测量大鼠脊柱亚脱位动物模型的脊柱刚度测量装置

摘要

本发明公开了一种测量大鼠脊柱亚脱位动物模型的脊柱刚度测量装置，包括，步进电机、传动机构、压力传感器、压头和固定拉杆；所述步进电机固定安装在一基座板上，该步进电机通过传动机构与压头相连接，在压头的内部设置压力传感器；在步进电机的驱动下所述压头能上下移动；固定拉杆为两个，其一端与基座板固定连接。本发明能够对与大鼠第五腰椎棘突节段L

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于刚度测量的装置，特别是涉及一种测量大鼠脊柱亚脱位动物模型的脊柱刚度测量装置。

背景技术

刚度是一个描述产生一定的位移所需施加力量的系统特性，通常用产生形变的力除以该力产生的形变(单位：N/mm)，它和物体施加一定的力量可产生多大的位移的顺应性相对应。对刚体结构而言，其刚度呈线性关系，表现在载荷位移图上为一斜线，常见具有线性刚度的机械系统是弹簧，该系统的刚度直线的斜率是相等的。临床上，腰痛患者脊柱运动节段的僵硬程度通常增大，通过触诊可以完成对脊柱柔韧性的评估，从而做出临床决策。徒手触诊脊柱节段刚度变化更多的是定性评估，较难量化。机械装置可以最大程度地减少可能影响脊柱刚度值测试的变量，更加可靠、有效、客观地观察脊柱刚度的变化，但在这方面也缺乏足够的资料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量大鼠脊柱亚脱位动物模型的脊柱刚度测量装置，根据刚度测试的基本原理，开发出可用于动物实验的脊柱刚度测试装置。

为解决上述技术问题，本发明的测量大鼠脊柱亚脱位动物模型的脊柱刚度测量装置包括，包括步进电机、传动机构、压力传感器、压头和固定拉杆；所述步进电机固定安装在一基座板上，该步进电机通过传动机构与压头相连接，在压头的内部设置压力传感器；在步进电机的驱动下所述压头能上下移动；固定拉杆为两个，其一端与基座板固定连接。

采用本发明的脊柱刚度测量装置能够对与大鼠第五腰椎棘突节段L₅固定连接的棘突钢板加载，测定腰椎固定节段的刚度，实现定量评估脊柱节段刚度变化。

采用本发明的装置可以直观地在活体上观察大鼠“亚脱位”动物造模后的脊柱刚度变化，也为相关研究提供研究工具。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的脊柱刚度测量装置结构图(一)；

图2是本发明的脊柱刚度测量装置结构图(二)；

图3是脊柱刚度测试系统程序的控制流程(一)；

图4是脊柱刚度测试系统程序的控制流程(二)；

图5是脊柱刚度测试系统程序截屏图；

图6至图17是本发明的实施例示意图；

图18是各组基线平均刚度所连成的曲线图；

图19是对照组各组干预前后平均刚度曲线比较图；

图20是实验组各组观察前后平均刚度曲线比较图；

图21是对照组与实验组观察后平均刚度曲线的比较图。

具体实施方式

刚度是物体抵抗变形的能力，通常采用产生变形的加载力除以该力产生的形变(位移)来表示，本发明通过对与大鼠第五腰椎棘突节段L₅固定连接的棘突钢板加载，测定腰椎固定节段的刚度，据此设计实验用加载装置。

参见图1、2所示，所述的脊柱刚度测量装置包括步进电机1、传动机构2、压力传感器3、压头4及固定拉杆5。在一具体实施例中所述传动机构2由螺杆、螺母等组成。

所述步进电机1固定安装在一基座板上，该步进电机1通过传动机构2与压头4相连接，在压头4的内部设置压力传感器3。在步进电机1的驱动下压头4能上下移动。固定拉杆5为两个，其一端与基座板固定连接，另一端分别与大鼠腰椎L4和L6棘突上的棘突钢板相连接。

