一种微调式脊髓损伤动物模型造模器的制作方法

1.本发明涉及基础及临床医学动物实验中用于制作脊髓损伤小动物模型的钳夹伤脊髓损伤造模用具，具体涉及一种微调式脊髓损伤动物模型造模器。


背景技术：

2.脊髓损伤(sci)多因各种事故而发生，可以造成截瘫等残疾，且致残率高，患者病损节段以下感觉、运动、自主神经功能缺失，严重影响人们的生活和工作，造成巨大社会经济负担。脊髓损伤后的修复和康复治疗一直是现代医学需攻克的难点，其中，急性脊髓损伤一直是脊柱外科领域基础研究的热点。由于脊髓损伤后的病理生理机制十分复杂，通过实验动物建立模型显得十分重要。
3.allen于1911年采用重物坠落撞击脊髓背侧，开创了脊髓损伤的标准化实验研究。其建立模型方法需要将动物背部正中切开、切除椎板，并显露脊髓硬膜。然后将一定重量物体从一定高度自由坠下，并打击于脊髓上，从而引发脊髓损伤。因为临床上大多数脊髓损伤是由脊柱骨折脱位所致，因此这种方法尚不能充分模拟临床上的脊髓损伤，并且脊髓损伤常累及脊髓前方，对脊髓前动脉损伤大，脊髓后动脉受损相对较小。同时，冲击导致的脊髓损伤程度与脊髓的直径、质地、变形和位移程度等组织特性相关，而脊髓组织本身的这些特性受动物个体差异影响较大，缺乏个性化的干预标准。过邦辅等人在1984年设计出的脊髓腹侧损伤模型，对allen氏背侧损伤造模方法进行了补充，所获得的动物模型与临床上的脊髓损伤相近似。但由于缺乏对冲力，且手术操作难度大，以及器械设备要求高，限制了该模型的广泛使用。钳夹伤脊髓损伤动物造模由rivlin于1978年首次提出并使用，其具体使用动脉瘤夹来造成脊髓损伤，需要先在脊柱的目标节段上进行椎板切除术，再由动脉瘤夹在脊髓周围用特定力闭合钳夹，可以产生不同程度的急性损伤，从而复制临床上常见的持续脊髓压迫，并且利用获得的模型证明了神经损伤的严重程度与压迫的严重程度和持续时间之间的关系。
4.钳夹伤脊髓损伤由于与临床上的急性脊髓损伤的病理、生理更相似，适合于脊神经再生和相关治疗性实验的研究，同时操作更简易且模型制作成本较低，目前使用广泛。然而由于动物个体差异、钳夹力度和钳夹角度不恒定、脊髓钳夹压迫比例难以控制等原因，导致动物模型缺乏稳定性，即处理后的动物脊髓损伤程度差异明显。
5.钳夹伤脊髓损伤动物造模过程中钳夹力度难以定量的主要原因在于使用的钳夹器械为旋转开合模式(类似镊子、钳子或血管夹的夹闭过程)，其钳夹脊髓过程中脊髓的受力方向不能确保是脊髓径向，受力大小和钳夹器械旋转开合角度不是线性关系，难以确定实际钳夹力度。为此，中国专利cn110584821a中采用了两夹钳相对平移开合的方式，钳夹力度更容易准确控制，但是仍存在以下问题：1)以压力作为信号，无法准确判定脊髓钳夹压迫造成的脊髓损伤比例；2)利用压力信号方式控制力度需要成本较高，并且控制精度受到设备测量可靠性影响。而面对不同的动物个体脊髓尺寸的差异，为了让脊髓损伤比例接近，通常通过控制动物体重的方式来实现，但并不准确。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中对存在解剖学差异的不同个体难以进行均一化脊髓损伤程度的造模的问题，本发明提供了一种微调式脊髓损伤动物模型造模器，以提供脊髓损伤程度可以量化且结果更加稳定的脊髓损伤动物模型。
7.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
