一种模拟失重尾吊大鼠主/被动运动训练装置的定位装置

摘要

本发明提供了一种尾吊大鼠定位装置，包括：尾吊装置；大鼠固定盒，用于容纳大鼠的头部和躯干部分；躯干定位装置，用于使大鼠的躯干固定；角度控制装置，用于控制所述大鼠固定盒与所述尾吊大鼠定位装置的底座之间的角度。还提供了一种尾吊大鼠主/被动运动训练装置，包括：大鼠后肢运动装置：用于对大鼠的后肢进行主动或被动运动训练，其进一步包括：轨迹控制装置：用于限制大鼠后肢的运动范围；主动运动训练装置：用于对大鼠后肢进行主动运动训练；和被动运动训练装置：用于对大鼠后肢进行被动运动训练。本发明能够实现在运动训练的同时，大鼠尾吊角度保持不变即始终保持模拟失重状态；能够实现对大鼠主/被动训练的控制，进行定量化训练。

说明书

本申请是中国专利申请第200810114305.X号的分案申请。

技术领域

本发明涉及航天生物医学工程研究领域，更具体地说是涉及一种能够在模拟失重条件下对尾吊大鼠进行主/被动运动训练的装置的定位装置。

背景技术

宇航员进入太空会发生严重的失重性骨丢失，承重骨骨量平均每月丢失1.0-1.6％，最高可以达到13.6％，丢失速率远大于妇女绝经后每年的骨丢失率(3％)，这将直接影响航天员的健康和工作能力。动物实验的数据表明，运动训练是一种安全有效的对抗失重性骨丢失的措施。由于空间试验的有限性，目前这方面的研究数据主要是通过地面模拟失重模型来获得。

美国宇航局(NASA)于上世纪七十年代中期建立并发展了能在地面模拟空间生物效应的动物模型——大鼠尾吊模型，通过尾部悬吊使大鼠后肢去除负重，而前肢仍保持负重，从而模拟后肢失重性骨丢失效应，现已被广泛用于失重性骨丢失的机理以及对抗措施的研究。

在利用鼠尾吊模型的研究中，所用的运动训练有间歇性水平站立及头高位站立(曹新生等，间断性水平位站立对模拟失重大鼠股骨力学特性的影响，Chinese Journal of Aerospace Med，2000，11(3)：170-173.曹新生等，间断性45°头高位对尾吊大鼠股骨生物力学特性的影响，Space Medicine & MedicalEngineering，2000，13(5)：328-331.)、跑步(Hauschka et al.，Periodic weightsupport effects on rat soleus fibers after hindlimb suspension.the AmericanPhysiological Society.1988，0161-7567/88.Ishihara et al.，Effects of runningexercise during recovery from hindlimb unloading on soleus muscle fibers and theirspinal motoneurons in rats.Neuroscience Research，2004，48：119-127.)。但这些运动训练并不能在一直保持尾吊状态下进行。有的是在尾吊后的恢复期进行的。

Fluckey等设计出一种大鼠尾吊抗阻力运动装置，可使大鼠可处于尾吊状态即模拟失重状态进行抗阻力运动。运动方式类似于人类的“yo-yo”运动，是利用惯性轮带动大鼠做屈背运动。但其设计存在一系列的问题，例如：在运动过程中不能始终保持同一尾吊角度，运动锻炼不是针对后肢进行，后肢的负载无法定量等，而且较难设置相应的对照组(J.D.Fluckey etal.，A rat resistance exercise regimen attenuates losses of musculoskeletal massduring hindlimb suspension.Acta Physiol Scand，2002，176：293-300.)。

