专利名称：微电极推进装置及其方法
技术领域：
本发明为一种手动微电极推进器，用于清醒状态下自由活动的大壁虎脑内微电极进给。
背景技术：
外界事物的信息在大脑中是如何被编码和传输的，一直是脑科学中的一个重要研 究课题。神经信息的编码问题是神经系统的基本问题。事物的信息是由神经元集群编码的， 采用集群编码有利于神经信息表达的稳定性和精确性，并且通过组合可以产生比神经元数 目多的不同表示，从而提高了神经系统的表达能力。研究表达集群中多个神经元相互关系 的高阶特性进而发展其他更为有效的编码模式是具有发展前景的课题。神经元之间的时空编码模式，确定运动相关的脑区的脑电信号与运动行为的相关 性，以及外界输入刺激信号条件下动物运动行为的变化等等一系列研究均需把微电极准 确地置入预定的部位。目前被运用到动物信息采集的微驱动的基本驱动有三种液压驱 动，齿轮传动，螺杆机构。Ranck (Ranck J. R. Brain Unit Activity During Behavior. 1973:76-79.)是最早运用螺杆机构的人之一。他的微驱动包括两个螺钉，一个装在另一个 的中空的腔中。外面的螺钉把微驱动粘附在动物的大脑上，里面的螺钉用于固定微电极。当 里面的螺钉旋转时微电极也随之旋转。这种微电极推进器结构比较粗糙，且只能进行单电 极的推进。第四军医大学唐都医院的王举磊(专利号CN 201157420Y)设计了一种用于猴子、 猫等大型动物的手动微电极推进器。这种微推进器在基座上设有推进杆，推进杆中心为螺 杆，螺杆转动会带动滑块上下移动，把电极塞固定在滑块上，即可实现电极推进。这种手动 微电极推进器优点为旋转环上有刻度，能够实现精确地控制，且电极的移动距离能达到 4mm。其缺点为(1)整体结构大，重量大，主要适合于大型动物；(2)与颅骨的连接比较简 单，容易脱落；(3)只能用于单电极的记录与刺激实验。贝尔实验室的 MS. Fee (MS Fee, A Leonardo. NEUROSCI METH 2001 (112)83-94)设计了一种可自动进给的电极微推进器，用于斑纹雀的脑信号采集。微电极 被固定在一个带螺纹的滑块上，滑块可以沿着一根带螺纹的圆柱上下滑动。当电机带着圆 柱转动时，滑块就会带着微电极上下移动。这种微电极推进器优点为(1)直径为6mm，高 为17mm，重量不足1. 5g，结构小巧，可以适用于小型动物；(2)每个通道为一个直流电机控 制，能够实现三通道单独进给，相互之间没有影响；(3)采用直流电机驱动，进给的精确度 很高。MS. Fee的推进器的缺点为(1)用于采集的位点的数量有限，动物的利用率比较低； (2)与颅骨之间直接固结，适用于大多数动物，但对于一些颅骨结构特殊的动物(如大壁虎) 并不适合；(3)采用了三个直径1. 9mm,重量约为IOOmg的直流电机，因此整套设备的成本很 尚οPlexon公司提供了 MD-04和MD-08两种微电极推进器，分别拥有4个和8个独立 运动的接口滑块。接口滑块被放置在箱体对应的滑道里。每个接口滑块可以装载1-4个微电极。滑块上有螺纹孔，当顺时针转动螺钉时，滑块就会带动微电极上下滑动。在滑块的下 方设有导引孔，可以引导微电极在轨道内滑动。在箱体与颅骨之间有四个螺钉连接。这种 推进器的优点为(1)多通道单独进给；(2)重量轻；(3)体积小；(4)容易组装；(5)性价 比高；(6)单独的微电极转接接口 ；(7)能实现1/8和3/16两种进给。其缺点为(1)接口 滑块一次性使用，不可重复使用；(2)植入位点比较固定，不易更改；(3)与颅骨的的固定不 牢靠，特别是不适合大壁虎等颅骨结构特殊的动物。Keith A. Stengel (专利号US 7769421)设计了中微电极推进器。基本原理也 是利用螺纹手工推动。但是在在箱体中设计成斜30°的滑道，螺钉推动滑块沿滑道移动。 