腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机

摘要

本发明公开腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，其结构包括固定架，具有上部身躯固定机构和下部身躯固定机构的动物捆绑固定装置，和控制上部身躯固定机构移动的移动控制装置。所述固定架包括顶部框架、底座及连接顶部框架和底座的一对立架。顶部框架上安装有一对上滑行杆和位于两上滑行杆之间的上螺纹丝杠。本发明能够模拟人类脊柱的生物力学及运动学特性，在移动控制装置的作用下，使实验动物躯体进行前屈后伸、左右侧屈及左右旋转的六位复合式运动，无创性构建腰椎间盘退变动物模型，良好再现椎间盘退变病因学、发病规律及病理学变化；能够根据实验选择拟干预节段，模型可控性和标准化。

说明书

技术领域

本发明涉及脊柱外科动物实验技术领域，具体涉及一种能够构建腰椎间盘退变动物模型的生物力学造模机。

背景技术

椎间盘退变与再生一直是脊柱外科研究的热点和重点，而作为重要研究载体的椎间盘退变动物模型承担着从基础理论到临床实践，从临床问题再到实验论证的不可或缺的重要角色。经过近八十年的不断研究，椎间盘退变动物模型已有数十种构建方法，主要分为生物力学改变、生物结构破坏、自发退变和全身疾病四大类型，每个类型又包含几种类似的造模方法。这些造模方式在模型设计、操作性、重复性等方面各有优劣，但他们都存在模拟性和可靠性不足的主要弊端，因而至今未见一种公认的理想动物模型，这严重制约着脊柱外科基础及临床研究的深入发展，是亟待解决的重要科学问题。

一个良好的动物模型理论上需要满足三个条件：1.能够再现或良好模拟椎间盘退变病因学、发病规律和病理学变化的客观规律；2.模型具有较好的可重复性和可操作性；3.动物解剖和生理学特点尽可能与人类近似。

现有的椎间盘退变动物模型主要从生物力学改变、生物结构破坏和基因工程技术三个方面对椎间盘进行直接或间接干预，以促进其退变。其在模拟性、可靠性、操作性、重复性等方面各有优劣，但他们共同存在以下三方面不足：一. 几乎都为有创方式造模，不同程度造成椎间盘及相关生理结构的破坏，虽然最终能够造成病理学上的退行性改变，但是这和人类椎间盘退变的病因学、发病规律都存在明显差异；二. 不能很好模拟人类脊柱的生物力学及运动学特点，缺乏对椎间盘多因素力学效应的模拟；三. 不能良好再现椎间盘慢性退变的病理学过程。

发明内容

本发明的目的是克服现有模型构建技术的不足，提供一种能够模拟人类脊柱的生物力学及运动学特性的，且无创性构建腰椎间盘退变动物模型的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机。

本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，其中：包括固定架，具有上部身躯固定机构和下部身躯固定机构的动物捆绑固定装置，和控制上部身躯固定机构移动的移动控制装置。所述固定架包括顶部框架、底座及连接顶部框架和底座的一对立架；所述顶部框架上安装有一对上滑行杆和位于两上滑行杆之间的上螺纹丝杠。

本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，其中：所述移动控制装置包括左右移动控制机构和旋转机构，或者包括前后移动控制机构和旋转机构，或者包括左右移动控制机构、前后移动控制机构和旋转机构。

本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，其中：所述左右移动控制机构包括安装在顶部框架上的左右移动伺服电机和滑动板，该滑动板的一面具有套装在顶部框架的一对上滑行杆上的滑套和安装在顶部框架的上螺纹丝杠上的螺纹套。

本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，其中：所述前后移动控制机构包括安装在所述左右移动控制机构的滑动板上的前后移动伺服电机，安装在所述滑动板另一面的一对下滑行杆和位于两下滑行杆之间的下螺纹丝杠，和套装在下滑行杆上并与下螺纹丝杠啮合的支撑座。

本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，其中：所述旋转机构包括安装在所述前后移动控制机构的支撑座下方的上万向节，与所述下部身躯固定机构连接的下万向节，和安装所述上部身躯固定机构的转动件；该转动件套装在所述上万向节的连接轴上，其下端与所述下万向节连接。

本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，其中：所述转动件包括转动套轴、转动套轴的一端固定安装的支撑框架和转动套轴的另一端固定安装的U型支撑框架，在所述支撑框架上设置有与所述连接轴连接的上曲柄连杆，在所述U型支撑框架上设置有与安装在所述U型支撑框架上的旋转伺服电机的输出轴连接的下曲柄连杆。

