Устройство для хирургической иммобилизации животных с травматическими повреждениями спинного мозга

УДК 619:616-089; 619:616-7

Альбертин С.В. Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, г. Москва

Введение. Актуальной проблемой ветеринарии в области нейрохирургии является разработка эффективных и недорогих стереотаксических аппаратов, необходимых для проведения сложных хирургических операций, связанных с травмами спинного мозга и сочетанными повреждениями органов брюшной полости. Особого внимания заслуживают разработки стереотакси-ческих аппаратов, адаптированных для хирургического лечения и реабилитации животных с тяжелыми травмами позвоночника, сопровождаемыми разрывом спинного мозга. Хирургическая операция по декомпрессии спинного мозга и стабилизации позвоночного столба у этих животных всегда сочетается с интенсивной терапией, направленной на восстановление нервной проводимости спинного мозга и улучшения трофических свойств нервной системы. Необходимость проведения при этом регулярных лечебных сеансов мишень-ориен-тированной электростимуляции проводящих путей спинного мозга [7, 9] и внутриспинальной трансплантации стволовых нервных клеток [8,11] требует осуществлять реабилитацию, послеооперационные физиотерапевтические процедуры [10, 12] и уход за оперированным животным в условиях его продолжительной иммобилизации в стерео-таксическом аппарате. Проведенные нами ранее исследования показали, что так называемая спонтанная реабилитация ламинэктомиро-ванных животных, проводимая без вышеуказанных терапевтических процедур, полностью не восстанавливает нарушения двигательных функций, несмотря на интенсивное послеоперационное обучение животного [3].

Для хирургической фиксации головного и спинного мозга животных используются серийно выпускавшиеся стереотаксические приборы СЭЖ-3 производства Института физиологии им. А.А.Богомольца [6]. У данного прибора фиксирующие элементы расположены на многочисленных изолированных вертикальных стойках, что создает известные неудобства в работе, в частности, затрудняет свободный доступ к различным отделам головного и спинного мозга и проведение необходимых манипуляций, а также не обеспечивает фиксацию различных отделов мозга в единой системе координат.

Известна также стереотаксическая рама [4], закрепленная с возможностью осевого вращения вокруг полуосей на станине прибора, где средства фиксации животного - ленточный фиксатор для укрепления туловища животного, стальная спица и упорная втулка для крепления позвонков, - закреплены сверху на продольных элементах рамы с возможностью перемещения вдоль них в ограниченных пределах, что в свою очередь, ограничивает оперативные возможности. Отметим, что у широко используемого в отечественных лабораториях стереотаксиса фирмы «Медикор» [5] несомненным преимуществом является широкая направляющая рама аппарата, которая позволяет фиксировать голову различных по размеру подопытных животных (кролик, кошка, собака, обезьяна) и значительно увеличить площадь свободного доступа к исследуемому объекту. Однако данные аппараты имеют короткую направляющую раму, которая не приспособлена для крепления позвоночника и проведения хирургических операций на различных отделах спинного мозга.

Кроме того, вышеуказанные устройства имеют следующие ограничения:

1. Устройства не обеспечивают фиксацию различных отделов центральных нервной системы (головного и спинного мозга) в единой системе координат.

2. Устройства не обеспечивают свободный доступ к брюшной поверхности туловища и конечностям фиксированного животного.

3. Устройства не позволяют адекватно регистрировать двигательные реакции при оперативных воздействиях на спинной мозг животного.

4. Устройства не позволяют эффективно контролировать восстановление двигательных функций животного, оперированного после травм позвоночника, связанных с повреждением спинного мозга и его проводящих путей.

5. Устройства не обеспечивают оптимальных условий для ухода за оперированным животным в условиях его продолжительной иммобилизации в стереотаксическом аппарате.

6. Устройства не обеспечивают возможности проведения регулярной дозированной двигательной нагрузки для поддержания в нормальном функциональном состоянии мышечной, дыхательной и сердечно-сосудистой систем оперированного животного при продолжительной иммобилизации в стереотаксическом аппарате.

Цель работы - расширение оперативных возможностей устройства путем расширения оперативного и операционного подходов к исследуемому объекту, а также создание оптимальных условий для проведения хирургических реакций, послеоперационного лечения и ухода за животным в условиях его продолжительной иммобилизации в стереотаксическом аппарате.

Рис. 1. Компоновка основных частей устройства для иммобилизации позвоночника в аксонометрии: стрелки - направление движения составных элементов опорного основания; обозначение элементов устройства приведены в тексте.