在滑块上固定着毛细管，记录微电极被固定在毛细管上，随滑块上下移动。在箱体的底部设 有导向管，毛细管的下端穿入导向管中，以保证微电极在指定位点上下移动。底部直接与颅 骨固结。这种推进器的优点为(1)14通道单独进给；(2)使用毛细管与导向管结合的方 法，扩大了设计空间；(3)底部与颅骨的结合面积小，方便与颅骨固定；其缺点为(1)与颅 骨之间的采用常规固定，特别是不适合大壁虎等颅骨结构特殊的动物；(2)组装繁琐，耗时 耗力；(3)加工成本比较高；(4)植入位点比较固定，不易更改；(5)滑块一次性使用，不可 重复使用。荷兰的Manuputy Ronald Jozef Domingus (专利号EP2135548 (Al))设计了中 微电极推进器。基本原理也是利用螺纹手工推动。他把六个滑块的外形设计成60°的三 角形，这样六个滑块之间可以相互限位，当螺柱转动时，滑块只能上下运动。把记录微电极 固定在滑块上，即可实现微电极的上下进给。这种推进器的优点为(1)实现6通道单独进 给；(2)把前端放大器与微电极推进器直接连接；(3)利用滑块外形直接限位，降低了箱体 的加工难度；(4)简化了整体结构，简单易用。其缺点为(1)与颅骨之间的接触面积比较 大，不适合大壁虎等颅骨结构特殊的动物；(2)微电极的植入位点固定，可植入微电极的区 域比较少；(3)滑块一次性使用，不可重复使用；(4)相于大壁虎等动物，结构比较大，不利 于动物自由活动。由于以上的微电极推进器主要针对大鼠、猫等动物，运用于大壁虎的刺激与记录 实验，有很多问题，如无法与大壁虎的颅骨连接，可植入微电极的区域比较小，等等。因此我 们需要设计一个微电极推进器，其结构简单，重量轻，能够完美的固定在大壁虎的颅骨上， 并能实现多位点的脑电刺激与记录。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种大壁虎在体记录和刺激的微电 极推进装置及方法，用于大壁虎的在体的记录和刺激实验。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明微电极推进装置，包括垫片、箱体、螺母、螺钉、滑块和底板，其中底板和箱体通 过相互对应设置的凹凸相配的槽连接，底板固定于颅骨上，箱体内设置有与滑块对应的滑 道，滑块上设置阶梯槽和安装孔，阶梯槽上安装阵列板以固定微电极，螺帽嵌入滑块上的安 装孔，并与滑块紧固相连，滑道设计成半圆槽用于限制滑块转动，使其只能沿着螺钉上下运 动，垫片限制了螺钉的上下运动，螺钉只能原地转动。优选地，所述凹凸相配的槽为燕尾槽 或圆槽。
优选地，所述阵列板为厚度300 500 μ m的薄板，阵列板上开有均勻分布的通孔， 孔间距根据范围在300 600 μ m。优选地，所述滑块行程不小于5mm。微电极推进装置的推进方法，包括以下步骤
(1)、底板的四周设置成阶梯状，定位螺钉通过底板上的两个半圆孔作为定位基准与颅 骨上相应位置的定位孔将底板定位于颅骨上，底板和颅骨通过牙科水泥粘结和固定；
(2)、底板和箱体采用凹凸相配的槽连接；
(3)、箱体滑道内置滑块，滑块阶梯槽上安装阵列板以固定微电极，阵列板上的孔的位 置为脑区间特定的空间编码位置的矢状平面和冠状平面的相交轴位置，阵列板的水平位置 即推进器的推进面，推进器对整个脑区域进行脑电刺激和脑电记录。本发明具有如下有益效果
