动物脑部手术设备及其控制装置、控制系统的制作方法

本发明涉及神经生物学研究技术领域，更具体地说，涉及一种动物脑部手术设备及其控制装置、控制系统。

背景技术：

利用钙荧光信号强度与大脑内神经元活动相关的特性所产生的钙成像(calciumimaging)技术是神经生物学研究领域中的先进技术。它可以长时间监控大范围内的神经元信号发放，因而成为脑功能连接图谱等神经生物学领域所必须的活体成像技术。由于双光子显微镜成像和普通荧光显微镜成像等成像装置体积和重量都很大，因此只能对麻醉动物或是清醒动物头部固定来进行在体研究，无法对自由移动的清醒动物进行成像。这样神经细胞的发放并不能完全反映动物自然生理状态的脑部活动。此外由于这些成像技术包括双光子钙成像技术成像深度较浅，只能对大脑皮层表面1-2毫米深度的细胞进行成像，对于一些深部核团(如负责学习记忆功能的海马)的细胞发放均无法进行在体研究。

近年来，科学家发展出微型的荧光显微镜，重量控制在2克左右，即使是小动物也可以在携带显微镜的情况下进行自由移动。与之相配套的是应用自聚焦透镜(gradientindexlens,grinlens)来解决深部脑区神经记录问题。自聚焦透镜是光学折射率分布从中心向外周部折射率减少的圆柱形透镜，它可将透镜一侧的荧光信号传递到透镜的另一侧。因此，可以通过将自聚焦透镜埋置于需要成像的深部脑区上方，配合微型荧光显微镜实现对深部脑区、清醒自由移动动物进行钙成像研究，从而拓宽了该技术的应用范围。

在深部脑区钙成像的研究中，自聚焦透镜的植入手术是整个研究过程中成败的关键所在。研究者需要将自聚焦透镜穿过目标脑区上方的脑组织植入其上方。目前的主流方法是用手持连接有医用负压泵的移液器枪头，利用枪头中的负压，快速将目标脑区上方的组织撕扯移除，待出血停止后再将自聚焦透镜固定在合适深度。这些方法大多为手持操作，并不能精确地将自聚焦透镜植入目标脑区上方，而且手持操作较为繁琐工作量较大。

综上所述，如何有效地提高透镜植入目标脑区的精确度，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种动物脑部手术设备，该动物脑部手术设备的结构设计可以有效地提高透镜植入目标脑区的精确度，本发明的第二个目的是提供一种上述动物脑部手术设备的控制装置和控制系统。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种动物脑部手术设备，包括：

脑立体定位仪，用于固定动物的头部；

夹持器，用于夹持医疗器械；

支架，用于支撑夹持器，所述支架包括任意两个相互垂直的第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂，且所述第二方向臂设置于所述第一方向臂上且能沿着所述第一方向臂的延伸方向移动，所述第三方向臂设置于所述第二方向臂上且能沿着所述第二方向臂的延伸方向移动，所述夹持器设置于所述第三方向臂上且所述夹持器能够沿着所述第三方向臂的延伸方向移动；

驱动装置，其包括用于驱动所述第二方向臂沿着所述第一方向臂的延伸方向移动的第一驱动部件、用于驱动第三方向臂沿着所述第二方向臂的延伸方向移动的第二驱动部件以及用于驱动夹持器沿着第三方向臂的延伸方向移动的第三驱动部件。

优选地，上述动物脑部手术设备中，所述第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂均包括支撑杆和与支撑杆螺纹连接的套管。

优选地，上述动物脑部手术设备中，所述第一驱动部件为驱动所述第一方向臂的套管转动的第一步进电机；所述第二驱动部件为驱动所述第二方向臂的套管转动的第二步进电机；所述第三驱动部件为驱动所述第三方向臂的套管转动的第三步进电机。

一种动物脑部手术设备的控制装置，包括：

第一控制单元，用于控制所述第一驱动部件的工作状态；

第二控制单元，用于控制所述第二驱动部件的工作状态；

第三控制单元，用于控制所述第三驱动部件的工作状态。

优选地，上述动物脑部手术设备的控制装置中，所述第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂均包括支撑杆和与支撑杆螺纹连接的套管；所述第一驱动部件为驱动所述第一方向臂的套管转动的第一步进电机；所述第二驱动部件为驱动所述第二方向臂的套管转动的第二步进电机；所述第三驱动部件为驱动所述第三方向臂的套管转动的第三步进电机；

所述第一控制单元，用于控制所述第一步进电机的转向和转动角度；

所述第二控制单元，用于控制所述第二步进电机的转向和转动角度；

所述第三控制单元，用于控制所述第三步进电机的转向和转动角度。

优选地，上述动物脑部手术设备的控制装置中，所述第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元均包括：