На рисунке 1 изображено предлагаемое устройство для иммобилизации позвоночника в аксонометрии, состоящее из трех разъемных частей: несущей рамы, опорного основания и лотка, где: 1 - продольные элементы несущей рамы устройства, служащие направляющими брусками для передвижения поперечных элементов рамы и нацеливателя электродов; 2 - поперечные элементы рамы устройства, несущие держатели тел позвонков, тазовых костей и остистого отростка позвонка; 3 - опорные стойки; 4 - опорное основание; 5 - продольные планки опорного основания; 6 - поперечные планки опорного основания; 7 - лоток; 8 - боковые вырезы лотка; 9 - поджимные гайки; 10 - винты фиксации.

Несущая рама (1), опорное основание (4) и лоток (7) устройства закрепляются поджимными гайками (9) на четырех металлических стойках (3), которые устанавливаются в сквозные отверстия опорного основания, боковые вырезы (8) лотка и сквозные отверстия продольных элементов (1) несущей рамы устройства, служащих направляющими для передвижения поперечных элементов (2) несущей рамы и нацеливателя электродов. На поперечных элементах (2) устройства размещены средства фиксации позвоночника, состоящие из держателей остистого отростка грудного позвонка, тазовых костей и тел позвонков. Опорное основание (4) выполнено в виде рамы, оснащенной продольными (5) и поперечными (6) планками с возможностью взаимного передвижения, которые крепятся на опорном основании винтами фиксации (10), установленными в прорезях опорного основания устройства. Лоток (7) имеет боковые вырезы (8) для его крепления к опорному основанию с помощью поджимных гаек (9). Торцевые концы продольных элементов (1) несущей рамы устройства для иммобилизации позвоночника снабжены проточками для размещения металлических стержней, которые оснащены шлемом-гамаком (рисунок 2) для крепления головы животного, или служат в качестве стыковочных стержней для механического сочленения устройства со стандартным стереотаксическим головодержателем (для упрощения эти элементы на схеме не показаны). При этом продольные элементы (1) несущей рамы соответствуют профилю рамы стереотаксического аппарата и служат полозками для свободного передвижения и установки консоли с нацеливателем электродов на основной раме стереотаксиса стандартного головодержателя и продольных элементах (1) устройства.

Рис. 2. Состав и компоновка узлов устройства для стереотаксическом фиксации позвоночника у животных в автономном исполнении (снизу) и при совместном использовании стандартного стереотаксического головодержателя (сверху): 1- направляющие бруски; 2 - держатель остистого отростка грудного позвонка; 3 - держатель тазовый; 4 - держатели позвонков; 5 - кронштейн; 6 - стыковочные штыри; 7а, 7б, 7в, 7г - фиксирующие винты; 8 - продольные клиновидные пазы направляющих брусков; 9 - консоль нацеливателя электродов стереотакса; 10 - рама стереотаксического головодержателя; 19 - держатели шарнирных манипуляторов; 20 - сквозные проточки; 21 - стержни лотка для поддержания туловища животного (остальные обозначения указаны в тексте статьи).

На рисунке 2 показано конструкция устройства в сборке. Направляющие бруски имеют симметрично расположенные продольные клиновидные пазы (8), которые предназначены для установки держателей позвоночника (2, 3, 4) и консоли нацеливателя для электродов сте-реотаксиса (9) и жестко крепятся к раме стереотаксического головодержателя (10) с помощью стыковочных штырей (6) и фиксирующих винтов (7а). Верхние грани направляющих брусков устройства с прилегающим пазом (8) соответствуют профилю ромбовидной рамы стереотаксического аппарата и служат полозками для свободного передвижения и установки консоли с нацеливателем электродов (9) на раме головодержателя и направляющих брусках устройства для фиксации позвоночника. Нижние грани направляющих брусков с прилегающим пазом (8) служат полозками для независимого передвижения и установки в необходимом положении спинного (2) и тазового (3) держателей. Держатели позвонков (4) перемещаются в требуемое положение с помощью кронштейна с прорезью (5), крепящегося к корпусу спинного и тазового держателей винтами (7в). При автономном использовании устройства голова подопытного животного мягко фиксируется в плоскости рамы устройства с помощью шлема-гамака (25) и упора для зубов (26), закрепленных на металлических стержнях (28), установленных в проточки продольных элементов (1) устройства.

Конструкция спинного и тазового держателей изображена на рисунке 3.

