CN102871768A - 大壁虎脊柱立体定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大壁虎脊柱立体定位装置及方法，可用于大壁虎在体脊髓制备及其电生理相关实验，属定位技术领域。本发明方法是利用大壁虎颈椎、胸椎及腰椎的前后关节突之间的内凹弧形结构可以夹持定位的特点，通过设计夹持装置，夹持相邻两节椎骨，实现对大壁虎脊柱不同位区的可靠定位。本发明装置，由支撑座、移动块、脊骨夹、紧定螺钉和锁紧螺钉组成。本发明装置，定位可靠、操作简单，填补了国内外壁虎类爬行动物没有专用脊柱立体定位装置的空白，为大壁虎在体脊髓制备及其电生理实验研究奠定了基础。

Description

大壁虎脊柱立体定位装置及方法

技术领域

本发明的大壁虎脊柱立体定位装置及方法，用于大壁虎脊柱立体定位，以进行大壁虎在体脊髓制备及其电生理相关实验，属定位技术领域。

背景技术

大壁虎因其超凡的三维空间无障碍运动能力，成为了仿生机器人研发的理想模型，近些年来，仿壁虎机器人已成为了仿生机器人的研究热点。但目前国内外所研制出的仿壁虎机器人，仍采用传统的人工规划控制法，依赖对环境的精确建模，不能适应复杂、非结构化的环境，缺乏灵活性和自主性，严重影响了机器人的应用性能。

自然界中，脊椎动物的运动行为表现出了极好的灵活性与稳定性，主要是由脊髓内的中央模式发生器（Central Pattern Generator ，CPG）产生、控制诸如走、跑、跳、游等节律性行为。神经生物学领域对大鼠、小鼠、猫、七鳃鳗等动物CPG运动神经网络的研究及机器人领域对CPG控制模式的仿生均已取得一定的成果，但到目前为止，还未有学者对大壁虎这种具有特殊运动能力的动物的运动神经网络展开研究。利用大壁虎在体脊髓制备，开展相关的电生理实验，建立相应的CPG控制，提高仿壁虎机器人的性能，实现向非结构环境和极限环境的应用延伸，是仿壁虎机器人研究发展的必然趋势。

为了进行大壁虎在体脊髓制备及其电生理相关实验，探索揭示大壁虎脊髓CPG运动神经网络机制，必须实现大壁虎脊柱的可靠定位。Cunningham设计了适用于成年及幼年啮齿类动物脊髓制备及电生理实验的的脊柱适配器；Fiford针对大鼠脊髓损伤模型制备，设计了结构较为复杂的脊髓损伤装置。但隶属于爬行动物的大壁虎，其脊柱结构与哺乳类的啮齿类动物差异明显，这使得现有的脊柱适配器均不能满足大壁虎脊髓研究的需要。另外，Cunningham所设计的脊柱适配器的脊骨夹间距固定，采用两个成对使用的脊骨对同一节椎骨进行夹持，两对脊骨夹分别夹持相邻两块椎骨。所暴露脊髓的范围有限。而且脊骨夹端部结构单一，难以满足大壁虎椎骨尺寸差异变化的要求。因此，必须根据大壁虎自身特点，建立大壁虎脊柱立体定位方法，并研制相关定位装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种根据大壁虎自身特点的，定位可靠、操作简单的大壁虎脊柱立体定位装置及方法。

一种大壁虎脊柱立体定位装置，包括底座、安装于底座上的U形支座，还包括分别安装于U形支座U字形两端的位于同一水平线的左脊柱适配器和右脊柱适配器；将该水平线称作第一水平线；其特征在于：所述的左脊柱适配器与右脊柱适配器结构对应，具体结构如下：每个脊柱适配器均包括一个支撑座、两个移动块、两个脊骨夹；其中支撑座带有连接杆，连接杆通过适配器固紧螺钉固定于U形支座上；上述两个移动块均通过燕尾槽结构和紧定螺钉安装并固紧于支撑座上；上述移动块具有矩形槽结构，脊骨夹位于矩形槽结构内；上述脊骨夹上具有长圆槽，并通过锁紧螺钉锁紧在相应的移动块上；上述燕尾槽结构的方向与第一水平线方向垂直，上述矩形槽结构和长圆槽的方向与第一水平线方向平行；上述每个脊骨夹的左端均具有用于夹持的左开口，右端均具有用于夹持的右开口，且两端开口尺寸不同；左脊柱适配器与右脊柱适配器上位于同一水平线上的脊骨夹为一对脊骨夹，共形成两对脊骨夹。

