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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810886562.9 (22)申请日 2018.08.06 (71)申请人 南通大学 地址 226000 江苏省南通市崇川区啬园路9 号 (72)发明人 沈晓燕 马磊 许鹏 陶春伶 (74)专利代理机构 佛山帮专知识产权代理事务 所(普通合伙) 44387 代理人 颜春艳 (51)Int.Cl. A61D 1/00(2006.01) A61B 5/0488(2006.01) A61B 5/0492(2006.01) (54)发明名称 一种实验性下肢节律运动大鼠模型的建立 。
2、方法及其应用 (57)摘要 本发明涉及生物学领域， 尤其涉及一种实验 性下肢节律运动大鼠模型的建立方法及其应用。 所述建立方法包括以下步骤： S1： 用电子学方法 进行大鼠的脊髓神经下肢运动功能定位模拟； S2： 进行三维扫描式电刺激， 记载CPG的关键位 点； S3： 将穿有电极丝的硅胶管用牙科水泥固定 于所述脊椎的棘突； S4： 得到下肢运动相关的关 键肌肉的肌电信号。 本发明公开的方法通过脊髓 内微刺激发现了CPG活动的关键位点， 实现了对 瘫痪下肢运动的调控， 为以后临床实践中大大减 少手术的复杂程度和减少植入神经电极的数量 提供了研究基础。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN。
3、 108926407 A 2018.12.04 CN 108926407 A 1.一种实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 其特征在于， 所述的建立方法包括 以下步骤： S1： 用电子学方法进行大鼠的脊髓神经下肢运动功能定位模拟； S2： 半横断损伤S1中大鼠的脊髓后， 通过对与运动功能相关的脊髓神经的腰膨大区域 进行三维扫描式电刺激， 记载CPG的关键位点； S3： 将穿有电极丝的硅胶管用牙科水泥固定于所述脊椎的棘突； S4： 在夹持装置的支持下将S3中的大鼠放置在跑步机上站立， 刺激CPG的关键位点， 得 到下肢运动相关的关键肌肉的肌电信号。 2.根据权利要求1所述的实验性下肢节律运动大。
4、鼠模型的建立方法， 其特征在于， 所述 S1的具体方法如下： 暴露大鼠的脊髓后， 将所述大鼠卧放在立体定位仪上， 同时用大鼠脊柱适配器将所述 脊髓固定； 所述立体定位仪上安装有刺激电极， 信号源依次与所述刺激电极的各个通道相 连接。 3.根据权利要求1所述的实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 其特征在于， 在S1 中， 所述刺激电极的电极接触点的横向间距、 纵向间距和接触面积分别为： 200 m、 100 m和 177 m2。 4.根据权利要求1所述的实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 其特征在于， 在S2 中， 能在电信号激励下诱发节律运动， 与周围其他位点相比较， 激励电流阈值最小。
5、的位点为 CPG的关键位点。 5.根据权利要求1所述的实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 其特征在于， 在S2 中， 采用6只以上的大鼠进行重复试验， 然后进行统计学分析以确定CPG的关键位点。 6.根据权利要求1所述的实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 其特征在于， 在S3 中， 所述电极丝的材质采用铂-铱合金， 所述电极丝的表面涂覆具有生物相容性的聚酰亚胺 绝缘层。 7.根据权利要求1所述的实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 其特征在于， 所述 电极丝被套于硅胶管内。 8.根据权利要求1所述的实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 其特征在于， 在S3 中， 去除所述电极丝植入。
6、脊髓的一端的绝缘层30-60 m， 且将这端的顶部切削成15 角后折 成90 直角。 9.根据权利要求1所述的实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 其特征在于， 在S4 中， 分别以激励信号的幅值、 脉宽、 频率作参变量， 得到下肢运动相关的关键肌肉的肌电信 号。 10.根据权利要求1-9中任意一项所述的实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法在 下肢步态运动功能的重建研究中的应用。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 108926407 A 2 一种实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法及其应用 技术领域 0001 本发明涉及生物学领域， 尤其涉及一种实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法 。
