CN104306066B - 基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法 - Google Patents

基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，针对大鼠脊髓建立基于脊椎节段的相对三维坐标，有助于实验者快速准确寻找到电极植入位置，提高实验的成功率；交替地向插入大鼠脊髓的两个电极发送指定激励脉冲，实现大鼠腿部的伸缩连贯运动，让实验者更直观的了解大鼠脊髓电激励的过程；并且，可通过肌电监测仪采集大鼠腿部肌群的肌电信号，可做进一步的对比分析。本发明实验方法首次将完成了基于神经功能电激励的大鼠腿部伸缩运动重建，对本领域的科研、教学具有十分重要的意义。本发明实验方法提高了实验者的动手能力，使复杂程度高、难以掌握的脊髓电激励实验，可以被实验者较容易地掌握，从而有助于其进行更深入的学术研究。

Description

基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法
技术领域
本发明涉及一种基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，属于生物医学工程领域。
背景技术
随着电子科技的发展，科学家和康复医学工程师采用功能电刺激（FES）恢复脊髓损伤患者运动功能，并已经成功应用于临床实验中。其应用如重建上肢伸缩的动作，促进下肢站立、平衡、姿态和步态的训练。FES正在为实现瘫痪病人康复尤其是运动功能的修复提供了新方法和新技术。
由于肢体正常伸缩运动并不是由单个肌肉控制的，而是由多个肌肉或肌群共同协调控制的，而且肌肉的兴奋与脊髓神经信号相关，由于目前还没有适用于功能性电激励的大鼠脊髓运动功能图谱，微电极放置的位置很多是通过对特定动作的反复试验而取得的。尽管R.M.Ichiyama等人在大鼠脊髓硬脊膜刺激(ESCS)中发现使用30-50Hz的短矩形脉冲刺激脊髓L3-L6节段会使下肢产生缩腿运动，Dimitrijevic等人也发现在脊髓硬膜刺激中25-50Hz的脉冲刺激会使下肢产生收缩或者伸展运动，而脊髓受伤的人在仰卧状态下5-15Hz的脉冲刺激就会使下肢产生伸张运动，但是都没有涉及肢体伸、缩完整动作的实现。
国内不少高校设立了生物医学工程专业，需要培养学生的动手能力，通过试验可以增加对脊髓神经功能电激励的直观了解，有利于展开相关的科学研究。
由于大鼠在死亡后的十几分钟内，脊髓神经与肌群之间的关联依然存在，因此针对活体或死亡十分钟内的大鼠脊髓神经进行电激励功能重建试验，特别是伸缩腿的重建实验，对于生物医学教学具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法。
为了达到上述目的，本发明提出的基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，其特征在于包括以下步骤：
第1步、大鼠固定——将大鼠固定在试验台上，使大鼠背部朝上，所述大鼠背部已切开且脊髓外露；
第2步、确定电激励位置——测量脊髓的横径D，第一腰椎的长度L1、第三腰椎的长度L3，建立基于各脊椎节段的参考坐标，在参考坐标中，大鼠背腹方向和横径方向采用归一化处理，从而建立起用以表征各脊椎节段内激励点位置的三维坐标，从而确定位于第一腰椎上用于控制缩腿的脊髓刺激点准确位置，以及位于第三腰椎上用于控制伸腿的脊髓刺激点准确位置；
第3步、植入电极——将第一、第二针灸电极分别植入控制缩腿、伸腿的脊髓刺激点并固定；
第4步、施加电激励——利用电激励设备对第一、第二针灸电极分别施加第一、第二电激励脉冲，所述第一、第二电激励脉冲按顺序触发；所述第一激励脉冲周期T1=0.03s，脉冲宽度D1=200μs，一次缩腿动作的刺激脉冲发放的次数N1=35-45，刺激幅值U1=800mV；所述第二激励脉冲周期T2=0.03s，脉冲宽度D2=200μs，一次伸腿动作的脉冲发放的次数为N2=34-45，刺激幅值U2=250mV；
第5步、观察——观察大鼠脊髓受电激励后的腿部动作。
本发明进一步的特征在于：
1、所述第5步中，使用肌电监测仪采集被诱发的相关肌肉的肌电信号，观察肌电信号曲线与激励脉冲的关系。
2、第1步中，将大鼠卧放在立体定位仪的试验台上，并且用大鼠脊柱适配器将大鼠的脊髓进行固定。