接收模块，用于接收指示信号；

编码器，用于接收所述接收模块发出的指示信号并进行转换；

电机模块，用于根据所述编码器转换后的信号控制步进电机的转向和转动角度。

优选地，上述动物脑部手术设备的控制装置中，还包括用于采集所述夹持器的位置信息的采集模块和/或用于输入手术笔记的输入模块。

一种动物脑部手术设备的控制系统，包括：

显示仪，用于显示所述第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件的工作状态；

控制器，用于控制所述第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件的工作状态。

优选地，上述动物脑部手术设备的控制系统中，所述控制器还用于采集所述夹持器的位置信息，所述显示仪还用于显示所述控制器采集到的所述夹持器的位置信息。

优选地，上述动物脑部手术设备的控制系统中，还包括用于输入手术笔记的输入装置，所述显示仪还用于显示所述输入装置输入的手术笔记。

本发明提供的动物脑部手术设备包括脑立体定位仪、夹持器、支架和驱动装置。其中，脑立体定位仪主要用于固定动物的头部。夹持器主要用于夹持医疗器械，上述医疗器械包括负压吸引器、手术镊夹等，在此不作限定。支架主要用于支撑夹持器。

支架包括第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂，其中第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂中的任意两个均相互垂直。第二方向臂设置于第一方向臂上且能沿着第一方向臂的延伸方向移动。第三方向臂设置于第二方向臂上且能沿着第二方向臂的延伸移动，夹持器设置于第三方向臂上且夹持器能够沿着第三方向臂的方向移动。如此设置，第二方向臂沿着第一方向臂的延伸方向移动时，带动第三方向臂和夹持器共同沿着第一方向臂的延伸方向移动。第三方向臂沿着第二方向臂的延伸移动时，带动夹持器沿着第二方向臂的延伸移动，进而实现夹持器可以沿着第一方向臂的延伸方向、第二方向臂的延伸方向和第三方向臂的延伸方向移动。

驱动装置包括第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件。其中，第一驱动部件用于驱动第二方向臂沿着第一方向臂的延伸方向移动。第二驱动部件用于驱动第三方向臂沿着第二方向臂的延伸方向移动。第三驱动部件用于驱动夹持器沿着第三方向臂的延伸方向移动。

应用本发明提供的动物脑部手术设备时，不必再手持医疗器械，可以将医疗器械夹持在夹持器上，通过第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件的驱动作用实现夹持器及其上的医疗器械沿着第一方向臂的延伸方向移动、沿着第二方向臂的延伸方向移动和/或沿着第三方向臂的延伸方向移动，最终移动至目标区域进行操作。由上可知，使用本发明提供的动物脑部手术设备时不是手持医疗器械进行移动，而是通过驱动装置带动夹持器及其上的医疗器械移动，移动方向和移动距离可以精确控制，避免由于手动移动导致的精确度低的问题，有效提高了动物手术过程中透镜植入目标脑区的精确度。另外，大大降低了操作人员的工作量。

基于上述实施例中提供的动物脑部手术设备，本发明还提供了一种动物脑部手术设备的控制装置，该动物脑部手术设备的控制装置包括第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元。其中，第一控制单元用于控制第一驱动部件的工作状态，以通过第一控制单元控制第一驱动部件，进而实现控制第二方向臂沿着第一方向臂的延伸方向移动的距离以及移动方向。第二控制单元用于控制第二驱动部件的工作状态，以通过第二控制单元控制第二驱动部件，进而实现控制第三方向臂沿着第二方向臂的延伸方向移动的距离以及移动方向。第三控制单元用于控制第三驱动部件的工作状态，以通过第三控制单元控制第三驱动部件，进而实现控制夹持器沿着第三方向臂的延伸方向移动的距离以及移动方向。如此通过上述控制装置可以精确控制夹持器的位移，以使夹持器及其上的医疗器械更加精确的移动至目标区域。

本发明实施例还提供了一种动物脑部手术设备的控制系统包括显示仪和控制器，其中显示仪用于显示第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件的工作状态。控制器用于控制第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件的工作状态。如此通过控制器控制第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件以实现夹持器及其上的医疗器械移动方向和移动距离的精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的动物脑部手术设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的动物脑部手术设备的控制装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的第一控制单元、第二控制单元或第三控制单元的示意图；