本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，其中：所述上部身躯固定机构包括安装在所述转动套轴上的腰背部靠垫，在腰背部靠垫上从上往下依次相对设置有颈部固定板，胸部固定板和前肢固定架。所述腰背部靠垫的上部与支撑框架连接，下部与旋转机构的U型支撑框架连接；所述颈部固定板和胸部固定板分别通过铰链连接件与腰背靠垫相连，并且所述颈部固定板和胸部固定板上设置具有搭扣的固定带，在胸部固定板的前方还设置有交叉形胸部固定带。

本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，其中：在所述底座上设置有座高调节立架，所述动物捆绑固定装置的下部身躯固定机构安装在该座高调节立架上。所述下部身躯固定机构包括套装在座高调节立架上的座凳基座和通过螺丝固定连接的骨盆固定座，所述骨盆固定座包括座凳上板和骨盆围栏，在骨盆围栏的前方还设置有交叉形臀部固定带，在座凳基座和骨盆固定座之间设置有压力感应器，在座凳基座下方设置有后肢固定架；后肢固定架上设置具有搭扣的固定带。

本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：人类为直立行走动物，脊柱垂直于地面，椎间盘一直处于上部结构的垂直载荷下；其次，人类脊柱可以实现大范围的复合运动（前屈后伸、左右侧屈及旋转）；人类脊柱的生物力学和运动学特点不可分割，这是人类脊柱区别于其它脊椎动物（非灵长类）的关键特性，同时也是椎间盘退变动物模型构建的主要难点。

何以构建更为理想、可靠的动物模型？以下三方面是其关键点和突破点：

（1）良好模拟人类脊柱的生物力学及运动学特性

人类脊柱的生物力学及运动学特点是区别于其它脊椎动物的关键特性，人类的行为特点致使脊柱的生物力学和运动学特点不可分割，因此，人类椎间盘承受着更大的轴向压缩应力以及来自于矢状面、冠状面及轴向的剪切力，对人类脊柱生物力学及运动学特点进行良好模拟才能更好复制椎间盘所承受的复合力学效应，模型才具更好模拟性。

（2）无创性的造模方式

椎间盘的组织特性不同于其他器官，纤维环和髓核组织的解剖学及组织学特性决定它能够在承载轴向载荷的同时通过形变来传导和释放复合运动时所产生的复杂力学效应。其功能特点类似于轮胎，而他们的结构完整性是执行力学功能的先决条件，因此，在不破坏椎间盘及附件生理学结构的前提下进行造模，模型才具更佳可靠性。

（3）良好再现椎间盘退变病因学、发病规律及病理学变化特点

造成椎间盘退变的因素很多，如：力学、遗传、创伤等，但现有的研究从流行病学到Meta分析；从有限元分析到生物力学测试；从动物实验到尸体模拟；从分子生物到临床前瞻，都已强有力地证实了力学因素是引起椎间盘生物结构及内环境紊乱，最终导致其退变的主要原因。因此，从力学干预角度进行造模符合人类椎间盘退变的主要病因学及发病规律。

其次，椎间盘并不能单独执行脊柱生物力学及运动学功能，它必须依靠包括关节突在内的整个运动单元的共同参与。关节突在限制椎体滑移、轴向旋转及分担载荷方面具有不可忽视的作用，他们在经受异常应力、慢性损伤的过程中会发生炎症和退行性变，它们和椎间盘退变相辅相成、互为因果。此外，局部附着的肌肉、韧带在维持脊柱动态平衡及椎间盘退变过程中起着不可或缺的作用。因此，造模时将包括关节突在内的整个脊柱运动单元纳入力学干预范畴，才能更准确反映椎间盘退变的病理学变化特点，使模型具有更好的可靠性。

因此，本发明根据以上三个关键点，设计研发了能够满足以上理论设计的无创性造模装置——腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机。该造模机首先能够使被模拟实验动物脊柱垂直于地面，且同时施加一定大小的轴向压力；其次能够通过前屈后伸、左右侧屈、左右旋转各0°～45°的六位复合运动来模拟椎间盘所承受的来自于冠状面、矢状面及轴向的剪切力；最后通过一定周期的重复运动来实现对腰椎间盘组织结构及内环境的慢性累积性破坏，终而导致其类似于人类椎间盘退变的慢性病理学过程。

该造模机从运动生物力学角度出发，在不破坏脊柱生理学结构的前提下,通过模拟人类脊柱生物力学及运动学特点，来对被模拟实验动物椎间盘组织结构及内环境进行累积性的力学干预，最终导致其慢性退变；造模方式上考虑了整个椎间盘运动单元的力学效应；且具有较好可操作性和可控性，符合诸多优势的造模方式：

