微電極推進裝置及其方法
2023-04-23 13:37:16
專利名稱：微電極推進裝置及其方法
技術領域：
本發明為一種手動微電極推進器，用於清醒狀態下自由活動的大壁虎腦內微電極進給。
背景技術：
外界事物的信息在大腦中是如何被編碼和傳輸的，一直是腦科學中的一個重要研 究課題。神經信息的編碼問題是神經系統的基本問題。事物的信息是由神經元集群編碼的， 採用集群編碼有利於神經信息表達的穩定性和精確性，並且通過組合可以產生比神經元數 目多的不同表示，從而提高了神經系統的表達能力。研究表達集群中多個神經元相互關係 的高階特性進而發展其他更為有效的編碼模式是具有發展前景的課題。神經元之間的時空編碼模式，確定運動相關的腦區的腦電信號與運動行為的相關 性，以及外界輸入刺激信號條件下動物運動行為的變化等等一系列研究均需把微電極準 確地置入預定的部位。目前被運用到動物信息採集的微驅動的基本驅動有三種液壓驅 動，齒輪傳動，螺杆機構。Ranck (Ranck J. R. Brain Unit Activity During Behavior. 1973:76-79.)是最早運用螺杆機構的人之一。他的微驅動包括兩個螺釘，一個裝在另一個 的中空的腔中。外面的螺釘把微驅動粘附在動物的大腦上，裡面的螺釘用於固定微電極。當 裡面的螺釘旋轉時微電極也隨之旋轉。這種微電極推進器結構比較粗糙，且只能進行單電 極的推進。第四軍醫大學唐都醫院的王舉磊(專利號CN 201157420Y)設計了一種用於猴子、 貓等大型動物的手動微電極推進器。這種微推進器在基座上設有推進杆，推進杆中心為螺 杆，螺杆轉動會帶動滑塊上下移動，把電極塞固定在滑塊上，即可實現電極推進。這種手動 微電極推進器優點為旋轉環上有刻度，能夠實現精確地控制，且電極的移動距離能達到 4mm。其缺點為(1)整體結構大，重量大，主要適合於大型動物；(2)與顱骨的連接比較簡 單，容易脫落；(3)只能用於單電極的記錄與刺激實驗。貝爾實驗室的 MS. Fee (MS Fee, A Leonardo. NEUROSCI METH 2001 (112)83-94)設計了一種可自動進給的電極微推進器，用於斑紋雀的腦信號採集。微電極 被固定在一個帶螺紋的滑塊上，滑塊可以沿著一根帶螺紋的圓柱上下滑動。當電機帶著圓 柱轉動時，滑塊就會帶著微電極上下移動。這種微電極推進器優點為(1)直徑為6mm，高 為17mm，重量不足1. 5g，結構小巧，可以適用於小型動物；(2)每個通道為一個直流電機控 制，能夠實現三通道單獨進給，相互之間沒有影響；(3)採用直流電機驅動，進給的精確度 很高。MS. Fee的推進器的缺點為(1)用於採集的位點的數量有限，動物的利用率比較低； (2)與顱骨之間直接固結，適用於大多數動物，但對於一些顱骨結構特殊的動物(如大壁虎) 並不適合；(3)採用了三個直徑1. 9mm,重量約為IOOmg的直流電機，因此整套設備的成本很 尚οPlexon公司提供了 MD-04和MD-08兩種微電極推進器，分別擁有4個和8個獨立 運動的接口滑塊。接口滑塊被放置在箱體對應的滑道裡。每個接口滑塊可以裝載1-4個微電極。滑塊上有螺紋孔，當順時針轉動螺釘時，滑塊就會帶動微電極上下滑動。在滑塊的下 方設有導引孔，可以引導微電極在軌道內滑動。在箱體與顱骨之間有四個螺釘連接。這種 推進器的優點為(1)多通道單獨進給；(2)重量輕；(3)體積小；(4)容易組裝；(5)性價 比高；(6)單獨的微電極轉接接口 ；(7)能實現1/8和3/16兩種進給。其缺點為(1)接口 滑塊一次性使用，不可重複使用；(2)植入位點比較固定，不易更改；(3)與顱骨的的固定不 牢靠，特別是不適合大壁虎等顱骨結構特殊的動物。Keith A. Stengel (專利號US 7769421)設計了中微電極推進器。基本原理也 是利用螺紋手工推動。但是在在箱體中設計成斜30°的滑道，螺釘推動滑塊沿滑道移動。 