在进行脊柱刚度测量时，固定拉杆5可以固定大鼠腰椎L4和L6棘突上的外固定钢板。当所述的脊柱刚度测量装置的压头4向下移动，向大鼠腰椎L5棘突上的外固定钢板施加载荷时，使大鼠腰椎L5棘突上的外固定钢板产生相对大鼠腰椎L4和L6棘突上的外固定钢板的位移。

结合图2所示，所述步进电机1由步进电机驱动器控制，该步进电机驱动器的输入端可以连接一个可调式频率振荡器，通过调节脉冲频率，控制步进电机1步距，进而控制压头4推进的速度。脉冲的数量能够反映压头4前进的距离。脊柱刚度测量装置通过步进电机1驱动压头4，对大鼠脊柱施加额定载荷，脊柱承受压力载荷后产生的形变可通过压头4的位移确定。因此，将可调式频率振荡器输出的脉冲同时通过I/O接口输入到计算机中。在自动控制方式下，当计算机检测到压力达到设定值时，通过I/O接口输出停止信号，切断步进电机驱动器对步进电机1的控制，使脊柱刚度测量装置停止加载。可调式频率振荡器的输出端可以连接一个频率表，用于输出脉冲频率的显示。

为了精确控制加载载荷，所述的压力传感器3采用电阻应变测力传感器，测量范围0～5N。所述压力传感器3的输出端与动态应变放大电路的输入端相连接。压力传感器3测得的加载载荷经动态应变放大电路放大后进行A/D转换，然后通过I/O接口输入给实现计算机，实现自动控制(包括控制步进电机1的开或关以及转动方向，从而控制压头4的升降)。采用数字电压表可以测量动态应变放大电路的输出电压，显示压力的大小。

本发明的脊柱刚度测量装置设有手动控制和自动控制两种工作方式，由开关KA1进行选择。当开关KA1选择手动控制方式时(图1所示的位置)，闭合启动开关KA2后，可以控制步进电机1转动。当开关KA1选择自动控制方式时(将图1中开关KA1置向左侧，使图1中开关KA1左侧的触点闭合)，在启动开关KA2也闭合的情况下，步进电机1的转动由计算机通过I/O接口控制开关KA3，实现自动控制。

所述计算机内运行脊柱刚度测试系统程序，该程序采用Visual C++6.0编写。当脊柱刚度测量装置对大鼠脊柱施加额定载荷，脊柱承受压力载荷后产生的形变数据可以实时采集，实现对每个时间节点的载荷与位移的数据管理，并可通过excel(即通过微软公司开发的office(2003)办公软件中的excel数据管理程序导出)导出，便于计算与分析。脊柱刚度测试系统程序还可以描绘刚度曲线，反应载荷与位移之间的关系。

参见图3所示，脊柱刚度测试系统程序的控制流程是：开始进入脊柱刚度测试系统程序后，读出已有数据文件列表，显示脊柱刚度测试系统程序主界面，根据主界面的菜单选择具体的操作，操作结束后退出脊柱刚度测试系统程序。

再结合图4所示，操作选择菜单具体包括如下操作：1、测量；2、显示曲线；3、显示表格；4、导出数据；5、显示信息；6、删除数据。

所述测量的控制过程是：设置停止方式，包括手动停止方式和计算机控制自动停止方式。手动停止时将开关KA1调整到手动调节档，然后将开关KA2调整到停止档；计算机控制自动停止时将开关KA1调整为计算机控制档，调用脊柱刚度测试系统程序，单击其控制界面上的停止按键通过I/O接口控制开关KA3从而停止步进电机工作。读取A/D转换数据，将测量的模拟数据转换为计算机可读的数字数据，从而实现计算机对采集数据的处理。显示曲线，能够更直观的显示所测量样本刚度变化。保存数据，保存所测量的压力和位移值；然后退出。