（1）本模拟实验装置的功能特点：

① 通过颈、胸、髋部及前后肢固定架，将被模拟实验动物以垂直坐位固定于造模机运动轴。腰部以上躯体随转动套轴进行被动六位复合运动，髋及以下躯体固定于座凳上板上。此外，由于下部身躯固定机构能够根据被模拟实验动物体形大小进行升降调节，从而使被模拟实验动物的运动中心平L6平面，即：第6腰椎，运动中心可根据模拟实验要求进行升降。

② 轴向载荷及腰椎复合运动

转动套轴后部安装有轴向加压装置，压力可通过交叉形胸部固定带，类似于人类的背包原理，和胸部固定板向下传递至下腰椎及坐骨支。转动套轴可带动被模拟实验动物躯体进行前屈后伸、左右侧屈及左右旋转各0°～45°的六位复合式运动，该运动参数根据被模拟实验动物耐受及多种因素确定，每1小时可进行至少720个循环的复合运动。

③ 轴向压力感应及监测

被模拟实验动物臀部下方，即：通过安装在座凳基座和骨盆固定座之间四个压力感应器，可即刻感应被模拟实验动物坐骨支所承受的轴向压应力，可反映下腰椎所承受的实际压力，数据可自动监测、记录。

④ 干预节段选择

理论上，腰椎运动范围越大的节段所承受剪切应力等力学效应越大，该节段或相邻节段会越早出现退变。本发明造模机的运动中心可根据实验要求进行上下调节，以实现对拟干预节段的选择，从而提高模型可控性和标准化。

⑤ 程序化控制

造模机各运动参数可根据实验需要设置，一键启动，自动运行造模，无需专业化操作，腰椎运动角度、速度、运动周期数及轴向压力等可显示、可控、可量化；可动态监测和定量造模过程中脊柱轴向压力大小。因此，具有可操作性、可控性及标准化较好的特点。

（2）本发明的特色：

① 无创性：椎间盘的结构完整是其执行生物力学功能的前提条件。本发明造模机的构建通过非侵入的无创方式，保证了椎间盘及附属结构的完整性，提高了模型模拟性。

② 模拟性较好：该造模方式使被模拟实验动物脊柱垂直于地面，符合人类脊柱的基本生物力学特点；轴向载荷及六位复合运动模拟了人类腰椎间盘在长期承受轴向压力下，复合运动时矢状面、冠状面及轴位的剪切力、旋转扭力等力学因素；该造模方式将整个椎间盘运动单元，即：包括椎间盘、关节突、肌肉韧带纳入力学干预范畴；通过对椎间盘组织结构及内环境的累积性破坏，最终导致其慢性退变。因此，本发明造模机综合考虑了椎间盘所承受的复杂力学效应，造模方式符合人类腰椎间盘退变的主要病因学及发病规律，具有较好模拟性和可靠性。

③ 可操作性较好：该造模过程通过程序化机械运动自动实施，一键启动，自动运行并记录，无需专业化操作。

④ 可控性及标准化较好：腰椎运动角度、速度、运动周期数、目标节段选择及轴向压力可显示、可控、可量化；可动态监测和定量造模过程中脊柱轴向力学大小。

⑤ 研究拓展性：该模型可用于椎间盘退变机制的深入研究，也可作为工具模型，服务于基础及临床科研需要。该模型有较大研究拓展空间，除继续细化、深化研究不同力学因素与椎间盘退变的关系外，可向颈椎间盘退变或突出模型扩展。

附图说明

图1是本发明所述的动物腰椎间盘退变模拟实验装置的结构示意图；

图2是图1的侧仰视图；

图3是图1的侧视图；

图4是图1中所示上部身躯固定机构的上曲柄连杆与上连接轴、转动套轴安装关系局部放大示意图；

图5是图1中所示安装在底座上的各零部件的安装关系局部放大示意图；

图6是图1所示模拟实验装置的胸部固定带和臀部固定带的结构示意图。

图中标号所表示的部件或部位为:1—立架，2—皮带；3—左右移动伺服电机，4—前后移动伺服电机，5—螺纹套，6—上螺纹丝杠，7—上滑行杆，8—顶部框架，9—上万向关节，10—上曲柄连杆，11—连接轴，12—腰背部靠垫，13—颈部固定板，14—旋转移动伺服电机，15—胸部固定板，16—前肢固定架，17—下连接轴，18—骨盆围栏，19—座高调节立架，20—后肢固定架，21—压力感应器，22—底座，23—滑动板，24—滑套，25—下滑行杆，26—下螺纹丝杠，27—支撑座，28—下万向节，29—转动套轴，30—下曲柄连杆，31—座凳上板，32—座凳基座，33—U型支撑框架，34—支撑框架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机作进一步说明。