图4为本发明另一实施例提供动物脑部手术设备的控制系统的局部示意图。

在图1中：

1-第一步进电机、2-套管、3-支撑杆、4-第二步进电机、5-第三步进电机、6-连接臂、7-夹持器、8-脑立体定位仪。

具体实施方式

本发明的第一个目的在于提供一种动物脑部手术设备，该动物脑部手术设备的结构设计可以有效地提高透镜植入目标脑区的精确度，本发明的第二个目的是提供一种上述动物脑部手术设备的控制装置和控制系统。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，本发明提供的动物脑部手术设备包括脑立体定位仪8、夹持器7、支架和驱动装置。其中，脑立体定位仪8主要用于固定动物的头部。夹持器7主要用于夹持医疗器械，上述医疗器械包括负压吸引器、手术镊夹等，在此不作限定。支架主要用于支撑夹持器7。

支架包括第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂，其中第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂中的任意两个均相互垂直。第二方向臂设置于第一方向臂上且能沿着第一方向臂的延伸方向移动。第三方向臂设置于第二方向臂上且能沿着第二方向臂的延伸移动，夹持器7设置于第三方向臂上且夹持器7能够沿着第三方向臂的方向移动。如此设置，第二方向臂沿着第一方向臂的延伸方向移动时，带动第三方向臂和夹持器7共同沿着第一方向臂的延伸方向移动。第三方向臂沿着第二方向臂的延伸移动时，带动夹持器7沿着第二方向臂的延伸移动，进而实现夹持器7可以沿着第一方向臂的延伸方向、第二方向臂的延伸方向和第三方向臂的延伸方向移动。

驱动装置包括第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件。其中，第一驱动部件用于驱动第二方向臂沿着第一方向臂的延伸方向移动。第二驱动部件用于驱动第三方向臂沿着第二方向臂的延伸方向移动。第三驱动部件用于驱动夹持器7沿着第三方向臂的延伸方向移动。

应用本发明提供的动物脑部手术设备时，不必再手持医疗器械，可以将医疗器械夹持在夹持器7上，通过第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件的驱动作用实现夹持器7及其上的医疗器械沿着第一方向臂的延伸方向移动、沿着第二方向臂的延伸方向移动和/或沿着第三方向臂的延伸方向移动，最终移动至目标区域进行操作。由上可知，使用本发明提供的动物脑部手术设备时不是手持医疗器械进行移动，而是通过驱动装置带动夹持器7及其上的医疗器械移动，移动方向和移动距离可以精确控制，避免由于手动移动导致的精确度低的问题，有效提高了动物手术过程中透镜植入目标脑区的精确度。另外，大大降低了操作人员的工作量。

进一步地，上述第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂可以均包括支撑杆3和与支撑杆3螺纹连接的套管2。如此驱动装置驱动套管2转动即可实现支撑杆3相对于套管2的移动，套管2转动进而使支撑杆3沿着自身延伸方向移动，进而实现了第二方向臂沿着第一方向臂的延伸方向移动，第三方向臂沿着第二方向臂的延伸移动，夹持器7沿着第三方向臂的方向移动。

具体地，第一驱动部件为驱动第一方向臂的套管2转动的第一步进电机1；第二驱动部件为驱动第二方向臂的套管2转动的第二步进电机4；第三驱动部件为驱动第三方向臂的套管2转动的第三步进电机5。

当然，第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂的结构也可以仅包括支撑杆3，第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件为驱动支撑杆3的伸缩缸，在此不作限定。

在另一实施例中，夹持器7和第三夹持臂之间通过连接臂6固定连接。最终夹持器7位于脑立体定位仪8的上侧，以便夹持器7上的医疗器械对动物头部进行操作。

第一步进电机1、第二步进电机4和第三步进电机5的最小转动角度为0.13°，可实现控制夹持器7以微米级精度进行三维移动。

基于上述实施例中提供的动物脑部手术设备，本发明还提供了一种动物脑部手术设备的控制装置，该动物脑部手术设备的控制装置包括第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元。其中，第一控制单元用于控制第一驱动部件的工作状态，以通过第一控制单元控制第一驱动部件，进而实现控制第二方向臂沿着第一方向臂的延伸方向移动的距离以及移动方向。第二控制单元用于控制第二驱动部件的工作状态，以通过第二控制单元控制第二驱动部件，进而实现控制第三方向臂沿着第二方向臂的延伸方向移动的距离以及移动方向。第三控制单元用于控制第三驱动部件的工作状态，以通过第三控制单元控制第三驱动部件，进而实现控制夹持器7沿着第三方向臂的延伸方向移动的距离以及移动方向。如此通过上述控制装置可以精确控制夹持器7的位移，以使夹持器7及其上的医疗器械更加精确的移动至目标区域。

需要说明的是，本动物脑部手术设备的实验动物包括但不限于小鼠、大鼠、猫、猴等具有中央神经系统的实验动物。另外，使用该动物脑部手术设备旨在包括用于相同或相近实验研究的脑部植入物，包括但不限于自聚焦透镜、微型荧光显微镜等。