3、所述针灸电极安装在所述立体定位仪上，其一端接信号源；在手术显微镜观测下，以脊髓的后正中沟为Z轴，横径方向为X轴，背腹方向为Y轴，用立体定位仪控制刺激电极在各个椎骨内的脊髓的横向、纵向和头尾方向移动。
4、用于控制缩腿的脊髓刺激点位于第一腰椎上的坐标为（（0.235±0.05）*D，（0.44）*D，（0.720±0.05）*L1），位于用于控制伸腿的脊髓刺激点位于第三腰椎上的坐标为（（0.294±0.05）*D，（0.382±0.05）*D，（0.477±0.05）*L2）；
5、第i电激励脉冲的第一个上升沿至第二电激励脉冲的第i个上升沿之间的时间差为1.05-1.35s，i=1,2,3，…。
6、所述大鼠为活体或死亡后10分钟内的大鼠。。
本发明实验方法针对大鼠脊髓建立基于脊椎节段的相对三维坐标，有助于实验者快速准确寻找到电极植入位置，提高实验的成功率；交替地向插入大鼠脊髓的两个电极发送指定激励脉冲，实现大鼠腿部的伸缩连贯运动，让实验者更直观的了解大鼠脊髓电激励的过程；并且，可通过肌电监测仪采集大鼠腿部肌群的肌电信号，可做进一步的对比分析。
本发明实验方法首次将完成了基于神经功能电激励的大鼠腿部伸缩运动重建，对本领域的科研、教学具有十分重要的意义。本发明实验方法提高了实验者的动手能力，使复杂程度高、难以掌握的脊髓电激励实验，可以被实验者较容易地掌握，从而有助于其进行更深入的学术研究。
本发明还提供了一种用于进行大鼠腿部运动功能重建的实验装置，组成包括：立体定位仪，固定在立体定位仪上的分别用于植入控制缩腿、伸腿脊髓刺激点的第一、第二针灸电极，用于对大鼠脊髓进行固定的大鼠脊柱适配器，以及用于植入针灸电极时进行观测的显微镜，所述第一、第二针灸电极的脉冲输入端连接脉冲发生仪，实验装置还包括用于采集大鼠腿部肌群进行肌电监测的仪器。
本发明实验装置结构简单，易于操作，适合于在本技术领域推广应用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实施例实验装置示意图。
图2是本大鼠脊髓神经运动功能图。
图3是本发明实验方法激励脉冲时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，为本发明实验方法所用的实验装置，其包括：立体定位仪1，固定在立体定位仪1上的用于植入控制缩腿脊髓刺激点的第一针灸电极2，用于植入控制伸腿脊髓刺激点的第二针灸电极（图中未画出），用于对大鼠脊髓进行固定的大鼠脊柱适配器3，以及用于植入针灸电极时进行观测的显微镜（图中未画出），第一、第二针灸电极的脉冲输入端连接脉冲发生仪4，实验装置还包括用于采集大鼠腿部肌群进行肌电监测的肌电监测仪5。从图中可知，立体定位仪具有一个试验台，可在实验台上前后滑动的支架，该支架能够实现左右、上下定位，从而实现对针灸电极三维立体定位。
本发明实施例基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，具体包括以下步骤：
第1步、大鼠固定——将大鼠（活体或死亡后10分钟内）卧放固定在立体定位仪的试验台上，大鼠背部朝上，大鼠背部已切开且脊髓外露，并且用大鼠脊柱适配器将大鼠的脊髓进行固定。
第2步、确定电激励位置——测量获得脊髓的横径D=3.4mm，第一腰椎的长度L1=5.0mm、第三腰椎的长度L3=6.2mm，建立基于各脊椎节段的参考坐标，在参考坐标中，大鼠背腹方向和横径方向采用归一化处理，从而建立起用以表征各脊椎节段内激励点位置的三维坐标，从而确定用于控制缩腿的脊髓刺激点准确位置在第一腰椎上的坐标大约是（X,Y,Z）=（0.8,1.5,3.6）mm，用于控制伸腿的脊髓刺激点准确位置在第三腰椎上的坐标大约是（X,Y,Z）=（1.0,1.3,3.1）mm。大鼠脊髓神经运动功能图见图2。
第3步、植入电极——在手术显微镜观测下，以脊髓的后正中沟为坐标原点，用立体定位仪控制刺激电极在各个椎骨内的脊髓的横向、纵向和头尾方向移动，将第一、第二针灸电极分别植入控制缩腿、伸腿的脊髓刺激点并固定。
第4步、施加电激励——利用电激励设备对第一、第二针灸电极分别施加第一、第二电激励脉冲，所述第一、第二电激励脉冲按顺序触发；所述第一激励脉冲周期T1=0.03s，脉冲宽度D1=200μs，一次缩腿动作的刺激脉冲发放的次数N1=40，刺激幅值U1=800mV；所述第二激励脉冲周期T2=0.03s，脉冲宽度D2=200μs，一次伸腿动作的脉冲发放的次数为N2=40，刺激幅值U2=250mV。