8.一种微调式脊髓损伤动物模型造模器，该造模器包括钳夹体、钳夹开合调节装置以及开合状态指示装置；所述钳夹开合调节装置包括固定板以及设置在固定板上的丝杠传动机构；所述钳夹体包括与丝杠传动机构相连的第一开合板和第二开合板(构成一对开合板)，可以通过丝杠传动机构以平移方式调整第一开合板和第二开合板之间的距离，各开合板与对应一个绝缘夹头相连；所述开合状态指示装置包括通过与脊髓接触而导通为回路的检测电路，所述检测电路包括设置在第一开合板和第二开合板各自所对应连接的绝缘夹头上的导电触片以及与各导电触片分别通过导线相串接的光源器件。
9.优选的，所述丝杠传动机构包括作为导轨的上滑杆和下滑杆以及作为旋转部件的可转动的调节螺杆和调节轮，上滑杆与下滑杆相互平行并间隔设置在固定板上，调节轮通过调节螺杆设置在上滑杆与下滑杆之间，钳夹体的两个开合板(第一开合板和第二开合板)分别通过设置在调节轮两端面外的调节螺母与调节螺杆相连，上滑杆、下滑杆以及调节螺杆分别贯穿钳夹体的两个开合板(第一开合板和第二开合板)。
10.优选的，所述调节轮两端面外的两调节螺母的旋进方向相反。通过可与调节螺杆同轴同速旋转的调节轮驱动调节螺杆周向旋转时，钳夹体的两个开合板(第一开合板和第二开合板)即可沿上、下滑杆轴向进行开合运动，从而改变这两个开合板的间距。
11.优选的，所述钳夹开合调节装置包括相对设置的两个固定板，上滑杆、下滑杆以及调节螺杆的两端分别与两个固定板相对的一侧(内侧)对应相连。
12.优选的，所述导电触片为设置在绝缘夹头下部的金属层，光源器件为带电源的led指示灯。当钳夹体的两个开合板(第一开合板和第二开合板)带动对应的绝缘夹头相向平移，并使得对应的两个导电触片相互接触(绝缘夹头夹闭)时，或使得对应的两个导电触片接触脊髓等导电体时，检测电路形成回路，led指示灯亮起，从而辅助肉眼判断脊髓和钳子接触状态。
13.优选的，所述造模器还包括固定装置，固定装置包括与钳夹开合调节装置的固定板相连的升降固定支架，升降固定支架可以将钳夹开合调节装置以及钳夹体通过上下移动调整到合适的高度，以便于对动物脊髓进行夹持和压迫(通过控制两个开合板上的绝缘夹头对脊髓以一定的钳夹力度进行挤压)。
14.优选的，所述固定装置还包括底座，升降固定支架设置在底座上。
15.上述微调式脊髓损伤动物模型造模器的标定方法，该标定方法包括以下步骤：
16.1)使第一开合板和第二开合板带动对应的绝缘夹头相向平移，并使得对应绝缘夹头上的导电触片进行相互接触，待检测电路中的光源器件接通电源时记录第一开合板与第二开合板之间的距离并作为x0；
17.2)将动物脊髓置于第一开合板与第二开合板之间后使第一开合板和第二开合板带动对应的绝缘夹头相向平移，并使得对应的两个导电触片(10)向动物脊髓移动，待检测电路中的光源器件接通电源时记录第一开合板与第二开合板之间的距离并作为x1。
18.优选的，所述标定方法还包括以下步骤：
19.3)根据x0和x1确定目标脊髓压迫比例对应的第一开合板和第二开合板的移动距离。
20.优选的，通过控制第一开合板和第二开合板在丝杠传动机构驱动下的移动距离和/或丝杠传动机构的旋转部件的旋转时间确定压迫动物脊髓过程中钳夹体的钳夹力度。
21.本发明的有益效果体现在：
22.本发明利用丝杠传动机构将钳夹体由旋转开合模式变为平移开合模式，不仅可以给予脊髓恒定的钳夹力度和钳夹角度，而且可以通过开合板的移动距离调节动物脊髓受压迫而损伤的比例，从而对该动物脊髓造成定量损伤，便捷地实现不同损伤程度的脊髓损伤动物模型的造模过程，针对不同动物种类或同种类动物不同个体，能够在实验动物个体层面进行定量的调节，从而保证脊髓模型损伤程度相同，提高了利用具有解剖学差异的不同个体建造脊髓损伤模型的稳定性。同时，本发明通过检测电路可以方便快捷的确定绝缘夹头完全夹闭及刚接触脊髓时的状态，从而为定量调节压迫导致的脊髓损伤比例提供了参考点，并且可以间接计算脊髓直径。本发明具有结构精巧、操作简便，造模成本低、模型可精细定量的特点，可以用于制作状态稳定的脊髓损伤动物模型。
