一种适用于大小鼠的吸附式自主脑定位设备的制作方法

本发明涉及生物实验设备，尤其涉及一种适用于大小鼠的吸附式自主脑定位设备。

背景技术：

1、脑立体定位技术是神经科学、药理学及脑机接口研究中的核心实验手段。该技术通过在实验动物颅骨表面建立三维参考坐标系，实现对脑内特定区域的精准定位，劲儿进行电生理记录、微量药物注射、光遗传学刺激或脑组织取材等操作。定位的准确性和稳定性直接影响实验数据的可靠性和可重复性。

2、传统脑定位仪通常依据paxinos等学者建立的理论体系，依赖颅骨骨性标志（如bregma、lambda）构建三维坐标系，在动物固定方式上，传统脑定位仪采用“耳杆-门齿板”三点式机械夹持方案，结合机械滑台进行定位的技术方案存在显著缺陷；其一，力学稳定性不足及长时间的耳杆夹持均会致使颞骨产生弹性形变，不仅可能引起脑部结构偏移，难以满足光遗传、单细胞记录等前沿研究对定位精度的严苛需求，还会造成耳道损伤，产生除手术以外的其他变量因素；其二，耳杆及支架会遮挡大量颅骨表面区域，严重限制实验操作空间，无法适配mri、双光子显微镜等紧凑型实验场景，制约了研究的深入开展与技术的融合创新；其三，操作复杂度高，具体体现在：需手动依次将两个耳杆放入耳道，调节门齿板距离，调平颅骨平面，以及拆卸支架切换脑区等步骤；其四，无呼吸运动自动补偿机制，实验动物呼吸引发颅骨周期性位移，手工干预无法实现亚毫米级稳定定位。

3、研究表明，传统耳杆夹持力（2n–5n）可致大鼠颅骨产生10μm–50μm弹性形变，引发脑结构系统性偏移，仅约30%的电极能精准命中目标亚核（平均定位偏差约1 mm），且不同品系/体重个体间bregma点位置差异可达2 mm；因此，基于通用坐标系的"一刀切"式定位已无法满足光遗传、单细胞记录等亚毫米级精度实验的需求，亟需通过个体化三维扫描建立适配每只动物颅骨形态差异的个性化脑坐标系，以消除因颅骨形变与个体解剖变异导致的定位系统性偏差。

技术实现思路

1、鉴于上述现有传统脑定位仪采用耳杆-门齿板三点固定结合机械滑台定位的技术方案，存在力学稳定性差、易致颞骨形变和耳道损伤、定位精度低、耳杆及支架遮挡颅骨表面影响操作空间、难以适配紧凑型实验场景，呼吸干扰无法自动补偿，且操作步骤繁琐、复杂度高的问题，提出了本发明。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种适用于大小鼠的吸附式自主脑定位设备，包括恒温底座，所述恒温底座顶部一侧设有支架，所述支架内顶部铰接有悬挂臂，所述悬挂臂下端连接有负压梯度吸附固定模块，所述负压梯度吸附固定模块顶部开设有吸附槽，所述吸附槽内设有吸附阵列模块，吸附阵列模块集成高频压力传感器，所述支架内顶部一侧设有三维激光扫描模块仪，所述支架上端一侧设有伸缩夹持组件，所述恒温底座顶部于支架一侧设有集成控制终端。

3、作为一种优选方案，所述吸附阵列模块底部设有磁吸耦合部，所述吸附槽内设有与磁吸耦合部适配的磁吸耦合接口，所述吸附阵列模块下部设有弹簧顶针触点，所述吸附槽内设有与弹簧顶针触点适配的电性触点，且电性触点与集成控制终端电性连接，集成控制终端内置 pid 控制算法，可根据压力传感器数据动态调节吸附负压。

4、作为一种优选方案，所述悬挂臂上端固定连接有球头，所述球头上方设有铰接座，所述铰接座下端开设有与球头适配的连接槽，且球头与铰接座活动连接。

5、作为一种优选方案，所述支架包括竖杆，且竖杆固定安装于恒温底座顶部，所述竖杆上端设有用于调整吸盘高度的自锁铰链，所述安装槽一侧铰接有横杆，所述横杆底部与铰接座固定连接，所述横杆和竖杆内部设有走线槽，所述自锁铰链为钛镍记忆合金铰链。

6、作为一种优选方案，所述伸缩夹持组件包括伸缩杆，所述横杆远离自锁铰链一端开设有收纳槽，所述伸缩杆固定安装于收纳槽内，所述伸缩杆的伸缩端连接有夹爪。

7、作为一种优选方案，所述集成控制终端一侧设有显示屏，所述集成控制终端正面一侧上下分别嵌设安装有听筒和扬声器，所述集成控制终端正面远离听筒一侧由左到右依次设有控制开关一、控制开关二和控制开关三，所述集成控制终端一侧设有若干个指示灯。

