專利名稱：鯉魚電極穿顱植入腦立體定位法的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種不開顱將電極植入鯉魚腦組織的立體定位方法，屬于腦立體技術 領域，即通過鯉魚顱骨表面標志建立電極定位區，應用腦立體定位儀確定植入電極的坐標 位置，將電極經顱骨鉆孔穿過植入腦組織，借助醫學成像設備進行導航并糾正偏差，實現植 入電極精確定位從而進行水生動物的腦電信號處理或生物行為控制。
背景技術：
現代科學研究對腦進行定向注射、刺激、破壞、提取腦電以及生物行為控制等都需 要應用腦立體定位技術來精確定位。1873年Dittmar首次介紹了立體定向技術的原理。 1906年，對立體定位原理和設備設計貢獻最大的英國的Robert Henry Clarke和Victory Horsley提出，腦內任一靶點都可在腦切面圖譜上定位，欲使穿刺針尖到達腦內某一結構， 只要與相應的X、Y、Z三坐標點對應即可，并于1908年設計了三維坐標立體定向儀，這 是基于動物腦顱骨上的標志點(外耳道、眼窩下緣、鹵點)和結構特點，并且頭骨定點是 建立在笛卡爾三維立體坐標系統。美國《The Johns Hopkins press》1966年出版的“A stereotaxic atlas of the brain of the pigeon”，介紹了鶴子腦定位時將兩耳蝸作為后 面固定點，選用嘴喙為前固定點。中國《東北師范大學學報》1989年第4期“鳥頭定位儀的 制作及腦的立體定位”論文，提出在鳥類發聲中樞立體定位實驗中，利用兩耳和嘴喙三點定 位法，確定假想的水平面、矢狀面和冠狀面，并確定零坐標進行神經核團的立體定位。中國 《廣西科學技術出版社》1990年出版的“中緬鼠駒和廣西獼猴腦立體定位圖譜”，介紹其立 體定位方法是以三個互相垂直的標準平面的三維坐標系統為基礎，確定三維坐標系統的零 點，通過體視顯微鏡核對并糾正肉眼觀察的大體測量數據的偏差，再通過腦切片的平均數 來糾正誤差。日本《Brain Research Bulletin》雜志 2004 年第 62 卷 “Development of a stereotaxic instrument for study of the bovine central nervous system，，論文，設 計了可以借助X射線造影技術定位的腦定位方法，根據對牛頭的測量數據和顱骨標志點及 腦內部結構，以眼眶突出點和與其平行的水平桿為水平面，以兩耳中間到嘴部的連線為垂 直面，兩面的交叉點與頭顱上的鹵點相重合，再借助X射線造影技術的輔助，可以達到精確 定位。中國發明專利申請公布說明書200610086008. X“壁虎腦立體定位方法及裝置”，公開 了利用大壁虎左右兩眼眶后緣靠近下頌骨與上頌骨關節聯結處的骨節構具有唯一性且能 定位并夾持，再通過上頌骨點位的夾持，三點確定一個定位基準平面實現腦立體定位。
日本《Neuroscience Letters》雜志 2009 年第 452 期 “Artificial control of swimming in goldfishby brain stimulation !Confirmation of the midbrain nuclei as the swimming center”論文，介紹了金魚行為控制實驗，主要是根據頭骨標志點和統計 數值來確定靶點。金魚的運動是由中腦Nflm(內核中縱束)決定的，刺激此區域可控制運 動。將金魚麻醉，切除頂蓋顱骨，暴露腦，在大腦背面標記并定位Nflm中間部分。假定端 腦末端和小腦尖端之間距離是X，Nflm中間部分就是小腦體尖端向前0. 4X，距腦中線表面 1. IX深。確定位置后，插入電極，將硅橡膠倒入顱腔固定頭骨上的電極，產生的洞用牙科丙烯酸填補。電極通過薄絕緣電線連接到電刺激器，應用電刺激器控制；或將電極連接到固定 在魚背部的無線控制刺激回路，應用無線控制微刺激系統進行無線控制。
