一种用于动物的开颅手术装置的制作方法

本技术涉及神经科学研究装置，特别是涉及一种用于动物的开颅手术装置。

背景技术：

1、在神经科学研究领域中，大脑是主要的研究对象。为了研究大脑的功能机制，经常需要对实验动物进行开颅手术以向其脑内植入或注入外源物质。大脑的结构和功能复杂，由相互连接的数百个脑区组成，因此，开颅手术需要精确定位并尽量减少对脑组织的破坏。

2、手动控制开颅设备进行手术对操作者的要求较高，缺乏足够训练的操作者进行开颅手术可能存在定位精度差和对脑组织损伤大的问题。随着自动化技术的发展，用于动物的自动化开颅手术装置被开发出来。

3、相关技术中，一种用于动物的自动开颅装置通过将电阻测量电路连接在钻头和动物身体其他位置来测量开颅点与动物身体其他位置之间的电阻变化来判断开颅进度，未开颅前，开颅点和身体其它位置之间的电阻较大；开颅后，开颅点的脑组织暴露，开颅点与身体其它位置之间的电阻减小。该装置虽然可以实现自动开颅效果，但是开颅点与身体其它位置之间的电阻受其它因素影响较大，例如颅骨下面的脉管系统，开颅过程中，在未完全开颅前，钻头可能会破坏脉管使其中的液体流出而使电阻减小进而影响开颅进度的判断；另外，该装置在开颅过程中，无法使用生理盐水对颅骨表面进行清洁和降温，因为生理盐水也会改变开颅点与身体其它位置之间的电阻，因此，开颅过程中产生的颅骨碎屑以及钻头产生的高温可能会对脑组织带来污染和破坏。

4、有鉴于此，如何设计一种用于动物的开颅手术装置，能够相对准确地判断开颅程度，从而提高开颅成功率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种用于动物的开颅手术装置，通过结构优化，能够相对准确地判断开颅程度，有利于提高开颅成功率。

2、为解决上述技术问题，本技术提供一种用于动物的开颅手术装置，包括移动模块、钻头组件、检测部件、承重模块和控制模块；

3、所述移动模块用于带动所述钻头组件沿第一水平方向、第二水平方向和竖直方向移动，其中，第一水平方向与第二水平方向垂直；

4、所述钻头组件包括钻主体、旋转轴和钻头，所述旋转轴可旋转地安装于所述钻主体，所述钻头安装于所述旋转轴，所述旋转轴的旋转中心线与竖直方向平行；

5、所述检测部件用于检测所述钻头组件受到的压力信息；

6、所述承重模块的一端与所述钻主体固定连接，另一端与所述移动模块固定连接，所述承重模块能够在竖直方向上浮动以承载所述钻头组件的至少部分重量；

7、所述控制模块与所述移动模块、所述钻头组件和所述检测部件通信连接。

8、在一种可实现的方案中，所述移动模块包括三个移动组件，所述移动组件包括移动轨道和移动块，所述移动块能够沿所述移动轨道移动；

9、其中，第一个所述移动组件的移动块与第二个所述移动组件的移动轨道固定连接，第二个所述移动组件的移动块与第三个所述移动组件的移动轨道固定连接，第三个所述移动组件的移动块与所述钻主体连接；

10、三个所述移动轨道的延伸方向分别为第一水平方向、第二水平方向和竖直方向。

11、在一种可实现的方案中，定义与所述钻主体连接的移动块为主体移动块，所述钻主体通过导向模块与所述主体移动块连接，所述导向模块包括第一导向部和第二导向部，所述第一导向部沿竖直方向延伸，所述第一导向部与所述主体移动块固定连接，所述第二导向部与所述钻主体固定连接，所述第二导向部能够沿所述第一导向部滑动。

12、在一种可实现的方案中，所述承重模块包括第一连接部和第二连接部，所述第一连接部与所述主体移动块固定连接，所述第二连接部与所述钻主体固定连接，所述第一连接部和所述第二连接部在竖直方向上浮动连接。

13、在一种可实现的方案中，所述第一连接部和所述第二连接部之间通过弹性件浮动连接；

14、或者，所述第一连接部上安装有第一磁性件，所述第二连接部上安装有第二磁性件，所述第一磁性件和所述第二磁性件相向布置，且所述第一磁性件和所述第二磁性件的同一极性相向；

