自动电控重力式急性脊髓损伤动物模型建模打击器

摘要

本发明公开了一种自动电控重力式急性脊髓损伤动物模型建模打击器，其特征在于，包括底座、支架、横梁、电磁打击器和用于控制电磁打击器动作的控制盒；支架竖直设置在底座上，支架上设有竖直导轨，横梁设置在竖直导轨上，横梁上设置有用于驱动横梁在导轨上滑动并锁定的横梁高度调节机构；电磁打击器固定在横梁的一端。该自动电控重力式急性脊髓损伤动物模型建模打击器操控性强，能有效避免二次打击。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动电控重力式急性脊髓损伤动物模型建模打击器。

背景技术

脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)是一种严重的创伤，其发病率在逐年增高，脊髓损伤的治 疗和康复是当今医学界一大难题，原因是SCI后的病理生理机制非常复杂，对其认识还不充 分。为了能够更好地研究脊髓损伤的发生机制、病理变化，为有效治疗提供依据，建立一个 标准、理想的实验模型具有重要的意义。

临床相似性、可调控性和可重复性常作为理想的SCI动物模型的标准。目前有多种脊髓 损伤模型，包括脊髓撞击模型、脊髓压迫模型、脊髓牵拉模型、脊髓缺血性模型、脊髓横断 模型、脊髓穿刺模型、吸除性脊髓损伤模型。其中重物坠落撞击模型由于在损伤的生理学反 应和继发损伤的病理生理学方面更接近于人的脊髓损伤，是目前最常用的急性脊髓损伤动物 模型之一。

1911年，艾伦(Allen)采用重物坠击(Weight-dropping，WD)法首次在实验动物上成功复 制出脊髓损伤模型。该法存在着诸多缺陷：最严重的技术问题是下落重物坠击脊髓的时间往 往不一致；脊柱和脊髓的不稳定及脊髓的侧向偏移，导致SCI不对称，损伤区大小不恒定； 重物坠击脊髓后未及时移开，造成不同程度的脊髓压迫伤，坠击后反弹造成二次乃至多次打 击；动物的瘫痪程度和持续时间出现较大的差异。

1989年，格鲁勒(Gruner)在Allen基础上创造了NYU(纽约大学)碰撞器，其优点在于 能够监控损伤参数，如碰撞速度和组织位移，使制作的模型更加符合预设标准，减少损伤多 样性，整个过程由电脑监控。此外还有斯凯夫(Schef)等人研制的无限地平线撞击器(Infinite  Horizons impactor device)，简称IH打击器，这种打击器可以检测打击瞬间的各个参数，而且 可以很好的避免二次打击。

目前国际上最常用的两种脊髓损伤模型是NYU(纽约大学)碰撞器和IH打击器。前者存 在二次打击的问题，后者装置复杂，价格昂贵。

在我国脊髓损伤研究领域，最早设计相关打击装置的是1984年过邦辅等人他们依据临床 上脊髓损伤病人，主要由于脊椎骨折脱位，从脊髓前侧致伤脊髓，首次设计出脊髓腹侧撞击 损伤模型，其致伤器的设计思想是将重锤下落直接撞击脊髓背侧，改为提拉撞击。由于缺乏 特定的打击器械，致伤方式较原始，无法规范。1995年赵建滨等人设计了一种致动物脊髓损 伤模型的简易装置，1998年谭炜等人报告了实验性兔脊髓损伤打击器的改良和应用，2003年 徐晓庆等人也研制了用于急性脊髓损伤动物模型的建立的打击装置，这些打击装置无法解决 二次打击问题，打击力度难以做到恒定，重复性差。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种自动电控重力式急性脊髓损伤动物模型建模 打击器，该自动电控重力式急性脊髓损伤动物模型建模打击器操控性强，能有效避免二次打 击。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种自动电控重力式急性脊髓损伤动物模型建模打击器，包括底座、支架、横梁、电磁 打击器和用于控制电磁打击器动作的控制盒；

支架竖直设置在底座上，支架上设有竖直导轨，横梁设置在竖直导轨上，横梁上设置有 用于驱动横梁在导轨上滑动并锁定的横梁高度调节机构；

电磁打击器固定在横梁的一端，电磁打击器通过电缆接头与控制盒相连。

所述的电磁打击器包括电磁执行器、导轨、打击棒、探头和护鞘；电磁执行器外壁由护 鞘包裹，导轨竖直方向设置在电磁执行器中部，打击棒置于该导轨中，探头设置在打击棒的 下端部；电磁执行器受控于控制盒。