所述显示曲线的控制过程是：读取数据文件、显示数据曲线，然后退出。

所述显示表格的控制过程是：读取数据文件、显示数据表格，然后退出。

所述导出数据的控制过程是：选择保存文件的类型，若保存图形文件，则选择图片类型，然后导出图形文件；若保存数据文件，则选择数据类型，然后导出数据文件。

所述显示信息的控制过程是：读取数据文件，然后显示样本信息。

所述删除数据的控制过程是：删除数据文件，然后重排文件列表。

图5是采用本发明的脊柱刚度测量装置测量的大鼠腰椎脊柱刚度的典型生物力学曲线。其中，横坐标为步进电机1的位移，纵坐标为步进电机1推动压头4所产生的向下的压力。图中共有4条曲线，分别表示进行4次刚度测试所测量到的大鼠腰椎脊柱刚度的生物力学曲线。在上述曲线中，开始的一段平缓曲线，是生物力学上所讲的“toe area”(脚趾区域)；其后的曲线向上陡升，其斜率为该次测量条件下大鼠的腰椎脊柱刚度。

使用本发明的装置进行测量时，需要对脊柱刚度测量装置进行标定。标定的方法是：

(1)将脊柱刚度测量装置的压头4水平倒置并固定于固定架上，打开脊柱刚度测量装置，将压力传感器3的读数调零(调整调零按钮调零)。

(2)依次向压头上放置100g、200g、300g、400g砝码和5牛顿的砝码(依次标记为1-5号)，分别读取和记录脊柱刚度测量装置所显示的压力值(实际值)。

(3)根据公式G＝mg(其中g取9.8m/s，m单位为kg)依次算出各个砝码所产生的重力(理论值)并与脊柱刚度测量装置所显示的压力值相比对，误差控制在1％以内。标定后的结果如表1所示：

表1

注：质量单位为kg，力的单位为N，保留小数点后两位。

实施实例

1、实验用动物

雄性SD大鼠(清洁级)36只，体重350g～450g，(购自上海中医药大学实验动物中心)。

2、外部连接系统植入

(1)实验动物分组

将36只重350g～450g的雄性SD大鼠(清洁级)随机分为实验组(F组，植入用于制作大鼠脊柱亚脱位动物模型的外部连接固定装置，该外部连接固定装置的结构参见申请号为200810043595.3的中国发明专利申请说明书)、对照组(C组，植入所述的外部连接固定装置，但是棘突钢板的直部不连接连接钢板)、假手术组(K组，不植入所述的外部连接固定装置)。

实验组按设计观察时间长短随机分为观察一周组(F1)，组内有三个观察单位分别为F11、F12、F13；观察两周组(F2)，组内有三个观察单位分别为F21、F22、F23；观察四周组(F4)，组内有三个观察单位分别为F41、F42、F43；和观察八周组(F8)，组内有三个观察单位分别为F81、F82、F83。

对照组按设计观察时间长短随机分为观察一周组(C1)，组内有三个观察单位分别为C11、C12、C13；观察两周组(C2)，组内有三个观察单位分别为C21、C22、C23；观察四周组(C4)，组内有三个观察单位分别为C41、C42、C43；和观察八周组(C8)，组内有三个观察单位分别为C81、C82、C83。

假手术组按设计观察时间长短随机分为观察一周组(K1)，组内有三个观察单位分别为K11、K12、K13；观察两周组(K2)，组内有三个观察单位分别为K21、K22、K23；观察四周组(K4)，组内有三个观察单位分别为K41、K42、K43；和观察八周组(K8)，组内有三个观察单位分别为K81、K82、K83。

(2)备皮

大鼠术前8小时禁食水。大鼠腰背部较大区域温水清洁，电动剃须刀剃除被毛(避免表皮损伤)，手术区域用温肥皂水清洁，乙醚去脂，拭干后碘伏消毒，75％酒精脱碘。

(3)手术器械准备

上述手术器械术前一天高压蒸汽灭菌

(4)实验组手术流程

①麻醉与固定：大鼠腹腔氯胺酮注射麻醉(120mg/kg)注射后约两分钟，待大鼠进入麻醉状态后将其俯卧位固定于手术台上。手术区域及周边3cm碘伏消毒，75％酒精脱碘(参见图6)。