現代醫學影像設備磁共振成像(MRI)和電子計算機X線體層掃描(CT)可以顯示 顱內病變及其靶點，避免了腦室造影間接定位不精確的缺點，使得立體定向手術更加安全 可靠，現代醫學立體定向手術已進入以MRI和CT引導施行定向手術為代表的新階段。而MRI 的突出優點是無創傷，無電離輻射，多方位，多參數，多序列，大視野，組織分辨率高，尤其是 對軟組織具有更好的分辨能力，能夠分辨腦白質和腦灰質，在臨床上更適合顱腦的成像。
國內外在動物腦立體定位方面研究爬行動物、鳥類和陸地哺乳動物的的比較多， 水下動物研究的卻很少，而且國內外主要都是采用開顱的方法將電極植入腦組織中。開顱 對顱骨和腦組織易造成損傷、出血、炎癥、感染，縮短動物的生存時間，特別對水生動物在深 水條件下抗水壓維持生命實現執行水下任務是有影響的。所以需要最大限度地維持水生動 物顱腦自身固有的結構和形態，目前國內外尚未提出借助磁共振成像技術不開顱的鯉魚腦 立體定位方法，因此研究這種腦立體定位方法具有一定的實用價值。發明內容
本發明的目的是提供一種利用鯉魚顱骨表面標志并借助磁共振成像技術輔助而 將電極直接穿過顱骨植入腦組織的立體定位方法，實現不開顱手術就能夠將電極準確植入 特定的腦神經結構，維持動物顱腦自身固有的結構，減輕損傷、出血、感染、炎性反應，并在 深水條件下能夠對抗強大水壓有利于長期維持生命以執行水下任務。
本發明采取的技術方案
腦立體定位原理一般是利用顱骨表面解剖學標志或其它參考點所規定的三度坐 標系統，應用由Robert Henry Clarke和Victory Horsley發明的設備系統使用笛卡爾坐標 系的X軸、Y軸和Z軸三個坐標軸，利用立體定位儀的三維移動標尺標記腦內神經結構的部 位，使顱外定位標志與其腦組織在定位儀上的空間位置相互關聯，按照腦定位圖譜，將電極 植入腦內靶目標中，以便在非直視暴露下對其進行定向刺激、破壞、注射、引導電位等研究。
魚頭部的解剖結構和形態與陸地哺乳動物具有較大的差別，魚頭部兩側沒有外耳 道，不能象陸地動物和鳥類一樣將耳桿插入兩側外耳道同時固定上頌骨進行定位及3點固 定。本發明方法是將魚嘴和背鰭鰭棘固定，并對向夾持兩側鰓蓋骨，對4個特征點進行4點 固定，實現頭顱和身體保持平衡狀態并對中。腦組織內任一點都可在腦定位圖譜上定位，如 果電極尖端植入腦內某一位置，只要與相應的X軸、Y軸、Z軸三坐標點對應即可準確定位。 本發明方法確定水平基準面、矢狀面、冠狀面作為電極定位的坐標系3個平面。應用7條線 將顱骨皮膚表面分6個定位區，每個區是一個坐標系。根據鯉魚腦定位圖譜或實驗統計數 據，應用腦立體定位儀在每個坐標區中分別標記各電極的坐標位置。在顱骨電極坐標位置 上鉆孔，將電極經鉆孔植入指定的腦神經結構。應用先進的磁共振醫學成像設備進行成像， 核對立體位置，根據需要調整偏差，進行三維立體定位。應用牙科水泥封閉顱骨鉆孔并固定 電極。植入電極末端通過導線與儀器相連收集腦電信號，或應用儀器發出電信號經過植入 電極控制生物行為，或與搭載在身體上的無線移動網絡通信遙控信號接收裝備相連遙控生 物行為。
本發明的有益效果