因此，在这一领域迫切需要提供一种能够在保持同一尾吊角度的模拟失重状态下，对大鼠进行主/被动可控、定量运动训练的训练装置。

发明内容

为了克服目前大鼠尾吊训练装置中存在的大鼠尾吊角度不能保持、大鼠主被动训练不能定量监测、控制的问题，本发明提供了一种能够在保持同一尾吊角度的模拟失重状态下，对大鼠进行主/被动可控、定量运动训练的训练装置，用于研究和寻找并优化对抗失重性骨质丢失的有效运动方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种尾吊大鼠定位装置，用于进行失重模拟测试，其特征在于包括：尾吊装置，用于悬吊大鼠尾部；大鼠固定盒，用于容纳大鼠的头部和躯干部分；角度控制装置，用于控制所述大鼠固定盒与所述尾吊大鼠定位装置的底座之间的角度，从而控制大鼠的驱干与所述底座之间的角度。

优选的，在所述的尾吊大鼠定位装置中，所述大鼠固定盒较高的一端开口，且其较低的一端设置有大鼠位置调节装置，用于改变大鼠在大鼠固定盒中的位置。

根据本发明的一种实施方式，在所述的尾吊大鼠定位装置中，所述角度控制装置包括一固定座，该固定座包括：固定座底盘，其被固定在所述底座上；固定座支架，其被固定在所述固定座底盘上且其上设有一个大鼠躯干通过孔；且所述大鼠固定盒的较高的一端的下方设置有挂钩，该挂钩用于使所述大鼠固定盒与所述固定座支架连接固定。

根据本发明的另一种实施方式，在所述的尾吊大鼠定位装置中，所述角度控制装置包括：一角度控制板，其被设置在所述大鼠固定盒的较低的一端附近，其下端固定在所述底座上，在其不同高度设有固定装置，用于在不同高度固定所述大鼠固定盒的较低的一端，以调节所述较低的一端相对于所述底座的高度；一轴承装置，其被固定在所述底座上，所述大鼠固定盒相对于所述底座可转动地被固定在所述轴承装置上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种尾吊大鼠主/被动运动训练装置，用于对大鼠进行模拟失重下的主/被动运动训练，其特征在于包括：大鼠后肢运动装置：用于对大鼠的后肢进行主动或被动运动训练，其进一步包括：轨迹控制装置：用于限制大鼠后肢的运动范围；主动运动训练装置：用于对大鼠后肢进行主动运动训练；和被动运动训练装置：用于对大鼠后肢进行被动运动训练。

优选的，在所述的尾吊大鼠主/被动运动训练装置中，所述轨迹控制装置包括：运动轨迹限制板；轴承结构，其被固定在所述运动训练装置的底座上，所述运动轨迹限制板以相对于所述底座可转动的方式被连接在所述轴承结构上；负载调节皮筋，其一端相对于所述底座固定，另一端固定在所述运动轨迹限制板靠近大鼠的一端；第一运动限位杆，其被设置在所述轴承装置靠近大鼠的一端；第二运动限位杆，其被设置在所述轴承装置远离大鼠的一端。

优选的，在所述的尾吊大鼠主/被动运动训练装置中，所述第一运动限位杆的下端固定在所述底座上，其上端上设置有一个减震帽，以通过所述减震帽的旋转来改变所述第一运动限位杆的高度；所述第二运动限位杆的下端固定在所述底座上，其上端上设置有一个减震帽，以通过所述减震帽的旋转来改变所述第二运动限位杆的高度。

优选的，在所述的尾吊大鼠主/被动运动训练装置中，所述主/被动运动训练装置进一步包括一对脚踏板，其被设置在所述运动轨迹限制板靠近大鼠的一端，用于分别放置和固定大鼠的一对后肢；所述主动运动训练装置包括：电刺激器，其电极端连接在所述脚踏板上，用于给予大鼠足底电刺激；单片机，用于控制所述电刺激器的电刺激次数。

优选的，在所述的尾吊大鼠主/被动运动训练装置中，所述被动运动训练装置包括：电机：固定在所述底座上；拉线：其一端固定在所述电机的转动轴上，另一端固定在所述运动轨迹限制板的拉线连接孔上，所述拉线连接孔设置于所述运动轨迹限制板的远离大鼠的一端。

