垂直加压椎间盘退变模型及研究椎间盘退变的方法

摘要

本发明提供一种垂直加压椎间盘退变模型及研究椎间盘退变的方法，其退变模型包括上椎骨模型、椎间盘模型、下椎骨模型、上加压固定杆、下加压固定杆、加压螺纹杆、力传感器和第一数字显示装置；上椎骨模型固定在椎间盘模型的顶部，下椎骨模型固定在椎间盘模型的底部；上加压固定杆与上椎骨模型固定连接，下加压固定杆与下椎骨模型固定连接，加压螺纹杆连接上加压固定杆和下加压固定杆，加压螺纹杆的两端连接有加压螺母；力传感器连接在上加压固定杆和下加压固定杆之间，力传感器与第一数字显示装置电连接。本发明通过调节加压螺母，对上椎骨模型和下椎骨模型施加压力，模拟脊椎受力对椎间盘的作用，压力值可通过第一数字显示装置上直观显示。

说明书

技术领域

本发明属于医学研究设备领域，涉及一种垂直加压椎间盘退变模型及应用该模型来研究椎间盘退变的方法。

背景技术

目前椎间盘退变研究得到了越来越广泛的重视，但椎间盘退变发病机制并不十分清楚，仅知道长期负重、椎间盘压力持续增加是椎间盘退变的重要原因。因此建立一种类似于人类椎间盘解剖结构、生理功能及退变进程的椎间盘退变动物模型，对研究椎间盘退变的病因和治疗有着十分重要的意义。

椎间盘退变模型是研究椎间盘退变疾病的基础和关键，常用实验动物椎间盘退变模型：机械损伤模型、化学损伤模型、异常应力模型、脊柱不稳模型、脊柱融合模型等。但这些模型一方面不能完全模拟人椎间盘退变过程，因加入化学和物理等损伤，不是人椎间盘退变的发病基础。另一方面，目前制备椎间盘退变动物模型种类和方法较多，但均无统一标准，一致性和重复性欠佳，对于椎间盘退变研究是一种困扰。如何建立一种模拟人椎间盘退变过程、一致性和重复性强的椎间盘退变模型是研究椎间盘退变的重要突破口。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有数字显示功能，且能够调整椎间压力来模拟负重的椎间盘模型，以及应用此模型来研究椎间盘退变的方法。

为实现上述目的，本发明提供一种垂直加压椎间盘退变模型，包括上椎骨模型、椎间盘模型、下椎骨模型、上加压固定杆、下加压固定杆、加压螺纹杆、力传感器和第一数字显示装置；所述上椎骨模型固定在椎间盘模型的顶部，所述下椎骨模型固定在椎间盘模型的底部；所述上加压固定杆与上椎骨模型固定连接，上加压固定杆上设有上连接孔；所述下加压固定杆与下椎骨模型固定连接，下加压固定杆设有与上连接孔相对的下连接孔，所述加压螺纹杆连接上连接孔和下连接孔，加压螺纹杆的两端连接有加压螺母；所述力传感器连接在上加压固定杆和下加压固定杆之间，所述力传感器与第一数字显示装置电连接。

其中，所述上加压固定杆的端部设有第一螺纹插杆，所述下加压固定杆的端部设有第二螺纹插杆；所述力传感器的顶端设有第一通孔，底端设有第二通孔；所述第一螺纹插杆安插在第一通孔内上并由螺母限位固定，所述第二螺纹插杆安插在第二通孔内上并由螺母限位固定。

其中，所述加压螺纹杆的顶端连接有第一加压螺母和第二加压螺母，所述第一加压螺母位于上加压固定杆的上方，所述第二加压螺母位于上加压固定杆的下方；所述加压螺纹杆的底端连接有第三加压螺母和第四加压螺母，所述第三加压螺母位于下加压固定杆的上方，所述第四加压螺母位于下加压固定杆的下方。

其中，所述上加压固定杆、下加压固定杆、加压螺纹杆和力传感器分别有两个，分别固定在上椎骨模型和下椎骨模型的两侧。

其中，所述上椎骨模型、椎间盘模型和下椎骨模型为一体成型结构，所述椎间盘模型内部为封闭的空腔；所述椎间盘模型上设有一插口。

其中，所述第一数字显示装置包括设有多个控制按键的控制面板、控制电路板和液晶显示屏；所述控制面板与控制电路板电连接，所述液晶显示屏与控制电路板电连接，所述力传感器通过信号线与控制电路板电连接。