控制盒发出脉冲控制打击棒动作和复位，该脉冲中仅有的一个负脉冲对应的时间为打击 时间。

支架为主体由两根竖直杆构成的双杆式支架，在支架的一根竖直杆内侧设有齿槽；

所述的高度调节机构包括齿轮、手柄、旋转盘、制动旋钮和制动螺栓，横梁为中空结构， 齿轮设置在横梁内部，竖直杆穿过横梁内部；齿轮与齿槽啮合，固定齿轮的转轴通过轴承与 横梁连接；手柄设置在旋转盘上，旋转盘与齿轮同轴连接，在手柄作用下，旋转盘与齿轮同 轴同步旋转；制动旋钮设置在制动螺栓的外端部，当锁紧制动螺栓时，制动螺栓内端面压紧 一根竖直杆的外壁。

用于检测齿轮旋转角度的光栅与齿轮同轴安装在横梁内部。

在横梁上设有高度显示屏。

在横梁上设有水平显示仪。

在横梁、底座或支架上设有用于检测环境温度的温度传感器。

本发明的有益效果：

本发明的自动电控重力式急性脊髓损伤动物模型建模打击器，以重力为动力源，设计了 垂直打击导轨，通过改变打击高度和打击棒质量调节打击力度，运用数字化控制技术，以定 时负脉冲驱动电磁执行器，实现打击棒精准定时打击过程。打击时间是通过数字定时器精确 调节。可以避免二次打击，试验重复性好，准确度高。

由于设备是根据常用的Allen的重物坠击模型改进而来，因此通用性强，易于推广；

设备安装有水平测量仪，可以保证操作台的水平，进而保证重力打击的准确性，尽可能 的减小摩擦等因素造成的误差；

设备配备有温度传感器，可以及时方便的显示环境温度；

数字升降器和数字定时器提高了打击模型的精确度；

数控自动垂直打击，避免了由于操作人员而带来的随机误差，也可以避免产生重复打击； 实验重复性强，适用于科研。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为横梁高度调节机构的局部正视图；

图3为横梁高度调节机构的局部俯视图；

图4为打击脉冲波形图；

标号说明：1旋转盘，2高度显示屏，3操作按钮，4支架，5底座，6横梁，7水平显 示仪，9护鞘，10导轨，11电磁执行器，12打击棒，13控制盒，14探头，15制动开关。 16-齿轮，17-光栅，18-齿轮，19-制动旋钮，20-制动螺栓，21-手柄。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1-4所示，该设备机械部分由横梁、横梁高度调节机构、电磁执行器、导轨、打 击棒、探头、支架、水平显示仪等结构组成。电磁执行器由多匝线圈绕制在空心导磁材料 上组成，上电后产生强电磁场用于吸引打击棒，打击棒可以自由在电磁执行器导磁材料的 空腔内上下移动，两者之间通过圆筒形的导轨隔开，打击棒为圆柱体结构，打击棒与探头 之间通过螺纹连接，可以更换不同质量和大小的探头以适应不同的实验对象。打击部分和 横梁高度调节机构均设置在横梁上，横梁上方设计有水平显示仪，用于调节横梁处于水平 状态，以保证打击棒垂直打击。

所述的高度调节机构包括齿轮、手柄、旋转盘、制动旋钮和制动螺栓，横梁为中空结构， 齿轮设置在横梁内部，竖直杆穿过横梁内部；齿轮与齿槽啮合，固定齿轮的转轴通过轴承与 横梁连接；手柄设置在旋转盘上，旋转盘与齿轮同轴连接，在手柄作用下，旋转盘与齿轮同 轴同步旋转；制动旋钮设置在制动螺栓的外端部，当锁紧制动螺栓时，制动螺栓内端面压紧 一根竖直杆的外壁。

光栅通过记录旋转盘的角度，从而配合齿轮半径转换出横梁升降高度显示在高度显示 屏上，因此通过旋动仪器背侧的手柄带动旋转片旋转可以调节打击棒的垂直高度，其调节 精度通过下式可以得出，考虑到打击模型对高度精度要求不高，本装置高度调节精度设计 为0.1mm.

A₀＝α₀·r

其中，A₀表示高度调节精度，α₀为光栅角度分辨率，r表示光栅半径。

制动开关由制动旋钮和螺栓组成，顺时针旋转制动旋钮使螺栓旋进，对立柱产生正压 力从而产生相对滑动阻力，可以卡死立柱以避免与横梁和立柱相对移动，同样的，逆时针 旋转可以解除锁定，以此保证打击过程中打击棒的高度相对不变，打击时间通过调节控制 盒上的数字定时器，设计单步调节幅度为10ms，调节范围为100ms～1000ms。本发明装置 可以实现以下功能：

(1)打击力度调节方面：传统重物坠击法SCI是通过手工调节打击棒坠落高度实现，方 法简陋不精准，该方案采用横梁高度调节机构，精确显示打击高度，设计精度0.1mm，根据 动物体重或所要求的损伤程度设置不同的打击高度，可调性强，精准性高，与传统打击方式 的打击伤计算一致，便于重复实验；