15、或者，所述第一连接部和所述第二连接部通过气浮台连接，所述承重模块还包括与所述气浮台的气腔连通的气体供应装置。

16、在一种可实现的方案中，所述检测部件与所述主体移动块固定连接，并且所述检测部件通过耦合部与所述钻主体耦合连接，以检测所述钻主体受到的压力信息。

17、在一种可实现的方案中，所述耦合部与所述钻主体固定连接，且与所述检测部件固定连接；

18、或者，所述耦合部与所述钻主体和所述检测部件中的一者固定连接，所述耦合部与所述钻主体和所述检测部件中的另一者直接或间接抵接。

19、在一种可实现的方案中，所述控制模块包括存储单元、判断单元和控制单元；

20、所述存储单元用于接收并存储所述检测部件反馈的压力信息；

21、所述判断单元用于确定所述检测部件反馈的实时压力信息增量的变化率df/dt，并在所述变化率df/dt超过所述第一设定阈值t1时发送第一控制信号至所述控制单元；其中，df为所述检测部件反馈的当前压力信息与前一次反馈的压力信息或者前若干次反馈的压力信息的均值的差值，dt为所述检测部件的采样时间间隔；

22、所述控制单元与所述移动模块通信连接，所述控制单元用于控制所述钻头自开颅点上方以第一速度沿竖直方向向下移动，并在接收所述第一控制信号后控制所述钻头以第二速度沿竖直方向向下移动，所述第二速度不大于所述第一速度。

23、在一种可实现的方案中，所述判断单元还用于在所述检测部件反馈的实时压力信息不大于第二设定阈值t2时发送第二控制信号至所述控制单元；所述第二设定阈值t2与所述变化率df/dt超过所述第一设定阈值t1前所述检测部件反馈的压力信息相关；

24、所述控制单元还用于在响应所述第一控制信号的操作过程中，根据接收的所述第二控制信号控制所述钻头再沿竖直方向下降设定距离d后发送停止信号至所述钻头组件和所述移动模块。

25、在一种可实现的方案中，所述判断单元包括第一计算子单元，所述第一计算子单元预存有确定所述第二设定阈值t2的计算公式，所述计算公式为：

26、t2=fmax-α*（fmax-fbase）；

27、其中，fmax为所述变化率df/dt超过所述第一设定阈值t1后所述检测部件反馈的最大压力信息，fbase为所述变化率df/dt超过所述第一设定阈值t1前所述检测部件反馈的最新一次压力信息或者最近若干次压力信息的平均值，α为根据手术对象的开颅点所处颅骨区域的厚度和硬度以及所述钻头的转速和下降速度中至少一者设定的系数。

28、在一种可实现的方案中，所述判断单元还用于在所述检测部件反馈的实时压力信息大于所述第二设定阈值t2时发送第三控制信号至所述控制单元；

29、所述控制单元还用于在响应所述第二控制信号的操作过程中，根据接收的所述第三控制信号中止响应所述第二控制信号的操作。

30、在一种可实现的方案中，所述判断单元包括第二计算子单元，所述第二计算子单元用于确定所述控制单元响应所述第一控制信号后所述钻头沿竖直方向的下降距离d，所述判断单元用于在所述下降距离d未超过设定的最小下降距离dmin时，发送第四控制信号至所述控制单元；

31、所述控制单元还用于在响应所述第二控制信号的操作过程中，根据接收的所述第四控制信号中止响应所述第二控制信号的操作。

32、在一种可实现的方案中，所述判断单元还用于在所述下降距离d超过设定的最大下降距离dmax时，发送第五控制信号至所述控制单元；

33、所述控制单元还用于根据接收的所述第五控制信号发送停止信号至所述钻头组件和所述移动模块。

34、本技术实施例提供的开颅手术装置在实际应用时，通过控制移动模块的动作将钻头组件带动至手术对象脑部的开颅点上方，通过控制移动模块在竖直方向的移动来带动钻头组件向脑部的开颅点方向移动并实施开颅操作，在开颅过程中，通过检测部件对钻头组件所受压力信息的检测来对开颅进度进行判断；其中，通过承重模块来承担钻头组件的至少部分重量，可以使钻头组件自身施加至检测部件的力减小，相应地，使检测部件检测到的颅骨施加在钻头组件上的力的占比增大，从而使检测部件检测的灵敏度提高，进而可以提高对开颅进度或开颅程度的判断准确性，有助于提高开颅成功率。