本發明采用借助磁共振成像技術輔助不開顱而實現鯉魚電極穿顱植入腦立體定 位的方法，填補了國內外的空白。
①將魚嘴、背鰭鰭棘和兩側鰓蓋骨的特征點夾持進行4點固定，保持魚體平衡且 對中；
②確定水平基準面、矢狀面、冠狀面作為電極定位坐標系的3個平面；
③根據鯉魚顱骨表面標志建立6個電極定位區；
④通過當今世界先進的磁共振醫學成像設備實現植入電極的精確導航并核實立 體位置及糾正偏差，應用磁共振成像技術既可以進行形態的觀察又可以進行功能的觀察， 同時從形態和功能上進行定位更有利于定位精確；
⑤本發明的突出優點就是能夠最大限度地維持動物顱腦自身固有的結構和形態， 應用不開顱的方法植入電極實現顱骨和腦組織的有效保護，減輕顱腦的機械損傷、出血、感 染、炎性反應，同時操作簡捷、快速；
⑥本發明即可用于鯉魚的腦立體定位，也可用于其他水生動物的腦立體定位，尤 其適用于包括海洋動物在內的水生動物在深水條件下能夠有效抗水壓從而長期維持生命 實現執行各種水下任務。


圖1是本發明的原點、唇點和參照點構成水平基準面原理圖2是本發明的鯉魚顱骨表面電極定位區分區示意圖3是電極定位區劃線(7)、⑶、(9)、(10)對應的顱骨表面標志側視圖。
具體實施方式
本發明是根據顱骨表面標志與顱內腦組織結構具有著一定的立體對應關系，利用 對應關系在顱骨表面建立植入電極的坐標區，每一個坐標區就是一個坐標系。以下分九個 部分介紹具體實施方式
1、頭顱的固定
應用水產麻醉劑麻醉鯉魚，然后將麻醉的鯉魚撈出，將魚嘴、背鰭鰭棘和兩側鰓蓋 骨的4個特征點夾持進行4點固定，以保持魚體平衡且對中。
2、平面的確定
本發明方法確定水平基準面、矢狀面、冠狀面3個平面。如圖1所示，將顱骨表面 正中線與頭部和軀干第一片魚鱗交點定為坐標系原點即零坐標0(3)，以上嘴唇中點為唇點 O)，以唇點之上的垂直高度H處位置定為參考點(1)，將經過原點和參考點的直線作為標 準線。將經過標準線的水平面定為水平基準面，將經過包括原點的標準線且與水平基準面 垂直的平面定為矢狀面，將經過原點且與水平基準面和矢狀面均垂直的平面定為冠狀面。 根據不同體重級別的鯉魚進行實驗分組，進行各實驗組有關數值的統計，統計數據可作為 不同體重級別組鯉魚確定腦立體定位水平基準面的依據。
3、定位區的建立
顱骨表面標志與顱內腦組織各結構有著一定的立體對應關系，根據對應關系在顱 骨表面建立植入電極的坐標區，每一個坐標區就是一個坐標系。
如圖2所示，以中線為軸身體兩側對稱，背鰭第一根鰭棘是居身體中線上，從第一 根鰭棘至原點方向是正中線方向，從魚嘴至頭部與軀干交接處即頭部與軀干第一片魚鱗交 界點，在頭部皮膚表面沿正中線即沿Y軸方向用鈍物劃一直線(5)；以左眼眶上邊緣為基 準，平行于直線(5)劃一直線；以右眼眶上邊緣為基準，平行于直線(5)劃一直線(6)。 如圖2和圖3所示，以左眼眶前邊緣和右眼眶前邊緣為參照點經過并垂直于直線(5)即沿 X軸方向劃一連線(7)；以左眼眶后邊緣和右眼眶后邊緣為參照點經過并垂直于直線(5)劃 一連線(8)；以兩側鰓蓋骨與兩塊眼眶骨交接活動關節點為參照點經過并垂直于直線(5) 劃一連線(9)；以頭部與軀干第一片魚鱗交接點為參照點經過并垂直于直線(5)劃一直線 (10)。本發明將顱骨表面分成6個電極坐標區A區、B區、C區、D區、E區和F區。
4、坐標的確定
