專利名稱：微電極推進裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種手動微電極推進器，用于清醒狀態(tài)下自由活動的大壁虎腦內(nèi)微電極進給。
背景技術(shù)：
外界事物的信息在大腦中是如何被編碼和傳輸?shù)模恢笔悄X科學中的一個重要研 究課題。神經(jīng)信息的編碼問題是神經(jīng)系統(tǒng)的基本問題。事物的信息是由神經(jīng)元集群編碼的， 采用集群編碼有利于神經(jīng)信息表達的穩(wěn)定性和精確性，并且通過組合可以產(chǎn)生比神經(jīng)元數(shù) 目多的不同表示，從而提高了神經(jīng)系統(tǒng)的表達能力。研究表達集群中多個神經(jīng)元相互關(guān)系 的高階特性進而發(fā)展其他更為有效的編碼模式是具有發(fā)展前景的課題。神經(jīng)元之間的時空編碼模式，確定運動相關(guān)的腦區(qū)的腦電信號與運動行為的相關(guān) 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采集的微驅(qū)動的基本驅(qū)動有三種液壓驅(qū) 動，齒輪傳動，螺桿機構(gòu)。Ranck (Ranck J. R. Brain Unit Activity During Behavior. 1973:76-79.)是最早運用螺桿機構(gòu)的人之一。他的微驅(qū)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(qū)動粘附在動物的大腦上，里面的螺釘用于固定微電極。當 里面的螺釘旋轉(zhuǎn)時微電極也隨之旋轉(zhuǎn)。這種微電極推進器結(jié)構(gòu)比較粗糙，且只能進行單電 極的推進。第四軍醫(yī)大學唐都醫(yī)院的王舉磊(專利號CN 201157420Y)設(shè)計了一種用于猴子、 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(shè)有推進桿，推進桿中心為螺 桿，螺桿轉(zhuǎn)動會帶動滑塊上下移動，把電極塞固定在滑塊上，即可實現(xiàn)電極推進。這種手動 微電極推進器優(yōu)點為旋轉(zhuǎn)環(huán)上有刻度，能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)大，重量大，主要適合于大型動物；(2)與顱骨的連接比較簡 單，容易脫落；(3)只能用于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(shè)計了一種可自動進給的電極微推進器，用于斑紋雀的腦信號采集。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(zhuǎn)動時，滑塊就會帶著微電極上下移動。這種微電極推進器優(yōu)點為(1)直徑為6mm，高 為17mm，重量不足1. 5g，結(jié)構(gòu)小巧，可以適用于小型動物；(2)每個通道為一個直流電機控 制，能夠?qū)崿F(xiàn)三通道單獨進給，相互之間沒有影響；(3)采用直流電機驅(qū)動，進給的精確度 很高。MS. Fee的推進器的缺點為(1)用于采集的位點的數(shù)量有限，動物的利用率比較低； (2)與顱骨之間直接固結(jié)，適用于大多數(shù)動物，但對于一些顱骨結(jié)構(gòu)特殊的動物(如大壁虎) 并不適合；(3)采用了三個直徑1. 9mm,重量約為IOOmg的直流電機，因此整套設(shè)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(yīng)的滑道里。每個接口滑塊可以裝載1-4個微電極?；瑝K上有螺紋孔，當順時針轉(zhuǎn)動螺釘時，滑塊就會帶動微電極上下滑動。在滑塊的下 方設(shè)有導引孔，可以引導微電極在軌道內(nèi)滑動。在箱體與顱骨之間有四個螺釘連接。這種 推進器的優(yōu)點為(1)多通道單獨進給；(2)重量輕；(3)體積??；(4)容易組裝；(5)性價 比高；(6)單獨的微電極轉(zhuǎn)接接口 ；(7)能實現(xiàn)1/8和3/16兩種進給。其缺點為(1)接口 滑塊一次性使用，不可重復使用；(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(jié)構(gòu)特殊的動物。Keith A. Stengel (專利號US 7769421)設(shè)計了中微電極推進器?；驹硪?是利用螺紋手工推動。但是在在箱體中設(shè)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(shè) 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(jié)。這種推進器的優(yōu)點為(1)14通道單獨進給；(2)使用毛細管與導向管結(jié)合的方 法，擴大了設(shè)計空間；(3)底部與顱骨的結(jié)合面積小，方便與顱骨固定；其缺點為(1)與顱 骨之間的采用常規(guī)固定，特別是不適合大壁虎等顱骨結(jié)構(gòu)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 重復使用。荷蘭的Manuputy Ronald Jozef Domingus (專利號EP2135548 (Al))設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(xiàn)微電極的上下進給。這種推進器的優(yōu)點為(1)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)特殊的動物；(2)微電極的植入位點固定，可植入微電極的區(qū) 域比較少；(3)滑塊一次性使用，不可重復使用；(4)相于大壁虎等動物，結(jié)構(gòu)比較大，不利 于動物自由活動。由于以上的微電極推進器主要針對大鼠、貓等動物，運用于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(qū)域比較小，等等。