参见图1和图2，本发明所述的腰椎间盘退变动物模型生物力学造模机，包括固定架，具有上部身躯固定机构和下部身躯固定机构的动物捆绑固定装置，和移动上部身躯固定机构的移动控制装置。

所述固定架，包括顶部框架8，底座22及连接顶部框架8和底座22的一对立架1。所述顶部框架8上安装有一对上滑行杆7和位于两上滑行杆7之间的上螺纹丝杠6。在顶部框架8的侧壁可覆盖木板或其他板材，以增加美感。

所述移动控制装置，包括左右移动控制机构，前后移动控制机构和旋转机构。根据模拟实验，在本发明的一台造模机中，可以同时具有这三个机构，或者只具有旋转机构和左右移动控制机构，或者旋转机构和前后移动控制机构。

参见图2和图3，所述左右移动控制机构，包括安装在顶部框架8上的左右移动伺服电机3和滑动板23。该滑动板23的一面具有套装在顶部框架8的一对上滑行杆7上的滑套24和安装在顶部框架8的上螺纹丝杠6上的螺纹套5。当左右移动伺服电机3工作，通过皮带2带动上螺纹丝杠6转动，滑动板23可在上滑行杆7上移动，其侧屈角为0°～45°，使被模拟实验动物的腰椎冠状面受到剪切力。

参见图2和图3，所述前后移动控制机构，包括安装在所述左右移动控制机构的滑动板23上的前后移动伺服电机4，安装在所述滑动板23另一面的一对下滑行杆25和位于两下滑行杆25之间的下螺纹丝杠26，和套装在下滑行杆25上并与下螺纹丝杠26啮合的支撑座27。当前后移动伺服电机4工作，通过皮带带动下螺纹丝杠26转动，支撑座27可在下螺纹丝杠26上、垂直于左右移动控制机构的上螺纹丝杠6移动，即：支撑座27可在滑动板23中移动，其屈曲/伸展角为0°～45°，使被模拟实验动物的腰椎矢状面受到剪切力。

参见图3、图4和图5，所述旋转机构，包括安装在所述前后移动控制机构的支撑座27下方的上万向节9，与所述动物捆绑固定装置的下部身躯固定机构连接的下万向节28，和安装上部身躯固定机构的转动件，该转动件套装在上万向节9的连接轴11上，其下端与下万向节28连接。

所述转动件包括转动套轴29，转动套轴29的一端固定有支撑框架34，另一端固定连接有U型支撑框架33，在支撑框架34上设置有与连接轴11连接的上曲柄连杆10，在U型支撑框架33上设置有与安装在U型支撑框架33上的旋转伺服电机14的输出轴连接的下曲柄连杆30。

当前后移动控制机构和左右移动控制机构分别或同时进行前后移动或左右移动时，在上曲柄连杆10的作用下，连接轴11沿转动套轴29作轴向升降移动，与此同时与支撑框架34相连接的动物捆绑固定装置的上部身躯固定机构也进行轴向升降移动，升降幅度在1～4cm，向下移动为施加压力，向上移动为释放压力。从而被模拟实验动物在进行上述向左侧屈，或向右侧屈，或向前屈曲，或向后伸展时，被模拟实验动物的腰椎轴向还受到轴向压缩力，该轴向压缩力通过脊柱传至动物臀部坐骨，使设置在座凳基座32和骨盆固定座之间的压力感应器21即刻感应，并显示于显示器，约为动物体重的1.5倍。

当旋转移动伺服电机14工作，下曲柄连杆30摆动，带动转动件，驱动U型支撑框架33摆动，从而使整个动物捆绑固定装置摆动，即：上部身躯固定机构的腰背部靠垫12、颈部固定板13、胸部固定板15和前肢固定架16与转动套轴29一起绕着连杆11向左侧或右侧转动，其转角为0°～45°，使被模拟实验动物的腰椎间盘在轴位面上受到剪切力。

所述动物捆绑固定装置，包括上部身躯固定机构和下部身躯固定机构。

参见图2和图3，所述上部身躯固定机构，包括安装在转动套轴29上的腰背部靠垫12，在腰背部靠垫12上从上往下依次相对设置有颈部固定板13，胸部固定板15和前肢固定架16 ，所述腰背部靠垫12的上部与支撑框架34连接，下部与旋转机构的U型支撑框架33连接。为适应不同体型被模拟实验的动物，所述颈部固定板13和胸部固定板15分别通过铰链连接件与腰背靠垫12相连。这样，可以根据被模拟实验的动物的体形大小进行外展或内收，以适应不同体型被模拟实验动物的胸廓和颈围的需要。