大鼠膝关节的缩腿和伸腿完整运动动作是通过控制两个时序性刺激脉冲实现的,刺激脉冲的时序图见图3。其中脉冲a是控制大鼠缩腿运动的信号，脉冲b是控制大鼠伸腿动作的信号。
第5步、观察——观察大鼠脊髓受电激励后的腿部动作，并使用肌电监测仪采集被诱发的相关肌肉的肌电信号，观察肌电信号曲线与激励脉冲的关系。
经观察，脉冲a触发后，大鼠腿部收缩，肌电检测仪上显示相应的曲线信号；接着脉冲b进行触发，大鼠腿部立即伸展，肌电检测仪上显示相应的曲线信号。周而复始，实现了腿部的伸缩运动。
本发明实施例成功的用电子学方法诱发出控制下肢运动的单个肌肉运动点，并设计时序性的激励信号波形进行两点刺激脊髓位点实现了大鼠膝关节的缩、伸腿完整动作和踝关节的跖屈、背伸完整动作。从所测得的实验数据和观测到的实验现象，不仅说明了用电子学方法进行脊髓神经运动功能定位的可行性和重要意义，也说明了通过外部的功能性电激励技术实现运动功能重建是可行的。
本发明易被实验者学习和掌握，为生物医学工程领域的科研人员提供了一种可行、高效的实验方法。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，其特征在于包括以下步骤：
第1步、大鼠固定——将大鼠固定在试验台上，使大鼠背部朝上，所述大鼠背部已切开且脊髓外露；所述大鼠为死亡后10分钟内的大鼠；
第2步、确定电激励位置——测量脊髓的横径D，第一腰椎的长度L1、第三腰椎的长度L3，建立基于各脊椎节段的参考坐标，在参考坐标中，大鼠背腹方向和横径方向采用归一化处理，从而建立起用以表征各脊椎节段内激励点位置的三维坐标，从而确定位于第一腰椎上用于控制缩腿的脊髓刺激点准确位置，以及位于第三腰椎上用于控制伸腿的脊髓刺激点准确位置；
第3步、植入电极——将第一、第二针灸电极分别植入控制缩腿、伸腿的脊髓刺激点并固定；
第4步、施加电激励——利用电激励设备对第一针灸电极施加第一电激励脉冲，对第二针灸电极施加第二电激励脉冲，所述第一、第二电激励脉冲按顺序触发；所述第一电激励脉冲周期T1=0.03s，脉冲宽度D1=200μs，一次缩腿动作的电激励脉冲发放的次数N1=35-45，电激励脉冲幅值U1=800mV；所述第二电激励脉冲周期T2=0.03s，脉冲宽度D2=200μs，一次伸腿动作的电激励脉冲发放的次数为N2=34-45，电激励脉冲幅值U2=250mV；
第5步、观察——观察大鼠脊髓受电激励后的腿部动作。
2.根据权利要求1所述的基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，其特征在于：所述第5步中，使用肌电监测仪采集被诱发的相关肌肉的肌电信号，观察肌电信号曲线与激励脉冲的关系。
3.根据权利要求1所述的基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，其特征在于：将大鼠卧放在立体定位仪的试验台上，并且用大鼠脊柱适配器将大鼠的脊髓进行固定。
4.根据权利要求3所述的基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，其特征在于：所述针灸电极安装在所述立体定位仪上，其一端接信号源；在手术显微镜观测下，以脊髓的后正中沟为Z轴，横径方向为X轴，背腹方向为Y轴，用立体定位仪控制针灸电极在各个椎骨内的脊髓的横向、纵向和头尾方向移动。
5.根据权利要求4所述的基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，其特征在于：用于控制缩腿的脊髓刺激点位于第一腰椎上的坐标为（（0.235±0.05）*D，（0.44）*D，（0.720±0.05）*L1），位于用于控制伸腿的脊髓刺激点位于第三腰椎上的坐标为（（0.294±0.05）*D，（0.382±0.05）*D，（0.477±0.05）*L2）。
6.根据权利要求4所述的基于脊髓神经功能电激励的大鼠腿部运动重建实验方法，其特征在于：第i电激励脉冲的第一个上升沿至第二电激励脉冲的第i个上升沿之间的时间差为1.05-1.35s，i=1,2,3，…。
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