一种基于立体定向头架的猕猴脑深部核团电极植入适配装置及方法

1.本发明属于医学设备技术领域，具体涉及一种基于立体定向头架的猕猴脑深部核团电极植入适配装置及方法。


背景技术：

2.非人灵长类猕猴是研究人类高级认知功能的重要实验模式动物，而猕猴脑深部结构精准定位打药、电生理记录、电刺激等研究神经环路的主要研究手段，极大地依赖于大动物脑深部核团精准定位植入技术。当前采用的商品化大动物脑深部核团立体定向装置在脑深部核团定位植入操作过程中存在一些不足，主要包括：仅能在垂直方向上保证相对精准地植入、定位装置与猕猴颅骨缺少稳固的刚性固定，扫描核磁前后固定等需要二次安装的操作易导致位置偏差、立体定向装置植入套件可移动范围有限，一些特定的部位不能实现电极植入等。
3.针对上述大动物脑深部核团立体定向装置存在的不足，发明人结合临床立体定向手术经验，发现基于人用立体定向头架leksell frame g的立体定向系统，具有可多角度精准植入、与颅骨刚性固定、可移动范围广等优势，可很好地弥补上述商品化猕猴脑深部核团立体定向装置的不足。
4.非人灵长类猕猴的颅骨大小仅相当于人颅骨的四分之一，猕猴与人颅骨之间的大小差异导致leksell frame g立体定向头架的颅骨固定组件不能很好地固定于猕猴颅骨，成为leksell frame g立体定向系统不能应用于猕猴等大动物脑深部核团精准定位植入的主要技术问题。针对此技术问题，本发明依托于人用立体定向头架leksell frame g，设计了一套可构建猕猴颅骨与leksell frame g刚性连接的适配装置，使leksell frame g立体定向头架可与猕猴颅骨刚性固定，有效连接人用立体定向头架与猕猴颅骨，并结合猕猴颅脑尺寸，特制出了一套与之匹配的猕猴版电极植入辅助手术器械，系统实现了猕猴基于人用立体定向头架leksell frame g立体定向系统的脑深部核团的精准、安全、微创定向植入。
5.针对脑深部核团精准定位植入这一操作，目前主要通过两种技术方案实行，
①
基于大动物立体定位仪的，用于猕猴脑深部核团定位打药、电生理记录、电刺激等神经环路研究的脑深部核团精准定位技术；
②
基于人用leksell frame g立体定向头架的立体定向系统，用于临床开展脑深部核团电刺激电极植入与病理取样的技术脑深部核团精准定位技术。具体技术实现背景分别如下介绍：
6.1.基于大动物立体定位仪的脑深部核团精准定位植入方案：
7.大动物立体定位仪的脑深部核团定位方法主要基于双侧眼棒、双侧耳棒、牙棒，将麻醉动物稳固固定于立体定位仪，通过手术在颅骨表面安置标记，随后拆下立体定位仪，通过影像学辅助确定脑深部待植入部位与颅骨表面标记的相对位置，将麻醉动物再次用与先前相同的方式固定于立体定位仪后，根据获取的相对位置水平移动进针装置，于目的靶点
上方垂直钻孔进针，实现脑深部核团定位植入。该脑深部核团定位植入方案除了不能实现深部核团的斜向植入外，由于需要前后两次固定于立体定位仪、脑深部核团需要通过计算相对位置获取进针参数等原因，大动物立体定位仪用于脑深部核团定位不仅操作繁琐，还存在较大的系统和随机误差。
8.2.基于人用立体定向装置的临床脑深部核团精准定位植入方案：