(1)、根据动物脑顶骨形态和大小确定底板形状和固定方式。底板的固定位置决定了整 套微电极推进系统相对于脑区的位置，因此首先需要确定底板位置。本发明在底板上开了 两个半圆孔作为底板的定位基准，并在顶骨上相应位置打两个定位孔，植入定位螺钉，即可 确定底板位置。实验中，用于固定的牙科水泥，与顶骨之间的固定并不牢靠，植入定位螺钉 可以明显的增强底板与顶骨之间的结合强度。底板大小在一定程度上决定了整体结构的大 小，为降低微电极推进系统的设计和制造难度，系统的整体结构要尽量大，而另一方面实验 中的可用于固定底板的区域面积很小，这在一定程度上限制了底板的大小。本发明根据顶 骨的形态和结构拓扑出底板的形状，实现了最优设计。把底板的四周设计成阶梯状，有利于 牙科水泥的涂覆和固定。(2)、考虑到方便加工和实验装配，底板和箱体设计成分体结构，底板与箱体采用 燕尾槽连接。这样的设计既有利于各个零件的加工制造，又保证了零件之间的连接与定位。(3)、推进器滑道内置滑块，安装阵列板以固定微电极，用阵列板上的孔固定电极。 阵列板上加工有间隔均布的小孔。微电极穿过小孔到达指定位置后便可使用胶水将微电极 固定在小孔边缘。本发明中采用了孔阵列板固定电极，大大增加了可植入电极的位置，可对 整个实验脑区进行电刺激以及脑电记录。滑块上孔的位置根据脑区间特定的空间编码位 置，按照矢状平面和额状平面的坐标确定，冠状平面内的位置由推进器确定。推进器可对整 个中脑区域进行脑电刺激和脑电记录。(4)、本发明采用丝杆滑块机构作为动力推进系统。微电极推进器要求结构小巧， 推进灵活，所以推进器中的动力推进系统选择了最简单的机构一一丝杆滑块机构。同时，采 用上下两块垫片限制螺钉上下运动，而把螺母嵌入滑块中。另外，本发明中采用标准的螺钉 螺母，降低了加工的成本以及加工的难度。(5)、整体结构采用封闭式设计。大壁虎脑结构的特殊性要求微电极植入时，要进 行开颅手术，去除部分硬脑膜和蛛网膜，以暴露实验脑区。而术后的大壁虎脑部与必须与外 界隔离，因此本发明采用了封闭式设计，进给装置均被箱体包围。另一方面本发明运用到脑 电信号采集时，要求对有信号的引出的微电极进行屏蔽，封闭式设计能够保证良好的屏蔽 效果。(6)、本发明采用钛或铝合金作为制作材料。微电极推进器需要固定在大壁虎的颅 骨上面，如果重量太大，大壁虎无法承受，就会影响大壁虎的正常活动。钛合金的密度为4.
55glcm^ ,仅相当于钢的60%，比强
度很高，既能够保证整体结构重量轻，又能够保证薄壁零件的强度，保证在实际操作过程中 整体结构不变形，提高微电极植入的位置精度。
图1是微电极推进器的示意图。其中(a)为正面观察示意图；(b)为俯视观察示 意图。图2是滑块的示意图。图3是壁虎头部位置的定位与实验区域的示意图。其中(C)为正面观察示意图； (d)为俯视观察示意图。图1中标号名称1_垫片；2-箱体；3-螺母；4-螺钉；5_滑块；6_底板。图2中标号名称7_阶梯槽。图3中标号名称8_冠状缝；9-前囟；10-顶骨；11-后囟。
具体实施例方式图1是微电极推进器的示意图。如图采用了两块垫片1限制螺钉4的上下运动， 所以螺钉4只能原地转动，而螺帽3与滑块5紧固相连。当转动螺钉4时，滑块5被箱体2 限制了转动，因此滑块5只能随螺帽3沿着螺钉4上下运动。当微电极固定在与滑块5粘 结的孔阵列板后，微电极也会随着滑块5上下运动。图2是滑块的示意图。图中用标明的区域即阶梯槽，用于粘结孔阵列板。图3是壁虎头部位置的定位与实验区域的示意图。实验可利用的区域是前囟点与 后囟点之间的顶骨，即用粗线标出的区域，其总面积大约为90mm2。下面结合图1、图2、图3用一具体实施范例说明本发明使用方法。大壁虎头部可携带的重量有限，考虑到对大壁虎的自由运动的影响，推进器的重 量不能超过5g，因此微电极推进器必须结构简单，重量轻。本发明采用了螺杆驱动，其结构 简单轻巧，便于操作。实验脑区在顶骨之下，而大壁虎顶骨与额骨之间存在骨缝(冠状缝)， 结合不紧，顶骨和额骨可以产生较大的相对转动，因此微电极推进器必须固定在顶骨上，且 不能超过冠状缝。1、根据图1的装配图，把螺母3和孔阵列板固定在合适的位置。用于螺母3通过 502胶固定于滑块5的开槽中，要控制螺母要与上下孔同轴，否则影响丝
