專利名稱：大壁虎脊柱立體定位裝置及方法
技術領域：
本發明的大壁虎脊柱立體定位裝置及方法，用于大壁虎脊柱立體定位，以進行大壁虎在體脊髓制備及其電 生理相關實驗，屬定位技術領域。
背景技術：
大壁虎因其超凡的三維空間無障礙運動能力，成為了仿生機器人研發的理想模型，近些年來，仿壁虎機器人已成為了仿生機器人的研究熱點。但目前國內外所研制出的仿壁虎機器人，仍采用傳統的人工規劃控制法，依賴對環境的精確建模，不能適應復雜、非結構化的環境，缺乏靈活性和自主性，嚴重影響了機器人的應用性能。自然界中，脊椎動物的運動行為表現出了極好的靈活性與穩定性，主要是由脊髓內的中央模式發生器(Central Pattern Generator , CPG)產生、控制諸如走、跑、跳、游等節律性行為。神經生物學領域對大鼠、小鼠、貓、七鰓鰻等動物CPG運動神經網絡的研究及機器人領域對CPG控制模式的仿生均已取得一定的成果，但到目前為止，還未有學者對大壁虎這種具有特殊運動能力的動物的運動神經網絡展開研究。利用大壁虎在體脊髓制備，開展相關的電生理實驗，建立相應的CPG控制，提高仿壁虎機器人的性能，實現向非結構環境和極限環境的應用延伸，是仿壁虎機器人研究發展的必然趨勢。為了進行大壁虎在體脊髓制備及其電生理相關實驗，探索揭示大壁虎脊髓CPG運動神經網絡機制，必須實現大壁虎脊柱的可靠定位。Cunningham設計了適用于成年及幼年嚙齒類動物脊髓制備及電生理實驗的的脊柱適配器；Fiford針對大鼠脊髓損傷模型制備，設計了結構較為復雜的脊髓損傷裝置。但隸屬于爬行動物的大壁虎，其脊柱結構與哺乳類的嚙齒類動物差異明顯，這使得現有的脊柱適配器均不能滿足大壁虎脊髓研究的需要。另夕卜，Cunningham所設計的脊柱適配器的脊骨夾間距固定，采用兩個成對使用的脊骨對同一節椎骨進行夾持，兩對脊骨夾分別夾持相鄰兩塊椎骨。所暴露脊髓的范圍有限。而且脊骨夾端部結構單一，難以滿足大壁虎椎骨尺寸差異變化的要求。因此，必須根據大壁虎自身特點，建立大壁虎脊柱立體定位方法，并研制相關定位裝置。
發明內容
本發明的目的在于提供一種根據大壁虎自身特點的，定位可靠、操作簡單的大壁虎脊柱立體定位裝置及方法。一種大壁虎脊柱立體定位裝置，包括底座、安裝于底座上的U形支座，還包括分別安裝于U形支座U字形兩端的位于同一水平線的左脊柱適配器和右脊柱適配器；將該水平線稱作第一水平線；其特征在于所述的左脊柱適配器與右脊柱適配器結構對應，具體結構如下每個脊柱適配器均包括一個支撐座、兩個移動塊、兩個脊骨夾；其中支撐座帶有連接桿，連接桿通過適配器固緊螺釘固定于U形支座上；上述兩個移動塊均通過燕尾槽結構和緊定螺釘安裝并固緊于支撐座上；上述移動塊具有矩形槽結構，脊骨夾位于矩形槽結構內；上述脊骨夾上具有長圓槽，并通過鎖緊螺釘鎖緊在相應的移動塊上；上述燕尾槽結構的方向與第一水平線方向垂直，上述矩形槽結構和長圓槽的方向與第一水平線方向平行；上述每個脊骨夾的左端均具有用于夾持的左開口，右端均具有用于夾持的右開口，且兩端開口尺寸不同；左脊柱適配器與右脊柱適配器上位于同一水平線上的脊骨夾為一對脊骨夾，共形成兩對脊骨夾。