在一优选实施例中，第一方向臂、第二方向臂和第三方向臂均包括支撑杆3和与支撑杆3螺纹连接的套管2。第一驱动部件为驱动第一方向臂的套管2转动的第一步进电机1；第二驱动部件为驱动第二方向臂的套管2转动的第二步进电机4；第三驱动部件为驱动第三方向臂的套管2转动的第三步进电机5。进一步地，第一控制单元用于控制第一步进电机1的转向和转动角度；第二控制单元用于控制第二步进电机4的转向和转动角度；第三控制单元用于控制第三步进电机5的转向和转动角度。如此设置，通过第一控制单元用于控制第一步进电机1的转向和转动角度，进而实现控制第二方向臂沿着第一方向臂的延伸方向移动的距离以及移动方向。通过第二控制单元用于控制第二步进电机4的转向和转动角度，进而实现控制第三方向臂沿着第二方向臂的延伸方向移动的距离以及移动方向。通过第三控制单元用于控制第三步进电机5的转向和转动角度，进而实现控制夹持器7沿着第三方向臂的延伸方向移动的距离以及移动方向

当然，当第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件均为伸缩缸时，则第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元均用于控制伸缩缸的工作状态，在此不作限定。

进一步地，如图3所示，第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元均包括接收模块、编码器和电机模块。其中，接收模块用于接收指示信号，该处指示信号可以为指示夹持器7向设定方向移动设定距离的指示信息。编码器用于接收上述接收模块发出的指示信号并进行转换。电机模块用于根据编码器转换后的信号控制步进电机的转向和转动角度。具体地，编码器用于将接收模块接收的指示信号由数字信号转换为模拟信号，然后传送给电机模块进而控制步进电机。

在一具体实施例中，上述控制装置还包括用于采集夹持器7的位置信息的采集模块和/或用于输入手术笔记的输入模块。另外，还可以包括显示仪，显示仪与采集模块信号连接，显示仪与输入模块也信号连接。显示仪可以用于显示夹持器7的位置信息和/或输入的手术笔记。其中，手术笔记为在实验过程中记录研究者所需的实验笔记，例如日期、实验动物编号、实验耗时等。

上述控制装置的电源接口还可以连接有整流电路，在此不作限定。

本发明实施例还提供了一种动物脑部手术设备的控制系统包括显示仪和控制器，其中显示仪用于显示第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件的工作状态。控制器用于控制第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件的工作状态。如此通过控制器控制第一驱动部件、第二驱动部件和第三驱动部件以实现夹持器7及其上的医疗器械移动方向和移动距离的精确控制。

优选地，上述控制器还用于采集夹持器7的位置信息，显示仪还用于显示控制器采集到的夹持器7的位置信息。以便于操作人员实时查看夹持器7和医疗器械的位置。

另外，还包括用于输入手术笔记的输入装置，显示仪还用于显示输入装置输入的手术笔记。上述输入装置可以具体为键盘、触摸屏等，在此不作限定。

使用本发明提的动物脑部手术设备进行实验时，预先将病毒paav-hsyn-gcamp6(f)(和元生物生产)注射于小鼠(c57bl/6j，南京模式动物所，非转基因)的内侧前额叶。一周后，将该小鼠进行麻醉，固定于立体定位仪上，并进行气体维持麻醉。在目标脑区进行开颅，只需要开一个比植入物稍大的孔洞。在实验过程中，该孔洞位置应持续滴加通氧(95％o2/5％co2)的人工脑脊液(acsf，使用sigma公司试剂自行配制)，以防止暴露的脑组织干燥造成神经元死亡。将夹持器7上的注射器后端连接医用负压吸引器(上海宝佳医疗器械有限公司，yx930d)，前端连接合适的平头点胶针。通孔控制装置设定夹持器7的位移，实现使注射器针头进行由上至下、在每一层高度内逐点的上下移动，通过注射器内的负压，逐点逐层地将目标脑区上方的组织精确地去除，最终形成一个“井”状的通道，该“井”的内径与植入物外径相当。待“井”周围的脑组织在体视镜观测下停止出血后，使用手术镊夹持植入物自聚焦透镜放置其中，使植入物的下表面与下方的组织完全贴合。之后使用强力组织胶和牙科水泥(上海二医张江生物材料有限公司)将植入物固定在颅骨表面，并覆盖暴露的颅骨以防止感染。整个手术过程约需2-3小时，期间主要操作均由程序控制自动进行，研究者的体力负担较小。动物经过一段时间(7-10天)的恢复后，可以进行成像观察。

经过实践应用，使用本发明进行的自动手术步骤简单易学，且脑组织在目标区域上方不会出现积累，目标脑区的出血情况得到了有效控制，实验动物在手术后状态维持情况良好，为实验数据的采集提供了便利。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。