在滑塊上固定著毛細管，記錄微電極被固定在毛細管上，隨滑塊上下移動。在箱體的底部設 有導向管，毛細管的下端穿入導向管中，以保證微電極在指定位點上下移動。底部直接與顱 骨固結。這種推進器的優點為(1)14通道單獨進給；(2)使用毛細管與導向管結合的方 法，擴大了設計空間；(3)底部與顱骨的結合面積小，方便與顱骨固定；其缺點為(1)與顱 骨之間的採用常規固定，特別是不適合大壁虎等顱骨結構特殊的動物；(2)組裝繁瑣，耗時 耗力；(3)加工成本比較高；(4)植入位點比較固定，不易更改；(5)滑塊一次性使用，不可 重複使用。荷蘭的Manuputy Ronald Jozef Domingus (專利號EP2135548 (Al))設計了中 微電極推進器。基本原理也是利用螺紋手工推動。他把六個滑塊的外形設計成60°的三 角形，這樣六個滑塊之間可以相互限位，當螺柱轉動時，滑塊只能上下運動。把記錄微電極 固定在滑塊上，即可實現微電極的上下進給。這種推進器的優點為(1)實現6通道單獨進 給；(2)把前端放大器與微電極推進器直接連接；(3)利用滑塊外形直接限位，降低了箱體 的加工難度；(4)簡化了整體結構，簡單易用。其缺點為(1)與顱骨之間的接觸面積比較 大，不適合大壁虎等顱骨結構特殊的動物；(2)微電極的植入位點固定，可植入微電極的區 域比較少；(3)滑塊一次性使用，不可重複使用；(4)相於大壁虎等動物，結構比較大，不利 於動物自由活動。由於以上的微電極推進器主要針對大鼠、貓等動物，運用於大壁虎的刺激與記錄 實驗，有很多問題，如無法與大壁虎的顱骨連接，可植入微電極的區域比較小，等等。因此我 們需要設計一個微電極推進器，其結構簡單，重量輕，能夠完美的固定在大壁虎的顱骨上， 並能實現多位點的腦電刺激與記錄。
發明內容
本發明目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種大壁虎在體記錄和刺激的微電 極推進裝置及方法，用於大壁虎的在體的記錄和刺激實驗。本發明為實現上述目的，採用如下技術方案
本發明微電極推進裝置，包括墊片、箱體、螺母、螺釘、滑塊和底板，其中底板和箱體通 過相互對應設置的凹凸相配的槽連接，底板固定於顱骨上，箱體內設置有與滑塊對應的滑 道，滑塊上設置階梯槽和安裝孔，階梯槽上安裝陣列板以固定微電極，螺帽嵌入滑塊上的安 裝孔，並與滑塊緊固相連，滑道設計成半圓槽用於限制滑塊轉動，使其只能沿著螺釘上下運 動，墊片限制了螺釘的上下運動，螺釘只能原地轉動。優選地，所述凹凸相配的槽為燕尾槽 或圓槽。
優選地，所述陣列板為厚度300 500 μ m的薄板，陣列板上開有均勻分布的通孔， 孔間距根據範圍在300 600 μ m。優選地，所述滑塊行程不小於5mm。微電極推進裝置的推進方法，包括以下步驟
(1)、底板的四周設置成階梯狀，定位螺釘通過底板上的兩個半圓孔作為定位基準與顱 骨上相應位置的定位孔將底板定位於顱骨上，底板和顱骨通過牙科水泥粘結和固定；
(2)、底板和箱體採用凹凸相配的槽連接；
(3)、箱體滑道內置滑塊，滑塊階梯槽上安裝陣列板以固定微電極，陣列板上的孔的位 置為腦區間特定的空間編碼位置的矢狀平面和冠狀平面的相交軸位置，陣列板的水平位置 即推進器的推進面，推進器對整個腦區域進行腦電刺激和腦電記錄。本發明具有如下有益效果
