用于琼脂糖包埋小鼠全脑振动切削方法研究

发布时间：2020-03-28 23:43

【摘要】：大脑是人体的核心器官,支配着人类的一切生命活动。神经元是组成脑的基本单元,不同神经元之间以特定方式形成的神经连接网络对于脑功能的实现至关重要。已有研究表明,部分疾病的发病机理与神经连接网络的形成与调控密切相关,因此获取全脑神经连接网络对于脑疾病的治愈和脑研究的发展具有重要意义。近年来,获取全脑神经连接网络的方法层出不穷,其中机械切片结合光学成像的技术手段以其成像范围大、成像分辨率高等优势被广泛应用。在发展的各种包埋方式及对应的机械切片方法中,采用琼脂糖包埋,包埋流程简单,无损样本形态、荧光信号及抗原性。但是受切片装置性能及鼠脑内部结构差异性的影响,样本切片精度不高,在成像时,需将焦面置于样本表面以下较深的位置来降低切削对成像质量的影响,造成信号不均匀的现象,使得这种包埋方法的应用受到了限制。基于此,本文研究了用于琼脂糖包埋小鼠全脑的振动切削方法,旨在提高振动切片系统切削琼脂糖包埋鼠脑样本的切削质量,使该包埋方式及切片方法能够应用于全脑神经连接网络的获取中。针对这一目标,本文提出了适用于小鼠全脑振动切削方法研究的具体实施方案:通过分析振动切片切削软组织的过程,确定影响样本切削质量的切削参数,并结合现有切片装置的特点,提出适用于全脑切削研究的振动切片装置的设计需求,利用所设计的切片装置结合现有的光学成像系统对琼脂糖包埋的小鼠全脑进行切削分析,建立鼠脑样本不同位置的切削质量与切削参数之间的定量关系,在此基础上分别确定适用于全脑不同位置切削的最佳切片参数。本文设计了基于柔性机构的振动切片装置。包括音圈电机驱动模块、传导机构、振动结构及刀片调节机构四部分。通过设计音圈电机的驱动部分,实现振幅、频率连续可调。采用在Y方向和X方向均具有较高刚度的传导机构,准确传递驱动力并能有效控制由音圈电机安装所带来的误差。通过设计基于双平行四边形机构的振动结构,实现系统的直线运动轨迹并降低Z向误差。为了调节刀片安装方向与振动方向近似平行,减小Z向误差,设计了刀片调节机构,实现了刀片滚动角能在0~3.9°范围内精密调节。最后对该振动切片装置进行性能测试,实验结果表明所设计的振动切片系统能实现振动频率在0~100 Hz、振动幅度在0~0.5 mm内连续调节。并且在频率为100 Hz、振幅为0.5 mm的条件下,系统的直线度误差小于2.5μm,Z向误差小于3μm。最后利用所设计的振动切片装置,完成对小鼠全脑振动切削方法的研究。研究了不同振动切片参数对鼠脑不同位置切削质量的影响,通过PI实时染色结合光学成像的方法准确恢复样本切削后的断面轮廓形貌,建立了鼠脑不同位置的切削质量与切削参数的定量关系。通过优化小鼠全脑不同位置的切削参数,使得鼠脑样本的断面平整度能有效控制在20μm以内。最后对切片系统所使用的陶瓷刀片进行磨损分析,实验证明以8μm切片厚度切削完四个完整鼠脑样本后,刃口磨损缺陷不超过5μm。
【图文】：

组织形,连续切削,初始阶段,切削力

图 2-1 切削的四个阶段：I：初始阶段；II：组织形变；III：组织断裂；IV：连续切削[47]。Figure 2-1 Four stages in tissue cutting processes: I: Initial State; II: Tissue Deformation; III: CrackPropagation; IV: Controlled Cutting[47].基于切削力越小，，切削质量越好[48]这一理论，以组织断裂瞬间的切削力大小作为衡量切片质量好坏的标准。随后利用断裂力学中的 J 积分理论建立切削参数与组织断裂阶段瞬间的切削力之间的关系，如式 2-1[47]： = √ 12 2 1 2 2 22 1 22 4 44 2 2 2 22 (2-1)其中 FR是组织断裂瞬间时的切削力，ω 是振动切片机的工作频率，A 是振动切片机工作的振幅，μ 是样本进给速度，k1、k2、c1、c2分别为系统的刚度系数和阻尼系数，为常数。根据关系式，影响切削力即影响切削质量的因素有振动频率、振幅、样本进给速度。首先，影响样本组织断面质量的关键参数是振动频率。振动切片的

机构结构,应变值

图 3-5 传导机构结构。Figure 3-5 Conduction mechanism structure.orks Simulation 进行静应力分析时，分别在三种不同厚度向施加 30 N 和 3 N 的力，这里的 30 N 和 3 N 分别依据 26.8 N 及假设在 X 方向有 5°安装误差时在该方向产生的导机构的应变值，图 3-6、图 3-7 展示的是三种厚度下传力分析结果。（a）~（c）所示，厚度为 1.2 mm、1.6 mm、2 mm 的传下，Y 向应变值分别为 1.02 μm、0.89 μm、0.80 μm。图音圈电机在 X 方向存在 5°安装误差时，在 X 方向产生的构在该方向的应变值分别为 0.42 μm、0.32 μm、0.25 μm
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q189

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