人工半规管角加速度传感特性研究

发布时间：2020-07-09 17:37

【摘要】：从低等动物到高等动物的进化过程中,人类进化出了一对复杂、精细、灵敏的平衡感觉器官-半规管,利用壶腹崤胶顶-内淋巴液耦合惯性系统感知角加速度,进行空间定向,保持清晰视觉以及人体身体平衡。由于生理原因,我们很难直接观察和测量半规管的力学响应,对其感知机理缺乏深入的了解。本课题用人工材料代替半规管内部的惯性组织,用含金属芯压电纤维人工毛发传感器代替感觉纤毛细胞,设计制备和人体半规管具有相似生物力学特性的耦合仿生人工半规管系统。基于此系统,按照从局部到整体的顺序,研究人体半规管的角加速度感知机理,包括:胶顶-内淋巴液系统的功能机制、单根半规管的角加速度感知机理,三根半规管的角加速度感知机理,建立反映半规管工作过程、工作原理和信号处理机制模型,并进行实验验证。本课题将有助于我们深入了解半规管的功能原理,推动前庭系统功能检查技术的发展。课题选用合适的人工材料器件,代替生理半规管中相应的人体生物组织,设计制备人工半规管,在宏观和微观两个层面上,模仿人体生理半规管的结构和功能,是一种耦合仿生系统。宏观层面是指,在整体结构和惯性系统工作原理方面,人工半规管和人体生理半规管具有高度的相似性;微观层面是指,人工半规管中的传感元件SMPF,和人体生理半规管中的感觉毛细胞,在结构和功能方面,具有高度的相似性。本文主要内容如下:(1)研究壶腹嵴胶顶-内淋巴液系统的功能机制。模仿人体生理半规管中壶腹嵴的结构,将SMPF用作传感元件,设计制备结构的具有传感功能的类圆形膜状人工壶腹嵴。人工壶腹嵴在液体载荷作用下,将产生凹凸变形。设计制备能够直接观察和测量人工壶腹嵴凹凸变形的直线型人工半规管。当头部做旋转运动时,内淋巴液和壶腹嵴胶顶受惯性定律制约发生移动反应,胶顶偏移使之与其相连的感觉毛细胞纤毛弯曲,经过复杂的生化反应,产生神经信号。在此结构基础上,研究当半规管受到直线激励时,内部液体载荷和胶顶凹凸变形、纤毛弯曲之间的关系,建立起相应的生物力学模型研究单根人体生理半规管的角加速度感知机理。(2)设计制备仿生一维人工半规管,研究单根人体生理半规管角加速度感知机理。设计制备仿人体生理半规管结构形状的外壳,并将制备好的人工壶腹嵴固定在PLA材料外壳壶腹部分的内壁上,设计制备一维人工半规管。在研究内容(1)的基础上,基于一维人工半规管,研究发生平面旋转运动时,半规管角加速度(角位移)和壶腹嵴胶顶凹凸变形、纤毛弯曲之间的关系,建立起相应的生物力学模型。(3)模仿人体生理半规管的三维空间结构,设计制备三维人工半规管。当人体头部发生旋转运动时,由于三个半规管内部互相联通,内淋巴液可以流动,因此三个壶腹嵴所产生的三组传感信号理论上应互相关联,初步得到空间角加速度(角位移)的具体方向和大小。人工半规管角加速度传感器的设计制备克服了传统传感器共振频率过高,与人体不匹配,精度低,加工复杂以及传统传感器驱动力较大,功率损耗过大的缺点。课题所制备的耦合仿生人工半规管系统,和人体生理半规管具有类似的结构、工作原理。建立人体半规管实体模型以及对其传感特性进行研究,有助于我们更好地理解半规管的结构和关系、工作过程、工作机制,验证和发现相关疾病的病理、病因。所建模型可以很方便地经过实验验证、修正,具有较高的真实性和可靠性。
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77
【图文】：

