CN110811901A - 一种用于生物实验的电极植入系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生物实验的电极植入系统，包含基座、第一滑槽、第二滑槽、第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、横向导轨模块、支撑柱、控制模块和执行模块；执行模块包含压力传感器、第三旋转电机、三瓣式弹性夹、第一螺纹紧固件、钻头和电极植入组件。本发明通过第一至第三伸缩杆以及横向导轨模块的相互配合，实现支撑柱及其以上结构的三维坐标位置调节，灵活度极高，极大降低了系统的操作难度，解决了当前使用的生物电极植入技术中存在的实验周期长、仪器适用范围小以及电极植入精确度不足的技术问题；而钻头与电极植入组件的可替换性，提高了系统的集成度，真正实现了“一器多用”。

Description

一种用于生物实验的电极植入系统

技术领域

本发明涉及科学实验仪器技术领域，具体涉及一种用于生物实验的电极植入系统。

背景技术

在动物机器人研究领域内，入侵式微电极植入技术被广泛使用，尤其是在动物脑部的电极植入技术在动物机器人的制作过程中是至关重要的一步，如：鸽子机器人，大壁虎机器人和大鼠机器人等，都需要完备的脑部电极植入手术，实现控脑才能进行下一步的数据分析研究。生物实验中的电极植入系统始于上世纪90年代，最初是由医疗器械改造而来，主要包括医用颅骨钻孔仪、荧光显微镜和电极固定装置。在电极植入过程中完全依靠操作者的感觉和经验，难度系数非常高。近年来，科研人员对该系统提出了多种完善方案，如：CN109936996A公布了一种束内电极植入装置，通过神经和植入设施保证装置的稳定性。但同时也令装置损失了较大的灵活性。CN104939917A公布了一种电极及立体定向经皮穿刺植入系统。它是通过内外套管的相互配合，实现钻头与电极的一体化。然而它存在一个较大的问题，套管虽然可以保持电极植入通道不变，但套管直径明显远远大于电极尺寸，而其他大多数动物的脑组织要远小于人类且微细血管众多，容易误伤邻近组织引发大出血。同时，由于套管直径过大，容易压迫周围的脑组织，使得动物术后恢复时间延长，不利于后续的实验数据采集工作。CN108433791A则公布了一种可调进针角度的穿刺装置系统及其控制方法。这种角度可调的电极植入系统，虽然增加了电极植入角度的可操作性，但对于颅骨穿刺的程度与电极植入的深度无法通过数据可视化实现，通常还是需要实验者的感觉和经验判断，且精确度较低，不能满足动物脑部电极植入实验的要求。而CN103639594A讲述了一种激光钻孔装置及方法，可以发现这种新型的钻孔装置与普通机械钻孔设备外型、内部结构和使用方法截然不同。因此，对于开发一套全新的电极植入系统是必需的，在保证系统高集成度和植入稳定性的同时，需实现系统自动化、数据可视化和植入高准确度以及增加仪器适用性，实现一器多用。为未来的动物机器人电极植入手术提供新的方法与操作系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有电极植入设备中存在的效率低、精度不足、无可视化数据以及仪器适用范围较小的技术问题，提供一种用于生物实验的电极植入系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于生物实验的电极植入系统，包含基座、第一滑槽、第二滑槽、第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、横向导轨模块、支撑柱、控制模块和执行模块；

所述基座为空心柱状；所述第一滑槽、第二滑槽均采用多止位点滑槽，第一滑槽、第二滑槽的一端分别和所述基座的侧壁固连，且第一滑槽、第二滑槽平行设置，用于相互配合以固定外界的脑立体定位仪；

所述第一滑槽、第二滑槽均包含U形滑槽本体和若干位点螺丝，其中，所述U形滑槽本体的两个侧壁上都均匀设有若干一一对应的螺纹孔，所述位点螺丝穿过U形滑槽一个侧壁上对应的螺纹孔后和U形滑槽另一个侧壁上对应的螺纹孔螺纹相连；

所述第一旋转电机的壳体固定在所述基座内，其输出轴竖直向上且和所述第一伸缩杆的底端同轴固连；所述第一伸缩杆的顶端和所述横向导轨模块固连；

所述横向导轨模块包含固定座、滑块、丝杠和第二旋转电机；

所述固定座的下端面和所述第一伸缩杆的顶端垂直固连，固定座的上端面上设有和所述滑块相配合的第三滑槽；所述滑块设置在所述第三滑槽内，能够沿所述第三滑槽自由滑动，且所述滑块沿第三滑槽的延展方向设有贯穿滑块的螺纹孔；所述第二旋转电机固定在所述固定座上、其输出轴和所述丝杆的一端同轴固连；所述丝杆平行设置在所述滑槽内，其远离第二旋转电机的一端穿过所述滑块，且所述丝杆和所述滑块上的螺纹孔螺纹相连；