其中，所述上椎骨模型、椎间盘模型和下椎骨模型的材质为ABS工程塑料，所述上加压固定杆、下加压固定杆和加压螺纹杆的材质为307不锈钢。

此外，本发明还提供一种研究椎间盘退变的方法，包括以下步骤：

步骤一，将如权利要求1所述的垂直加压椎间盘退变模型组装完成；

步骤二，调节加压螺纹杆两端的螺母，使上加压固定杆和下加压固定杆相互靠近或远离，在上加压固定杆和下加压固定杆的作用下，上椎骨模型和下椎骨模型挤压或拉伸椎间盘模型；

步骤三，利用椎间盘内压力测试装置，测量椎间盘内的压力变化；

步骤四，记录一次实验结果，然后重复步骤一至步骤三，直至获得所需数量的实验数据；

步骤五，根据步骤四所得的实验数据，画出数据曲线，研究椎间盘模型内的压力同加在上椎骨模型和下椎骨模型之间的压力的关系。

其中，所述步骤三具体为：将连接有空气导管的针头插入椎间盘模型；空气导管与微型压力测试仪连接，微型压力测试仪与第二数字显示装置电连接。

其中，所述椎间盘内压力测试装置包括针头、空气导管、可将空气导管流入的气压转换成电信号的微型压力测试仪、用于将微型压力测试仪输出的电信号转换为气体压力的标准信号的压力转换器以及用于显示气压数值的第二数字显示装置；所述针头安插在椎间盘模型内，所述空气导管一端与针头连接，另一端与微型压力测试仪连接，所述微型压力测试仪与压力转换器连接，所述压力转换器与第二数字显示装置电连接。

本发明的有益效果是：本发明提供的具有数字显示功能的椎间盘内压力测试装置，通过调节加压螺母，对上椎骨模型和下椎骨模型施加压力，模拟脊椎受力对椎间盘的作用；对上椎骨模型和下椎骨模型施加的压力值可通过力传感器测量，并在第一数字显示装置上直观显示。本发明提供的具有数字显示功能的椎间盘内压力测试装置，能够较真实模拟人体内椎间盘退变过程；还具有较好的可控性、一致性和可重复性；操作简单，易于实施，能通过第一数字显示装置直观显示测量结果，方便记录数据。

附图说明

图1为本发明的种垂直加压椎间盘退变模型的结构图；

图2为本发明的研究椎间盘退变的方法所用的设备结构图。

主要元件符号说明如下：

11、上椎骨模型          12、椎间盘模型

13、下椎骨模型          14、上加压固定杆

15、下加压固定杆        16、加压螺纹杆

17、力传感器            18、第一数字显示装置

19、第一加压螺母        20、第二加压螺母

21、第三加压螺母        22、第四加压螺母

23、针头                24、空气导管

25、微型压力测试仪      26、压力转换器

27、第二数字显示装置。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供的具有数字显示功能的椎间盘内压力测试装置，包括上椎骨模型11、椎间盘模型12、下椎骨模型13、上加压固定杆14、下加压固定杆15、加压螺纹杆16、力传感器17和第一数字显示装置18；上椎骨模型11固定在椎间盘模型12的顶部，下椎骨模型13固定在椎间盘模型12的底部；上加压固定杆14与上椎骨模型11固定连接，上加压固定杆14上设有上连接孔；下加压固定杆15与下椎骨模型13固定连接，下加压固定杆15设有与上连接孔相对的下连接孔，加压螺纹杆16连接上连接孔和下连接孔，加压螺纹杆16的两端连接有加压螺母；力传感器17连接在上加压固定杆14和下加压固定杆15之间，力传感器17与第一数字显示装置18电连接。

本发明提供的具有数字显示功能的椎间盘内压力测试装置，测试时，在力传感器17垂直方向上，上加压固定杆14和下加压固定杆15随椎体发生压力或拉力的变化，作用于力传感器17，受到外力作用后产生形变引起电阻变化，输出一个与外力形成线性正比变化的电信号，通过电路A/D检测，输出标准信号，在第一数字显示装置18以数值形式显示。

施加压力时，可用力传感器17检测椎间加压压力，或用游标卡尺测量压缩距离，通过固定的压力数值和椎间隙压缩距离制备椎间盘退变模型，从而提高椎间盘退变动物模型一致性。加压时，压力传感器17在上加压固定杆14和下加压固定杆15之间，可预设压力（通过压力测试仪读数0-100N）、也可通过加压距离进行加压。