(2)重复打击引发二次伤害方面：传统重物坠击法SCI没有采取相关措施避免重复打击， 打击棒坠击损伤实验对象后不可避免的会出现反弹造成二次伤害，对实验分析不利，而本方 案采用数字定时器，可以产生精确的脉冲信号，精度可以达到1ms，对电磁执行器输出精确 的脉冲信号，准确控制打击棒从坠落到回退的时间(不包含从实验对象离开到回退原位这个 过程所用时间，当然，这个时间也是一个无关因素，不需要考虑)，从而保证打击棒第一次 打击完成后第二次重复打击前，电磁执行器及时打开，通过瞬时脉冲产生的强电磁引力使打 击棒快速自动复位，防止出现反弹引起二次损伤。

(3)脊髓损伤打击时间方面：传统重物坠击法SCI是依靠地球引力实施打击，没有回退 装置，固然也不能对打击时间进行操控，本方案可以计算一次打击时间，通过设定数字定时 器定时时间，在完成一次打击后出现二次打击前，可以确保打击棒坠击能量充分释放在脊髓 上；

(4)打击目标定位方面：本方案采用零点校准与打击目标定位同时进行的方式，即：手摇 升降转轮至打击棒近似接触打击目标点，此时可以手动调节目标点与打击棒对准，同时按下 零点复位按钮，确定此点为打击高度的零点。此方法与传统方式类似，但操作更加稳定，方 便；

(5)打击零点定位方面：打击零点可以随意选定，以方便适应不同种类的实验动物；

(6)可更换探头以满足不同情况的需求，本方案探头大小可随意更换以适应不同实验对象 的不同需求，适应性更强。

(7)本发明设计有实验环境温度显示功能，采用TMP75温度传感芯片，精度±0.5℃。

打击时间分析

本方案中，SCI模型打击时间t包含打击棒坠击时间t₁、电磁执行器动作时间t₂、打击 棒和实验对象接触时间t₃、以及二次回落时间t₄。其中，t＝t₁+2t₂+t₃+t₄.

坠击时间：$t_1=\sqrt{\frac{2h}{g}}$

电磁执行器动作时间：t₂＝5±3ms

接触时间：t₃是打击棒力度充分释放在实验对象上的时间，因个体差异而略有不同。

二次回落时间：(h′表示二次退高度，3～4mm，)

数字定时器设定时间t₀需满足：t₁+2t₂+t₃≤t0≤t₁+2t₂+t₃+t₄

本方案使用宽范围交流供电，通过开关电源模块将电源稳定在12VDC，1N4007可以 防止电源反接，采用磁珠将电磁执行机构与控制电路地线隔离，提高系统稳定性和抗电磁 干扰的能力。

电磁执行器通过2N5551和1N5824替代了八路达林顿管ULN2003，精简了设备驱动 单元，减小了电路所占空间，提高了控制系统的精简化、精小化程度。该模块主要完成电 磁执行器的快速通断。如图4所示，当主控系统输出Relay_CTL信号为一个定时负脉冲信 号，驱动电路单元就会对电磁执行器输出相同的负脉冲电压Vout，电磁执行器定时释放打 击棒产生打击动作，定时负脉冲过后，电磁执行器迅速又将打击棒吸回，实现定时打击过 程。

本发明设计液晶显示模块，该模块主要是完成用户信息交互，显示打击高度、打击时 间及室内温度。

本发明设计了主控系统与数字升降器之间数据交互功能，保障数字升降器的高度信息 及时便捷传递给主控系统，系统通过计算自动确定合适的打击时间，并通过LCD交互界面 显示给试验工作人员。

本实施例的实验过程描述：

1、接通电源，此时工作指示灯亮，系统会进入初始化和自检状态；

2、取出打击棒，缓慢插入打击器轨道中，此时，电磁执行器会将打击棒吸入顶部；

3、将准备进行实验的动物放在打击棒下方；

4、手摇升降转轮至打击棒近似接触打击目标点，此时可以手动调节目标点与击棒对准，同时 按下零点复位按钮，确定此点为打击高度的零点。

5、反向摇动升降转轮，将打击装置调节到一个合适高度，通过数字高度升降器的显示屏读数， 调节控制盒中打击高度参数，使其相一致；

6、锁紧数字升降器的制动开关，电磁执行器自动上电，保证打击棒不会坠落；

7、点击打击按钮，电磁执行装置断电，数字定时器开始计时，探针由于重力作用自由下落， 与实验动物标本短时间接触后，电磁执行器上电，自动回拉打击棒完成一次打击；

8、移除实验动物标本，将保险放回卡槽内，系统自动关闭电磁执行器，此时本发明装置处于 待机状态，断开电源，抬升升降架，取下打击棒，整理清洁器材，完成实验。