因此我 們需要設(shè)計一個微電極推進器，其結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，能夠完美的固定在大壁虎的顱骨上， 并能實現(xiàn)多位點的腦電刺激與記錄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)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，用于大壁虎的在體的記錄和刺激實驗。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)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(yīng)設(shè)置的凹凸相配的槽連接，底板固定于顱骨上，箱體內(nèi)設(shè)置有與滑塊對應(yīng)的滑 道，滑塊上設(shè)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，并與滑塊緊固相連，滑道設(shè)計成半圓槽用于限制滑塊轉(zhuǎn)動，使其只能沿著螺釘上下運 動，墊片限制了螺釘?shù)纳舷逻\動，螺釘只能原地轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，所述凹凸相配的槽為燕尾槽 或圓槽。
優(yōu)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(jù)范圍在300 600 μ m。優(yōu)選地，所述滑塊行程不小于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(shè)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(yīng)位置的定位孔將底板定位于顱骨上，底板和顱骨通過牙科水泥粘結(jié)和固定；
(2)、底板和箱體采用凹凸相配的槽連接；
(3)、箱體滑道內(nèi)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(qū)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(qū)域進行腦電刺激和腦電記錄。本發(fā)明具有如下有益效果
(1)、根據(jù)動物腦頂骨形態(tài)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(tǒng)相對于腦區(qū)的位置，因此首先需要確定底板位置。本發(fā)明在底板上開了 兩個半圓孔作為底板的定位基準，并在頂骨上相應(yīng)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，用于固定的牙科水泥，與頂骨之間的固定并不牢靠，植入定位螺釘 可以明顯的增強底板與頂骨之間的結(jié)合強度。底板大小在一定程度上決定了整體結(jié)構(gòu)的大 小，為降低微電極推進系統(tǒng)的設(shè)計和制造難度，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)要盡量大，而另一方面實驗 中的可用于固定底板的區(qū)域面積很小，這在一定程度上限制了底板的大小。本發(fā)明根據(jù)頂 骨的形態(tài)和結(jié)構(gòu)拓撲出底板的形狀，實現(xiàn)了最優(yōu)設(shè)計。把底板的四周設(shè)計成階梯狀，有利于 牙科水泥的涂覆和固定。(2)、考慮到方便加工和實驗裝配，底板和箱體設(shè)計成分體結(jié)構(gòu)，底板與箱體采用 燕尾槽連接。這樣的設(shè)計既有利于各個零件的加工制造，又保證了零件之間的連接與定位。(3)、推進器滑道內(nèi)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后便可使用膠水將微電極 固定在小孔邊緣。本發(fā)明中采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(qū)進行電刺激以及腦電記錄。滑塊上孔的位置根據(jù)腦區(qū)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(nèi)的位置由推進器確定。推進器可對整 個中腦區(qū)域進行腦電刺激和腦電記錄。(4)、本發(fā)明采用絲桿滑塊機構(gòu)作為動力推進系統(tǒng)。微電極推進器要求結(jié)構(gòu)小巧， 推進靈活，所以推進器中的動力推進系統(tǒng)選擇了最簡單的機構(gòu)一一絲桿滑塊機構(gòu)。同時，采 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(fā)明中采用標準的螺釘 螺母，降低了加工的成本以及加工的難度。(5)、整體結(jié)構(gòu)采用封閉式設(shè)計。大壁虎腦結(jié)構(gòu)的特殊性要求微電極植入時，要進 行開顱手術(shù)，去除部分硬腦膜和蛛網(wǎng)膜，以暴露實驗腦區(qū)。而術(shù)后的大壁虎腦部與必須與外 界隔離，因此本發(fā)明采用了封閉式設(shè)計，進給裝置均被箱體包圍。另一方面本發(fā)明運用到腦 電信號采集時，要求對有信號的引出的微電極進行屏蔽，封閉式設(shè)計能夠保證良好的屏蔽 效果。(6)、本發(fā)明采用鈦或鋁合金作為制作材料。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^ ,僅相當于鋼的60%，比強
度很高，既能夠保證整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qū)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-后囟。