优选的，在所述的尾吊大鼠主/被动运动训练装置中，进一步包括如前所述的尾吊大鼠定位装置。

本发明与现有大鼠运动装置相比有如下有益效果：

本发明设计了大鼠固定盒，利用大鼠的钻洞习性，使大鼠能够将头及躯体钻入固定盒内，后肢外露，固定盒设置了角度控制装置，使大鼠的驱干与所述运动训练装置的底座保持一定角度，并将大鼠的尾部固定于尾吊装置上，使大鼠始终保持头低位一定角度的尾吊状态。实验过程中大鼠身体姿态稳定，对实验人员没有威胁，并且排除了大鼠其他肢体运动对实验的干扰。

本发明还设计了大鼠后肢运动组件，利用螺钉固定在底座上，其结构类似于跷跷板，大鼠足部用医用胶布固定在跷跷板一端的大鼠后肢运动组件上。为使大鼠做主动运动，利用自设计的电刺激器将高压低流的脉冲电弧刺激作用于大鼠足底，大鼠会主动收缩后肢以躲避电击所产生的疼痛，此过程中大鼠后肢的收缩需要克服定量的负载，从而达到大鼠后肢做抗阻力主动运动的目的。负载皮筋和轨迹限制装置控制大鼠的运动载荷和运动轨迹，电刺激的次数控制大鼠的运动量。为使大鼠做被动运动，则需用电机带动连接线下拉跷跷板远离鼠的一端，拉力克服负载并带动大鼠后肢收缩，从而达到大鼠后肢做被动运动的目的。被动运动的运动轨迹同样受轨迹限制装置控制，运动量由电机的下拉次数决定。

由此可见，本发明能够实现针对尾吊大鼠后肢的抗阻力主动运动；能够实现在运动训练的同时，大鼠尾吊角度保持不变，即始终保持模拟失重状态；能够实现对大鼠主/被动训练的控制，进行定量化训练，保证两组运动的轨迹一致，且对照组除了后肢运动，其他条件与运动组完全一致。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的模拟失重尾吊大鼠主/被动运动训练装置的构造图。

图2是根据本发明的一个实施例的固定座的构造图。

图3A是根据本发明的一个实施例的固定角度大鼠固定盒的构造图。

图3B是根据本发明的一个实施例的角度可调节大鼠固定盒的构造图。

图4是根据本发明的一个实施例的大鼠后肢抗阻力运动装置的构造图。

图5是根据本发明的一个实施例的角度可调主动运动装置的构造图。

具体实施方式

在图1中，包括底座101、尾吊梁102、固定座103、大鼠固定盒104、大鼠左后肢抗阻力运动装置105、右后肢抗阻力运动装置106、尾吊梁支架107、尾吊环108，以及6个底座支架109。

其中所述的尾吊梁102固定在尾吊梁支架107上，尾吊梁支架107与底座101以螺钉固定方式或其他常规固定方式连接，从而使得尾吊梁102固定在底座101上；在尾吊梁102上有一个尾吊环108，用于悬吊大鼠尾部.

其中所述的固定座103置于底座101上，用于支撑大鼠固定盒104。固定座103在底座101上的位置是可以调整的，从而保证将不同长度的大鼠后肢置于左\右后肢抗阻力运动装置105\106上，调整好的固定座103用诸如螺钉锁紧的方法固定在底座101上。

在如图1所示的实施例中，大鼠固定盒104通过挂钩303以可拆卸的方式与固定座103连接，用于放置和固定大鼠。大鼠固定盒104相对于固定座103的位置是固定的，使得它与底座101之间夹角保持为30°，从而使大鼠在整个运动训练过程中均维持头低位30°的尾吊状态。