7、及其应用。 背景技术 0002 脊髓损伤导致损伤节段以下肢体运动功能障碍， 不仅会给患者本人带来身心伤 害， 还会对家庭及整个社会造成巨大的经济负担。 因此， 重建瘫痪下肢运动功能一直是神经 科学研究中的一项重要课题。 0003 近年来， 世界各国纷纷制定一系列脑-脊髓相关的神经工程与智能康复计划为重 建瘫痪肢体运动功能带来了希望。 如2014年巴西世界杯的开幕式上， 一位因车祸造成脊髓 损伤、 已经截瘫9年的患者在 “重拾行走计划” 的帮助下， 实现了站立、 行走、 并开出第一脚 球， 令世界瞩目。 2017年5月， 同济大学成立关于 “脑与脊髓” 的基础研究及临床转化相关的 “脑与脊髓创新。
8、研究中心” 。 2018 年2月6日， 在首都医科大学宣武医院举办了我国 “重拾行 走计划” 启动会， 将重点探索外骨骼机器人在截瘫患者康复中的具体应用。 0004 成人中枢系统损伤后， 神经纤维很难为突触后神经元形成新的功能性的突触连 接， 这给重建脊髓损伤后的运动功能带来了挑战。 生物学研究领域的学者们正在通过神经 营养因子联合如基因诱导、 干细胞移植、 脊髓支架等技术治疗脊髓损伤。 其中， 采用干细胞 移植修复脊髓损伤的研究取得了阶段性的成果， 移植后的外源性干细胞存活良好， 但存活 的干细胞只能替换受损的神经元细胞， 不能恢复因传导束中断而丧失的那部分功能。 因此， 用这种方法恢复行走。
9、过程中复杂的腿肌激活模式和协调性， 一直以来都没有获得成功。 0005 随着电子技术的不断发展， 应用功能电激励(Functional electrical stimulation， FES)技术作为脊髓损伤患者潜在的功能重建方式已受到广泛关注。 功能电激 励是以一定序列的脉冲电流刺激肌肉或神经， 从而恢复丧失或受损的运动功能， 为实现瘫 痪病人康复提供了新方法和新技术。 Pcekham等学者利用多达62通道的针电FES系统成功控 制后肢运动， 国内也有学者成功设计了多通道体外功能性电刺激器用于康复训练， 但由于 这些设备结构复杂， 算法繁琐， 如果需要重建复杂运动， 则需要更多电极刺激多块肌。
10、肉群， 相应的协调问题也就更难解决。 0006 CPG(中枢模式发生器)是中枢神经系统的一部分， 由中间神经元组成的功能性网 络。 该网络使运动神经元发放节律性的神经信号和产生一定的运动模式， 这儿 “节律” 运动 是指广义上的伸缩交替运动。 CPG的主要特点是1)与物理系统或输入信号耦合， 在运动系统 中传导节律运动； 2)结构简单， 适应性强； 3)高级中枢命令和反馈信息分别对CPG起到控制 和调节的作用， 在缺乏中枢控制命令或反馈信息情况下进行稳定的节律输出； 4)通过相位 锁定， 产生多种相位关系， 从而实现多种运动模式。 对于猫这样的哺乳动物， 推测在脊髓中 每个肢体至少有一个CPG。
11、。 理论上， 如果直接电刺激或感觉输入到脊髓中未受损的CPG环路， 可以重建损伤部位以下的某些节律运动。 因此发现并利用 CPG控制步态运动的机理， 将会 大大减少手术的复杂程度和植入神经电极的数量。 说 明 书 1/4 页 3 CN 108926407 A 3 发明内容 0007 有鉴于此， 实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法及其应用， 该方法可建立稳 定的实验性下肢节律运动大鼠模型， 为重建瘫痪下肢运动机制的进一步研究奠定实验基 础。 0008 为实现上述目的， 本发明的技术方案为： 0009 一种实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 所述的建立方法包括以下步骤： 0010 S1： 用。
12、电子学方法进行大鼠的脊髓神经下肢运动功能定位模拟； 0011 S2： 半横断损伤S1中大鼠的脊髓后， 通过对与运动功能相关的脊髓神经的腰膨大 区域进行三维扫描式电刺激， 记载CPG的关键位点； 0012 S3： 将穿有电极丝的硅胶管用牙科水泥固定于所述脊椎的棘突； 0013 S4： 在夹持装置的支持下将S3中的大鼠放置在跑步机上站立， 刺激CPG 的关键位 点， 得到下肢运动相关的关键肌肉的肌电信号。 0014 优选的， 所述S1的具体方法如下： 0015 暴露大鼠的脊髓后， 将所述大鼠卧放在立体定位仪上， 同时用大鼠脊柱适配器将 所述脊髓固定； 所述立体定位仪上安装有刺激电极， 信号源依次与。
13、所述刺激电极的各个通 道相连接； 0016 优选的， 在S1中， 所述刺激电极的电极接触点的横向间距、 纵向间距和接触面积分 别为： 200 m、 100 m和177 m2。 0017 优选的， 在S2中， 与周围其他位点相比较， 激励电流阈值最小的位点为 CPG的关键 位点。 0018 优选的， 在S2中， 采用6只以上的大鼠进行重复试验， 然后进行统计学分析以确定 CPG的关键位点。 0019 优选的， 在S3中， 所述电极丝的材质采用铂-铱合金， 所述电极丝的表面涂覆具有 生物相容性的聚酰亚胺绝缘层。 0020 优选的， 所述电极丝被套于硅胶管内。 0021 优选的， 在S3中， 去除所。