利用上述大壁虎脊柱立体定位装置的定位夹持方法，其特征在于：对于颈椎、胸椎及腰椎的某一节椎骨的夹持定位，是通过分别夹持定位与该节椎骨相邻的前两节椎骨和后两节椎骨实现的；具体是：利用相邻两节椎骨的前关节突和后关节突之间的内凹弧形结构，采用左脊柱适配器与右脊柱适配器上位于同一水平线上的一对脊骨夹夹持该内凹弧形结构实现夹持定位；上述颈椎不包括寰椎和枢椎；（b）、对于荐椎的某一节椎骨的夹持定位，是通过分别夹持该椎骨与其前一相邻椎骨之间的椎间孔，以及该椎骨与其后一相邻椎骨之间的椎间孔实现的；具体是：利用左脊柱适配器与右脊柱适配器上位于同一水平线上的一对脊骨夹夹持上述椎间孔。

上述大壁虎脊柱立体定位装置的脊骨夹两端的左开口和右开口均为圆弧形开口。脊骨夹两端开口的圆弧形设计可以避免所夹持椎骨的突起（如，前关节突、后关节突）的干涉。

上述脊骨夹的左开口的宽度为2.8 mm，右开口的宽度为2.6 mm。开口的宽度是根据对大壁虎各节椎骨长度的统计测量值确定的。一般椎骨长选择大的开口宽度，椎骨短，则选择小的开口宽度。实际实验中，需根据椎骨的实际长度选择合适的开口宽度；

每个脊骨夹上的长圆槽为两个。这样方便左右脊柱适配器的脊骨夹配对使用，同时保证每一对脊骨夹都可以分别沿着移动块的矩形槽作短距离调节（调节范围均为0≤L≤4 mm），以方便每一对脊骨夹的夹持定位。

此外，上述脊骨夹两端为斜面，斜面倾角范围：20°≤α≤25°。斜面的设计是为了降低脊骨夹夹持端的厚度，极薄的夹持端部使得对椎骨的夹持更加牢固不易脱落。

总之，本发明具有如下优点：

（1）结构简单，原理清晰，调节灵活，定位可靠，安装拆卸方便，夹持过程简单易行；

（2）以通用脑立体定位仪为平台，兼容性强；

（3）两端结构尺寸不同的脊骨夹，适合于不同体长的成年大壁虎，并能满足不同节段的脊柱结构尺寸差异的要求；

（4）稳定性高，在长达数小时的实验过程中，即使在外力或者外部刺激下实验动物做出相应的行为反应，也能保证实验区域的持续定位。

本发明的立体定位装置可以方便的安装于通用脑立体定位仪上。大壁虎在体脊髓制备实验、电生理实验及脊髓内给药的实际应用表明，该夹持定位方法和装置能完全满足我们的实验需要，为大壁虎脊髓在体制备及CPG运动神经网络的研究奠定了基础。