Рис. 3. Состав и конструкция держателей позвоночника: 2, 3 - корпус спинного и тазового держателей; 12 - симметричные зажимы держателя тазовых костей; 13 - пружина зажима; 14 - установочные винты зажима; 15 - осевые шпонки; 16 - прямоугольный паз для установки фиксирующего механизма; 17 - полка зажима; 18 - лапки зажима остистого отростка грудного позвонка; 7б - винты фиксации; 22 - фигурные пазы; 23 - отверстия для установочных винтов зажима; 24 - отверстия винтов, фиксирующих кронштейны держателей позвонков (остальные обозначения указаны в тексте статьи и на рис. 2)

Спинной и тазовый держатели различаются профилем фиксаторов-зажимов и содержат: корпус спинного и тазового держателей (2,

3); симметричные зажимы (12); пружину зажима (13); установочные винты зажима (14); винты (7б) для жесткого крепления спинного и тазового держателей к направляющим брускам; осевые шпонки, устанавливаемые в сквозные отверстия корпуса держателя (15). Профиль фиксаторов-зажимов, используемых в эксперименте, а также их размеры может быть различной в зависимости от вида подопытного животного. В корпусе держателя выбран прямоугольный паз (16) для установки фиксирующего механизма, а также фигурные пазы (22) для сочленения с направляющими брусками (1) устройства. Прижим и жесткое закрепление позвоночника животного осуществляется посредством вращения установочных винтов (14) держателей, которые при своем поступательном перемещении давят на полку (17) зажимов, вызывая их поворот вокруг оси с последующим сближением и плотным смыканием лапок зажима (18) друг с другом, обеспечивая таким образом жесткую фиксацию остистого отростка позвонка и тазовых костей животного в требуемом положении. Устройство позволяет осуществлять фиксацию тел отдельных позвонков с помощью вилок держателей позвонков (4), установленных на крон-штейне (5), который крепится к корпусу спинного и тазового держателей винтами (7в) (рисунок 2). Эти винты могут быть также использованы для крепления к корпусу держателей шарнирных манипуляторов электродов, хемотродов и датчиков (19), необходимых для проведения нейрофизиологических исследований спинного мозга животных. Дополнительные манипуляторы могут быть также установлены на кронштейне (5) держателей позвонков.

Конфигурация вилок держателей позвонков, используемых в эксперименте, а также их размеры могут быть различными в зависимости от вида (размера) подопытного животного и исследуемого отдела (шейный, грудной, поясничный) спинного мозга. Фиксация держателей позвонков в требуемом положении осуществляется винтами (7г).

Предлагаемое устройство надежно в эксплуатации, обеспечивает жесткую фиксацию и удобный доступ к любому отделу спинного мозга за счет свободной ориентации основных конструктивных элементов в горизонтальной плоскости.

Устройство позволяет одновременно использовать несколько консолей с нацеливателями электродов, что дает возможность осуществлять синхронное исследование двух выбранных областей головного и нескольких (двух и более) отделов спинного мозга животного в единой системе стереотаксических координат. Все детали устройства выполнены из нержавеющей стали.

Предлагаемое устройство может использоваться для фиксации позвоночника различных видов животных (собаки, кошки, кролики, обезьяны). Размеры и профиль направляющих брусков, а также фиксаторов (зажимов) устройства соответственно определяются модельюиспользуемого стереотаксического аппарата и видом подопытного животного.

Устройство работает следующим образом (рисунок 1, 2, 3, 4). Туловище подопытного животного, подготовленного к фиксации, укладывается на продольные (5) и поперечные планки (6) опорного основания (4) устройства. Зажимами, установленными на поперечных элементах (2) несущей рамы устройства, фиксируются остистый отросток грудного позвонка, тазовые кости и тела позвонков, выбранных экспериментатором для исследования и оперативного лечения соответствующего отдела спинного мозга, а голова подопытного животного мягко фиксируется в плоскости рамы устройства с помощью шлема-гамака и упора для зубов, закрепленных на металлических стержнях, установленных в проточки продольных элементов (1) устройства. При совместном использовании устройства со стандартным головодержателем после сочленения указанных устройств голова животного фиксируется с помощью ушных, глазных и зубных держателей головодержателя. Для обеспечения доступа к брюшному отделу туловища и конечностям животного цельнометаллический лоток для поддержания туловища животного снимают. Размер и местоположение окон, открывающих свободный доступ к требуемым отделам туловища определяются передвижением продольных (5) и поперечных планок (6) опорного основания, положение которых на раме опорного основания фиксируется винтами (10). Выведение верхних концов опорных стоек (3) за пределы несущей рамы устройства также позволяет поворачивать конструкцию устройства на 180°, обеспечивая таким образом свободный доступ к брюшному отделу туловища фиксированного животного не только снизу, но и сверху.