所述颈部固定板13和胸部固定板15上设置具有搭扣的固定带，在胸部固定板15的前方还设置有交叉形胸部固定带，如图6所示，以便将被模拟动物的胸部捆绑于胸部固定板15上，使上部身躯整体能够随着胸部固定板15的轴向升降移动而产生沉降，同时其腰部能够随着胸部固定板15的轴向转动而扭转。

参见图2和图3，在底座22上设置有座高调节立架19，所述下部身躯固定机构安装在该座高调节立架19上。

所述下部身躯固定机构，包括套装在座高调节立架19上的座凳基座32和通过螺丝固定连接的骨盆固定座。所述骨盆固定座包括座凳上板31和骨盆围栏18，在骨盆围栏18的前方还设置有交叉形臀部固定带，如图6所示，在座凳基座32和骨盆固定座之间设置有压力感应器21。在座凳基座32下方设置有后肢固定架20，以支撑被模拟实验动物的下肢；后肢固定架20上设置具有搭扣的固定带，以便将被模拟动物的下肢捆绑于上。

所述下连接轴17安装在与骨盆围栏18连接的滑套内，下部身躯固定机构可在下连接轴17中上、下移动。

所述下部身躯固定机构的座凳基座32由定位螺丝固定安装在座高调节立架19上，通过松动定位螺丝可以调节下部身躯固定机构与上部身躯固定机构之间的距离，从而满足不同大小动物身长的需求。

实验前，首先被模拟实验动物上部身躯的颈部由固定带捆绑于颈部固定板13上，胸部由交叉形胸部固定带捆绑于胸部固定板上15，前肢通过固定带将其固定于前肢固定架16上；被模拟实验动物的下部身躯的骨盆坐固于骨盆固定座18上，臀部由交叉形臀部固定带捆绑于骨盆固定座上，后肢通过固定带捆绑于后肢固定架20上，使整个被模拟实验动物的骨盆被牢固固定于骨盆固定座18上，即：实验中被模拟实验的动物只有上部身躯的腰部能够随着本发明的移动控制装置的运动而运动。

实验时，当左右移动伺服电机3工作，所述滑动板23在滑行杆7上左、右往复摆动（为方便叙述，以图面为例），与滑动板23连接的连接轴11和转动套轴29亦随之左、右往复摆动，使捆绑在动物捆绑固定装置上的被模拟实验动物的腰椎向左侧屈或向右侧屈，当前后移动伺服电机4工作，所述支撑座27可在下螺纹丝杠26上前后往复摆动，所述连接轴11和转动套轴29亦随之前、后往复摆动，使被模拟实验动物的腰椎向前屈曲或向后伸展。当旋转伺服电机14工作，所述转动套轴29左、右往复扭转，动物捆绑固定装置的上部身躯固定机构亦随之左、右往复扭转摆动，使被模拟实验动物的腰椎向左扭转或向右扭转。

无论是被模拟实验动物的腰椎向左、右侧屈，或前、后屈曲/伸展，动物腰椎节段的椎间盘活动量被动增大，从而使椎间盘受到的矢状面应力和冠状面应力亦被动增大。同样，被模拟实验动物的腰椎向左、右往复扭转摆动，动物腰椎节段的椎间盘活动量被动增大，从而使椎间盘受到的轴位剪切力力亦被动增大。控制电机运动方向和速度，每1小时可进行至少720个循环的复合运动，在累计运动达到一定程度时，造成被模拟实验动物的L5/6、L6/7和L7/S1椎间隙高度、椎间盘的核磁共振 T2（MRI T2)信号值及T2-mapping值明显下降，即：上述节段的腰椎间盘发生退变。

根据实验需要，控制移动控制装置中可以左右移动控制机构和和旋转机两者的电机构同时工作，或前后移动控制机构和旋转机构两者的电机同时工作，使腰椎间盘同时受到矢状压缩应力和轴位剪切力，或同时受到冠状压缩应力和轴位剪切力，两种应力相辅相成，使腰椎间盘退变。

也可以左右移动控制机构和前后移动控制机构、旋转机构三者的电机同时工作，使腰椎间盘同时受到矢状、冠状压缩应力和轴位剪切力，三种应力相辅相成，从而加快了腰椎间盘退变的进程，使造模周期缩短，模拟实验效率提高。