9.人用立体定向头架装置的临床脑深部核团精准定位植入方案，指通过影像学定位和立体定向装置引导，将微电极等置入颅内的特定靶点，治疗中枢神经系统病症或钳取病理样本的神经外科手术。目前国内外人用立体定向装置，均为弓型定位仪，原理为球心法。使用步骤为：首先，通过四枚长钉刺穿头皮卡于颅骨之上，将立体定向头架刚性固定于颅骨，以立体定向头架作为影像定位的参照标记，将大脑置于一个三维空间，测量出目标靶点的笛卡尔坐标(x，y，z)。其次，通过调节立体定向仪上的x，y，z臂，使定向仪上弧形弓的圆心与目标靶点重合。最后，按照调整好的x，y，z坐标，将弓型定向仪安装在框架上，从弧形弓上任一点，以与弧形切线呈垂直的方向置入电极，均可通过预定球心，完成目标靶点的电极埋置术。该定位系统有着准确、简便的优势。尽管存在上述优势，但由于猕猴的颅骨尺寸较小(仅相当于人体颅骨的1/4左右)、且颅骨较薄，用于将立体定向头架刚性固定于颅骨的长钉，不仅长度不能满足刺穿猕猴头皮卡于颅骨的需求，进钉过程中也易于刺穿颅骨，伤及颅内组织。如何能够牢固、安全地将人用立体定向头架固定于猕猴等实验大动物的颅骨，对于实现猕猴脑深部核团的精准定位定向植入具有重要意义。但目前还没有相应的装置可辅助实现猕猴颅骨与人用立体定向头架牢固、安全地连接。


技术实现要素：

10.为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于立体定向头架的猕猴脑深部核团电极植入适配装置及方法。
11.为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
12.本发明提供一种基于立体定向头架的猕猴脑深部核团电极植入适配装置，用于将立体定向头架、立体定向头弓与猕猴颅骨刚性连接和穿刺，包括头架适配装置、穿刺套管和穿刺引导套管组件，所述头架适配装置包括t型钛钉、连接基座、连接横梁、二延伸臂、二连接立柱，所述t型钛钉用于锚定于猕猴枕部颅骨上，所述t型钛钉的表面涂抹覆盖有牙科水泥，所述连接基座嵌入式固定于牙科水泥上，所述连接横梁底部的斜坡部与连接基座通过螺栓连接，所述连接横梁两端的卡槽分别与二延伸臂通过螺栓连接，所述延伸臂长度方向一端的楔形连接部与连接立柱的顶部通过螺栓连接，所述连接立柱与立体定向头架的内侧通过螺栓连接；所述穿刺套管由上至下贯穿穿设于引导套管组件中，所述引导套管组件设置于立体定向头弓的头弓滑块上。
13.作为本发明的一种优选技术方案，所述t型钛钉包括方体结构和圆柱体结构，所述方体结构一体设置于圆柱体结构轴心方向的一端。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述连接基座包括一体设置的第一基座体和第二基座体，所述第一基座体和第二基座体为具有设定长宽高的方体结构，所述第一基座体的长度、宽度、高度尺寸小于第二基座体的尺寸，所述第一基座体和第二基座体上贯穿设有二基座连接孔。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述连接横梁包括一体设置的水平横梁体、竖直横梁体和斜坡部，所述水平横梁体长度方向两端的下表面上分别设有卡槽，所述卡槽的槽底设有横梁连接孔，所述竖直横梁体垂直设置于水平横梁体的下表面上，所述斜坡部为具体设定长宽高的方体结构，所述斜坡部的任一侧面与竖直横梁体倾斜设定夹角设置，所述斜坡部上设有二斜坡连接孔，所述斜坡部上的斜坡连接孔35与连接基座的基座连接孔通过螺栓连接。
16.作为本发明的一种优选技术方案，所述延伸臂包括一体设置的延伸臂体和楔形连接部，所述延伸臂体上且沿其长度方向设有至少一个第二延伸臂连接孔，所述楔形连接部设置于延伸臂体长度方向的一侧，所述楔形连接部上设有第一延伸臂连接孔；所述楔形连接部卡设于连接横梁两端的卡槽中且将二者上开设的第一延伸臂连接孔与横梁连接孔通过螺栓连接。
17.作为本发明的一种优选技术方案，所述连接立柱长度方向的两侧设有楔形连接柱，所述连接立柱的顶部且位于二楔形连接柱之间设有立柱顶部凹槽，所述立柱顶部凹槽的槽底设有立柱顶部连接孔，所述楔形连接柱长度方向的外侧表面上设有立柱连接凹槽，所述立柱连接凹槽的一侧侧壁上设有立柱连接孔。
18.作为本发明的一种优选技术方案，所述穿刺套管包括一体设置的限位柱和穿刺针管，所述穿刺引导套管组件包括上引导柱和下引导柱。