值得注意的是，在图1-3所示的实施例中，固定座103与大鼠后肢固定座203构成一个整体，但这并不是实现本发明的唯一方式；作为另一种可选的实施方式，也可以把大鼠后肢固定座203与大鼠固定盒104构成一个整体，并将这个整体装配到不包括大鼠后肢固定座203的固定座103上。在这种实施方式中，限定大鼠躯干通过孔204的部分可以被包括在大鼠后肢固定座203与大鼠固定盒104构成的整体中，而不是作为固定座103的一部分。所述的大鼠固定盒104与底座101之间夹角可以在0-80°变化，从而使大鼠在整个运动训练过程中均维持不同角度的头低位尾吊状态，这些角度都在本发明的权利范围之内，而不仅限于30°。其中固定座104和固定盒103可以采用分体式的设计(如图3A所示)，也可以将二者结合在一起，成为角度可调节大鼠固定盒(如图3B所示)，分体式的结构能够对角度进行精确定位，并且方便对大鼠进行控制，而合体式的结构能够对角度进行调节。

大鼠左后肢抗阻力运动装置105、右后肢抗阻力运动装置106以螺钉固定方式或其他常规固定方式连接在底座101上，二者结构为对称关系，用于对大鼠后肢施加主/被动抗阻力运动训练，并可以单独使用。

图2显示了根据本发明的固定座103的一个实施例。如图2所示，固定座103包括固定座底盘201、固定座支架202，大鼠后肢固定座203。固定座支架202固定在固定座底盘201上，在固定座支架202上有一个大鼠躯干通过孔204，用于固定大鼠躯干；大鼠后肢固定座203固定在固定座支架202一侧的大鼠躯干通过孔204下方，用于固定大鼠后肢。在大鼠后肢固定座203上有两个大鼠后肢通过孔205和马鞍形凸起206，而大鼠后肢固定座203整体与底盘201之间夹角与大鼠固定盒104与底座101之间夹角保持一致。

作为一种具体实施方式，固定座103的材质均为有机玻璃，采用三氯甲烷粘接。

在图3A所示的实施例中，大鼠固定盒104包括大鼠位置调节顶盘301、大鼠位置调节螺栓302、挂钩303。在大鼠固定盒104的一端开口，通过开口端下方的挂钩303连接在图2所示的固定座103的固定座支架202上，使得大鼠固定盒104与大鼠躯干通过孔204连通；在大鼠固定盒的另一端有一个与大鼠位置调节螺栓302相连的大鼠位置调节顶盘301，当转动大鼠位置调节螺栓302时，大鼠位置调节顶盘301在大鼠固定盒104内的位置会随之改变，从而改变大鼠在大鼠固定盒104中的位置，从而使得大鼠足部穿过大鼠后肢通过孔205后放置在大鼠左\右后肢抗阻力运动装置105\106的脚踏板401上。

如前所述，可以将固定座104和固定盒103二者结合在一起，成为角度可调节大鼠固定盒，图3B显示了角度可调节大鼠固定盒的一个实施例.如图3B所示，大鼠固定盒104上设有大鼠位置调节顶盘301、大鼠位置调节螺栓302、角度控制板304、纵向束缚带306、后肢支撑梁307、横向束缚带308.另设一个轴承装置305，其固定在底座101上，上端被切去，大鼠固定盒104通过粘接等连接方式固定在轴承装置305上端的切平面上，即大鼠固定盒104相对于底座101可转动地被固定在所述轴承装置305上(参见图5).可以将大鼠固定盒104与开口端相对的另一端，即大鼠固定盒104的较低的一端固定在角度控制板304上的不同高度上，实现对大鼠固定盒104相对于底座101角度的调节，其实现方式可以为在角度控制板304上的不同高度打孔，以利用扎带穿过所述的孔而在不同高度固定大鼠固定盒104的较低的一端，或者在角度控制板304上的不同高度设置定位槽，以固定大鼠固定盒104的较低的一端，当然还可以采用其它可行的方式来实现.纵向束缚带306、后肢支撑梁307和横向束缚带308完成了固定座103的功能，能够对大鼠进行固定.