附图说明

图1是大壁虎脊柱立体定位装置示意图；

图2是大壁虎脊柱适配器装配的前视图；

图3是大壁虎脊柱适配器装配的俯视图；

图4是移动块结构的前视图；

图5是移动块结构的左侧视图；

图6是脊骨夹结构的前视图；

图7是脊骨夹结构的俯视图；

图8是大壁虎脊柱节段分布图侧面观，右上角为第一荐椎左侧视图；

图9是大壁虎椎骨前后关节突以及夹持位点的侧面观；

图10是大壁虎椎骨前后关节突以及夹持位点的俯视图；

图11是脊骨夹夹持的俯视图；

图12是脊骨夹夹持示的前视图；

图中标号名称：1-底座；2-U形支座；3-左脊柱适配器固紧螺钉；4-左脊柱适配器；5-右脊柱适配器；6-右脊柱适配器固紧螺钉；7-支撑座；8-燕尾槽结构；9-连接杆；10-紧定螺钉；11-移动块；12-锁紧螺钉；13-脊骨夹；14-矩形槽结构；15-左开口；16-长圆槽；17-右开口；18-颈椎；19-胸椎；20-腰椎；21-荐椎；22-尾椎；23-横突；24-前关节突；25-后关节突；26-棘突；27-椎间孔；28-副突；29-内凹弧形结构。

具体实施方式

结合图1-图12，用某一节段脊髓制备及电生理相关实验来说明本发明方法。

本发明原理：

解剖学研究表明，大壁虎脊柱包含颈椎8节，胸椎5节，腰椎13节，荐椎2节，尾椎27-33节。颈椎的前两节为寰椎和枢椎，用于连接颅骨。颈椎的剩余节段与胸椎、腰椎结构基本一致，包含了棘突、前关节突、后关节突与副突。脊柱某一节椎骨的前后关节突之间为内凹弧形结构，该部分骨质厚实坚硬，可以定位并夹持。本发明的脊柱定位方法是：利用相邻两节椎骨的前关节突和后关节突之间的内凹弧形结构对相邻两节椎骨进行夹持定位；对所需实验的某一节椎骨的前两节段与后两节段分别夹持定位，实现所需实验部分椎骨的夹持定位。

从荐椎开始出现横突，尾椎的横突随着节段的增加而变小，直至消失，各节椎体也较短。荐椎的前后关节突之间存在着较长的横突，所以，对于荐椎，通过夹持相邻三个脊柱节段之间的两个椎间孔实现夹紧定位。

根据大壁虎不同脊柱节段椎骨长度的变化，本发明设计了端部尺寸不同的脊骨夹（图7）用以夹持相邻两节椎骨，利用脊骨夹端部开口抵住相邻两节椎骨的前、后关节突之间的内凹弧形结构（图10）实现两节椎骨的定位夹持。采用此方法，分别对所需实验的某一节椎骨的前两节椎骨与后两节椎骨分别夹持定位，即可实现对实验部位椎骨的固定（图11、图12）。

同时，脊骨夹端部很薄（图6），可以方便地夹持荐椎部位的椎间孔，实现对荐椎的固定。解剖学观测发现，脊神经外被硬脊膜，出椎间孔后向腹侧行走，且与脊神经相比，椎间孔孔径较大，所以使用接触端较薄的夹持器夹持椎间孔，不会对脊神经造成压迫性伤害。

为了使成对使用的脊骨夹的调节夹持方便，支撑脊骨夹的移动块和脊骨夹之间设计成矩形槽配合（图2-图5，使得脊骨夹只能沿矩形槽左右移动（即，平行于第一水平线方向）。同时，支撑座和移动块之间采用燕尾槽结构配合（图2），也保证了完成夹持的一对脊骨夹快速对齐。

脊骨夹两端的斜面和尺寸不同的开口，确保了脊骨夹端部适应椎骨的尺寸变化，满足不同节段脊柱的夹持需要，同时极薄的端部结构也使得对椎骨的夹持更加牢固不易脱落。另外，脊骨夹上的长圆槽设计方便了脊骨夹的前后小位移调节（调节距离4毫米）。

1. 将壁虎麻醉后，解剖暴露该节椎骨及与其相邻的前后各两节椎骨，分离椎骨（共五节）周围的肌肉和组织；

2. 将左右两支撑座7置于U形支座2上，拧紧固紧螺钉，固定住支撑座；

3. 在定位仪上放置一垫板，以消除大壁虎脊柱固定时与脊柱适配器之间的高度差；

4. 将大壁虎放置于垫板中间，通过燕尾槽8前后调节移动块11，使前一对脊骨夹13位于前两节椎骨的夹持位置，后一对脊骨夹13位于后两节椎骨的夹持位置，拧紧外侧的紧定螺钉10固定住移动块11；