②铺巾：手术区域铺巾以保持手术区域清洁。

③定位：定位L₆(第六腰椎棘突节段)棘突(平对髂嵴)，向上依次定位L₅(第五腰椎棘突节段)、L₄(第四腰椎棘突节段)棘突。

④皮肤切开：刀片沿后正中线从L₄棘突上0.5cm至L₆棘突下0.5cm切开皮肤；

⑤组织分离：止血钳钝性分离皮下结缔组织，用刀片紧贴L₄，L₅，L₆棘突旁将棘突与周围竖棘肌分离，避免伤及关节突关节和副突以及棘上和棘间韧带及组织，暴露L₄，L₅，L₆棘突(参见图7)；

⑥体内部分的钢板固定：选用10ml注射器针头作打孔针(10ml注射器针头直径与螺钉I直径较接近，便于螺钉I穿入)，右手持打孔针，从L₆棘突基底部正中上方约2mm进针，钻出一孔隙(直径约1.5mm)(参见图6)，用止血钳夹持螺钉I，套入一块L₆棘突钢板，将螺钉I对准孔隙，持螺丝刀将螺钉I沿孔隙缓慢拧入(拧入过程中保持螺钉I及螺丝刀与棘突垂直)，至螺钉I从棘突对侧穿出约3mm。将另一块L₆棘突钢板套入穿出的螺钉I，接着用止血钳夹持螺母I对准螺钉I，用螺丝刀拧紧螺钉I(此过程中防止用力过大，否则易导致棘突断裂或坏死)，L₆棘突钢板固定完毕。

L₅棘突钢板，L₄棘突钢板固定依此类推(参见图9、10)。

⑦肌肉组织缝合：在相邻钢板间，采用间断缝合方法缝合两侧竖棘肌和周围结缔组织。

⑧体外部分的固定：止血钳夹持连接钢板I，置于两块L₄棘突钢板之间(连接钢板I的孔对应L₄棘突钢板的孔)，将螺钉II套入，用螺母II固定钢板。将连接钢板II置于两块L₆棘突钢板之间(连接钢板II的孔对应L₆棘突钢板的孔)，将螺钉II套入，用螺母II固定钢板。将连接钢板I与连接钢板II的长通孔端置于两块L₅棘突钢板之间，用螺钉III和螺母II固定(参见图11-13)。

⑨清洁伤口：手术区反复三次使用庆大霉素(庆大霉素2ml+0.9％生理盐水8ml)冲洗，彻底压迫止血，相邻钢板间采用间断缝合法缝合皮肤。

(5)对照组手术流程

对照组无体外部分的连接钢板的固定，其余步骤与实验组同(参见图14)。

(6)假手术组手术流程

无钢板的植入和固定，其他步骤与实验组同(参见图15)。

(7)术后处理

①术后白炽灯照射1小时，促使大鼠及早从麻醉状态中苏醒；

②麻醉苏醒后，各组大鼠放入改进型大鼠饲养笼器内单笼饲养；

③术后三天肌注庆大霉素(庆大霉素2ml+0.9％生理盐水8ml)；

④各组大鼠喂养的水瓶中加入复方对乙酰氨基酚片(散利痛)，按300mg/kg/d给量，术后连续三天；

⑤止痛剂喂养三天后观察大鼠疼痛行为(食欲降低，静卧时间延长，搔抓，活动情况)两天；

⑥所有实验大鼠(实验组和对照组)均有上述一周左右的恢复期。

(8)实验用动物喂养

术后，实验动物置于大鼠饲养笼器内单笼饲养。为保证外部连接系统的正常状态，对常规饲养笼进行有限改良。用带孔的不锈钢板替换放置食物的不锈钢笼罩，保证空气的流通。同时，设计一个“∠”型钢板，在钢板斜面上预留好食物和水的出孔，通过不断调整出孔的高度和钢板斜面的倾斜角度，使大鼠能够自如的获得食物和水分的同时，起到部分模拟两足动物行为的作用。