14、述电极丝植入脊髓的一端的绝缘层30-60 m， 且将这端的 顶部切削成15 角后折成90 直角。 0022 优选的， 在S4中， 分别以激励信号的幅值、 脉宽、 频率作参变量， 得到下肢运动相关 的关键肌肉的肌电信号。 0023 本发明第二个方面提供了上述的实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法在下 肢步态运动功能的重建研究中的应用。 0024 与现有技术相比， 本发明至少具有如下优点或者有益效果： 0025 本发明公开了一种实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 该方法通过脊髓内 微刺激发现了CPG活动的关键位点， 真正实现了对瘫痪下肢运动的调控， 为以后临床实践中 大大减少手术的复杂程度和减。
15、少植入神经电极的数量提供了研究基础， 也使进一步地研究 成为可能。 附图说明 说 明 书 2/4 页 4 CN 108926407 A 4 0026 利用附图对本发明作进一步说明， 但附图中的实施例不构成对本发明的任何限 制。 0027 图1为电子学方法对大鼠脊髓下肢运动功能定位示意图； 0028 图2为NeuroNexus电极及相关参数； 0029 图3为可植入式脊髓激励电极丝制作； 0030 图4为可植入式脊髓激励电极丝植入及固定方案； 0031 图5为大鼠夹持方式示意图。 具体实施方式 0032 下面结合具体实施例， 进一步阐述本发明。 应理解， 这些实施例仅用于本发明而不 用于限制本发。
16、明的范围。 0033 实施例1 0034 本实施例公开了一种实验性下肢节律运动大鼠模型的建立方法， 所述的建立方法 包括以下步骤： 0035 S1： 用电子学方法进行大鼠的脊髓神经下肢运动功能定位模拟； 0036 S2： 半横断损伤S1中大鼠的脊髓后， 通过对与运动功能相关的脊髓神经的腰膨大 区域进行三维扫描式电刺激， 记载CPG的关键位点； 0037 S3： 将穿有电极丝的硅胶管用牙科水泥固定于所述脊椎的棘突； 0038 S4： 在夹持装置的支持下将S3中的大鼠放置在跑步机上站立， 刺激CPG 的关键位 点， 得到下肢运动相关的关键肌肉的肌电信号。 0039 S1的具体方法如下： 0040 。
17、如图1所示， 暴露大鼠的脊髓后， 将所述大鼠卧放在立体定位仪上， 同时用大鼠脊 柱适配器将所述脊髓固定； 所述立体定位仪上安装有刺激电极， 信号源依次与所述刺激电 极的各个通道相连接； 0041 生物神经电极作为电子信息系统和生物信息系统的接口， 在本项目中将关系到 CPG关键位点描述的精度， 是十分重要的元件。 为了尽量减少对脊髓的损伤， 又不降低CPG关 键位点描绘的精度， 在S1中， 拟采用NeuroNexus的 A4*8-5MM 100-200-177型32点探针式阵 列电极(microprobe公司生产)， 其参数见图2， 电极点横向间距200 m， 纵向间距100 m， 接触 面积。
18、177 m2。 共有32个电极接触点， 一次植入固定后可以依次对32个接触点进行扫描电激 励， 其优点是间距固定， 植入损伤小。 0042 在S2中， 与周围其他位点相比较， 激励电流阈值最小的位点为CPG的关键位点。 0043 在S2中， 采用6只以上的大鼠进行重复试验， 然后进行统计学分析以确定 CPG的关 键位点。 0044 在S3中， 所述电极丝的材质采用铂-铱合金， 所述电极丝的表面涂覆具有生物相容 性的聚酰亚胺绝缘层， 并套于硅胶管内， 电极丝植入脊髓端去除绝缘层 30-60 m,尖端切削 成15 锐角， 如图3所示。 根据关键位点归一化坐标及实验对象的脊髓横径将电极丝折成 90 。
19、， 安装如图4所示， 将穿有电极丝的硅胶管用牙科水泥固定于脊椎的棘突。 0045 在S4中， 脊髓胸段横断4周后， 为了减轻负重， 在夹持装置支持下减少负重60， 使 得大鼠在跑步机上站立， 如图5所示， 分别以激励信号的幅值、 脉宽、 频率作参变量， 得到下 说 明 书 3/4 页 5 CN 108926407 A 5 肢运动相关的关键肌肉的肌电信号。 多轴加速度传感器检测大腿和小腿等处的倾角， 获取 髋关节、 膝关节和踝关节的角度和角速度； 足底安装压力传感器获取下肢的脚与地面之间 作用力信息。 0046 以上对本发明的具体实施例进行了详细描述， 但其只是作为范例， 本发明并不限 制于以上描述的具体实施例。 对于本领域技术人员而言， 任何对本发明进行的等同修改和 替代也都在本发明的范畴之中。 因此， 在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和 修改， 都应涵盖在本发明的范围内。 说 明 书 4/4 页 6 CN 108926407 A 6 图1 图2 图3 说 明 书 附 图 1/2 页 7 CN 108926407 A 7 图4 图5 说 明 书 附 图 2/2 页 8 CN 108926407 A 8 。