图4是根据本发明的一个实施例的大鼠后肢抗阻力运动装置构造图。在图4所示的实施例中，大鼠左后肢抗阻力运动装置105和右后肢抗阻力运动装置106的结构是完全相同的，包括轨迹控制装置、主动运动训练装置和被动运动训练装置；它们对称排列在底座101上，分别为大鼠的左\右后肢提供主\被动抗阻力运动训练。

轨迹控制装置包括脚踏板401、合页402、负载皮筋403、初始状态调节杆404、减震帽405、轴承装置406、运动轨迹限制板407和大鼠运动限制杆408。其中脚踏板401被设置在固定座103的大鼠后肢固定座203下方，并通过合页402连接在运动轨迹限制板407一端，脚踏板401用于放置和固定大鼠左右后肢(可以用医用胶带或松紧带把大鼠后肢绑在脚踏板401上)；一个轴承装置406下端固定在底座101上，轴承装置406上端与运动轨迹限制板407中部连粘接，运动轨迹限制板407两端受力平衡的变化导致轴承装置406的转动，从而使运动轨迹限制板407产生类似跷跷板的升降运动，进一步改变了固定在脚踏板401上的大鼠后肢的运动轨迹；在轴承装置406的靠近固定座支架202的一端有一个初始状态调节杆404，初始状态调节杆404的下端固定在底座101上，其上端上有一个减震帽405，二者以螺丝方式连接，通过以螺旋旋转转动减震帽405的方式可以改变调节杆404的高度，从而调节运动轨迹限制板407的运动范围的一个界限；在轴承装置406的远离固定座支架202的一端有一个大鼠运动限制杆408，大鼠运动限制杆408的下端固定在底座101上，其上端上有一个减震帽405，二者以螺丝方式连接，通过以螺旋旋转转动减震帽405等方式可以改变大鼠运动限制杆408的高度，从而控制运动轨迹限制板407的运动范围的另一个界限。

主动运动训练装置包括负载皮筋403和电刺激器414。其中负载皮筋403的一端固定在轴承装置406的支架上，另一端固定在运动轨迹限制板407与脚踏板401相连的一端，负载皮筋403用于调节大鼠后肢运动的负荷，通过改变负载皮筋403的弹性控制大鼠后肢运动的负荷大小。作为大鼠运动行为指令装置的一种实施方案，采用了一个电刺激器414，其电极端连接在脚踏板401上，用于给予大鼠足底电刺激。当然，大鼠运动行为指令装置也可采用其他已知的方案，如上述Fluckey文献中公布的视觉指令方案(J.D.Fluckey et al.，Arat resistance exercise regimen attenuates losses of musculoskeletal mass duringhindlimb suspension.Acta Physiol Scand，2002，176：293 300.)，以及现有技术中已知的任何其他方案。

当大鼠足底受到连于脚踏板401上电极释放的高压低流的电弧脉冲刺激时，大鼠会主动收缩后肢以躲避点击所产生的疼痛，从而将运动轨迹限制板407的一端抬起，在此过程中需克服负载皮筋403的阻力，抬起高度由大鼠运动限制杆408决定，从而完成大鼠主动收缩后肢对抗一定阻力(或无阻力)进行主动抗阻力运动的训练.其中通过负载皮筋403控制大鼠的运动载荷，通过轨迹限制装置控制大鼠的运动轨迹，通过单片机控制电刺激的次数控制大鼠的运动量.