3、动物模型脊柱刚度测量

(1)脊柱刚度测试时间节点

实验组(F组)按设计观察时间长短随机分为观察一周组(F1)(组内有三个观察单位F11、F12、F13)；观察两周组(F2)(组内有三个观察单位F21、F22、F23)；观察四周组(F4)(组内有三个观察单位F41、F42、F43)；观察八周组(F8)(组内有三个观察单位F81、F82、F83)。

对照组分组原则同试验组相同。观察一周组C1(组内有三个观察单位C11、C12、C13)；观察两周组C2(组内有三个观察单位C21、C22、C23)；观察四周组C4(组内有三个观察单位C41、C42、C43)；观察八周组C8(组内有三个观察单位C81、C82、C83)。

实验组和对照组每个观察单位F11、F12、F13……F81、F82、F83，C11、C12、C13……C81、C82、C83均分别在度过手术后一周恢复期后，首次测量造模(即大鼠脊柱亚脱位动物模型)节段脊柱刚度，每个观察单位在观察时间结束时接受末次造模节段脊柱刚的测试。

空白组不做脊柱刚度测试。

(2)脊柱刚度测量装置

采用本发明的脊柱刚度测量装置。

(3)脊柱刚度测试方法

①将脊柱刚度测量装置与计算机连接，运行脊柱刚度测试系统程序。将步进电机速度调定3.00mm/s，起始压力为0.00N(如速度与起始压力与规定不符，要及时用调零键调整)将脊柱刚度测试装置调定为手动控制。

②大鼠腹腔氯胺酮注射麻醉(120mg/kg)注射后约两分钟，待大鼠进入麻醉状后拆除所述外部连接固定装置的连接钢板，将其俯卧位固定于水平固定台上(参见图16)。

③将L₄，L₆棘突钢板与固定拉杆5相连接，L₅棘突钢板对准并套入压头4的榫孔，手动控制使压头4与L₅棘突钢板紧密连接(参见图17)。

④将脊柱刚度测量装置设定为自动控制，自动启动脊柱刚度测量装置进行加载测量，自动读取记录数据。第一次测量为无预加载力的数据，主要记录预加载力的大小。然后反复以第一次测量到的预加载力为起始压力测量三次并保存记录，第一次测量数据作剔除处理。

⑤将脊柱刚度测量装置设定为手动控制，将脊柱刚度测量装置的压头4升至最高，解除L₄，L₆棘突钢板与固定拉杆5的连接，取下实验大鼠。

⑥将实验大鼠的所述外部连接固定装置的连接钢板连接好，关闭计算机及脊柱刚度测量装置的电源。

4、结果

(1)大鼠腰椎基线刚度

基线刚度值指对照组和实验组动物在度过手术恢复期后，立即进行测量所得的实验动物大鼠腰椎刚度测量值。空白组为假手术组，不进行刚度测量。

为了观察对照组和实验组基线刚度值是否保持在同一基线水平，故将对照组和实验组基线刚度值作一比较，现将两组刚度基线数据做独立样本t检验：

表1基线刚度值

注：p＝0.134＞0.05

统计显示，p＝0.134＞0.05，实验组与对照组基线刚度值无显著性差异，具有可比性。

(2)平均基线刚度(结合图18所示，其中，上端的曲线表示实验组各组基线平均刚度数据曲线；下端的曲线表示对照组各组基线平均刚度数据曲线)

平均刚度指对照组和实验组每一组内所有观察单位刚度值的平均数值，现将实验组和对照组各组基线平均刚度统计如下：

表2对照组各组平均基线刚度

表3实验组各组基线平均刚度

基线刚度数据为所述外部连接固定装置植入手术恢复后，立即测量的刚度数据。可以看出，对照组和实验组各组基线刚度值曲线较平稳，无较大起伏和特殊值出现，说明各组刚度测量数据较平稳，即说明脊柱刚度测量装置的稳定性，同时也便于和外部连接固定装置卸载后腰椎节段刚度数据的对比。