杆滑块机构的传动。在滑块5中预留的阶梯槽7部位固定孔阵列板。首先对照阶梯槽 7的大小打磨孔阵列板，保证边缘平整。然后，以阶梯为定位基准，把孔阵列板用502胶水压 覆在阶梯槽7上。待502胶凝固后，打磨涂胶部位，保证滑块5可以在箱体2中通畅滑动。 最后将滑块装配于箱体内。2、将壁虎麻醉后固定于定位仪上，使其脑部处于标准定位状态。以因点为定位基 准，采用定位高速颅钻在顶骨适当位置对称钻两个定位孔，并拧入定位螺钉。把下一步要涂 覆牙科水泥的顶骨10打毛，有利于增强牙科水泥与顶骨10的结合强度。对大壁虎进行开 颅手术，剪去硬脑膜和蛛网膜，暴露实验脑区。3、由于顶骨10高低不平，首先在顶骨10与底板6结合区域涂覆少量牙科水泥，保证底板6水平放置。在底板6的前后涂覆少量牙科水泥，把底板6固定在顶骨10上。待牙 科水泥凝固后，把已装配的箱体2与底板6配合。在箱体2和底板6的四周涂覆牙科水泥， 注意牙科水泥不要超过冠状缝8。4、根据前囟点9位置，在所需要的点植入微电极，并把它们固定在孔阵列板上。最 后把所有的没有用到的孔用502胶封固。5、对暴露的皮肤和肌肉组织消毒，缝合大壁虎的头部皮肤，将微电极与刺激接口 相连接，待术后恢复进行慢性实验。6、在大壁虎恢复三到四天后，对大壁虎进行术后电刺激或脑电记录实验，如果所 在的点效果不理想，可以拧动螺钉4，实现微电极在体实验下的推进。
权利要求
1.一种微电极推进装置，其特征在于包括垫片(1)、箱体(2)、螺母(3)、螺钉(4)滑块 (5 )和底板(6 )，其中底板(6 )和箱体(2 )通过相互对应设置的凹凸相配的槽连接，底板(6 ) 固定于颅骨上，箱体(2)内设置有与滑块(5)对应的滑道，滑块(5)上设置阶梯槽(7)和安 装孔，阶梯槽(7)上安装阵列板以固定微电极，螺帽(3)嵌入滑块(5)上的安装孔，并与滑块 (5)紧固相连，滑道设计成半圆形槽用于限制滑块(5)转动，使其只能沿着螺钉(4)上下运 动，垫片(1)限制了螺钉(4 )的上下运动，螺钉(4 )只能原地转动。
2.根据权利要求1所述的微电极推进装置，其特征在于所述凹凸相配的槽为燕尾槽或 圆槽。
3.根据权利要求1所述的微电极推进装置，其特征在于所述阵列板为厚度300 500 μ m的薄板，阵列板上开有均勻分布的通孔，孔间距范围在300 600 μ m。
4.根据权利要求1所述的微电极推进装置，其特征在于所述滑块(5)行程不小于5mm。
5.一种基于权利要求1所述的微电极推进装置的推进方法，其特征在于包括以下步骤(1)、底板(6)的四周设置成阶梯状，定位螺钉通过底板(6)上的两个半圆孔作为定位 基准与颅骨上相应位置的定位孔共同将底板(6)定位于颅骨上，底板(6)和颅骨通过牙科 水泥粘结和固定；(2)、底板(6)和箱体(2)采用凹凸相配的槽连接；(3)、箱体(2)滑道内置滑块(5)，滑块(5)阶梯槽上安装阵列板以固定微电极，阵列板 上的孔的位置为脑区间特定的空间编码位置的矢状平面和冠状平面的相交轴位置，阵列板 的水平位置即推进器的推进面，推进器对整个脑区域进行脑电刺激和脑电记录。
全文摘要
本发明公布了一种微电极推进装置及方法，所述装置包括垫片、箱体、螺母、螺钉、滑块和底板。所述推进方法，包括以下步骤底板的四周设置成阶梯状，定位螺钉通过底板上的两个半圆孔作为定位基准与颅骨上相应位置的定位孔将底板定位于颅骨上，底板和颅骨通过牙科水泥粘结和固定；底板和箱体采用凹凸相配的槽连接；箱体滑道内置滑块，滑块阶梯槽上安装阵列板以固定微电极，阵列板上的孔的位置为脑区间特定的空间编码位置的矢状平面和冠状平面的相交轴位置，阵列板的水平位置即推进器的推进面，推进器对整个脑区域进行脑电刺激和脑电记录。本发明装置，具有操作简单、结构轻巧的特征，适合从事动物脑区研究的实验室使用。
文档编号A61B5/0478GK101999897SQ201010536398
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者刘振东, 戴振东, 王文波, 蔡雷 申请人:南京航空航天大学