所述支撑柱竖直设置，其底端和所述滑块固连；

所述第二伸缩杆平行设置，其底端和所述支撑柱的上端垂直固连；所述第三伸缩杆竖直设置，其底端和所述第二伸缩杆的顶端垂直固连、顶端竖直朝下；

所述执行模块包含压力传感器、第三旋转电机、三瓣式弹性夹、第一螺纹紧固件、钻头和电极植入组件；

所述第三旋转电机的壳体通过压力传感器和所述第三伸缩杆的顶端固连，且第三旋转电机的输出轴竖直向下；

所述三瓣式弹性夹呈圆柱状，其一个端面由中心向外开有三条夹角互为120°的凹槽，形成三个弹性夹爪，且三个夹爪的外壁上均设有外螺纹；三瓣式弹性夹的另一个端面和所述第三旋转电机的输出轴同轴固连；

所述第一螺纹紧固件为上下开口的空心圆台，其内壁上设有和所述三瓣式弹性夹三个夹爪外壁上的外螺纹相配合的内螺纹；第一螺纹紧固件直径较小的端面朝下、和三瓣式弹性夹的三个夹爪螺纹相连，用于和所述三瓣式弹性夹相配合锁住所述钻头或电极植入组件，使得钻头或电极植入组件的尾部被三瓣式弹性夹的三个夹爪夹紧、头部穿过所述第一螺纹紧固件；

所述三瓣式弹性夹三个凹槽的中心到其侧壁上设有供电极穿过的通孔；

所述电极植入组件包含二瓣式弹性夹、第二螺纹紧固件和电极；

所述二瓣式弹性夹呈圆柱状，其一个端面上设有经过其圆心的直线凹槽，形成两个弹性夹爪，且两个夹爪的外壁都设有外螺纹；所述二瓣式弹性夹沿其轴线设有供电极穿过的通孔；

所述第二螺纹紧固件为上下开口的空心圆台，其内壁设有和所述二瓣式弹性夹两个夹爪外壁上的外螺纹相配合的内螺纹；第二螺纹紧固件直径较小的端面朝下、和二瓣式弹性夹的两个夹爪螺纹相连，用于和所述二瓣式弹性夹相配合锁住所述电极，使得电极的尾部被二瓣式弹性夹的两个夹爪夹紧、头部穿过所述第二螺纹紧固件；

所述电极被二瓣式弹性夹锁住且二瓣式弹性夹被三瓣式弹性夹锁住时，电极尾部的电线依次通过二瓣式弹性夹中的通孔、三瓣式弹性夹中的通孔连接至外部；

所述控制模块分别与所述第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、压力传感器电气相连，用于结合压力传感器的数据控制第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机工作。

作为本发明一种用于生物实验的电极植入系统进一步的优化方案，所述钻头采用机械钻头或激光钻头。

作为本发明一种用于生物实验的电极植入系统进一步的优化方案，所述电极采用镍铬合金丝、阵列电极或柱状电极。

作为本发明一种用于生物实验的电极植入系统进一步的优化方案，本发明还包含电源模块，所述电源模块和所述控制模块电气相连，用于供电。

作为本发明一种用于生物实验的电极植入系统进一步的优化方案，所述电源模块采用可拆卸锂电池。

作为本发明一种用于生物实验的电极植入系统进一步的优化方案，本发明还包含信号接收器，所述信号接收器和所述控制模块电气相连，用于接收外界命令并将其传递给所述控制模块。

作为本发明一种用于生物实验的电极植入系统进一步的优化方案，本发明还包含显示模块，所述显示模块和所述控制模块电气相连，用于显示压力传感器的感应数据以及第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机的工作状态。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 本发明通过第一至第三伸缩杆以及横向导轨模块的相互配合，实现支撑柱及其以上结构的三维坐标位置调节，灵活度极高，极大降低了系统的操作难度；

2. 本发明中的钻头和电极植入组件均为可替换件，通过简单的操作，能够换上各种不同种类的钻头和生物电极；不需要每使用一种不同的钻头或电极就得更换一整套系统，实现了一器多用，这种设计极大的提高了系统的适用范围和工作效率；