相较于现有技术，本发明提供的具有数字显示功能的椎间盘内压力测试装置，通过调节加压螺母，对上椎骨模型11和下椎骨模型13施加压力，模拟脊椎受力对椎间盘的作用；对上椎骨模型11和下椎骨模型13施加的压力值可通过力传感器17测量，并在第一数字显示装置18上直观显示。本发明提供的具有数字显示功能的椎间盘内压力测试装置，能够较真实模拟人体内椎间盘退变过程；还具有较好的可控性、一致性和可重复性；操作简单，易于实施，能通过第一数字显示装置18直观显示测量结果，方便记录数据。

本发明提供的具有数字显示功能的椎间盘内压力测试装置，通过调节加压螺母施加不同大小的压力或拉伸力，模拟不同退变程度的椎间盘。

在本实施例中，上加压固定杆14的端部设有第一螺纹插杆，下加压固定杆15的端部设有第二螺纹插杆；力传感器17的顶端设有第一通孔，底端设有第二通孔；第一螺纹插杆安插在第一通孔内上并由螺母限位固定，第二螺纹插杆安插在第二通孔内上并由螺母限位固定。

具体来说，加压螺纹杆16的顶端连接有第一加压螺母19和第二加压螺母20，第一加压螺母19位于上加压固定杆14的上方，第二加压螺母20位于上加压固定杆14的下方；加压螺纹杆16的底端连接有第三加压螺母21和第四加压螺母22，第三加压螺母21位于下加压固定杆15的上方，第四加压螺母22位于下加压固定杆15的下方。

第一加压螺母19和第二加压螺母20夹持上加压固定杆14，第三加压螺母21和第四加压螺母22夹持下加压固定杆15。将第一加压螺母19和第二加压螺母20在加压螺纹杆16上向上调整移动，同时将第三加压螺母21和第四加压螺母22在加压螺纹杆16上向下调整移动，即可对椎间盘模型12施加拉力；将第一加压螺母19和第二加压螺母20在加压螺纹杆16上向下调整移动，同时将第三加压螺母21和第四加压螺母22在加压螺纹杆16上向上调整移动，即可对椎间盘模型12施加压力。

通过上述加压螺母和加压螺纹杆16的配合，本发明提供的具有数字显示功能的椎间盘内压力测试装置，既能够模拟椎间盘受压力，也可模拟受拉伸力的模型。此外，还可通过下述结构模拟单侧、双侧、跳跃垂直加压等情形： 上加压固定杆14、下加压固定杆15、加压螺纹杆16和力传感器17分别有两个，分别固定在上椎骨模型11和下椎骨模型13的两侧。

在本实施例中，上椎骨模型11、椎间盘模型12和下椎骨模型13为一体成型结构，椎间盘模型12内部为封闭的空腔；椎间盘模型12上设有一插口。

该插口用于连接椎间盘内压力测试装置的针头23，椎间盘内压力测试装置根据椎间盘内空气压力的变化换算出椎间盘压力，进而研究椎间盘内压力与外接压力之间的关系。

在本实施例中，第一数字显示装置18包括设有多个控制按键的控制面板、控制电路板和液晶显示屏；控制面板与控制电路板电连接，液晶显示屏与控制电路板电连接，力传感器17通过信号线与控制电路板电连接。具体来说，控制面板上设有电源开关键、清零键、设置键和开始键；上述按键分别与控制电路板电连接。

第一数字显示装置18由控制部分和显示部分两大系统组成，显示部分即为液晶显示屏，控制部分为控制面板，控制面板上设有多个按键，分别通过控制电路形成不同的控制信号，实现不同的功能。

在本实施例中，上椎骨模型11、椎间盘模型12和下椎骨模型13的材质为ABS工程塑料，上加压固定杆14、下加压固定杆15和加压螺纹杆16的材质为307不锈钢。上椎骨模型11、椎间盘模型12和下椎骨模型13，以及上加压固定杆14、下加压固定杆15和加压螺纹杆16均使用无磁性材料，可在MRI下检测椎间盘退变程度。当然，这仅是本发明的一个具体实施例，本发明的各部分的材质并不仅限于此，也可为其他无磁性加压材料，例如碳纤维材料、钛合金材料或可吸收高分子材料。