(1)、根據動物腦頂骨形態和大小確定底板形狀和固定方式。底板的固定位置決定了整 套微電極推進系統相對於腦區的位置，因此首先需要確定底板位置。本發明在底板上開了 兩個半圓孔作為底板的定位基準，並在頂骨上相應位置打兩個定位孔，植入定位螺釘，即可 確定底板位置。實驗中，用於固定的牙科水泥，與頂骨之間的固定並不牢靠，植入定位螺釘 可以明顯的增強底板與頂骨之間的結合強度。底板大小在一定程度上決定了整體結構的大 小，為降低微電極推進系統的設計和製造難度，系統的整體結構要儘量大，而另一方面實驗 中的可用於固定底板的區域面積很小，這在一定程度上限制了底板的大小。本發明根據頂 骨的形態和結構拓撲出底板的形狀，實現了最優設計。把底板的四周設計成階梯狀，有利於 牙科水泥的塗覆和固定。(2)、考慮到方便加工和實驗裝配，底板和箱體設計成分體結構，底板與箱體採用 燕尾槽連接。這樣的設計既有利於各個零件的加工製造，又保證了零件之間的連接與定位。(3)、推進器滑道內置滑塊，安裝陣列板以固定微電極，用陣列板上的孔固定電極。 陣列板上加工有間隔均布的小孔。微電極穿過小孔到達指定位置後便可使用膠水將微電極 固定在小孔邊緣。本發明中採用了孔陣列板固定電極，大大增加了可植入電極的位置，可對 整個實驗腦區進行電刺激以及腦電記錄。滑塊上孔的位置根據腦區間特定的空間編碼位 置，按照矢狀平面和額狀平面的坐標確定，冠狀平面內的位置由推進器確定。推進器可對整 個中腦區域進行腦電刺激和腦電記錄。(4)、本發明採用絲杆滑塊機構作為動力推進系統。微電極推進器要求結構小巧， 推進靈活，所以推進器中的動力推進系統選擇了最簡單的機構一一絲杆滑塊機構。同時，採 用上下兩塊墊片限制螺釘上下運動，而把螺母嵌入滑塊中。另外，本發明中採用標準的螺釘 螺母，降低了加工的成本以及加工的難度。(5)、整體結構採用封閉式設計。大壁虎腦結構的特殊性要求微電極植入時，要進 行開顱手術，去除部分硬腦膜和蛛網膜，以暴露實驗腦區。而術後的大壁虎腦部與必須與外 界隔離，因此本發明採用了封閉式設計，進給裝置均被箱體包圍。另一方面本發明運用到腦 電信號採集時，要求對有信號的引出的微電極進行屏蔽，封閉式設計能夠保證良好的屏蔽 效果。(6)、本發明採用鈦或鋁合金作為製作材料。微電極推進器需要固定在大壁虎的顱 骨上面，如果重量太大，大壁虎無法承受，就會影響大壁虎的正常活動。鈦合金的密度為4.
55glcm^ ,僅相當於鋼的60%，比強
度很高，既能夠保證整體結構重量輕，又能夠保證薄壁零件的強度，保證在實際操作過程中 整體結構不變形，提高微電極植入的位置精度。
圖1是微電極推進器的示意圖。其中(a)為正面觀察示意圖；(b)為俯視觀察示 意圖。圖2是滑塊的示意圖。圖3是壁虎頭部位置的定位與實驗區域的示意圖。其中(C)為正面觀察示意圖； (d)為俯視觀察示意圖。圖1中標號名稱1_墊片；2-箱體；3-螺母；4-螺釘；5_滑塊；6_底板。圖2中標號名稱7_階梯槽。圖3中標號名稱8_冠狀縫；9-前囟；10-頂骨；11-後囟。
具體實施例方式圖1是微電極推進器的示意圖。如圖採用了兩塊墊片1限制螺釘4的上下運動， 所以螺釘4隻能原地轉動，而螺帽3與滑塊5緊固相連。當轉動螺釘4時，滑塊5被箱體2 限制了轉動，因此滑塊5隻能隨螺帽3沿著螺釘4上下運動。當微電極固定在與滑塊5粘 結的孔陣列板後，微電極也會隨著滑塊5上下運動。圖2是滑塊的示意圖。圖中用標明的區域即階梯槽，用於粘結孔陣列板。圖3是壁虎頭部位置的定位與實驗區域的示意圖。實驗可利用的區域是前囟點與 後囟點之間的頂骨，即用粗線標出的區域，其總面積大約為90mm2。下面結合圖1、圖2、圖3用一具體實施範例說明本發明使用方法。大壁虎頭部可攜帶的重量有限，考慮到對大壁虎的自由運動的影響，推進器的重 量不能超過5g，因此微電極推進器必須結構簡單，重量輕。本發明採用了螺杆驅動，其結構 簡單輕巧，便於操作。實驗腦區在頂骨之下，而大壁虎頂骨與額骨之間存在骨縫(冠狀縫)， 結合不緊，頂骨和額骨可以產生較大的相對轉動，因此微電極推進器必須固定在頂骨上，且 不能超過冠狀縫。1、根據圖1的裝配圖，把螺母3和孔陣列板固定在合適的位置。用於螺母3通過 502膠固定於滑塊5的開槽中，要控制螺母要與上下孔同軸，否則影響絲