3. 二瓣式弹性夹设计可以使电极各部分受力均匀，保证了电极在固定时不会发生形变，保障了电极是从垂直的角度植入，极大的提高了电极植入的精度。更重要的是，本系统将电极和钻头的使用过程用力矩传感器监测，可以从传感器显示的数据中直观的观察到颅骨是否穿透，电极是否到达位点等现存高难问题，真正实现了颅内实验现象可视化和电极植入过程的自动化。

附图说明

图1是本发明的正视结构示意图；

图2是本发明的立体结构示意图；

图3是本发明中三瓣式弹性夹、钻头、第一螺纹紧固件相配合的结构示意图；

图4是本发明中二瓣式弹性夹的结构示意图；

图5是本发明具体控制方式的流程示意图。

图中，1-基座，2-第一伸缩杆，3-横向导轨模块，4-支撑柱，5-第二伸缩杆，6-第三伸缩杆， 7-第一滑槽，8-第二滑槽，9-脑立体定位仪，10-位点螺丝，11-固定座，12-滑块，13-显示模块，14-三瓣式弹性夹，15-第一螺纹紧固件，16-二瓣式弹性夹，17-第二螺纹紧固件，18-电极，19-钻头，20-三瓣式弹性夹侧壁上供电极穿过的通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1、图2所示，本发明公开了一种用于生物实验的电极植入系统，包含基座、第一滑槽、第二滑槽、第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、横向导轨模块、支撑柱、控制模块和执行模块。

所述基座为空心柱状；所述第一滑槽、第二滑槽均采用多止位点滑槽，第一滑槽、第二滑槽的一端分别和所述基座的侧壁固连，且第一滑槽、第二滑槽平行设置，用于相互配合以固定外界的脑立体定位仪；

脑立体定位仪在生物实验中用于确定实验对象头部各处的相关坐标位置并固定其头部；使用时，定位仪长方形底座的厚度略小于滑槽高度，宽度恰好与两条滑槽之间的距离相适应，可插入滑槽中固定；脑立体定位仪属于可拆卸的配套器件。

所述第一滑槽、第二滑槽均包含U形滑槽本体和若干位点螺丝，其中，所述U形滑槽本体的两个侧壁上都均匀设有若干一一对应的螺纹孔，所述位点螺丝穿过U形滑槽一个侧壁上对应的螺纹孔后和U形滑槽另一个侧壁上对应的螺纹孔螺纹相连；

工作时，根据实际需要，首先将脑立体定位仪的底座沿第一滑槽、第二滑槽深入到合适的距离，再用位点螺丝拧紧固定。

所述第一旋转电机的壳体固定在所述基座内，其输出轴竖直向上且和所述第一伸缩杆的底端同轴固连；所述第一伸缩杆的顶端和所述横向导轨模块固连；

所述横向导轨模块包含固定座、滑块、丝杠和第二旋转电机；

所述固定座的下端面和所述第一伸缩杆的顶端垂直固连，固定座的上端面上设有和所述滑块相配合的第三滑槽；所述滑块设置在所述第三滑槽内，能够沿所述第三滑槽自由滑动，且所述滑块沿第三滑槽的延展方向设有贯穿滑块的螺纹孔；所述第二旋转电机固定在所述固定座上、其输出轴和所述丝杆的一端同轴固连；所述丝杆平行设置在所述滑槽内，其远离第二旋转电机的一端穿过所述滑块，且所述丝杆和所述滑块上的螺纹孔螺纹相连。

所述支撑柱竖直设置，其底端和所述滑块固连；

所述第二伸缩杆平行设置，其底端和所述支撑柱的上端垂直固连；所述第三伸缩杆竖直设置，其底端和所述第二伸缩杆的顶端垂直固连、顶端竖直朝下。

所述执行模块包含压力传感器、第三旋转电机、三瓣式弹性夹、第一螺纹紧固件、钻头和电极植入组件；

所述第三旋转电机的壳体通过压力传感器和所述第三伸缩杆的顶端固连，且第三旋转电机的输出轴竖直向下；

如图3所示，所述三瓣式弹性夹呈圆柱状，其一个端面由中心向外开有三条夹角互为120°的凹槽，形成三个弹性夹爪，且三个夹爪的外壁上均设有外螺纹；三瓣式弹性夹的另一个端面和所述第三旋转电机的输出轴同轴固连；