23.进一步的，本发明的钳夹体可以垂直于水平面，脊髓在钳夹中的受力方向沿脊髓径向向内，受力大小通过转动调节轮得以实现，压迫导致的脊髓损伤比例与钳夹体的开合板平移距离呈成比。
24.进一步的，本发明中钳夹力度可遵循丝杠运动原理进行量化计算，通过调整调节轮转动时间和/或开合板移动距离即可实现脊髓压迫过程中钳夹力度的有效定量控制。
附图说明
25.图1为微调式脊髓损伤动物模型造模器结构示意图；
26.图2为造模器调零状态示意图；
27.图3为造模器夹持脊髓状态示意图；
28.图4为造模器钳夹伤脊髓损伤造模过程示意图；
29.图中：升降固定支架1、固定板2、上滑杆3、下滑杆4、调节螺杆5、调节轮6、调节螺母7、开合板8、绝缘夹头9、导电触片10、指示灯11、配重底座12。
具体实施方式
30.以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
31.(一)微调式脊髓损伤动物模型造模器的结构和控制原理
32.参见图1，所述微调式脊髓损伤动物模型造模器包括钳夹体、钳夹开合调节装置、固定装置和开合状态指示装置。所述钳夹体包括两个开合板8。钳夹开合调节装置包括与水平面垂直并相对设置的左右两个固定板2，所述两个固定板2之间从上至下固定有等长且平行排列的上滑杆3、调节螺杆5和下滑杆4，上、下滑杆3、4两端均固定于对应端的固定板2上而不能周向旋转(周向固定)，调节螺杆5两端与对应端的固定板2活动连接(周向不固定)，可以周向旋转；钳夹体的两个开合板8垂直穿过三根平行杆(上、下滑杆3、4及调节螺杆5)，
并沿固定在调解螺杆5中点位置处的调节轮6左右对称放置，两个开合板8与调节螺杆5通过固定在每个开合板8上的一个调节螺母7(螺母嵌在开合板上的调节螺杆穿孔内)实现连接，两个调节螺母7旋进方向相反(与位于调节轮6两侧的调节螺杆5螺纹段对应配合)。利用由调节螺杆5以及上、下滑杆3、4和开合板8上的调节螺母7形成丝杠传动机构，从而可以在通过转动调节轮6带动调节螺杆5同轴转动时，使得钳夹体的两个开合板8可以在上、下滑杆3、4的引导下沿调节螺杆5轴向作相向或相背的开合运动，并通过降低丝杠传动的速度，从而实现对两个开合板8间距的微调。钳夹体的两个开合板8的下部相对的一侧(内侧)分别安装有一个绝缘夹头9，绝缘夹头9采用镊子尖头加工而成，尖端向下。绝缘夹头9根部(上端)厚度的2倍应大于调节轮6的厚度，保证调节轮6在两个镊子头完全夹闭时仍能转动。由此，通过转动调节轮6的过程，实现对钳夹体开合状态的精细调节。
33.所述固定装置包括放置于试验台面上的配重底座12以及升降固定支架1，升降固定支架1分别与配重底座12和上述两个固定板2中位于配重底座12右侧上方的一个固定板2连接，通过升降固定支架1可以调节造模器主体(即钳夹开合调节装置以及钳夹体)与其下方配重底座12的距离。配重底座12内安装的配重板向配重底座12左侧延伸，确保造模器主体的稳固性。
34.所述开合状态指示装置包括由导电触片10、导线和带电源的低功率led指示灯11串接形成的检测电路，其中，导电触片10为两个，均由超薄金属片(例如，厚度约1/100毫米的镀层)制成。为防止椎管两侧骨质与绝缘夹头9接触形成回路而使所述指示灯11由灭转亮，将导电触片10以超薄金属片的形式仅嵌置在两个绝缘夹头9的下部相对的一侧(内侧)，故而实现了两绝缘夹头9短接或仅内侧接触脊髓时指示灯由灭转亮(导电触片在脊髓一侧，骨质一侧与绝缘夹头接触，不形成回路)。
35.参见图2，转动调节轮6，在两个绝缘夹头9完全贴紧时检测电路短接并形成回路，所述指示灯11刚亮起时两个开合板8的间距记为0或0％(可用细记号笔标记开合板8的位置于上滑杆3或下滑杆4的杆体)，对应于两个绝缘夹头9完全夹闭。