35、实际应用中，一些实验动物的颅骨较软或者较薄，如大鼠或小鼠，在进行开颅时，压力变化往往远小于钻头组件自身的重量，采用上述开颅手术装置后，由于承重模块的设置，检测部件能够较为精准且灵敏地检测到这类实验动物开颅时的压力变化，该开颅手术装置的适用范围较广。

36、另外，通过检测钻头组件受到的压力信息来判断开颅过程，压力信息的测量受脑组织暴露的影响较小，且在开颅过程中对颅骨表面进行清洁和降温用的生理盐水对压力检测的干扰也较小，所以采用上述开颅手术装置在开颅时可以使用生理盐水等进行清洁和降温，可以避免开颅过程中对脑组织造成污染和破坏。

技术特征：

1.一种用于动物的开颅手术装置，其特征在于，包括移动模块、钻头组件、检测部件、承重模块和控制模块；

2.根据权利要求1所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述移动模块包括三个移动组件，所述移动组件包括移动轨道和移动块，所述移动块能够沿所述移动轨道移动；

3.根据权利要求2所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，定义与所述钻主体连接的移动块为主体移动块，所述钻主体通过导向模块与所述主体移动块连接，所述导向模块包括第一导向部和第二导向部，所述第一导向部沿竖直方向延伸，所述第一导向部与所述主体移动块固定连接，所述第二导向部与所述钻主体固定连接，所述第二导向部能够沿所述第一导向部滑动。

4.根据权利要求3所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述承重模块包括第一连接部和第二连接部，所述第一连接部与所述主体移动块固定连接，所述第二连接部与所述钻主体固定连接，所述第一连接部和所述第二连接部在竖直方向上浮动连接。

5.根据权利要求4所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述第一连接部和所述第二连接部之间通过弹性件浮动连接；

6.根据权利要求3所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述检测部件与所述主体移动块固定连接，并且所述检测部件通过耦合部与所述钻主体耦合连接，以检测所述钻主体受到的压力信息。

7.根据权利要求6所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述耦合部与所述钻主体固定连接，且与所述检测部件固定连接；

8.根据权利要求1-7任一项所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述控制模块包括存储单元、判断单元和控制单元；

9.根据权利要求8所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述判断单元还用于在所述检测部件反馈的实时压力信息不大于第二设定阈值t2时发送第二控制信号至所述控制单元；所述第二设定阈值t2与所述变化率df/dt超过所述第一设定阈值t1前所述检测部件反馈的压力信息相关；

10.根据权利要求9所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述判断单元包括第一计算子单元，所述第一计算子单元预存有确定所述第二设定阈值t2的计算公式，所述计算公式为：

11.根据权利要求9所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述判断单元还用于在所述检测部件反馈的实时压力信息大于所述第二设定阈值t2时发送第三控制信号至所述控制单元；

12.根据权利要求9所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述判断单元包括第二计算子单元，所述第二计算子单元用于确定所述控制单元响应所述第一控制信号后所述钻头沿竖直方向的下降距离d，所述判断单元用于在所述下降距离d未超过设定的最小下降距离dmin时，发送第四控制信号至所述控制单元；

13.根据权利要求12所述的用于动物的开颅手术装置，其特征在于，所述判断单元还用于在所述下降距离d超过设定的最大下降距离dmax时，发送第五控制信号至所述控制单元；

技术总结
本申请公开了一种用于动物的开颅手术装置，包括移动模块、钻头组件、检测部件、承重模块和控制模块；移动模块用于带动钻头组件沿第一水平方向、第二水平方向和竖直方向移动，其中，第一水平方向与第二水平方向垂直；钻头组件包括钻主体、旋转轴和钻头，旋转轴可旋转地安装于钻主体，钻头安装于旋转轴，旋转轴的旋转中心线与竖直方向平行；检测部件用于检测钻头组件受到的压力信息；承重模块的一端与钻主体固定连接，另一端与移动模块固定连接，承重模块能够在竖直方向上浮动以承载钻头组件的至少部分重量；控制模块与移动模块、钻头组件和检测部件通信连接。该开颅手术装置能够相对准确地判断开颅程度，利于开颅成功率的提高。

技术研发人员：张轲铭,毕国强,刘北明
受保护的技术使用者：合肥综合性国家科学中心人工智能研究院（安徽省人工智能实验室）
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23