УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОСПРОИЗВОДИМОЙ ДОЗИРОВАННОЙ КОНТУЗИОННОЙ ТРАВМЫ СПИННОГО МОЗГА У КРЫС
DEVICE FOR SIMULATING REPRODUCTABLE DOSED CONTRUSIVE SPINAL CORD INJURY IN RATS

Область техники.
Техническое решение относится к экспериментальному оборудованию, предназначенному для исследований в области экспериментальной неврологии, вертебрологии и нейрохирургии и может быть использовано для моделирования воспроизводимой дозированной контузионной травмы спинного мозга у крыс.
Уровень техники.
Для оптимизации условий восстановления спинного мозга при его повреждении и разработки новых способов лечения (в том числе новых лекарственных препаратов) требуется понимание механизмов травмирования и процессов, происходящих в невральных структурах после травмы. Моделирование травмы спинного мозга на животных моделях (чаще всего для этой цели используют крыс) позволяет воспроизводить повреждения, наиболее часто встречающиеся у человека. Для получения полной и объективной информации о процессах, происходящих в нервной ткани после травмы, необходимо проводить сравнительный анализ результатов исследований, полученных в различных лабораториях. Возможность осуществления воспроизводимой травмы спинного мозга имеет значение для минимизации неврологических, биохимических и гистологических вариаций между экспериментальными животными. Для моделирования травмы спинного мозга у крыс, животное требуется зафиксировать в заданном положении, выполнить оперативный доступ и ляминоэктомию на необходимом уровне позвоночного столба, стабилизировать позвоночник, нацелить ударник на твердую мозговую оболочку спинного мозга, осуществить удар в намеченную область. Для обеспечения возможности сравнения результатов эксперимента параметры удара, ударный импульс, локализация приложения силы, условия расположения животного и условия удара должны быть воспроизводимы. Тяжесть наносимой травмы во всех случаях, выбранных для сравнения, должна быть одинакова и сопоставима.
Известны различные типы устройств для моделирования воспроизводимой контузионной травмы спинного мозга у экспериментальных животных, различающиеся по конструкции механизма привода элемента, наносящего удар (ударник), и источнику, обеспечивающему энергию удара.
Пневматические ударные устройства для моделирования воспроизводимой дозированной контузионной травмы спинного мозга у крыс состоят из пневматического цилиндра с ограниченным рабочим ходом ударного элемента. Величина ударного импульса определяется энергией сжатого газа, оказывающего давление на поршень, приводящий в движение ударник.
Основным элементом электромеханических устройств для моделирования контузионной травмы спинного мозга является шаговый двигатель, приводящий в движение стойку ударного механизма. Энергия удара определяется величиной усилий, генерируемых электромеханическим приводом.
В электромагнитных устройствах для моделирования воспроизводимой дозированной контузионной травмы спинного мозга у крыс смещение ударного элемента производится с помощью электромагнитного вибрационного генератора. Энергия удара определяется величиной усилий, генерируемых электромагнитным приводом.
В устройствах, основанных на принципе использования энергии сжатой пружины, энергия удара определяется силой, которую способна генерировать сжатая пружина.
В устройствах, основанных на принципе свободного падения калиброванного груза с заданной высоты, тяжесть наносимой травмы и энергия удара определяются силой тяжести, массой и высотой падения груза.
Например, известен пневматический импактор с ограниченным ходом (источник [1] Anderson T.E. A controlled pneumatic technique for experimental spinal cord contusion // Journal of neuroscience methods. – 1982. – Vol. 6. – No. 4. – P. 327-333. DOI: 10.1016/0165-0270(82)90033-4), состоящий из пневматического цилиндра, установленного на горизонтальной балке, подвешенной на вертикальные опоры. Поперечная балка регулируется по высоте в диапазоне 50 мм с разрешением 0,25 мм. Стопорные винты обеспечивают фиксацию в выбранном положении. Сменный наконечник ударного элемента навинчивается на шток поршня и центрируется над твердой мозговой оболочкой спинного мозга. На клапан подается давление воздуха, приводящее в действие поршень ударника. После компрессии поршень втягивается.