利用上述大壁虎脊柱立體定位裝置的定位夾持方法，其特征在于對于頸椎、胸椎及腰椎的某一節椎骨的夾持定位，是通過分別夾持定位與該節椎骨相鄰的前兩節椎骨和后兩節椎骨實現的；具體是利用相鄰兩節椎骨的前關節突和后關節突之間的內凹弧形結構，采用左脊柱適配器與右脊柱適配器上位于同一水平線上的一對脊骨夾夾持該內凹弧形結構實現夾持定位；上述頸椎不包括寰椎和樞椎；(b)、對于薦椎的某一節椎骨的夾持定位，是通過分別夾持該椎骨與其前一相鄰椎骨之間的椎間孔，以及該椎骨與其后一相鄰椎骨之間的椎間孔實現的；具體是利用左脊柱適配器與右脊柱適配器上位于同一水平線上的一對脊骨夾夾持上述椎間孔。上述大壁虎脊柱立體定位裝置的脊骨夾兩端的左開口和右開口均為圓弧形開口。脊骨夾兩端開口的圓弧形設計可以避免所夾持椎骨的突起(如，前關節突、后關節突)的干 涉。上述脊骨夾的左開口的寬度為2. 8 mm，右開口的寬度為2. 6 mm。開口的寬度是根據對大壁虎各節椎骨長度的統計測量值確定的。一般椎骨長選擇大的開口寬度，椎骨短，則選擇小的開口寬度。實際實驗中，需根據椎骨的實際長度選擇合適的開口寬度；每個脊骨夾上的長圓槽為兩個。這樣方便左右脊柱適配器的脊骨夾配對使用，同時保證每一對脊骨夾都可以分別沿著移動塊的矩形槽作短距離調節(調節范圍均為
O^ 4 mm),以方便每一對脊骨夾的夾持定位。此外，上述脊骨夾兩端為斜面，斜面傾角范圍20° < α < 25°。斜面的設計是為了降低脊骨夾夾持端的厚度，極薄的夾持端部使得對椎骨的夾持更加牢固不易脫落。總之，本發明具有如下優點(I)結構簡單，原理清晰，調節靈活，定位可靠，安裝拆卸方便，夾持過程簡單易行；(2)以通用腦立體定位儀為平臺，兼容性強；(3)兩端結構尺寸不同的脊骨夾，適合于不同體長的成年大壁虎，并能滿足不同節段的脊柱結構尺寸差異的要求；(4)穩定性高，在長達數小時的實驗過程中，即使在外力或者外部刺激下實驗動物做出相應的行為反應，也能保證實驗區域的持續定位。本發明的立體定位裝置可以方便的安裝于通用腦立體定位儀上。大壁虎在體脊髓制備實驗、電生理實驗及脊髓內給藥的實際應用表明，該夾持定位方法和裝置能完全滿足我們的實驗需要，為大壁虎脊髓在體制備及CPG運動神經網絡的研究奠定了基礎。
圖I是大壁虎脊柱立體定位裝置示意圖；圖2是大壁虎脊柱適配器裝配的前視圖；圖3是大壁虎脊柱適配器裝配的俯視圖4是移動塊結構的前視圖；圖5是移動塊結構的左側視圖；圖6是脊骨夾結構的前視圖；圖7是脊骨夾結構的俯視圖；圖8是大壁虎脊柱節段分布圖側面觀，右上角為第一薦椎左側視圖；圖9是大壁虎椎骨前后關節突以及夾持位點的側面觀；圖10是大壁虎椎骨前后關節突以及夾持位點的俯視圖；圖11是脊骨夾夾持的俯視圖；
圖12是脊骨夾夾持示的前視圖；圖中標號名稱1_底座；2-U形支座；3_左脊柱適配器固緊螺釘；4_左脊柱適配器；5_右脊柱適配器；6_右脊柱適配器固緊螺釘；7_支撐座；8_燕尾槽結構；9_連接桿；10-緊定螺釘；11-移動塊；12-鎖緊螺釘；13-脊骨夾；14-矩形槽結構；15-左開口 ；16_長圓槽；17_右開口 ；18_頸椎；19_胸椎；20_腰椎；21_薦椎；22_尾椎；23_橫突；24_前關節突；25_后關節突；26_棘突；27_椎間孔；28_副突；29_內凹弧形結構。