5. 使处于左右脊柱适配器上位于同一水平线上的一对脊骨夹13沿着矩形槽14对称向中间移动，使脊骨夹端部开口（根据椎骨长短开口选择合适大小的开口）位于脊柱前关节突24和后关节突25之间的夹持位置（即，椎骨的内凹弧形结构29），拧紧脊骨夹上的锁紧螺钉12固定脊骨夹13。

6. 对该节椎骨进行椎板切除术，暴露出脊髓，并根据需要，插入电极，进行相关的电生理实验。

Claims (6)

1.一种大壁虎脊柱立体定位装置，包括底座（1）、安装于底座上的U形支座（2），还包括分别安装于U形支座（2）U字形两端的位于同一水平线的左脊柱适配器（4）和右脊柱适配器（5）；将该水平线称作第一水平线；其特征在于：

所述的左脊柱适配器（4）与右脊柱适配器（5）结构对应，具体结构如下：

每个脊柱适配器均包括一个支撑座（7）、两个移动块（11）、两个脊骨夹（13）；

其中支撑座（7）带有连接杆（9），连接杆（9）通过适配器固紧螺钉固定于U形支座（2）上；上述两个移动块（11）均通过燕尾槽结构（8）和紧定螺钉（10）安装并固紧于支撑座（7）上；上述移动块（11）具有矩形槽结构（14），脊骨夹（13）位于矩形槽结构（14）内；上述脊骨夹（13）上具有长圆槽（16），并通过锁紧螺钉（12）锁紧在相应的移动块（11）上；

上述燕尾槽结构（8）的方向与第一水平线方向垂直，上述矩形槽结构（14）和长圆槽（16）的方向与第一水平线方向平行；

上述每个脊骨夹（13）的左端均具有用于夹持的左开口（15），右端均具有用于夹持的右开口（17），且两端开口尺寸不同；

左脊柱适配器（4）与右脊柱适配器（5）上位于同一水平线上的脊骨夹（13）为一对脊骨夹，共形成两对脊骨夹。

2.根据权利要求1所述的大壁虎脊柱立体定位装置，其特征在于：上述脊骨夹（13）两端的左开口（15）和右开口（17）均为圆弧形开口。

3.根据权利要求1所述的大壁虎脊柱立体定位的装置，其特征在于：上述脊骨夹（13）的左开口（15）的宽度为2.8 mm，右开口（17）的宽度为2.6 mm。

4.根据权利要求1所述的大壁虎脊柱立体定位装置，其特征在于：每个脊骨夹（13）上的长圆槽（16）为两个。

5.根据权利要求1所述的大壁虎脊柱立体定位装置，其特征在于：上述脊骨夹（13）两端为斜面，斜面倾角范围：20°≤α≤25°。

6.利用权利要求1所述大壁虎脊柱立体定位装置的定位夹持方法，其特征在于：

（a）、对于颈椎（18）、胸椎（19）及腰椎（20）的某一节椎骨的夹持定位，是通过分别夹持定位与该节椎骨相邻的前两节椎骨和后两节椎骨实现的；具体是：利用相邻两节椎骨的前关节突（24）和后关节突（25）之间的内凹弧形结构（29），采用左脊柱适配器（4）与右脊柱适配器（5）上位于同一水平线上的一对脊骨夹（13）夹持该内凹弧形结构（29）实现夹持定位；上述颈椎（18）不包括寰椎和枢椎；

（b）、对于荐椎（21）的某一节椎骨的夹持定位，是通过分别夹持该椎骨与其前一相邻椎骨之间的椎间孔（27），以及该椎骨与其后一相邻椎骨之间的椎间孔（27）实现的；具体是：利用左脊柱适配器（4）与右脊柱适配器（5）上位于同一水平线上的一对脊骨夹（13）夹持上述椎间孔（27）。

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