具體實施例方式圖1是微電極推進器的示意圖。如圖采用了兩塊墊片1限制螺釘4的上下運動， 所以螺釘4只能原地轉(zhuǎn)動，而螺帽3與滑塊5緊固相連。當轉(zhuǎn)動螺釘4時，滑塊5被箱體2 限制了轉(zhuǎn)動，因此滑塊5只能隨螺帽3沿著螺釘4上下運動。當微電極固定在與滑塊5粘 結(jié)的孔陣列板后，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(qū)域即階梯槽，用于粘結(jié)孔陣列板。圖3是壁虎頭部位置的定位與實驗區(qū)域的示意圖。實驗可利用的區(qū)域是前囟點與 后囟點之間的頂骨，即用粗線標出的區(qū)域，其總面積大約為90mm2。下面結(jié)合圖1、圖2、圖3用一具體實施范例說明本發(fā)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(jié)構(gòu)簡單，重量輕。本發(fā)明采用了螺桿驅(qū)動，其結(jié)構(gòu) 簡單輕巧，便于操作。實驗腦區(qū)在頂骨之下，而大壁虎頂骨與額骨之間存在骨縫(冠狀縫)， 結(jié)合不緊，頂骨和額骨可以產(chǎn)生較大的相對轉(zhuǎn)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(jù)圖1的裝配圖，把螺母3和孔陣列板固定在合適的位置。用于螺母3通過 502膠固定于滑塊5的開槽中，要控制螺母要與上下孔同軸，否則影響絲
桿滑塊機構(gòu)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。然后，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膠凝固后，打磨涂膠部位，保證滑塊5可以在箱體2中通暢滑動。 最后將滑塊裝配于箱體內(nèi)。2、將壁虎麻醉后固定于定位儀上，使其腦部處于標準定位狀態(tài)。以因點為定位基 準，采用定位高速顱鉆在頂骨適當位置對稱鉆兩個定位孔，并擰入定位螺釘。把下一步要涂 覆牙科水泥的頂骨10打毛，有利于增強牙科水泥與頂骨10的結(jié)合強度。對大壁虎進行開 顱手術(shù)，剪去硬腦膜和蛛網(wǎng)膜，暴露實驗腦區(qū)。3、由于頂骨10高低不平，首先在頂骨10與底板6結(jié)合區(qū)域涂覆少量牙科水泥，保證底板6水平放置。在底板6的前后涂覆少量牙科水泥，把底板6固定在頂骨10上。待牙 科水泥凝固后，把已裝配的箱體2與底板6配合。在箱體2和底板6的四周涂覆牙科水泥， 注意牙科水泥不要超過冠狀縫8。4、根據(jù)前囟點9位置，在所需要的點植入微電極，并把它們固定在孔陣列板上。最 后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(shù)后恢復進行慢性實驗。6、在大壁虎恢復三到四天后，對大壁虎進行術(shù)后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(xiàn)微電極在體實驗下的推進。
權(quán)利要求
1.一種微電極推進裝置，其特征在于包括墊片(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(yīng)設(shè)置的凹凸相配的槽連接，底板(6 ) 固定于顱骨上，箱體(2)內(nèi)設(shè)置有與滑塊(5)對應(yīng)的滑道，滑塊(5)上設(shè)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，并與滑塊 (5)緊固相連，滑道設(shè)計成半圓形槽用于限制滑塊(5)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電極推進裝置，其特征在于所述凹凸相配的槽為燕尾槽或 圓槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電極推進裝置，其特征在于所述陣列板為厚度300 500 μ m的薄板，陣列板上開有均勻分布的通孔，孔間距范圍在300 600 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電極推進裝置，其特征在于所述滑塊(5)行程不小于5mm。
5.一種基于權(quán)利要求1所述的微電極推進裝置的推進方法，其特征在于包括以下步驟(1)、底板(6)的四周設(shè)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(yīng)位置的定位孔共同將底板(6)定位于顱骨上，底板(6)和顱骨通過牙科 水泥粘結(jié)和固定；(2)、底板(6)和箱體(2)采用凹凸相配的槽連接；(3)、箱體(2)滑道內(nèi)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(qū)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(qū)域進行腦電刺激和腦電記錄。
全文摘要
本發(fā)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(shè)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(yīng)位置的定位孔將底板定位于顱骨上，底板和顱骨通過牙科水泥粘結(jié)和固定；底板和箱體采用凹凸相配的槽連接；箱體滑道內(nèi)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(qū)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(qū)域進行腦電刺激和腦電記錄。本發(fā)明裝置，具有操作簡單、結(jié)構(gòu)輕巧的特征，適合從事動物腦區(qū)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(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者劉振東, 戴振東, 王文波, 蔡雷 申請人:南京航空航天大學