半规管,前庭系统,壶腹,人体

第一章绪论逡逑１．１引言逡逑如图１．１所示，人体生理前庭系统位于人体头部的内耳中［２９］，是人体保持平衡十分重逡逑要的器官，其中半规管在前庭系统中的作用尤为重要。人体生理半规管有两个，在左、右逡逑内耳中各分布一个。每个生理半规管由三根彼此关联的半规管组成，分别被称为前半规管、逡逑后半规管和水平半规管。每个半规管都可围绕其各自的轴线作旋转加速度运动，且三个半逡逑规管各自所在的三个平面呈几何上的正交关系。逡逑前半规管逦前庭神经逡逑可感知横丨逦蜗神经逦１逡逑向旋Ｈ逡逑／邋１＾＇逦Ｉ逦壶腹逡逑逦球费逡逑后半规管逦外半规莆逡逑可感知前后可感知务体旋《逡逑旋Ｈ逡逑图１．１人体前庭系统结构［２９］逡逑半规管一端膨大，称为壶腹。壶腹嵴是非常重要的人体平衡感受器，结构如图１．２所逡逑示。壶腹嵴内充满内淋巴液，壶腹嵴嵴顶悬浮在内淋巴液内。壶腹嵴有感觉纤毛，其中感逡逑觉纤毛部分插入到壶腹嵴嵴顶中。感觉纤毛一端自由，一端连接着支持细胞，可以看作为逡逑悬臂梁结构。如图１．２ａ所示［２９］，壶腹嵴结构包括壶腹嵴顶、内淋巴液、有毛细胞、支持细逡逑胞、有毛细胞的感觉毛等

半规管,人类进化,日常生活,动物

邋＿＿前庭神经逡逑图１．２人体前庭系统［２９］：邋ａ）壶腹嵴结构；ｂ）感觉毛细胞结构［２９］；邋ｃ）静态壶腹结构逡逑１．２选题依据逡逑从低等动物到高等动物的进化过程中，为了适应周围的环境变化，动物的感觉器官结逡逑构也由简单逐步向复杂进化，功能也由单一向综合进化。平衡系统就是一个鲜明的例证［２７］。逡逑如图１．３所示，在无脊椎动物中，水母身体上出现了第一个平衡器官－平衡囊，田螺的逡逑平衡囊结构为几个连着有yL经的小圆球－耳砂。脊椎动物中，盲鳗鱼动物内耳中已经出现了逡逑一个垂直半规管，用作平衡器官。石吸鳗己进化出含两个半规管的膜迷路。鱼纲中的软骨逡逑鱼和硬骨鱼都已进化出完整的平衡器官：３个半规管、球囊和椭圆囊。两栖纲、爬行纲、逡逑鸟纲和哺乳动物的平衡器官一般都包括３个半规管、球囊和椭圆囊［２８］。逡逑图１．３各种动物的半规管逡逑和其他动物相比，人类在日常生活中需要进行各种复杂的运动，因而人类进化出结构逡逑更为复杂精细，功能更为先进的平衡系统［１］。前庭系统位于人体头部的内耳中，结构如图逡逑１．４ａ所示［３］

半规管,人头,左视图,俯视图

逡逑壶腹嵴的结构如图１．２ａ所示，其中感觉毛细胞的纤毛束插入到上方的胶质嵴顶中。头逡逑部发生旋转运动时，半规管管壁也随之旋转，而半规管中的内淋巴液由于惯性作用，旋转逡逑速度会小于管壁，内淋巴液的旋转惯性力作用到壶腹嵴顶时，使包含感觉毛细胞顶部纤毛逡逑束的壶腹嵴产生如图１．２ｂ所示的弯曲变形，感觉毛细胞也会由于顶部纤毛束的弯曲产生神逡逑经信号，并通过上行神经系统传递给前庭中枢和大脑。这一过程将半规管的力学信号转换逡逑为神经［１６］信号，前庭中枢及大脑根据神经信号，判断纤毛束弯曲变形的幅值和方向，逡逑感知角加速度大小和方向。与很多学者的研究思路：通过与一个压阻式传感器相连，通过逡逑测量电阻的变化计算纤维的弯曲变形［１２＿１５１不同。逡逑人体头部左右两侧各有一个前庭系统，这２个半规管的位置如图１．４所示［３４１，左右２逡逑个水平半规管基本处于同一个平面内

【参考文献】