具體實施例方式結合圖I-圖12，用某一節段脊髓制備及電生理相關實驗來說明本發明方法。本發明原理解剖學研究表明，大壁虎脊柱包含頸椎8節，胸椎5節，腰椎13節，薦椎2節，尾椎27-33節。頸椎的前兩節為寰椎和樞椎，用于連接顱骨。頸椎的剩余節段與胸椎、腰椎結構基本一致，包含了棘突、前關節突、后關節突與副突。脊柱某一節椎骨的前后關節突之間為內凹弧形結構，該部分骨質厚實堅硬，可以定位并夾持。本發明的脊柱定位方法是利用相鄰兩節椎骨的前關節突和后關節突之間的內凹弧形結構對相鄰兩節椎骨進行夾持定位；對所需實驗的某一節椎骨的前兩節段與后兩節段分別夾持定位，實現所需實驗部分椎骨的夾持定位。從薦椎開始出現橫突，尾椎的橫突隨著節段的增加而變小，直至消失，各節椎體也較短。薦椎的前后關節突之間存在著較長的橫突，所以，對于薦椎，通過夾持相鄰三個脊柱節段之間的兩個椎間孔實現夾緊定位。根據大壁虎不同脊柱節段椎骨長度的變化，本發明設計了端部尺寸不同的脊骨夾(圖7)用以夾持相鄰兩節椎骨，利用脊骨夾端部開口抵住相鄰兩節椎骨的前、后關節突之間的內凹弧形結構(圖10)實現兩節椎骨的定位夾持。采用此方法，分別對所需實驗的某一節椎骨的前兩節椎骨與后兩節椎骨分別夾持定位，即可實現對實驗部位椎骨的固定(圖11、圖12)。同時，脊骨夾端部很薄(圖6)，可以方便地夾持薦椎部位的椎間孔，實現對薦椎的固定。解剖學觀測發現，脊神經外被硬脊膜，出椎間孔后向腹側行走，且與脊神經相比，椎間孔孔徑較大，所以使用接觸端較薄的夾持器夾持椎間孔，不會對脊神經造成壓迫性傷害。為了使成對使用的脊骨夾的調節夾持方便，支撐脊骨夾的移動塊和脊骨夾之間設計成矩形槽配合(圖2-圖5，使得脊骨夾只能沿矩形槽左右移動(B卩，平行于第一水平線方向)。同時，支撐座和移動塊之間采用燕尾槽結構配合(圖2)，也保證了完成夾持的一對脊骨夾快速對齊。脊骨夾兩端的斜面和尺寸不同的開口，確保了脊骨夾端部適應椎骨的尺寸變化，滿足不同節段脊柱的夾持需要，同時極薄的端部結構也使得對椎骨的夾持更加牢固不易脫落。另外，脊骨夾上的長圓槽設計方便了脊骨夾的前后小位移調節(調節距離4毫米)。I.將壁虎麻醉后，解剖暴露該節椎骨及與其相鄰的前后各兩節椎骨，分離椎骨(共五節)周圍的肌肉和組織；2.將左右兩支撐座7置于U形支座2上，擰緊固緊螺釘，固定住支撐座；3.在定位儀上放置一墊板，以消除大壁虎脊柱固定時與脊柱適配器之間的高度差;4.將大壁虎放置于墊板中間，通過燕尾槽8前后調節移動塊11，使前一對脊骨夾 13位于前兩節椎骨的夾持位置，后一對脊骨夾13位于后兩節椎骨的夾持位置，擰緊外側的緊定螺釘10固定住移動塊11 ；5.使處于左右脊柱適配器上位于同一水平線上的一對脊骨夾13沿著矩形槽14對稱向中間移動，使脊骨夾端部開口(根據椎骨長短開口選擇合適大小的開口)位于脊柱前關節突24和后關節突25之間的夾持位置(B卩，椎骨的內凹弧形結構29)，擰緊脊骨夾上的鎖緊螺釘12固定脊骨夾13。6.對該節椎骨進行椎板切除術，暴露出脊髓，并根據需要，插入電極，進行相關的電生理實驗。
權利要求