Также известен пневматический аппарат Луисвилльской системы травм (LISA) (источник [2] Wu X. et al. A tissue displacement-based contusive spinal cord injury model in mice // JoVE (Journal of Visualized Experiments). – 2017. – No. 124. – P. e54988. DOI: 10.3791/54988), состоящий из ударника, системы управления и источника сжатого воздуха. Программное обеспечение и блок управления позволяют пользователю устанавливать параметры моделируемой травмы. Ключевым компонентом устройства является лазерный дистанционный датчик, измеряющий положение ударника, его расстояние от спинного мозга и скорость нанесения травмы. Положение места нанесения травмы и уровень перемещения ударника регулируются микроприводами, которые контролируют движение в трех измерениях. Использование лазерного дистанционного датчика в сочетании с программным обеспечением позволяет получить градуированные и точно воспроизводимые травмы.
Известно электромеханическое устройство для повреждения спинного мозга – импактор Infinite Horizon (источник [3] Hi spinal cord impactor by Precision Systems & Instrumentation. User’s Manual. URL: http://www.presysin.com/Downloads/user-manual/IH-Impactor-v4-User-Manu-al.pdf (дата обращения: 09.03.2021), содержащий съемную фиксирующую пластину, пинцеты, основание, шкаф управления, съемные ударные насадки, персональный компьютер и программное обеспечение. Позвонки крысы жестко фиксируют пинцетами за остистые отростки. Гибкие шаровые опоры позволяют регулировать положение пинцетов в процессе фиксации позвонков. Пользователь определяет параметры моделируемой травмы, используя программное обеспечение системы. При запуске двигатель делает шаг, прикладывая крутящий момент к стойке, и перемещает стойку ударного элемента с встроенным датчиком силы и прикрепленным наконечником ударного элемента. Датчик силы определяет, когда заданное пользователем усилие прикладывается наконечником ударного элемента к спинному мозгу. Шаговый двигатель останавливается, и прикладывается противоположный крутящий момент, в результате чего стойка с ударным наконечником удаляется от спинного мозга. Стойка ударного элемента, датчик силы и наконечник ударного элемента можно поднимать или опускать с помощью регулятора оси Z.
Также известно электромеханическое устройство для моделирования контузионной травмы спинного мозга, являющееся модификацией импактора Infinite Horizon (источник [4] Ghorbani M. et al. Induction of traumatic brain and spinal cord injury models in rat using a modified impactor device // Physiology and Pharmacology. – 2018. – Vol. 22. – No. 4. – P. 228-239. URL: http://ppj.phypha.ir/article-1-1410-en.pdf (дата обращения: 09.03.2021), состоящее из платформы для животного, механических и электронных частей, и требующее использование специализированного программного обеспечения. Платформа для животного является мобильной по осям X и Y, и предназначена для правильного позиционирования животного перед созданием модели травмы. По бокам платформы расположены два зажима для фиксации позвоночника. Высота наконечника ударного элемента регулируется вручную. Устройство имеет мотор-редуктор (с внешним датчиком для подсчета шагов) и систему датчиков силы, сопряжённых с мини-компьютером и микроконтроллером. Мотор редуктора вызывает вертикальное перемещение штанги (наконечника ударного элемента). При достижении порогового уровня заданной силы, движение двигателя изменяется по команде микроконтроллера, и наконечник ударника отводится от спинного мозга.
Известны электромеханические устройства для повреждения спинного мозга импактор Нью-Йоркского университета (New York University (NYU) impactor system) и его электромагнитный аналог MASCIS (источник [5] Park J. H. et al. Analysis of equivalent parameters of two spinal cord injury devices: the New York University impactor versus the Infinite Horizon impactor // The Spine Journal. – 2016. – Vol. 16. – No. 11. – P. 1392-1403. DOI: 10.1016/j.spinee.2016.06.018), содержащие платформу для размещения животного, стабилизирующие рычаги с пинцетами, надежно фиксирующие позвоночник во время операции, индивидуальную систему крепления и микроконтроллер на ударном элементе. В устройстве NYU падение груза инициируется вручную, тогда как в импакторе MASCIS контузионный стержень удерживается электромагнитной частью устройства до получения команды на освобождение, поступающей через плату сбора данных. Программное обеспечение NYU / MASCIS позволяет считывать параметры контузии с датчика, установленного на оси X и Y.
