区中分别标记各电极的坐标位置。在颅骨电极坐标位置上钻孔，将电极经钻孔植入指定的脑神经结构。应用先进的磁共振医学成像设备进行成像，核对立体位置，根据需要调整偏差，进行三维立体定位。应用牙科水泥封闭颅骨钻孔并固定电极。植入电极末端通过导线与仪器相连收集脑电信号，或应用仪器发出电信号经过植入电极控制生物行为，或与搭载在身体上的无线移动网络通信遥控信号接收装备相连遥控生物行为。

本发明的有益效果

本发明采用借助磁共振成像技术辅助不开颅而实现鲤鱼电极穿颅植入脑立体定位的方法，填补了国内外的空白。

①将鱼嘴、背鳍鳍棘和两侧鳃盖骨的特征点夹持进行4点固定，保持鱼体平衡且对中；

②确定水平基准面、矢状面、冠状面作为电极定位坐标系的3个平面；

③根据鲤鱼颅骨表面标志建立6个电极定位区；

④通过当今世界先进的磁共振医学成像设备实现植入电极的精确导航并核实立体位置及纠正偏差，应用磁共振成像技术既可以进行形态的观察又可以进行功能的观察，同时从形态和功能上进行定位更有利于定位精确；

⑤本发明的突出优点就是能够最大限度地维持动物颅脑自身固有的结构和形态，应用不开颅的方法植入电极实现颅骨和脑组织的有效保护，减轻颅脑的机械损伤、出血、感染、炎性反应，同时操作简捷、快速；

⑥本发明即可用于鲤鱼的脑立体定位，也可用于其他水生动物的脑立体定位，尤其适用于包括海洋动物在内的水生动物在深水条件下能够有效抗水压从而长期维持生命实现执行各种水下任务。

附图说明

图1是本发明的原点、唇点和参照点构成水平基准面原理图；

图2是本发明的鲤鱼颅骨表面电极定位区分区示意图；

图3是电极定位区划线(7)、(8)、(9)、(10)对应的颅骨表面标志侧视图。

具体实施方式

本发明是根据颅骨表面标志与颅内脑组织结构具有着一定的立体对应关系，利用对应关系在颅骨表面建立植入电极的坐标区，每一个坐标区就是一个坐标系。以下分九个部分介绍具体实施方式

1、头颅的固定

应用水产麻醉剂麻醉鲤鱼，然后将麻醉的鲤鱼捞出，将鱼嘴、背鳍鳍棘和两侧鳃盖骨的4个特征点夹持进行4点固定，以保持鱼体平衡且对中。

2、平面的确定

本发明方法确定水平基准面、矢状面、冠状面3个平面。如图1所示，将颅骨表面正中线与头部和躯干第一片鱼鳞交点定为坐标系原点即零坐标0(3)，以上嘴唇中点为唇点(2)，以唇点之上的垂直高度H处位置定为参考点(1)，将经过原点和参考点的直线作为标准线。将经过标准线的水平面定为水平基准面，将经过包括原点的标准线且与水平基准面垂直的平面定为矢状面，将经过原点且与水平基准面和矢状面均垂直的平面定为冠状面。根据不同体重级别的鲤鱼进行实验分组，进行各实验组有关数值的统计，统计数据可作为不同体重级别组鲤鱼确定脑立体定位水平基准面的依据。

3、定位区的建立

颅骨表面标志与颅内脑组织各结构有着一定的立体对应关系，根据对应关系在颅骨表面建立植入电极的坐标区，每一个坐标区就是一个坐标系。

如图2所示，以中线为轴身体两侧对称，背鳍第一根鳍棘是居身体中线上，从第一根鳍棘至原点方向是正中线方向，从鱼嘴至头部与躯干交接处即头部与躯干第一片鱼鳞交界点，在头部皮肤表面沿正中线即沿Y轴方向用钝物划一直线(5)；以左眼眶上边缘为基准，平行于直线(5)划一直线(4)；以右眼眶上边缘为基准，平行于直线(5)划一直线(6)。如图2和图3所示，以左眼眶前边缘和右眼眶前边缘为参照点经过并垂直于直线(5)即沿X轴方向划一连线(7)；以左眼眶后边缘和右眼眶后边缘为参照点经过并垂直于直线(5)划一连线(8)；以两侧鳃盖骨与两块眼眶骨交接活动关节点为参照点经过并垂直于直线(5)划一连线(9)；以头部与躯干第一片鱼鳞交接点为参照点经过并垂直于直线(5)划一直线(10)。本发明将颅骨表面分成6个电极坐标区：A区、B区、C区、D区、E区和F区。