1.一種大壁虎脊柱立體定位裝置，包括底座(I)、安裝于底座上的U形支座(2 )，還包括分別安裝于U形支座(2) U字形兩端的位于同一水平線的左脊柱適配器(4)和右脊柱適配器(5);將該水平線稱作第一水平線；其特征在于 所述的左脊柱適配器(4)與右脊柱適配器(5)結構對應，具體結構如下 每個脊柱適配器均包括一個支撐座(7 )、兩個移動塊(11)、兩個脊骨夾(13); 其中支撐座(7 )帶有連接桿(9 )，連接桿(9 )通過適配器固緊螺釘固定于U形支座(2 )上；上述兩個移動塊(11)均通過燕尾槽結構(8)和緊定螺釘(10)安裝并固緊于支撐座(7)上；上述移動塊(11)具有矩形槽結構(14)，脊骨夾(13)位于矩形槽結構(14)內；上述脊骨夾(13)上具有長圓槽(16)，并通過鎖緊螺釘(12)鎖緊在相應的移動塊(11)上； 上述燕尾槽結構(8)的方向與第一水平線方向垂直，上述矩形槽結構(14)和長圓槽(16)的方向與第一水平線方向平行； 上述每個脊骨夾(13)的左端均具有用于夾持的左開口(15)，右端均具有用于夾持的右開口(17)，且兩端開口尺寸不同； 左脊柱適配器(4)與右脊柱適配器(5)上位于同一水平線上的脊骨夾(13)為一對脊骨夾，共形成兩對脊骨夾。
2.根據權利要求I所述的大壁虎脊柱立體定位裝置，其特征在于上述脊骨夾(13)兩端的左開口( 15)和右開口( 17)均為圓弧形開口。
3.根據權利要求I所述的大壁虎脊柱立體定位的裝置，其特征在于上述脊骨夾(13)的左開口(15)的寬度為2.8 _，右開口(17)的寬度為2.6 _。
4.根據權利要求I所述的大壁虎脊柱立體定位裝置，其特征在于每個脊骨夾(13)上的長圓槽(16)為兩個。
5.根據權利要求I所述的大壁虎脊柱立體定位裝置，其特征在于上述脊骨夾(13)兩端為斜面，斜面傾角范圍20°≤α≤25°。
6.利用權利要求I所述大壁虎脊柱立體定位裝置的定位夾持方法，其特征在于 (a)、對于頸椎(18)、胸椎(19)及腰椎(20)的某一節椎骨的夾持定位，是通過分別夾持定位與該節椎骨相鄰的前兩節椎骨和后兩節椎骨實現的；具體是利用相鄰兩節椎骨的前關節突(24)和后關節突(25)之間的內凹弧形結構(29)，采用左脊柱適配器(4)與右脊柱適配器(5)上位于同一水平線上的一對脊骨夾(13)夾持該內凹弧形結構(29)實現夾持定位；上述頸椎(18)不包括寰椎和樞椎； (b)、對于薦椎(21)的某一節椎骨的夾持定位，是通過分別夾持該椎骨與其前一相鄰椎骨之間的椎間孔(27)，以及該椎骨與其后一相鄰椎骨之間的椎間孔(27)實現的；具體是利用左脊柱適配器(4)與右脊柱適配器(5)上位于同一水平線上的一對脊骨夾(13)夾持上述椎間孔(27)。
全文摘要
一種大壁虎脊柱立體定位裝置及方法，可用于大壁虎在體脊髓制備及其電生理相關實驗，屬定位技術領域。本發明方法是利用大壁虎頸椎、胸椎及腰椎的前后關節突之間的內凹弧形結構可以夾持定位的特點，通過設計夾持裝置，夾持相鄰兩節椎骨，實現對大壁虎脊柱不同位區的可靠定位。本發明裝置，由支撐座、移動塊、脊骨夾、緊定螺釘和鎖緊螺釘組成。本發明裝置，定位可靠、操作簡單，填補了國內外壁虎類爬行動物沒有專用脊柱立體定位裝置的空白，為大壁虎在體脊髓制備及其電生理實驗研究奠定了基礎。
文檔編號A61D3/00GK102871768SQ20121036089
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者王文波, 郭策, 劉磊, 蔡雷, 王浩 申請人:南京航空航天大學