Указанные устройства [1, 2 ,3, 4, 5] требуют наличия источника электрической или пневматической энергии для привода ударника. Величина ударного импульса зависит от множества факторов и может изменяться в зависимости от особенностей механизма привода ударника. Шаговый двигатель, пневматический цилиндр и электромагнитный вибрационный генератор требуют наличия механизмов управления и контроля, при этом возможно накопление ошибки в определении величины ударного импульса. Устройства требуют частого технического обслуживания, оценки исправности и наличия специализированного программного обеспечения, а также специального обучения персонала и практических навыков работы с ним. Это технически сложные устройства с характерными достоинствами и недостатками, возникающими при усложнении любых устройств, дополнении или замещении механической части электрическими компонентами. Это системы, создание и эксплуатация которых требует существенных затрат, в результате чего они становятся недоступными для многих лабораторий. Кроме того, лазерное излучение дистанционного датчика [2] может вызвать дополнительное травмирующее воздействие на структуры спинного мозга.
В устройствах с механическим пружинным приводом количество применяемых узлов, которые способны вносить отклонения в величину ударного импульса, меньше, что позволяет снизить величину отклонения ударного импульса при повторении эксперимента. Например, известно устройство с ударно-спусковым механизмом для моделирования очагового поражения головного мозга (источник [6] патент RU 2414005), состоящее из корпуса, гайки опорной, ударного механизма (шток с ввинчиваемым в него бойком), спускового механизма (рычаг взведения и спусковой рычаг) и винта поджатия, служащего упором приводной пружине и используемого для регулировки усилия пружины. К опорной гайке может крепиться лазерный целеуказатель и/или дополнительное оборудование. Корпус представляет собой полый цилиндр, в верхней части которого имеется внутренняя резьба, соответствующая резьбе на винте поджатия, для выполнения резьбового соединения с последним. В нижней части корпус соединен с опорной гайкой посредством резьбы на внешней поверхности соответствующей части корпуса. В корпусе также имеется прорезь для беспрепятственного перемещения рычага взведения вдоль оси ударного механизма.
Сменные приводные пружины с различными диапазонами жесткости и наличие винта поджатия, регулирующего усилия установленной пружины, обеспечивают требуемое дозируемое ударное воздействие для получения моделей поражения определенной степени тяжести. Однако сменные пружины имеют нестабильную жесткость и имеют свойство изменять жесткость при эксплуатации. Кроме того, жесткость пружин одного размера, но из разных партий, меняется в широких пределах, так что величина ударного импульса может существенно отличаться при воспроизведении удара. Помимо этого, в устройстве не предусмотрена возможность стабилизации позвонков, что усложняет точное позиционирование экспериментального животного, фиксацию и стабилизацию позвоночника в заданном положении в момент нанесения удара.
В этом контексте механические устройства со свободно падающим грузом выглядят более привлекательно, так как ударный импульс зависит от меньшего количества факторов. Воспроизводимость травмы и степень ее точности у более простых механических устройств может быть выше в связи с меньшим количеством конструктивных элементов, каждый из которых вносит вклад в общее отклонение параметров удара. Кроме того, эксплуатация механических устройств менее затратна, а сами устройства более доступны для создания и широкого применения в лабораториях.
Известно устройство свободного падения груза для моделирования контузионной травмы спинного мозга у крыс (источник [7] Soblosky J.S., Song J.H., Dinh D.H. Graded unilateral cervical spinal cord injury in the rat: evaluation of forelimb recovery and histological effects // Behavioural brain research. – 2001. – Vol. 119. – No. 1. – P. 1-13. DOI: 10.1016/S0166-4328(00)00328-4), состоящее из пластиковой серологической пипетки, внутри которой скользит металлический стержень с закрепленным на верхнем конце тефлоновым шариком. На шарик с разной высоты сбрасывается груз для создания травмы спинного мозга.