4、坐标的确定

本发明根据鲤鱼脑定位图谱或实验统计数据，应用脑立体定位仪在每个坐标区中标记各电极的坐标位置。在A区和B区植入电极时，以直线(8)与直线(5)的交点为坐标原点，根据XY坐标系的X轴和Y轴数值，确定植入电极的坐标位置；同理，在C区和D区植入电极时，以直线(9)和直线(5)的交点为坐标原点，确定植入电极的坐标位置；在E区和F区植入电极时，以直线(10)和直线(5)的交点为坐标原点，确定植入电极的坐标位置。

5、颅骨的钻孔

应用开颅钻在电极坐标位置上进行颅骨钻孔，将颅骨钻透但不要伤及脑组织。

6、电极的植入

本发明不需要开颅手术以避免更大的损伤，将电极经钻孔直接穿过沿着坐标系Z轴方向植入指定的脑功能区或神经核团，根据需要在不同的坐标区植入一定数量的电极。

7、成像设备的导航定位

应用磁共振医学成像设备对电极植入过程进行引导，显示植入电极在脑组织中的三维立体位置，核实位置并根据需要调整偏差，精确进行三维立体定位。

8、电极的固定

应用牙科水泥封闭颅骨钻孔以固定植入电极，并且可以防止渗水。

9、电极的连线

植入电极末端通过导线与仪器相连可收集脑电信号进行处理和分析；或者传导仪器发出的电信号控制鲤鱼的生物行为；或者与搭载鲤鱼身体上的无线移动网络通信遥控信号接收装置相连进行生物行为的遥控。

具体实例

首先将鲤鱼浸泡于丁香酚水产麻醉剂溶液中，然后将麻醉的鲤鱼从溶液中捞出，固定于脑立体定位仪，水平位夹持鱼嘴，向上轻轻牵拉并夹持背鳍鳍棘，对向夹持两侧鳃盖骨，进行4特征点固定，确保鱼体处于平衡状态且对中。

如图1所示，将颅骨表面正中线与头部和躯干第一片鱼鳞交界处的交点定为坐标系原点(3)，以上嘴唇中点为唇点(2)，以唇点之上的垂直高度H处位置定为参考点(1)，将经过原点和参考点的直线作为标准线。将经过标准线的水平面定为水平基准面，将经过包括原点的标准线且与水平基准面垂直的平面定为矢状面，将经过原点且与水平基准面和矢状面均垂直的平面定为冠状面。本发明根据实验统计结果，体重1.06±0.12Kg成年鲤鱼(n＝50)的唇点比原点的垂直距离低3.65±0.31cm(P＜0.05)。

如图2所示，从鱼嘴至头部与躯干交接处即头部与躯干第一片鱼鳞交界点，用铅笔和直尺在头部皮肤表面沿正中线用钝物划一直线(5)；以左眼眶上边缘为基准，平行于直线(5)划一直线(4)；以右眼眶上边缘为基准，平行于直线(5)划一直线(6)。如图2和图3所示，以左眼眶前边缘和右眼眶前边缘为参照点经过并垂直于直线(5)划一连线(7)；以左眼眶后边缘和右眼眶后边缘为参照点经过并垂直于直线(5)划一连线(8)；以两侧鳃盖骨与两块眼眶骨交接活动关节点为参照点经过并垂直于直线(5)划一连线(9)；以头部与躯干第一片鱼鳞交接点为参照点经过并垂直于直线(5)划一直线(10)。划成6个定位区。