实验组各组基线平均刚度值略比对照组高，但统计分析对照组和实验组基线刚度无显著性差异。

(3)外部连接固定干预前后刚度变化(结合图19所示，其中，上端的曲线表示对照组各组观察后平均刚度数据曲线；下端的曲线表示对照组各组观察前基线平均刚度数据曲线)

①对照组干预前后刚度变化

表4对照组各组干预前后刚度差值

对对照组各观察单位干预前后刚度值进行配对t检验，结果显示：C1组P＝0.82＞0.05，C2组P＝0.77＞0.05，C4组P＝0.98＞0.05，C8组P＝0.44＞0.05，说明C1、C2、C4、C8各组手术植入无外部横向连接的固定系统后，在每个时间节点上的脊柱节段刚度值无显著性差异，对照组各亚组刚度值干预前后无明显变化。

②对照组干预前后平均刚度变化

对照组各亚组平均刚度时间变化曲线由各亚组内所有观察单位分别观察1周、2周、4周、8周后刚度的平均值组成。从图18中可以看出，在观察1周至2周的时间内对照组刚度略有变化但不明显；而在2周至4周这段时间，刚度有向基线恢复的趋势；4周到8周这段时间，刚度略有变化但不明显。

③实验组干预前后刚度变化

表5实验组各组观察前后刚度差值

对实验组各亚组观察单位干预前后刚度值进行配对t检验，结果显示：F1组P＝0.59＞0.05，F2组P＝0.70＞0.05，F4组P＝0.12＞0.05，说明F1、F2组、F4组干预前后刚度值无显著性差异；F8组P＝0.02＜0.05，说明F8组干预前后刚度值具有显著性差异，F8观察八周后，其节段刚度值远大于观察前基线刚度值。

④实验组观察前后平均刚度变化(结合图20所示，其中，上端的曲线表示实验组各组观察后平均刚度数据曲线；下端的曲线表示实验组各组观察前基线平均刚度数据曲线)

实验组各亚组平均刚度时间变化曲线由实验组各亚组内所有观察单位在观察1周、2周、4周、8周后刚度值的平均值组成，在观察1周至2周的时间内，实验组刚度略有变化但不明显，总体略有下降的趋势，与对照组相类似；观察2周到4周阶段，实验组刚度有缓慢上升的趋势，而从4周后，刚度增加的趋势比较明显。

⑤对照组与实验组终末刚度

表6对照组各组观察后刚度值

表7实验组组各组观察后刚度值

1周、2周、4周、8周各时间节点对照组与实验组观察后各组间刚度值进行独立样本t检验，结果如下：1周时，C1组与F1组相比，P＝0.59＞0.05；2周时，C2组与F2组相比，P＝0.70＞0.05；4周时，C4组与F4组相比，P＝0.12＞0.05；说明对照组和实验组在观察1、2、4周后刚度值无显著性差异。8周时，C8组与F8组相比，P＝0.02＜0.05，说明对照组和实验组观察八周后刚度值具有显著性差异，F8观察八周后刚度值远大于C8组刚度值。

⑥对照组与实验组观察后平均刚度曲线的比较(结合图21所示，其中，上端的曲线表示实验组观察后平均刚度曲线，下端的曲线表示对照组观察后平均刚度曲线)

可以看出在1周到2周这段时间，对照组和实验组变化趋势比较一致，而从2周到4周这段时间，对照组和实验组刚度变化朝相反反方向发展，这可能与外部固定系统这一干预因素有关，对照组无外部固定系统的连接固定，所以有自我恢复的趋势，刚度值向基线恢复。而实验组因外固定系统连接限制了椎体节段的活动，破坏了大鼠腰椎节段自身的恢复功能，从而使刚度变化无法恢复而有逐渐增加的趋势。而4周后实验组刚度增加的趋势明显不同于对照组，外部固定系统的干预影响明显显现。