19.作为本发明的一种优选技术方案，所述立体定向头架的内侧表面上且位于靠近脑后侧位置对称设有楔形头架凹槽，所述立体定向头架的上表面上且位于楔形头架凹槽的前侧设有头架连接孔，所述头架连接孔与楔形头架凹槽相连通；其中，所述楔形头架凹槽与楔形连接柱相匹配，使得楔形连接柱卡设于楔形头架凹槽中并将立柱连接孔和头架连接孔通过螺栓连接。
20.作为本发明的一种优选技术方案，所述立体定向头弓上设有二头弓耳环和头弓滑块，所述二头弓耳环的一端分别设置于立体定向头弓长度方向的两端，所述头弓耳环的另一端还安装于立体定向头架上，所述头弓滑块沿立体定向头弓的长度方向滑动连接于立体定向头弓上，所述头弓滑块上还设有用于安装穿刺引导套管组件的滑块安装部，所述滑块安装部在头弓法线方向移动式安装于头弓滑块上；所述穿刺套管由上至下贯穿穿设于上引导柱和下引导柱中，所述上引导柱和下引导柱设置于滑块安装部上。
21.作为本发明的一种优选技术方案，本发明还提供一种利用基于立体定向头架的猕猴脑深部核团电极植入适配装置植入电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
22.s1、依托立体定向头架建立笛卡尔坐标系，确定猕猴脑深部目的核团在此笛卡尔坐标系下的坐标；包括以下步骤：
23.s11、全麻下在猕猴枕部颅骨打孔并插入t型骨钉，外端垫片与螺母压紧加固t型骨钉1；
24.s12、在t型骨钉1表面涂抹牙科水泥并将连接基座镶于水泥之上；
25.s13、连接基座安装牢固后，通过螺栓紧固于连接基座上基座连接孔和斜坡部上斜坡连接孔中，从而将连接基座与连接横梁连接；然后根据颅骨与适配装置的相对位置，在延伸臂上滑动连接横梁的卡槽位置选择最佳的第二延伸臂连接孔将延伸臂和连接横梁进行固定；楔形连接部卡设于连接立柱的立柱顶部凹槽中并将二者上的第一延伸臂连接孔与立
柱顶部连接孔通过螺栓连接，从而将延伸臂与连接立柱进行固定；再将连接立柱的楔形连接柱卡设于楔形头架凹槽中并将立柱连接孔和头架连接孔通过螺栓连接，使得连接立柱与立体定向头架刚性连接；
26.s14、在颅周沿立体定向头架安装定位框架，进行颅部mri扫描；
27.s15、将猕猴颅部mri数据导入立体定向手术计划系统，借助软件确定猕猴脑深部目的核团在立体定向头架所确定的当前笛卡尔坐标系下的相对位置和避开大血管的目的进针路径，并自动计算出对应的头弓组装x、y、z坐标和进针路径坐标。
28.s2、向猕猴颅内植入电极，具体包括以下步骤：
29.s21、根据手术计划系统事先制定的头弓组装x、y、z坐标，对应调整立体定向头弓与立体定向头架的连接位置，即立体定向头弓刻度槽、立体定向头架前后标尺刻度、立体定向头弓耳环连接刻度，将脑深部目的核团置于头弓所在球面的球心处；
30.s22、根据手术计划系统事先制定的进针路径的头弓耳环角度r、头弓滑块arc坐标，以确定围绕目的核团所在球心处的头弓所在球面位置和进针选择半径；
31.s23、在头弓安装穿刺引导套管，插入穿刺套管，穿刺套管在穿刺引导套管的引导下插入颅内，进针达到19厘米处停止进针，尖端此时位于脑深部目的核团即头弓所在球的球心处；
32.s24、取出穿刺套管芯，使弧形穿刺套管内腔空置；
33.s25、在空置的穿刺套管内腔中植入电极，电极在穿刺套管管腔的约束下进入颅内，直至电极末端到达穿刺套管的出口处，此时电极本体处于穿刺套管管腔的约束和保护下，电极本体经穿刺套管的末端开口与靶点接触。
34.本发明相较于现有技术，具有以下有益效果：
35.本发明通过猕猴颅骨安装t型钛钉与颅骨连接基座，以及连接横梁、延伸臂、连接立柱等组成的头架适配装置，通过解决由于非人灵长类猕猴由于颅骨过小，而不能使用立体定向头架这一成熟脑深部核团精准定位的装置进行脑深部核团定位的技术问题，间接解决了基础科学研究中猕猴脑深部核团多角度精准定位的难题。