所述第一螺纹紧固件为上下开口的空心圆台，其内壁上设有和所述三瓣式弹性夹三个夹爪外壁上的外螺纹相配合的内螺纹；第一螺纹紧固件直径较小的端面朝下、和三瓣式弹性夹的三个夹爪螺纹相连，用于和所述三瓣式弹性夹相配合锁住所述钻头或电极植入组件，使得钻头或电极植入组件的尾部被三瓣式弹性夹的三个夹爪夹紧、头部穿过所述第一螺纹紧固件；

所述三瓣式弹性夹三个凹槽的中心到其侧壁上设有供电极穿过的通孔；

所述电极植入组件包含二瓣式弹性夹、第二螺纹紧固件和电极；

如图4所示，所述二瓣式弹性夹呈圆柱状，其一个端面上设有经过其圆心的直线凹槽，形成两个弹性夹爪，且两个夹爪的外壁都设有外螺纹；所述二瓣式弹性夹沿其轴线设有供电极穿过的通孔；

所述第二螺纹紧固件为上下开口的空心圆台，其内壁设有和所述二瓣式弹性夹两个夹爪外壁上的外螺纹相配合的内螺纹；第二螺纹紧固件直径较小的端面朝下、和二瓣式弹性夹的两个夹爪螺纹相连，用于和所述二瓣式弹性夹相配合锁住所述电极，使得电极的尾部被二瓣式弹性夹的两个夹爪夹紧、头部穿过所述第二螺纹紧固件；

所述电极被二瓣式弹性夹锁住且二瓣式弹性夹被三瓣式弹性夹锁住时，电极尾部的电线依次通过二瓣式弹性夹中的通孔、三瓣式弹性夹中的通孔连接至外部；

所述控制模块分别与所述第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、压力传感器电气相连，用于结合压力传感器的数据控制第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机工作。

所述钻头采用机械钻头或激光钻头。

所述电极采用镍铬合金丝、阵列电极或柱状电极。

本发明还包含电源模块，所述电源模块和所述控制模块电气相连，用于供电。所述电源模块优先采用可拆卸锂电池。

本发明还包含信号接收器，所述信号接收器和所述控制模块电气相连，用于接收外界命令并将其传递给所述控制模块。

本发明还包含显示模块，所述显示模块和所述控制模块电气相连，用于显示压力传感器的感应数据以及第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机的工作状态。

如图5所示，本实施例所述用于生物实验的全自动电极植入系统控制方法包括如下步骤：

首先将脑立体定位仪沿滑槽固定在合适的位置，再通过依次调节所述第一伸缩杆、第二伸缩杆和横向导轨模块，固定钻孔装置的位置。而后选择合适尺寸的钻头，装入三瓣式弹性夹，通过第三伸缩杆和第三旋转电机控制纵移和旋转进行颅骨钻孔，后将钻头取下，再使用三瓣式弹性夹换上已经装夹好合适电极的植入装置，最后使用第三伸缩杆将电极分时序缓慢植入。所述分时序控制植入速度的具体过程如下：从电极即将接触组织开始，保持一定的竖直进给速度。在电极刚接触到组织时，在原有竖直进给速度的基础上，以一定的增速缓慢增加旋转速度，直到恰好刺破组织表层。恰好刺破组织表层时，把垂直进给速度减为零，让电极暂时停止，等待组织形变结束恢复原状。在组织形变基本恢复后，再以初始的竖直进给速度继续向下，直至电极植入位点。基于上述控制方法，实现了植入过程数据的可视化，令电极植入更加准确，提高了电极植入位点的有效性。同时，无需将套管等尺寸更大的附加材料植入实验对象脑组织中，避免了二次伤害。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于生物实验的电极植入系统，其特征在于，包含基座、第一滑槽、第二滑槽、第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、横向导轨模块、支撑柱、控制模块和执行模块；

所述基座为空心柱状；所述第一滑槽、第二滑槽均采用多止位点滑槽，第一滑槽、第二滑槽的一端分别和所述基座的侧壁固连，且第一滑槽、第二滑槽平行设置，用于相互配合以固定外界的脑立体定位仪；

所述第一滑槽、第二滑槽均包含U形滑槽本体和若干位点螺丝，其中，所述U形滑槽本体的两个侧壁上都均匀设有若干一一对应的螺纹孔，所述位点螺丝穿过U形滑槽一个侧壁上对应的螺纹孔后和U形滑槽另一个侧壁上对应的螺纹孔螺纹相连；