На рисунке 4 изображен общий вид устройства с иммобилизированным животным при тестировании наличия двигательной реакции животного на тактильное раздражение конечностей и возможности осуществления шагательного рефлекса оперированным животным. Устройство также может обеспечивать проведение дозированной двигательной нагрузки для поддержания в нормальном функциональном состоянии мышечной, дыхательной и сердечно-сосудистой систем оперированного животного с помощью экспериментатора, или автоматически с помощью тредбана, размещаемого под опорным основанием устройства.

Рис. 4. Общий вид устройства с фиксированным животным при тестировании сенсомоторных реакций (верхний рисунок: пунктир и стрелка - тестирование двигательной реакции фиксированного животного на тактильное раздражение конечности) и шагательного рефлекса у оперированного животного (нижний рисунок): 1 - продольные бруски несущей рамы устройства; 2 - поперечные элементы несущей рамы с зажимами позвоночника и тазовых костей; 3 - опорные стойки устройства; 4 - опорная рама; 5 - продольные планки опорного основания; 6 - поперечные планки опорного основания; 9 - поджимные гайки; 10 - винты фиксации; 11 - тредбан. Горизонтальные стрелки - направление движения дорожки тредбана.

Выводы. Преимущества устройства заключаются в следующем:

1 .Устройство для иммобилизации позвоночника может использоваться при проведении операции автономно, или совместно со стандартными стереотаксическими головодержателями. При этом голова подопытного животного может жестко фиксироваться в используемом стандартном головодержателе, что позволяет проводить исследование требуемых отделов спинного мозга и различных структур головного мозга в единой системе стереотаксических координат.

2. Устройство обеспечивает свободный доступ к брюшной поверхности туловища фиксированного животного. Данное преимущество достигается за счет того, что опорное основание, на котором размещается туловище животного выполнено в виде рамы, оснащенной продольными и поперечными планками, закрепленными с возможностью их передвижения, лоток выполнен съемным, продольные элементы рамы снабжены сквозными отверстиями для крепления опорных стоек устройства, что позволяет выводить верхние концы опорных стоек за пределы несущей рамы устройства и поворачивать конструкцию устройства на 180°, обеспечивая таким образом свободный доступ к брюшному отделу туловища фиксированного животного не только снизу, но и сверху.

3. Устройство позволяет регистрировать двигательные реакции при оперативных воздействиях на спинной мозг животного и тактильных раздражениях, а также контролировать восстановление двигательных функций животного, оперированного после травм позвоночника, связанных с повреждением спинного мозга и его проводящих путей. Данное преимущество достигается за счет того, что опорное основание, на котором размещается туловище животного выполнено в виде рамы, оснащенной продольными и поперечными планками, закрепленными с возможностью их передвижения, а лоток выполнен съемным, что позволяет выводить конечности животного наружу через раздвижные окна опорного основания устройства для контроля восстановления сенсорных и двигательных функций животного.

4. Устройство обеспечивает возможность проведения регулярной дозированной двигательной нагрузки для поддержания в нормальном функциональном состоянии мышечной, дыхательной и сердечно-сосудистой систем оперированного животного. Данное преимущество достигается за счет того, что опорное основание, на котором размещается туловище животного выполнено в виде рамы, оснащенной продольными и поперечными планками, закрепленными с возможностью их передвижения, лоток выполнен съемным, а опорные стойки выполнены подвижными, что позволяет выводить конечности животного наружу через раздвижные окна опорного основания устройства для проведения необходимого комплекса движений с помощью экспериментатора и/или, установив требуемую длину опорных стоек, проводить активный тренинг автоматически с помощью тредбана, размещаемого под опорным основанием устройства.

5. Устройство обеспечивает оптимальные условия для ухода за оперированным животным в условиях продолжительной иммобилизации в стереотаксическом аппарате. Данное преимущество достигается за счет того, что опорное основание выполнено в виде рамы, оснащенной продольными и поперечными элементами, закрепленными на раме с возможностью их передвижения, а лоток выполнен съемным, с возможностью закрепления на опорном основании, что обеспечивает свободный доступ к туловищу и конечностям при уходе за животным.

Инновационные технические решения, выявленные при разработке описанного устройства защищены патентами Российской Федерации [1, 2].