为评估垂直加压椎间盘退变模型的有效性，我们采用了兔椎间盘退变模型，分别采用：1）穿刺椎间盘退变模型，2）垂直加压椎间盘退变模型。经实验证实：经过MRI检查穿刺椎间盘退变模型中椎间盘退变程度不一，III级退变20%，IV级退变70%，V级退变10%；而在垂直加压椎间盘退变模型中，III级退变10%，IV级退变90%。组织学进一步显示垂直加压椎间盘完整，退变组织中髓核与纤维环结构清楚。而在穿刺椎间盘模型12中，髓核组织破碎，髓核组织与纤维环分界不清晰。这些数据说明垂直加压椎间盘退变模型重复性和一致性较好，并能维持完整椎间盘组织，为椎间盘退变下一步研究提供丰富的素材。

请参阅图2，本发明还提供一种研究椎间盘退变的方法，包括以下步骤：

步骤一，将垂直加压椎间盘退变模型组装完成；垂直加压椎间盘包括上椎骨模型11、椎间盘模型12、下椎骨模型13、上加压固定杆14、下加压固定杆15、加压螺纹杆16、力传感器17和第一数字显示装置18；上椎骨模型11固定在椎间盘模型12的顶部，下椎骨模型13固定在椎间盘模型12的底部；上加压固定杆14与上椎骨模型11固定连接，上加压固定杆14上设有上连接孔；下加压固定杆15与下椎骨模型13固定连接，下加压固定杆15设有与上连接孔相对的下连接孔，加压螺纹杆16连接上连接孔和下连接孔，加压螺纹杆16的两端连接有加压螺母；力传感器17连接在上加压固定杆14和下加压固定杆15之间，力传感器17与第一数字显示装置18电连接。

步骤二，调节加压螺纹杆16两端的螺母，使上加压固定杆14和下加压固定杆15相互靠近或远离，在上加压固定杆14和下加压固定杆15的作用下，上椎骨模型11和下椎骨模型13挤压或拉伸椎间盘模型12；

步骤三，利用椎间盘内压力测试装置，测量椎间盘内的压力变化；

步骤四，记录一次实验结果，然后重复步骤一至步骤三，直至获得所需数量的实验数据；

步骤五，根据步骤四所得的实验数据，画出数据曲线，研究椎间盘模型12内的压力同加在上椎骨模型11和下椎骨模型13之间的压力的关系。

相较于现有技术，本发明提供的研究椎间盘退变的方法，利用垂直加压椎间盘退变模型来模拟椎间盘所受垂直外力，通过第一数字显示装置18直观显示所加外力值；同时，利用椎间盘内压力测试装置，测量椎间盘封闭空间的内压力，通过第二数字显示装置27直观显示椎间盘内压力值。记录下第一数字显示装置18和第二数字显示装置27的实验数据，并重复多次，制成曲线，分析椎间盘内压力与椎间盘所受外力之间的关系，研究椎间盘退变发病机制。具有较好的可控性、一致性和可重复性；操作简单，易于实施，能通直观显示测量结果，方便记录数据。

进一步来说，步骤三具体包括以下内容：将连接有空气导管24的针头23插入椎间盘模型12；空气导管24与微型压力测试仪25连接，微型压力测试仪25与第二数字显示装置27电连接。

更具体来说，椎间盘内压力测试装置包括针头23、空气导管24、可将空气导管24流入的气压转换成电信号的微型压力测试仪25、用于将微型压力测试仪25输出的电信号转换为气体压力的标准信号的压力转换器26以及用于显示气压数值的第二数字显示装置27；针头23安插在椎间盘模型12内，空气导管24一端与针头23连接，另一端与微型压力测试仪25连接，微型压力测试仪25与压力转换器26连接，压力转换器26与第二数字显示装置27电连接。

本发明提供的研究椎间盘退变的方法所使用的椎间盘内压力测试装置，利用针头23和空气导管24将椎间盘模型12的封闭内腔与微型压力测试仪25连接，在对椎间盘模型12施加外力时，椎间盘模型12发生形变，使内部的空气压力发生变化，微型压力测试仪25可准确测量该空气压力的变化，并换算出椎间盘模型12压力变化，经压力转换器26对微型压力测试仪25的电信号进行转换后，由第二数字显示装置27直观显示椎间盘模型12内的压力变化值。

以上仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。