Устройство [7] не обеспечивает возможность точного позиционирования экспериментального животного, фиксацию и стабилизацию позвоночника в заданном положении в момент нанесения удара. Кинетическая энергия падающего груза передается на ударный элемент с потерями за счет упругости шарика. Кроме того, упругость шарика приводит к пружинящему эффекту, отскакиванию и вторичному удару груза по шарику. Вследствие этого, получаемое ударное воздействие отличается от ударного воздействия в стандартной экспериментальной модели ушиба спинного мозга, что требует необходимости применения тензодатчика для подбора высоты падения груза и его массы для получения параметров, соответствующих параметрам свободного падения груза на объект. Неизбежное трение стержня и шарика о стенки пипетки влияют на величину ударного импульса. Величина сил трения увеличивается при отклонении продольной оси пипетки от вертикали, но в устройстве нет механизмов, обеспечивающих контроль и регулировку вертикальности положения пипетки. В результате величина ударного импульса может изменяться при воспроизведении.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является аппарат для получения градуированных, воспроизводимых повреждений спинного мозга у крыс (источник [8] Noble L.J., Wrathall J.R. An inexpensive apparatus for producing graded spinal cord contusive injury in the rat // Experimental neurology. – 1987. – Vol. 95. – No. 2. – P. 530-533. DOI: 10.1016/0014-4886(87)90162-2). Аппарат состоит из основания в виде опорной плиты, к которой крепится П-образная рамка, состоящая из двух стоек и перекладины. Сверху на основание установлена платформа для размещения и начального выравнивания животного, имеющая возможность перемещения вдоль одной оси Y. На перекладине закреплена Т-образная штанга, являющаяся основой для фиксации двухкоординатного механизма перемещения, позволяющего осуществлять смещение прикрепленного к нему ударного устройства по двум осям Х и Z. Ударное устройство, предназначенное для сброса груза, прикреплено к механизму перемещения винтами и состоит из латунного стержня с надетым на него цилиндрическим грузом. Спусковой механизм выполнен в виде штифта, установленного в отверстия латунного стержня. Штифт удерживает груз от падения, когда стержень вертикален, и от скольжения, когда стержень отклонен от вертикали. При удалении штифта груз под действием силы тяжести перемещается вдоль латунного стержня и ударяет по латунному кольцу С-образной формы, к которому плотно прилегает верхняя часть тефлонового демпфера. Таким образом, ударный импульс груза передается через латунное C-образное кольцо на тефлоновый демпфер, оснащенный наконечником (ударником), лежащим на твердой мозговой оболочке спинного мозга. На С-образном кольце могут быть установлены тензодатчики для измерения фактической величины силы удара. Позвоночный столб крысы стабилизируется с помощью хирургических зажимов, которые удерживаются в заданном положении двумя гибкими стойками. Магнитно-гидравлические основания платформы имеют двухпозиционный переключатель, позволяющий перемещать платформу по двум осям Х и Y, осуществлять грубое позиционирование животного и фиксировать положение.
Кинетическая энергия падающего груза передается на ударник с потерями за счет упругости тефлонового демпфера и упругости С-образного латунного кольца, что приводит к пружинящему эффекту: отскакиванию и вторичному удару груза. Механизм спуска груза, включающий снимаемый штифт, вставленный в одно из нескольких отверстий, просверленных в штанге, допускает возможность контакта штифта с телом груза в начале падения, что может оказать влияние на величину ударного импульса. Для извлечения штифта не предусмотрен какой-либо механизм, сокращающий время извлечения штифта до десятитысячных или до десятых долей секунды. Величина сил трения увеличивается при отклонении продольной оси латунного стержня от вертикали, но в устройстве нет средств, обеспечивающих контроль и регулировку вертикальности положения латунного стержня. Величина ударного импульса может изменяться при воспроизведении в зависимости от положения латунного стержня и от скорости извлечения штифта. Вследствие этого, воспроизводимое ударное воздействие каждый раз отличается от ударного воздействия в стандартной экспериментальной модели ушиба спинного мозга, что требует необходимости применения тензодатчика для подбора и корректировки высоты падения груза либо массы груза для получения заданных параметров ударного импульса. Кроме того, существует трудность для установки и определения нулевой точки для ударного элемента. Для устройств со свободно падающим грузом важно обеспечить свободу падения груза так, чтобы снизить возможность трения повлиять на величину ударного импульса. Манипулятор, расположенный на Т-образной штанге, не позволяет обеспечить и проконтролировать строго вертикальное положение латунного стержня, на котором расположен груз. В результате отклонения от вертикали, груз при падении способен скользить по поверхности стержня, и каждый раз трение различной силы влияет на величину ударного импульса. Кроме того, использование для наведения ударника двухкоординатного механизма перемещения, размещенного на Т-образной штанге и соединенного с ударным устройством, повышает риск повлиять на вертикальное положение латунного стержня при прицеливании и манипулировании положением ударника. П-образная рама, состоящая из двух стоек, ограничивает пространство возле платформы и затрудняет осуществление манипуляций с животным.