36.本发明头架适配装置中连接横梁、延伸臂、连接立柱与立体定向头架连接后可根据实际操作进行位置调整，便于后续手术操作，为不同猕猴颅骨大小、形状差异、不同颅骨连接基座安装位置的颅内植入电极提供了较大的自由度，易于理解操作并提高了工作效率，结构简单，便于实施。
附图说明
37.图1是本发明中t型钛钉的结构示意图。
38.图2是本发明中连接基座的结构示意图。
39.图3是本发明中连接横梁的结构示意图。
40.图4是本发明中延伸臂的结构示意图。
41.图5是本发明中连接立柱的结构示意图。
42.图6是本发明中穿刺套管的结构示意图。
43.图7是本发明中穿刺引导套管组件的结构示意图。
44.图8是本发明中立体定向头架的结构示意图。
45.图9是本发明中立体定向头弓的结构示意图。
具体实施方式
46.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”“右”等指示的方位或位置关系均是基于说明书附图的图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
48.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
49.实施例1
50.为了达到本发明的目的，如图1至图9所示，在本发明的其中一种实施方式中提供一种基于立体定向头架的猕猴脑深部核团电极植入适配装置，用于将立体定向头架8、立体定向头弓9与猕猴颅骨刚性连接和穿刺。该猕猴脑深部核团电极植入适配装置包括头架适配装置、穿刺套管6和穿刺引导套管组件7，所述头架适配装置包括t型钛钉1、连接基座2、连接横梁3、二延伸臂4、二连接立柱5，所述t型钛钉1用于锚定于猕猴枕部颅骨上，所述t型钛钉1的表面涂抹覆盖有牙科水泥，所述连接基座2嵌入式固定于牙科水泥上。
51.如图1所示，所述t型钛钉1包括方体结构和圆柱体结构，所述方体结构一体设置于圆柱体结构轴心方向的一端。
52.如图2所示，所述连接基座2包括一体设置的第一基座体21和第二基座体22，所述第一基座体21和第二基座体22为具有设定长宽高的方体结构，所述第一基座体21的长度、宽度、高度尺寸小于第二基座体22的尺寸，所述第一基座体21和第二基座体22上贯穿设有二基座连接孔23。
53.如图3所示，所述连接横梁3包括一体设置的水平横梁体31、竖直横梁体32和斜坡部33，所述水平横梁体31长度方向两端的下表面上分别设有卡槽34，所述卡槽34的槽底设有横梁连接孔36，所述竖直横梁体32垂直设置于水平横梁体31的下表面上，所述斜坡部33为具体设定长宽高的方体结构，所述斜坡部33的任一侧面与竖直横梁体32倾斜设定夹角设置，所述斜坡部33上设有二斜坡连接孔35，所述斜坡部33上的斜坡连接孔35与连接基座2的基座连接孔通过螺栓连接。
54.如图4所示，所述延伸臂4包括一体设置的延伸臂体41和楔形连接部42，所述延伸臂体41上且沿其长度方向设有3个第二延伸臂连接孔43，所述楔形连接部42设置于延伸臂体41长度方向的一侧，所述楔形连接部42上设有第一延伸臂连接孔44。所述楔形连接部42卡设于连接横梁3两端的卡槽34中且将二者上开设的第一延伸臂连接孔44与横梁连接孔36通过螺栓连接。
55.如图5所示，所述连接立柱5长度方向的两侧设有楔形连接柱51，所述连接立柱5的顶部且位于二楔形连接柱51之间设有立柱顶部凹槽52，所述立柱顶部凹槽52的槽底设有立
柱顶部连接孔53，所述楔形连接柱51长度方向的外侧表面上设有立柱连接凹槽54，所述立柱连接凹槽54的一侧侧壁上设有立柱连接孔55。