杆滑塊機構的傳動。在滑塊5中預留的階梯槽7部位固定孔陣列板。首先對照階梯槽 7的大小打磨孔陣列板，保證邊緣平整。然後，以階梯為定位基準，把孔陣列板用502膠水壓 覆在階梯槽7上。待502膠凝固後，打磨塗膠部位，保證滑塊5可以在箱體2中通暢滑動。 最後將滑塊裝配於箱體內。2、將壁虎麻醉後固定於定位儀上，使其腦部處於標準定位狀態。以因點為定位基 準，採用定位高速顱鑽在頂骨適當位置對稱鑽兩個定位孔，並擰入定位螺釘。把下一步要塗 覆牙科水泥的頂骨10打毛，有利於增強牙科水泥與頂骨10的結合強度。對大壁虎進行開 顱手術，剪去硬腦膜和蛛網膜，暴露實驗腦區。3、由於頂骨10高低不平，首先在頂骨10與底板6結合區域塗覆少量牙科水泥，保證底板6水平放置。在底板6的前後塗覆少量牙科水泥，把底板6固定在頂骨10上。待牙 科水泥凝固後，把已裝配的箱體2與底板6配合。在箱體2和底板6的四周塗覆牙科水泥， 注意牙科水泥不要超過冠狀縫8。4、根據前囟點9位置，在所需要的點植入微電極，並把它們固定在孔陣列板上。最 後把所有的沒有用到的孔用502膠封固。5、對暴露的皮膚和肌肉組織消毒，縫合大壁虎的頭部皮膚，將微電極與刺激接口 相連接，待術後恢復進行慢性實驗。6、在大壁虎恢復三到四天後，對大壁虎進行術後電刺激或腦電記錄實驗，如果所 在的點效果不理想，可以擰動螺釘4，實現微電極在體實驗下的推進。
權利要求
1.一種微電極推進裝置，其特徵在於包括墊片(1)、箱體(2)、螺母(3)、螺釘(4)滑塊 (5 )和底板(6 )，其中底板(6 )和箱體(2 )通過相互對應設置的凹凸相配的槽連接，底板(6 ) 固定於顱骨上，箱體(2)內設置有與滑塊(5)對應的滑道，滑塊(5)上設置階梯槽(7)和安 裝孔，階梯槽(7)上安裝陣列板以固定微電極，螺帽(3)嵌入滑塊(5)上的安裝孔，並與滑塊 (5)緊固相連，滑道設計成半圓形槽用於限制滑塊(5)轉動，使其只能沿著螺釘(4)上下運 動，墊片(1)限制了螺釘(4 )的上下運動，螺釘(4 )只能原地轉動。
2.根據權利要求1所述的微電極推進裝置，其特徵在於所述凹凸相配的槽為燕尾槽或 圓槽。
3.根據權利要求1所述的微電極推進裝置，其特徵在於所述陣列板為厚度300 500 μ m的薄板，陣列板上開有均勻分布的通孔，孔間距範圍在300 600 μ m。
4.根據權利要求1所述的微電極推進裝置，其特徵在於所述滑塊(5)行程不小於5mm。
5.一種基於權利要求1所述的微電極推進裝置的推進方法，其特徵在於包括以下步驟(1)、底板(6)的四周設置成階梯狀，定位螺釘通過底板(6)上的兩個半圓孔作為定位 基準與顱骨上相應位置的定位孔共同將底板(6)定位於顱骨上，底板(6)和顱骨通過牙科 水泥粘結和固定；(2)、底板(6)和箱體(2)採用凹凸相配的槽連接；(3)、箱體(2)滑道內置滑塊(5)，滑塊(5)階梯槽上安裝陣列板以固定微電極，陣列板 上的孔的位置為腦區間特定的空間編碼位置的矢狀平面和冠狀平面的相交軸位置，陣列板 的水平位置即推進器的推進面，推進器對整個腦區域進行腦電刺激和腦電記錄。
全文摘要
本發明公布了一種微電極推進裝置及方法，所述裝置包括墊片、箱體、螺母、螺釘、滑塊和底板。所述推進方法，包括以下步驟底板的四周設置成階梯狀，定位螺釘通過底板上的兩個半圓孔作為定位基準與顱骨上相應位置的定位孔將底板定位於顱骨上，底板和顱骨通過牙科水泥粘結和固定；底板和箱體採用凹凸相配的槽連接；箱體滑道內置滑塊，滑塊階梯槽上安裝陣列板以固定微電極，陣列板上的孔的位置為腦區間特定的空間編碼位置的矢狀平面和冠狀平面的相交軸位置，陣列板的水平位置即推進器的推進面，推進器對整個腦區域進行腦電刺激和腦電記錄。本發明裝置，具有操作簡單、結構輕巧的特徵，適合從事動物腦區研究的實驗室使用。
文檔編號A61B5/0478GK101999897SQ201010536398
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者劉振東, 戴振東, 王文波, 蔡雷 申請人:南京航空航天大學