8、作为一种优选方案，所述控制开关一与吸附阵列模块电性连接，所述控制开关二与三维激光扫描模块仪电性连接，所述控制开关三与伸缩杆电性连接。

9、作为一种优选方案，所述悬挂臂下端外侧套设有连接套，且连接套内壁与悬挂臂下端外壁螺纹连接，所述连接套下端与负压梯度吸附固定模块固定连接。

10、作为一种优选方案，所述恒温底座为钕铁硼永磁体，所述恒温底座外壁设有氧化铝陶瓷保温层，所述恒温底座一侧设有保温开关。

11、工作原理

12、本发明的核心创新在于构建了"负压梯度吸附固定-三维激光扫描模块-脑图谱自适应配准-局部吸附释放"的闭环工作系统。具体而言：首先，基于啮齿类动物颅骨的双曲面几何特征和骨缝应力分布特点，通过呈阵列排布且可独立控制的多通道微型吸盘，在颅骨表面形成具有空间梯度分布的非均匀负压吸附场——即在颅骨骨缝和曲面转折等高应力区域施加较大的吸附力，在平坦区域施加较小的吸附力——从而以分布式面接触吸附替代传统点/线接触机械夹持，在实现稳固固定的同时避免应力集中导致的颅骨形变。其次，利用三维激光扫描模块获取实验动物个体的颅骨表面三维形貌，集成控制终端内置的脑图谱配准单元将扫描获取的点云数据与标准脑图谱进行基于颅缝特征和曲率特征的自动配准，建立适配该个体的个性化三维脑坐标系，从而解决了传统设备以通用坐标系直接映射导致个体偏差的问题（个体偏差在啮齿类动物中非常常见）。最后，在确定目标脑区对应的颅骨表面位点坐标后，吸附控制单元自动释放覆盖该位点的特定微型吸盘，而保持其余吸盘持续吸附，从而在不破坏整体固定稳定性的前提下，在目标位置形成操作窗口——这一"整体吸附+局部释放"的策略是传统机械夹持方案无法实现的。

13、与现有技术的本质区别

14、需要强调的是，本发明并非将"负压吸附"、"三维激光扫描模块"、"多关节臂"和"温控底座"等已知技术手段进行简单叠加，而是在脑定位这一特定应用场景下，基于对颅骨生物力学特性和普遍个体形态差异等本质问题的深入分析，充分运用现代化科技手段，创造性地构建了一个各技术手段之间具有协同作用和功能耦合关系的闭环系统。其中，负压梯度吸附借鉴八爪鱼吸盘的强吸附效应，通过仿生设计实现稳固固定，是无损固定的基础。三维激光扫描模块和脑图谱配准是实现个体化精确定位的核心，而"整体吸附+局部释放"的协调控制则是二者协同作用的关键体现——局部释放哪个吸盘、释放时机和范围，完全由扫描配准结果驱动；而扫描配准的精度，又依赖于梯度吸附所提供的颅骨无形变固定条件。这种双向依赖、协同增效的系统架构，使得本发明的综合技术效果超出了各组成部分单独作用的简单加和，具有非显而易见性。

15、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

16、1、本发明采用仿生吸附阵列替代传统耳杆固定方式，通过吸附阵列模块的负压梯度分布，有效避免了耳杆夹持导致的颞骨弹性形变问题，有效降低了颅骨形变率，极大减少了脑部结构偏移，从而显著提升了定位精度，能够充分满足光遗传、单细胞记录等前沿研究对高精度定位的严苛需求，并解决了造成耳道损伤，产生除手术以外的其他变量因素问题。

17、2、本发明摒弃耳杆及支架的设计，利用仿生吸附阵列实现对动物头部的固定，通过悬挂臂与支架之间铰接，使负压梯度吸附固定模块和吸附阵列模块进行旋转，从而改变操作位置，避免遮挡，从而彻底消除了传统耳杆和支架对颅骨表面区域的遮挡问题，不再限制实验操作空间，可完美适配mri、双光子显微镜等紧凑型实验场景，为多技术融合的深入研究提供了更广阔的空间。

18、3、本发明可通过三维激光扫描模块仪进行扫描颅骨，并将数据传输至集成控制终端，经其内的分析系统处理，即可自动建立相应的坐标系，并能够根据需要定位所需位置的坐标，从而关闭对应坐标上的吸附阵列模块并进行避让，以便进行颅骨钻的钻孔操作。

19、4、本发明通过钕铁硼永磁体方便对设备移动并固定，使其适配移动实验场景，通过氧化铝陶瓷保温层，可维持麻醉动物体温稳定性，避免出现低体温症，减少代谢干扰导致的实验偏差。

20、5、本发明通过智能化自动定位系统与快换接口设计，替代传统手动调节流程，无需手动放置耳杆、调节门齿板及拆卸支架，实现一键式快速定位与阵列片切换，大幅简化操作步骤，显著提升实验效率与便捷性。

21、6、本发明通过 1khz 高频压力传感器配合 pid 控制算法，实时监测颅骨受力与位移，动态调节吸附负压，将呼吸引发的位移抑制至±0.005mm，降低呼吸干扰，为海马体等高精度颅内操作提供稳定力学保障。