56.如图6所示，所述穿刺套管6包括一体设置的限位柱和穿刺针管，如图7所示，所述穿刺引导套管组件7包括上引导柱71和下引导柱72。
57.如图8所示，所述立体定向头架8的内侧表面上且位于靠近脑后侧位置对称设有楔形头架凹槽81，所述立体定向头架8的上表面上且位于楔形头架凹槽81的前侧设有头架连接孔82，所述头架连接孔82与楔形头架凹槽81相连通。
58.其中，所述楔形头架凹槽81与楔形连接柱51相匹配，使得楔形连接柱51卡设于楔形头架凹槽81中并将立柱连接孔和头架连接孔82通过螺栓连接。
59.如图9所示，所述立体定向头弓9上设有二头弓耳环91和头弓滑块92，所述二头弓耳环91的一端分别设置于立体定向头弓9长度方向的两端，所述头弓耳环91的另一端还安装于立体定向头架8上，所述头弓滑块92沿立体定向头弓9的长度方向滑动连接于立体定向头弓9上，所述头弓滑块92上还设有用于安装穿刺引导套管组件的滑块安装部93，所述滑块安装部93在头弓法线方向移动式安装于头弓滑块92上。所述穿刺套管6由上至下贯穿穿设于上引导柱71和下引导柱72中，所述上引导柱71和下引导柱72设置于滑块安装部93上。
60.本发明还提供一种利用基于立体定向头架的猕猴脑深部核团电极植入适配装置植入电极的方法，包括以下步骤：
61.s1、依托立体定向头架8建立笛卡尔坐标系，确定猕猴脑深部目的核团在此笛卡尔坐标系下的坐标；包括以下步骤：
62.s11、全麻下在猕猴枕部颅骨打孔并插入t型骨钉1，外端垫片11与螺母压紧加固t型骨钉1；
63.s12、在t型骨钉1表面涂抹牙科水泥并将连接基座2镶于水泥之上；
64.s13、连接基座2安装牢固后，通过螺栓紧固于连接基座2上基座连接孔23和斜坡部33上斜坡连接孔35中，从而将连接基座2与连接横梁3连接；然后根据颅骨与适配装置的相对位置，在延伸臂4上滑动连接横梁3的卡槽34位置选择最佳的第二延伸臂连接孔43将延伸臂4和连接横梁3进行固定；楔形连接部42卡设于连接立柱5的立柱顶部凹槽52中并将二者上的第一延伸臂连接孔44与立柱顶部连接孔53通过螺栓连接，从而将延伸臂4与连接立柱5进行固定；再将连接立柱5的楔形连接柱51卡设于楔形头架凹槽81中并将立柱连接孔和头架连接孔82通过螺栓连接，使得连接立柱5与立体定向头架刚性连接；
65.s14、在颅周沿立体定向头架安装定位框架，进行颅部mri扫描；
66.s15、将猕猴颅部mri数据导入立体定向手术计划系统，借助软件确定猕猴脑深部目的核团在立体定向头架所确定的当前笛卡尔坐标系下的相对位置和避开大血管的目的进针路径，并自动计算出对应的头弓组装x、y、z坐标和进针路径坐标。
67.s2、向猕猴颅内植入电极，具体包括以下步骤：
68.s21、根据手术计划系统事先制定的头弓组装x、y、z坐标，对应调整立体定向头弓与立体定向头架的连接位置，即立体定向头弓刻度槽、立体定向头架前后标尺刻度、立体定向头弓耳环连接刻度，将脑深部目的核团置于头弓所在球面的球心处；
69.s22、根据手术计划系统事先制定的进针路径的头弓耳环角度r、头弓滑块arc坐标，以确定围绕目的核团所在球心处的头弓所在球面位置和进针选择半径；
70.s23、在头弓安装穿刺引导套管，插入穿刺套管，穿刺套管在穿刺引导套管的引导下插入颅内，进针达到19厘米处停止进针，尖端此时位于脑深部目的核团即头弓所在球的球心处；
71.s24、取出穿刺套管芯，使弧形穿刺套管内腔空置；
72.s25、在空置的穿刺套管内腔中植入电极，电极在穿刺套管管腔的约束下进入颅内，直至电极末端到达穿刺套管的出口处，此时电极本体处于穿刺套管管腔的约束和保护下，电极本体经穿刺套管的末端开口与靶点接触。
73.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。