所述第一旋转电机的壳体固定在所述基座内，其输出轴竖直向上且和所述第一伸缩杆的底端同轴固连；所述第一伸缩杆的顶端和所述横向导轨模块固连；

所述横向导轨模块包含固定座、滑块、丝杠和第二旋转电机；

所述固定座的下端面和所述第一伸缩杆的顶端垂直固连，固定座的上端面上设有和所述滑块相配合的第三滑槽；所述滑块设置在所述第三滑槽内，能够沿所述第三滑槽自由滑动，且所述滑块沿第三滑槽的延展方向设有贯穿滑块的螺纹孔；所述第二旋转电机固定在所述固定座上、其输出轴和所述丝杆的一端同轴固连；所述丝杆平行设置在所述滑槽内，其远离第二旋转电机的一端穿过所述滑块，且所述丝杆和所述滑块上的螺纹孔螺纹相连；

所述支撑柱竖直设置，其底端和所述滑块固连；

所述第二伸缩杆平行设置，其底端和所述支撑柱的上端垂直固连；所述第三伸缩杆竖直设置，其底端和所述第二伸缩杆的顶端垂直固连、顶端竖直朝下；

所述执行模块包含压力传感器、第三旋转电机、三瓣式弹性夹、第一螺纹紧固件、钻头和电极植入组件；

所述第三旋转电机的壳体通过压力传感器和所述第三伸缩杆的顶端固连，且第三旋转电机的输出轴竖直向下；

所述三瓣式弹性夹呈圆柱状，其一个端面由中心向外开有三条夹角互为120°的凹槽，形成三个弹性夹爪，且三个夹爪的外壁上均设有外螺纹；三瓣式弹性夹的另一个端面和所述第三旋转电机的输出轴同轴固连；

所述第一螺纹紧固件为上下开口的空心圆台，其内壁上设有和所述三瓣式弹性夹三个夹爪外壁上的外螺纹相配合的内螺纹；第一螺纹紧固件直径较小的端面朝下、和三瓣式弹性夹的三个夹爪螺纹相连，用于和所述三瓣式弹性夹相配合锁住所述钻头或电极植入组件，使得钻头或电极植入组件的尾部被三瓣式弹性夹的三个夹爪夹紧、头部穿过所述第一螺纹紧固件；

所述三瓣式弹性夹三个凹槽的中心到其侧壁上设有供电极穿过的通孔；

所述电极植入组件包含二瓣式弹性夹、第二螺纹紧固件和电极；

所述二瓣式弹性夹呈圆柱状，其一个端面上设有经过其圆心的直线凹槽，形成两个弹性夹爪，且两个夹爪的外壁都设有外螺纹；所述二瓣式弹性夹沿其轴线设有供电极穿过的通孔；

所述第二螺纹紧固件为上下开口的空心圆台，其内壁设有和所述二瓣式弹性夹两个夹爪外壁上的外螺纹相配合的内螺纹；第二螺纹紧固件直径较小的端面朝下、和二瓣式弹性夹的两个夹爪螺纹相连，用于和所述二瓣式弹性夹相配合锁住所述电极，使得电极的尾部被二瓣式弹性夹的两个夹爪夹紧、头部穿过所述第二螺纹紧固件；

所述电极被二瓣式弹性夹锁住且二瓣式弹性夹被三瓣式弹性夹锁住时，电极尾部的电线依次通过二瓣式弹性夹中的通孔、三瓣式弹性夹中的通孔连接至外部；

所述控制模块分别与所述第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、压力传感器电气相连，用于结合压力传感器的数据控制第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机工作。

2.根据权利要求1所述的用于生物实验的电极植入系统，其特征在于，所述钻头采用机械钻头或激光钻头。

3.根据权利要求1所述的用于生物实验的电极植入系统，其特征在于，所述电极采用镍铬合金丝、阵列电极或柱状电极。

4.根据权利要求1所述的用于生物实验的电极植入系统，其特征在于，本发明还包含电源模块，所述电源模块和所述控制模块电气相连，用于供电。

5.根据权利要求4所述的用于生物实验的电极植入系统，其特征在于，所述电源模块采用可拆卸锂电池。

6.根据权利要求1所述的用于生物实验的电极植入系统，其特征在于，本发明还包含信号接收器，所述信号接收器和所述控制模块电气相连，用于接收外界命令并将其传递给所述控制模块。

7.根据权利要求1所述的用于生物实验的电极植入系统，其特征在于，本发明还包含显示模块，所述显示模块和所述控制模块电气相连，用于显示压力传感器的感应数据以及第一至第三伸缩杆、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机的工作状态。

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