Таким образом, известные устройства, в силу своей конструкции, не позволяют получать достоверные результаты и сравнивать их, не обеспечивают различным лабораториям реальную возможность использовать единообразную воспроизводимую модель травмы спинного мозга в своей работе и получать сведения, позволяющие осуществлять сопоставительный анализ результатов эксперимента, проведенного в различных лабораториях.
Известные устройства не позволяют простым путем получать удар в заданное место, выполненный с заданной величиной ударного импульса, который можно многократно воспроизвести с достаточной точностью по месту и величине ударного импульса, а также с возможностью изменять величину ударного импульса.
Сущность технического решения.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства для моделирования воспроизводимой дозированной контузионной травмы спинного мозга у крыс, позволяющего создавать удар заданной величины ударного импульса, наносить удар в заданное место с достаточной точностью и многократно повторять удар с минимальными отклонениями по величине максимальной силы и продолжительности удара, площади воздействия и расположению места воздействия, которыми можно пренебречь при сопоставительном анализе результатов воздействия удара, а также с возможностью изменять величину ударного импульса и, соответственно, тяжесть травмы. При этом можно регулировать одновременно силу удара и тяжесть травмы, меняя как массу груза, так и высоту его падения.
Технический результат достигается тем, что устройство для моделирования воспроизводимой дозированной контузионной травмы спинного мозга у крыс содержит основание, на котором, с возможностью перемещения, расположена платформа, предназначенная для размещения экспериментального животного, оснащенная шарнирными манипуляторами, расположенными по краям платформы. На концах манипуляторов расположены зажимы с возможностью изменения их пространственного положения. Фиксация манипуляторов позволяет неподвижно стабилизировать зажимы в выбранном положении. Ударное устройство с падающим грузом, установленное на основании посредством стойки, содержит ударник и спусковой механизм. Предлагаемое устройство отличается тем, что основание состоит из двух частей, верхней подвижной части и нижней неподвижной части, соединенных между собой посредством механизма двухкоординатного перемещения объекта в горизонтальной плоскости. На подвижной части установлена платформа для размещения животного. На неподвижной части основания закреплена вертикальная стойка. На вертикальной стойке расположен держатель, с возможностью продольного перемещения, поворота и фиксации на стойке; в держателе установлена горизонтальная штанга с возможностью продольного перемещения, поворота и фиксации в держателе. На конце горизонтальной штанги, посредством механизма однокоординатного перемещения, неподвижно соединенного с ней (со штангой) под углом 90°, закреплено ударное устройство. Механизм однокоординатного перемещения состоит из двух частей - подвижной и неподвижной. На подвижной части закреплена трубка, внутри которой расположен ударник. Также на подвижной части расположен спусковой механизм, содержащий штифт, проведенный в отверстие в трубке и контактирующий с ударником. Спусковой механизм содержит рычаг, большим плечом шарнирно соединенный со штифтом и предназначенный для уменьшения времени извлечения штифта. Неподвижная часть механизма однокоординатного перемещения оснащена индикатором уровня – круглым пузырьковым уровнем для контроля соответствия положения продольной оси трубки ударника вертикали. Механизм однокоординатного перемещения оснащен шкалой для контроля величины взаимного перемещения его частей и изменения положения ударника.