本發明根據鯉魚腦定位圖譜或實驗統計數據，應用腦立體定位儀在每個坐標區中 標記各電極的坐標位置。在A區和B區植入電極時，以直線⑶與直線(5)的交點為坐標 原點，根據XY坐標系的X軸和Y軸數值，確定植入電極的坐標位置；同理，在C區和D區植 入電極時，以直線(9)和直線(5)的交點為坐標原點，確定植入電極的坐標位置；在E區和 F區植入電極時，以直線(10)和直線(5)的交點為坐標原點，確定植入電極的坐標位置。
5、顱骨的鉆孔
應用開顱鉆在電極坐標位置上進行顱骨鉆孔，將顱骨鉆透但不要傷及腦組織。
6、電極的植入
本發明不需要開顱手術以避免更大的損傷，將電極經鉆孔直接穿過沿著坐標系Z 軸方向植入指定的腦功能區或神經核團，根據需要在不同的坐標區植入一定數量的電極。
7、成像設備的導航定位
應用磁共振醫學成像設備對電極植入過程進行引導，顯示植入電極在腦組織中的 三維立體位置，核實位置并根據需要調整偏差，精確進行三維立體定位。
8、電極的固定
應用牙科水泥封閉顱骨鉆孔以固定植入電極，并且可以防止滲水。
9、電極的連線
植入電極末端通過導線與儀器相連可收集腦電信號進行處理和分析；或者傳導儀 器發出的電信號控制鯉魚的生物行為；或者與搭載鯉魚身體上的無線移動網絡通信遙控信 號接收裝置相連進行生物行為的遙控。
具體實例
首先將鯉魚浸泡于丁香酚水產麻醉劑溶液中，然后將麻醉的鯉魚從溶液中撈出， 固定于腦立體定位儀，水平位夾持魚嘴，向上輕輕牽拉并夾持背鰭鰭棘，對向夾持兩側鰓蓋 骨，進行4特征點固定，確保魚體處于平衡狀態且對中。
如圖1所示，將顱骨表面正中線與頭部和軀干第一片魚鱗交界處的交點定為坐標 系原點(3)，以上嘴唇中點為唇點O)，以唇點之上的垂直高度H處位置定為參考點(1)，將 經過原點和參考點的直線作為標準線。將經過標準線的水平面定為水平基準面，將經過包 括原點的標準線且與水平基準面垂直的平面定為矢狀面，將經過原點且與水平基準面和矢 狀面均垂直的平面定為冠狀面。本發明根據實驗統計結果，體重1.06士0. 12Kg成年鯉魚(η =50)的唇點比原點的垂直距離低3. 65士0. 31cm(P < 0. 05)。
如圖2所示，從魚嘴至頭部與軀干交接處即頭部與軀干第一片魚鱗交界點，用鉛 筆和直尺在頭部皮膚表面沿正中線用鈍物劃一直線(5)；以左眼眶上邊緣為基準，平行于 直線(5)劃一直線；以右眼眶上邊緣為基準，平行于直線(5)劃一直線(6)。如圖2和 圖3所示，以左眼眶前邊緣和右眼眶前邊緣為參照點經過并垂直于直線(5)劃一連線(7)； 以左眼眶后邊緣和右眼眶后邊緣為參照點經過并垂直于直線(5)劃一連線(8)；以兩側鰓 蓋骨與兩塊眼眶骨交接活動關節點為參照點經過并垂直于直線(5)劃一連線(9)；以頭部 與軀干第一片魚鱗交接點為參照點經過并垂直于直線(5)劃一直線(10)。劃成6個定位 區。
根據鯉魚腦結構定位圖譜或事先測定出來的X軸、Y軸和Z軸的實驗統計數值，應 用腦立體定位儀在每個坐標區中標記各電極的坐標。在A區和B區植入電極時，以直線(8) 與直線(5)的交點為坐標原點，根據XY坐標系的X軸和Y軸數值，確定植入電極的坐標位 置；在C區和D區植入電極時，以直線(9)和直線(5)的交點為坐標原點；在E區和F區植 入電極時，以直線(10)和直線(5)的交點為坐標原點。
應用開顱鉆在坐標位置上進行顱骨鉆孔，將電極經鉆孔直接穿過并沿著Z軸植入 指定的腦功能區或神經核團。應用磁共振成像設備成像，顯示植入電極在腦組織中的三維 立體位置，核實位置并調整偏差，精確進行三維立體定位。應用牙科水泥封閉鉆孔并固定植 入電極。植入電極通過導線與儀器相連或與搭載魚體上的無線信號接收裝置相連，將鯉魚 放回水中。
權利要求