Список литературы:

1. Альбертин С.В. Устройство для фиксации животных. Патент РФ № 2229857 от 10.06.2004 г.
2. Альбертин С.В. Устройство для иммобилизации позвоночника. Патент РФ № 45920 от 10.06.2005 г.
3. Альбертин С.В. Влияние повреждения кортико-спинальных и рубро-спи-нальных путей на реализацию оперантных пищедобывательных рефлексов // Нейрофизиология. - 2014. - т. 46. - № 4. - с. 391-400.
4. Мещерский Р.М. Стереотаксический метод / Р.М. Мещерский. - М.: Медгиз, 1961.
5. Многонацеливающий аппарат «Стереотаксис» для исследований на жи- -ту вотных. Тип № 482-197-111. Инструкция по пользованию. Медикор. Будапешт. " 1971.
6. Установка стереотаксическая для микроэлектродных исследований головного и спинного мозга животных СЭЖ-3. Паспорт СЭЖ-3-00.00.000 ПС. Киев.Изд-во Реклама. 1972.
7. Barthelemy D., Leblond H., Rossignol S. Characteristics and mechanisms of locomotion induced by intraspinal microstimulation and dorsal root stimulation in spinal cats // J. Neurophysiol. 97. - 2007. - P. 1986-2000.
8. Bunge M.B., Pearse D.D. Transplantation strategies to promote repair of the injured spinal cord // J. Rehabil. Res. Dev. 40 (Suppl 1). - 2003. - P. 55-62.
9. Harkema S., Gerasimenko Y., Hodes J., Burdick J., Angeli C., Chen Y., et al. Effect of epidural stimulation of the lumbosacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraplegia: a case study // Lancet. 377. - 2011. - P. 1938-1947.
10. Leon R.D., Hodgson J.A., Roy R.R., Edgerton V.R. Locomotor capacity attributable to step training versus spontaneous recovery after spinalization in adult cats // J. Neurophysiol. 79. - 1998. P. 1329-1340.
11. Penha E.M.,Aguiar P.H.P.,Barrouin-Melo S.M.,etal.ClinicalNeurofunctional Rehabilitation of a Cat with Spinal Cord Injuiry after Hemilaminectomy and Stem Cell Transplatation // Int. J. of Stem Cells // 5(2). - 2012. - P. 140-150.
12. Thomas S.L., Gorassini M.A. Increases in corticospinal tract function by treadmill training after incomplete spinal cord injury // J. Neurophysiol. 94. - 2005. - P. 2844-2855.

Резюме. В статье представлено описание инновационного устройства, предназначенного для стереотаксической фиксации животных с травматическими повреждениями спинного мозга. Устройство содержит разъемную несущую раму, поперечные элементы которой присоединены с возможностью перемещения вдоль продольных элементов рамы, лоток для туловища животного, опорные стойки и средства фиксации, которые закреплены снизу на поперечных элементах рамы и выполнены в виде зажима тазовых костей, зажима остистого отростка и зажима тел позвонков, закрепленных с возможностью продольного и поперечного перемещения, продольный элемент рамы имеет фасонный профиль, на концах поперечных элементов предусмотрены ответные фасонные пазы, а торцевые концы продольных элементов рамы снабжены осевыми цилиндрическими проточками. Устройство также снабжено опорным основанием, которое выполнено в виде рамы, оснащенной продольными и поперечными планками, закрепленными на раме с возможностью их передвижения, лоток выполнен съемным, с возможностью закрепления на опорном основании, а продольные элементы несущей рамы и опорного основания снабжены сквозными отверстиями для крепления опорных стоек устройства, при этом лоток оснащен боковыми вырезами, а опорные стойки снабжены резьбой и поджимными гайками для фиксации положения несущей рамы, опорного основания и лотка на опорных стойках устройства. Устройство позволяет проводить фиксацию позвоночника и головы животного в единой системе стереотаксических координат, обеспечивает свободный доступ к брюшной области и конечностям животного, создает оптимальные условия для комплексного хирургического лечения, реабилитации и ухода за оперированным животным.

Ключевые слова: травма спинного мозга, стереотаксическая фиксация позвоночника, доступ к туловищу и конечностям, хирургическое лечение, реабилитация, животные.

Сведения об авторе: Альбертин Сергей Викторович, старший научный сотрудник Института физиологии им. И.П. Павлова РАН; 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6; тел.: 8-963-3279686; e-mail: salber1@rambler.ru - ответственный за переписку с редакцией.

	Полезные ссылки
Департамент ветеринарии Краснодарского края Ассоциация Практикующих Ветеринарных Врачей