Предусмотрено, что ударник выполнен в форме стержня с пазами и съёмной головкой. При этом можно регулировать одновременно силу удара и тяжесть травмы, меняя как массу груза, так и высоту его падения.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств и повышение доступности устройств, обеспечивающих возможность моделирования стандартной контузионной травмы спинного мозга у крыс и позволяющих получать неврологические, патофизиологические и патоморфологические изменения у экспериментальных животных, характерные для данного вида травм, а также сравнивать полученные результаты в рамках многоцентрового исследования.
Под стандартной травмой здесь понимается травма, полученная от удара, выполненного с заданной величиной ударного импульса. При последующих воспроизведениях травмы величина ударного импульса изменяется ничтожно и ею можно пренебречь при сопоставительном анализе результата ударного воздействия.
Удар характеризуется максимальной силой, действующей на заданной площади соприкосновения ударяющихся тел, в заданный промежуток времени, при этом здесь подразумевается, что время удара – это очень короткое время – от десятитысячных, до десятых долей секунды.
Разработанное устройство позволяет получить воспроизводимую дозированную контузионную травму спинного мозга у крыс с биохимическими, гистологическими и неврологическими изменениями, сопоставимыми с результатами других исследователей, что дает возможность проводить работу в рамках многоцентрового исследования с целью изучения патоморфологических и патофизиологических процессов и отработки методов лечения.
Изобретение поясняется графическими материалами:
Фиг.1 – устройство, общий вид;
Фиг.2 – ударный механизм устройства, спусковой механизм во взведенном состоянии;
Фиг.3 – ударный механизм устройства, спусковой механизм после осуществления удара.
Спецификация:
1 – основание;
2 – нижняя неподвижная часть;
3 – верхняя подвижная часть;
4 – механизм двухкоординатного перемещения;
5 – платформа;
6 – шарнирный манипулятор;
7 – зажим;
8 – вертикальная стойка;
9 – держатель;
10 – горизонтальная штанга;
11 – механизм однокоординатного перемещения;
12 – ударное устройство;
13 – подвижная часть;
14 – неподвижная часть;
15 – направляющий цилиндр;
16 – ударник;
17 – спусковой механизм;
18 – штифт;
19 – рычаг;
20 – большее плечо рычага;
21 – индикатор уровня;
22 – шкала;
23 – стержень;
24 – головка;
25 – ножки.
Осуществление устройства
для моделирования воспроизводимой дозированной контузионной травмы спинного мозга у крыс (фиг. 1; 2; 3). Устройство содержит основание 1, состоящее из двух частей – нижней неподвижной части 2 и верхней подвижной части 3, соединенных между собой механизмом двухкоординатного перемещения 4 в горизонтальной плоскости. Механизм двухкоординатного перемещения 4 выполнен самофиксируемым, с использованием червячно-реечной передачи. Неподвижная часть 2 основания 1 оснащена ножками 25 регулируемой высоты, дающими возможность надежно зафиксировать устройство на хирургическом столе и устранить отклонения рабочей поверхности от вертикальной или горизонтальной плоскости (для этого на рабочую поверхность помещают ещё один (съемный) индикатор уровня). На подвижной части 3 основания 1 установлена платформа 5 для размещения экспериментального животного. Механизм двухкоординатного перемещения 4 обеспечивает горизонтальное перемещение платформы 5 относительно неподвижной части 2 основания 1 по осям X - Y с помощью червячно-реечного передаточного механизма, приводимого в движение путем вращения двух рукояток: рукоятки перемещения объекта в поперечном направлении и рукоятки перемещения объекта в продольном направлении. Платформа 5 имеет по заднему краю перфорированные отверстия для крепления объектных манипуляторов 6 для стабилизации позвоночника и выборку прямоугольной формы для расширения диапазона перемещения платформы 5 по осям Х – Y.
В перфорированные отверстия платформы 5 установлены два шарнирных манипулятора 6, на концах которых расположены зажимы 7 с возможностью изменения их пространственного положения. Фиксация манипуляторов 6 посредством закручивания фиксирующих винтов позволяет неподвижно стабилизировать зажимы 7 в выбранном положении. Зажимы 7 представляют собой пинцеты с изогнутыми концами и служат для жесткой фиксации позвоночника крысы во время моделирования травмы. Бранши пинцетов имеют по три окончатых отверстия: два отверстия каждой бранши предназначены для фиксации пинцетов к шарнирным соединениям, одно предназначено для удержания бранш в сомкнутом состоянии при помощи винта с гайкой-барашком. В местах фиксации пинцетов к шарнирным соединениям установлены шайбы Гровера для увеличения углового перемещения пинцетов.