36.参见图3及图4，当利用绝缘夹头9夹持实验动物暴露的脊髓时，转动调节轮6，两个导电触片10向脊髓移动，刚刚接触脊髓两侧外缘时检测电路形成回路，使所述指示灯11亮起，此时的两个开合板8的间距记为1或100％(可用细记号笔标记开合板8的位置于上滑杆3或下滑杆4的杆体)，对应于绝缘夹头9刚接触到脊髓，进一步转动调节轮6，则导致脊髓受到绝缘夹头9压迫而夹伤，两个开合板8移动到达到目标压迫状态时，两个开合板8的位置可用细记号笔标记于上滑杆3或下滑杆4的杆体来确认，即钳夹伤脊髓损伤模型损伤程度可根据介于0％和100％之间的百分值来选定。在压迫脊髓过程中根据所述指示灯11开始亮起到熄灭的时间来确定压迫的时间。即钳夹时间从所述指示灯11随着检测电路中的导电触片10接触脊髓形成回路而亮起时开始，到检测电路所形成的回路断开(导电触片10不再接触脊髓)后指示灯熄灭时结束。
37.(二)微调式脊髓损伤动物模型造模器的造模实例
38.以大鼠为例，具体实验过程操作步骤如下：
39.选取180
‑
220g大鼠15只，禁食禁水12小时，术前行10％水合氯醛(4ml/kg)腹腔注射麻醉与背部的备皮除毛，准备好无菌环境，进行手术。将大鼠四肢固定于动物固定板的四脚，俯卧位依次剪开背部皮肤、肌肉，暴露棘突，通过微型脊柱撑开器分离椎旁肌肉和脊柱。
选取第10胸椎，总行剪断两侧椎板，将椎骨的上下关节突、棘突及椎板完整取下，此时大部分脊髓得以暴露。拆卸镊子头，进行紫外线照射消毒。
40.令绝缘夹头9完全夹闭，指示灯11刚刚亮起时用游标卡尺测量两个开合板8之间的距离，记此距离为x0。
41.擦干暴露脊髓周围的液体，通过调节升降固定支架1高度和朝向，令绝缘夹头9刚好卡在椎管和脊髓的两侧间隙中，脊髓中心对准标记的x0位置，略微转动调节轮6，指示灯11开始刚刚亮时测量两个开合板8之间的距离，记此距离为x1(脊髓直径即为x1‑
x0)，开合板8可移动距离区间即在x0～x1之间，之后若目标压迫比例为达到脊髓直径的a％，则移动至终点时两个开合板8之间的距离x
a
的计算公式为：
42.x
a
＝a％
×
(x1‑
x0)+x043.而单侧开合板8的移动距离l即为xa/2。
44.转动调节轮6使两个开合板8达到距离为x
a
的位置，计时30秒后将两个开合板8调整至距离为x1的位置，并移去造模器，依次缝合肌肉和皮肤、消毒。待麻醉大鼠苏醒后实施护理，可进行相关实验干预或脊髓损伤程度的形态学、行为学评估。压迫过程的力正比于转动转调节轮6的扭力t：
45.t＝j
·
β：
46.其中，j为转动过程中旋转部件(调节轮和调节螺杆)的惯量，j＝(调节轮的质量+调节螺杆的质量)
×
调节轮半径的平方；β为转动的平均角加速度，根据丝杠传动距离与转动弧度的关系，在t秒的时间内单侧开合板移动距离l，转过弧度为2πl/l(其中l为调节螺杆导程，即转动360
°
时螺线旋进的距离)，根据角加速度
‑
时间和转动弧度关系方程可以求解得到
47.扭力t和输出力p的关系理论上遵循丝杠运动输出力公式：
[0048][0049]
其中，旋转部件总质量m、调节轮半径r、摩擦系数η及调节螺杆导程l均为定值，通过控制开合距离(决定于上述l)和旋转时间(即上述t)，即可间接确定钳夹力度大小。
[0050]
按本实例操作，当钳夹伤脊髓至原来20％的程度，术后大鼠均出现典型后肢功能障碍且不能自主排尿，需要人工辅助排尿，术后伤口愈合情况良好。术后一周，大鼠恢复自主排尿功能。
[0051]
综上所述，上述微调式脊髓损伤动物模型造模器结构简单、易于定量控制，建模结果稳定，对动物无额外的不良影响，可以用于对模型稳定性要求高的脊髓损伤临床基础医学的研究中。