1.鯉魚電極穿顱植入腦立體定位法，其特征在于包含以下步驟(1)麻醉鯉魚，將魚嘴、背鰭鰭棘和兩側鰓蓋骨的特征點夾持進行4點固定，保持魚體 平衡且對中；(2)確定水平基準面、矢狀面、冠狀面作為電極定位坐標系的3個平面，將顱骨表面 正中線與頭部和軀干第一片魚鱗交界處的交點定為坐標系原點(3)，以上嘴唇中點為唇點 (2)，以唇點之上的垂直高度H處位置定為參考點(1)，將經過原點和參考點的直線作為標 準線，將經標準線且與其平行的水平桿平面定為水平基準面；將經過包括原點的標準線且 與水平基準面垂直的平面定為矢狀面；將經原點且與水平基準面和矢狀面均垂直的平面定 為冠狀面；(3)根據鯉魚顱骨表面標志劃分為6個電極定位區，即6個電極坐標系，從魚嘴至頭部 與軀干交接處即頭部與軀干第一片魚鱗交界點，在頭部皮膚表面沿正中線即沿Y軸方向用 鈍物劃一直線(5)；以左眼眶上邊緣為基準，平行于直線(5)劃一直線；以右眼眶上邊 緣為基準，平行于直線(5)劃一直線(6)；以左眼眶前邊緣和右眼眶前邊緣為參照點經過并 垂直于直線(5)即沿X軸方向劃一連線(7)；以左眼眶后邊緣和右眼眶后邊緣為參照點經 過并垂直于直線(5)劃一連線(8)；以兩側鰓蓋骨與兩塊眼眶骨交接活動關節點為參照點 經過并垂直于直線(5)劃一連線(9)；以頭部與軀干第一片魚鱗交接點為參照點經過并垂 直于直線(5)劃一直線(10)；應用7條直線將顱骨表面分成6個區A區、B區、C區、D區、 E區和F區，每一個區就是一個電極坐標區，每一個坐標區就是一個坐標系；(4)根據魚腦立體定位圖譜或魚腦測量統計數據及顱骨標志，應用腦立體定位儀確定 植入電極的X軸、Y軸和Z軸的坐標位置；(5)不進行開顱手術，應用開顱鉆在電極坐標位置進行鉆孔，將電極經鉆孔穿過顱骨 而植入指定的腦神經結構中，應用牙科水泥封閉顱骨鉆孔并固定電極，植入電極末端通過 導線與儀器相連收，或通過導線與搭載在魚體上的無線移動網絡通信遙控信號接收裝置相 連；(6)應用磁共振成像設備進行導航并核對位置及糾正偏差，引導植入電極進行精確的 三維立體定位。
2.根據權利要求1所述的鯉魚電極穿顱植入腦立體定位法，其特征在于在所述步驟O)中的參考點H進一步分為以下步驟①以唇點之上的垂直高度H處位置定為參考點，此參考點數值是當魚體保持水平位置 時測定并統計的數據；②鯉魚按照體重級別來實驗分組，將同一組的測定數據進行統計，某一體重鯉魚參考 點H數值依照同一體重級別實驗組的統計數值應用。
3.根據權利要求1所述的電極穿顱植入腦立體定位法用于水生動物的腦電信號處理 和生物行為控制。
全文摘要
一種鯉魚電極穿顱植入腦立體定位法，屬于腦立體定位技術領域。本發明主要解決不開顱將電極植入腦進行精確定位的問題。本發明方法是從魚嘴至頭與軀干第一片魚鱗交界點沿正中線劃一直線，以兩眼眶上邊緣為基準平行于正中線各劃一直線；沿兩眼眶前緣劃一連線，沿兩眼眶后緣劃一連線，在兩側鰓蓋骨與眼眶骨交接活動關節點之間劃一連線，經頭與軀干第一片魚鱗交接點并垂直于正中線劃一條線。7條線將顱骨表面分6個區，每個區是一個坐標系。利用嘴、背鰭和兩側鰓蓋骨夾持4點固定，腦立體定位儀定位，電極沿顱骨鉆孔植入腦，磁共振成像設備導航并糾正偏差實現不開顱三維立體精確定位。本發明適用于水生動物收集腦電或傳導電信號控制生物行為。
文檔編號A61B19/00GK102028546SQ20101061705
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月24日 優先權日2010年12月24日
發明者彭勇, 楊育林, 武云慧 申請人:燕山大學