На неподвижной части 2 основания 1 закреплена вертикальная стойка 8. На вертикальной стойке 8 расположен держатель 9, с возможностью перемещения по оси Z, поворота и фиксации на стойке 8. В держателе 9 установлена горизонтальная штанга 10 с возможностью продольного перемещения, поворота и фиксации в держателе 9.
На конце горизонтальной штанги 10, неподвижно закреплен механизм однокоординатного перемещения 11. Механизм однокоординатного перемещения 11 состоит из двух частей, подвижной 13 и неподвижной 14. На подвижной части 13 механизма однокоординатного перемещения 11 закреплено ударное устройство 12, состоящее из направляющего цилиндра 15, ударника 16 и пружинящего спускового механизма 17. Направляющий цилиндр 15 представляет собой трубку, имеющую отверстие для штифта 18 спускового механизма 17. Ударник 16 выполнен в виде стержня 23 со свободно перемещающимся по нему грузом в виде головки 24. Стержень 23 ударника 16 имеет пазы, позволяющие изменять высоту падения груза.
Спусковой механизм 17 содержит штифт 18 и рычаг 19, предназначенный для уменьшения времени извлечения штифта 18. Рычаг 19 большим плечом 20 шарнирно соединен со штифтом 18. Неподвижная часть 14 механизма однокоординатного перемещения 11 оснащена индикатором уровня 21, для контроля соответствия положения продольной оси трубки 15 и ударника 16 оси Z (вертикальному положению). Механизм однокоординатного перемещения 11 оснащен шкалой 22 для контроля величины взаимного перемещения частей 13 и 14 и положения ударника 16. Механизм однокоординатного перемещения 11 выполнен с микрометрическим суппортом, позволяющим двигать его по оси Z очень плавно с помощью микрометрического винта.
При моделировании травмы можно регулировать одновременно силу удара и тяжесть травмы, меняя как массу ударника (меняя головки), так и высоту падения груза, за счет фиксации штифта 18 в пазах стержня 23 ударника 16.
Устройство работает следующим образом.
Для моделирования травмы спинного мозга у крыс, животное требуется зафиксировать в заданном положении, выполнить оперативный доступ и ляминоэктомию на необходимом уровне позвоночного столба, стабилизировать позвоночник, нацелить ударник на твердую мозговую оболочку спинного мозга, осуществить удар в намеченную область.
Перед началом работы устройство устанавливают на рабочем столе и регулируют для соответствия расположения поверхностей вертикальной и горизонтальной плоскости с использованием индикаторов уровня. Выравнивание рабочей поверхности платформы 5 в горизонтальной плоскости осуществляют путем регулировки ножек 25 основания 1 по показателям съемного индикатора уровня, устанавливаемого на платформе. Выравнивание ударного устройства 12 в вертикальной плоскости осуществляют путем ослабления и последующего затягивания винтов держателя 9 по показателям индикатора уровня 21. Грубую регулировку высоты ударного устройства 12 осуществляют путем перемещения горизонтальной штанги 10 вдоль стойки 8. Индикатор уровня 21 позволяет обеспечить и проконтролировать строго вертикальное положение трубки 15, в которой расположен ударник 16. В результате не допускается отклонения трубки 15 от вертикали, что позволяет уменьшить до минимума площадь контакта ударника 16 с трубкой 15 и обеспечить снижение величины сил трения, сохраняя при воспроизведении удара установленную величину ударного импульса.
После выполнения оперативного доступа к позвоночному столбу и ляминэктомии крысу помещают на рабочую поверхность платформы 5. Зажимы 7 манипуляторов 6 для стабилизации позвоночника фиксируют на остистых отростках позвонков животного путем закручивания гаек-барашков. Зажимы 7 в виде пинцетов с гайками-барашками обеспечивают надежную фиксацию и стабилизацию позвоночника в заданном положении в момент нанесения удара. Позвоночник крысы выравнивают относительно координатных осей и фиксируют в выбранном положении при помощи фиксирующих винтов манипуляторов 6. Расположение ударника 16 на одной стойке 8 освобождает пространство возле платформы 5 и не затрудняет осуществление манипуляций с животным.