如图4所示，被动运动训练装置包括拉线409、拉线连接孔410、定滑轮411、电机转动轴412、电机413。其中电机413固定在底座101上，拉线409的一端固定在电机413的转动轴412上，另一端穿过定滑轮411固定在运动轨迹限制板407的拉线连接孔410上，电机413驱动转动轴412转动，缠绕或放松拉线409，从而带动运动轨迹限制板407远离鼠的一端上下运动，进一步带动大鼠下肢做收缩或伸展运动，完成对大鼠左右后肢的被动运动训练。

可以利用手动的方法缠绕或放松拉线409，从而带动运动轨迹限制板407远离鼠的一端上下运动，进一步带动大鼠下肢做收缩或伸展运动，完成对大鼠左右后肢的被动运动训练。

通过控制运动轨迹限制板407远离鼠的一端向下运动的频率控制被动运动的运动量。

实施例1  失重条件下保持同一训练角度

使用时先将大鼠固定盒104取下，提起大鼠尾部，将大鼠固定盒104的开口靠近大鼠头部，利用大鼠的钻洞习性让大鼠钻入大鼠固定盒104中，之后将大鼠固定盒104利用挂钩303与固定座103连接。调节大鼠位置调节螺栓302深入大鼠固定盒104中的长度，结合调节固定座103在底座101上的位置，使大鼠后肢能够穿过大鼠后肢通过孔205。再将大鼠尾部悬吊于尾吊环108上，将大鼠足部用医用胶布固定在大鼠左/右后肢抗阻力运动装置105/106(两者为对称结构，可根据需要选择采用一侧或两侧同时进行训练，下文以左侧105为例说明)的脚踏板401上，可对后肢进行主/被动训练。由于大鼠固定盒104与底座101之间夹角始终为同一角度，例如30°，所以大鼠在整个运动训练过程中均保持头低位30°的尾吊状态。

实施例2  仅对后肢进行训练

不论是对照组还是主/被动训练组，大鼠整个肢体除后肢外都固定于大鼠固定盒104内，其运动受到限制，并且施加的主/被动运动训练仅针对后肢进行，有效地排除了大鼠其他肢体运动对实验的干扰。

实施例3  角度可调主动训练

如果拉线409不连接在连接处410上，且大鼠固定盒采用合体式设计时，装置如图5所示.可以仅对大鼠后肢进行主动运动训练，并且大鼠尾吊的角度可以调节.当大鼠足底受到连于脚踏板401上电极释放的高压低流的电弧脉冲刺激时，大鼠会主动收缩后肢以躲避点击所产生的疼痛，从而将运动轨迹限制板407的一端抬起，在此过程中需克服负载皮筋403的阻力，抬起高度由大鼠运动限制杆408决定，从而完成大鼠主动收缩后肢对抗一定阻力(或无阻力)进行主动抗阻力运动的训练.其中通过负载皮筋403控制大鼠的运动载荷，通过轨迹限制装置控制大鼠的运动轨迹，通过电刺激仪控制电刺激的次数控制大鼠的运动量.在大鼠可视区域设置一个灯，电刺激仪控制该灯在有刺激时亮起，同时发出“哔”的声响.在正式实验中，利用大鼠的条件反射，刺激仪会先控制亮灯和发出声响，如果3秒钟内大鼠后肢没有收缩，才施加刺激.这样可以最大程度地减小电流对实验的干扰.

实施例4  被动训练

可以利用手动的方法，也可利用电机413带动拉线卷轴412转动，从而缠绕拉线409，使运动轨迹限制板407远离鼠的一端向下运动，带动大鼠后肢被动收缩，当电机413反向转动，放松拉线409，运动轨迹限制板407靠近鼠的一端会受负载皮筋403的拉力而向下运动，带动大鼠后肢被动伸展，此过程循环往复以达到对大鼠进行被动训练的目的。

实施例5  定量训练

大鼠后肢主/被动运动的运动轨迹均通过调节初始状态调节杆404和大鼠运动限制杆408的高度进行控制；主动运动时，选用拉力不同的负载皮筋403作为运动负载，可以控制大鼠后肢运动负载的大小，单片机控制电刺激器给予大鼠足底不同频率的电刺激，可以控制大鼠的运动量；被动运动的运动量则通过运动轨迹限制板407远离鼠的一端向下运动的频率进行控制。