根据鲤鱼脑结构定位图谱或事先测定出来的X轴、Y轴和Z轴的实验统计数值，应用脑立体定位仪在每个坐标区中标记各电极的坐标。在A区和B区植入电极时，以直线(8)与直线(5)的交点为坐标原点，根据XY坐标系的X轴和Y轴数值，确定植入电极的坐标位置；在C区和D区植入电极时，以直线(9)和直线(5)的交点为坐标原点；在E区和F区植入电极时，以直线(10)和直线(5)的交点为坐标原点。

应用开颅钻在坐标位置上进行颅骨钻孔，将电极经钻孔直接穿过并沿着Z轴植入指定的脑功能区或神经核团。应用磁共振成像设备成像，显示植入电极在脑组织中的三维立体位置，核实位置并调整偏差，精确进行三维立体定位。应用牙科水泥封闭钻孔并固定植入电极。植入电极通过导线与仪器相连或与搭载鱼体上的无线信号接收装置相连，将鲤鱼放回水中。

Claims (3)

1.鲤鱼电极穿颅植入脑立体定位法，其特征在于包含以下步骤：

(1)麻醉鲤鱼，将鱼嘴、背鳍鳍棘和两侧鳃盖骨的特征点夹持进行4点固定，保持鱼体平衡且对中；

(2)确定水平基准面、矢状面、冠状面作为电极定位坐标系的3个平面，将颅骨表面正中线与头部和躯干第一片鱼鳞交界处的交点定为坐标系原点(3)，以上嘴唇中点为唇点(2)，以唇点之上的垂直高度H处位置定为参考点(1)，将经过原点和参考点的直线作为标准线，将经标准线且与其平行的水平杆平面定为水平基准面；将经过包括原点的标准线且与水平基准面垂直的平面定为矢状面；将经原点且与水平基准面和矢状面均垂直的平面定为冠状面；

(3)根据鲤鱼颅骨表面标志划分为6个电极定位区，即6个电极坐标系，从鱼嘴至头部与躯干交接处即头部与躯干第一片鱼鳞交界点，在头部皮肤表面沿正中线即沿Y轴方向用钝物划一直线(5)；以左眼眶上边缘为基准，平行于直线(5)划一直线(4)；以右眼眶上边缘为基准，平行于直线(5)划一直线(6)；以左眼眶前边缘和右眼眶前边缘为参照点经过并垂直于直线(5)即沿X轴方向划一连线(7)；以左眼眶后边缘和右眼眶后边缘为参照点经过并垂直于直线(5)划一连线(8)；以两侧鳃盖骨与两块眼眶骨交接活动关节点为参照点经过并垂直于直线(5)划一连线(9)；以头部与躯干第一片鱼鳞交接点为参照点经过并垂直于直线(5)划一直线(10)；应用7条直线将颅骨表面分成6个区：A区、B区、C区、D区、E区和F区，每一个区就是一个电极坐标区，每一个坐标区就是一个坐标系；

(4)根据鱼脑立体定位图谱或鱼脑测量统计数据及颅骨标志，应用脑立体定位仪确定植入电极的X轴、Y轴和Z轴的坐标位置；

(5)不进行开颅手术，应用开颅钻在电极坐标位置进行钻孔，将电极经钻孔穿过颅骨而植入指定的脑神经结构中，应用牙科水泥封闭颅骨钻孔并固定电极，植入电极末端通过导线与仪器相连收，或通过导线与搭载在鱼体上的无线移动网络通信遥控信号接收装置相连；

(6)应用磁共振成像设备进行导航并核对位置及纠正偏差，引导植入电极进行精确的三维立体定位。

2.根据权利要求1所述的鲤鱼电极穿颅植入脑立体定位法，其特征在于：

在所述步骤(2)中的参考点H进一步分为以下步骤：

①以唇点之上的垂直高度H处位置定为参考点，此参考点数值是当鱼体保持水平位置时测定并统计的数据；

②鲤鱼按照体重级别来实验分组，将同一组的测定数据进行统计，某一体重鲤鱼参考点H数值依照同一体重级别实验组的统计数值应用。

3.根据权利要求1所述的电极穿颅植入脑立体定位法用于水生动物的脑电信号处理和生物行为控制。

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