Головку 24 груза перемещают вниз по стержню 23 на высоту, превышающую диаметр спинного мозга в месте нанесения травмы. Ударник 16 устанавливают в направляющую трубку 15. Путем регулировки рукояток механизма двухкоординатного перемещения 4 основания 1 рабочий конец ударника 16 устанавливают строго над спинным мозгом животного, в намеченную для удара область. Механизм двухкоординатного перемещения 4 обеспечивает возможность точного позиционирования экспериментального животного и фиксацию в заданном положении во время нанесения удара. Далее регулировкой микрометрического винта механизма однокоординатного перемещения 11 трубку 15 с ударником 16 перемещают по вертикали до соприкосновения рабочего конца ударника 16 с твердой мозговой оболочкой спинного мозга.
Ударник 16 извлекают из направляющей трубки 15, головку 24 груза возвращают в исходное положение, перемещая вверх по стержню 23. Затем ударник 16 вновь устанавливают в направляющую трубку 15 с одновременной его фиксацией штифтом 18 в выбранный паз стержня 23 ударника 16.
Перемещением малого плеча спускового рычага 19 ударного устройства 12 производят извлечение штифта 18 из отверстия направляющей трубки 15 с высокой скоростью. За счет момента, развиваемого большим плечом 20, штифт 18 выходит из контакта с ударником 16 и происходит свободное падение ударника 16 на спинной мозг крысы. Спусковой механизм 17 с рычагом 19 исключает возможность продолжительного контакта штифта 18 со стержнем 23 ударника 16 в начале падения и не оказывает влияние на величину ударного импульса, так как сокращается время извлечения штифта до десятитысячных долей секунды. Ударник 16 движется под действием гравитации и собственной массы, в результате свободного падения на спинной мозг сообщает ему свою кинетическую энергию, тем самым повреждая его структуры. Кинетическая энергия падающего ударника 16 передается непосредственно в область удара. Строго вертикальное положение трубки 15 позволяет избежать потерь энергии в ходе трения. Для получения заданных параметров ударного импульса необходимо использовать груз одной и той же массы и устанавливать его на одну и ту же высоту.
После нанесения травмы ударник 16 извлекают из трубки 15, ударную часть устройства 12 перемещают вверх, ослабляют фиксирующие винты манипуляторов 6 и гайки-барашки зажимов 7 и животное перемещают с рабочей поверхности платформы 5.
Устройство не требует наличия источника электрической или пневматической энергии для привода ударника, величина ударного импульса зависит только от массы груза и высоты падения. Устройство не требует частого технического обслуживания, оценки исправности и наличия программного обеспечения, а также не требует длительного обучения. Устройство позволяет многократно получать стандартный удар с заданной величиной ударного импульса и формировать достоверные результаты в эксперименте, а затем сравнивать их.
Таким образом, конструктивно простое устройство может быть реализовано и применено во множестве лабораторий, позволяя моделировать воспроизводимую дозированную контузионную травму спинного мозга у крыс.
Устройство может быть изготовлено на современном промышленном оборудовании из известных материалов и использовано по назначению при выполнении экспериментальных исследований. Кроме того, устройство может быть собрано из известных деталей и узлов, имеющихся в продаже.
Раскрытое устройство расширяет арсенал доступных технических средств для моделирования стандартной контузионной травмы спинного мозга у крыс. При воспроизведении удара величина ударного импульса изменяется на величину, которой можно пренебречь при сопоставительном анализе результата ударного воздействия.
Разработанное устройство позволяет получить воспроизводимую дозированную контузионную травму спинного мозга у крыс с биохимическими, гистологическими и поведенческими изменениями, сопоставимыми с результатами других исследователей, что дает возможность проводить работу в рамках многоцентрового исследования с целью изучения патоморфологических и патофизиологических процессов и апробации новых способов лечения (в том числе новых лекарственных препаратов).