【摘要】：從低等動(dòng)物到高等動(dòng)物的進(jìn)化過(guò)程中,人類(lèi)進(jìn)化出了一對(duì)復(fù)雜、精細(xì)、靈敏的平衡感覺(jué)器官-半規(guī)管,利用壺腹崤膠頂-內(nèi)淋巴液耦合慣性系統(tǒng)感知角加速度,進(jìn)行空間定向,保持清晰視覺(jué)以及人體身體平衡。由于生理原因,我們很難直接觀察和測(cè)量半規(guī)管的力學(xué)響應(yīng),對(duì)其感知機(jī)理缺乏深入的了解。本課題用人工材料代替半規(guī)管內(nèi)部的慣性組織,用含金屬芯壓電纖維人工毛發(fā)傳感器代替感覺(jué)纖毛細(xì)胞,設(shè)計(jì)制備和人體半規(guī)管具有相似生物力學(xué)特性的耦合仿生人工半規(guī)管系統(tǒng)�；诖讼到y(tǒng),按照從局部到整體的順序,研究人體半規(guī)管的角加速度感知機(jī)理,包括:膠頂-內(nèi)淋巴液系統(tǒng)的功能機(jī)制、單根半規(guī)管的角加速度感知機(jī)理,三根半規(guī)管的角加速度感知機(jī)理,建立反映半規(guī)管工作過(guò)程、工作原理和信號(hào)處理機(jī)制模型,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本課題將有助于我們深入了解半規(guī)管的功能原理,推動(dòng)前庭系統(tǒng)功能檢查技術(shù)的發(fā)展。課題選用合適的人工材料器件,代替生理半規(guī)管中相應(yīng)的人體生物組織,設(shè)計(jì)制備人工半規(guī)管,在宏觀和微觀兩個(gè)層面上,模仿人體生理半規(guī)管的結(jié)構(gòu)和功能,是一種耦合仿生系統(tǒng)。宏觀層面是指,在整體結(jié)構(gòu)和慣性系統(tǒng)工作原理方面,人工半規(guī)管和人體生理半規(guī)管具有高度的相似性;微觀層面是指,人工半規(guī)管中的傳感元件SMPF,和人體生理半規(guī)管中的感覺(jué)毛細(xì)胞,在結(jié)構(gòu)和功能方面,具有高度的相似性。本文主要內(nèi)容如下:(1)研究壺腹嵴膠頂-內(nèi)淋巴液系統(tǒng)的功能機(jī)制。模仿人體生理半規(guī)管中壺腹嵴的結(jié)構(gòu),將SMPF用作傳感元件,設(shè)計(jì)制備結(jié)構(gòu)的具有傳感功能的類(lèi)圓形膜狀人工壺腹嵴。人工壺腹嵴在液體載荷作用下,將產(chǎn)生凹凸變形。設(shè)計(jì)制備能夠直接觀察和測(cè)量人工壺腹嵴凹凸變形的直線型人工半規(guī)管。當(dāng)頭部做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),內(nèi)淋巴液和壺腹嵴膠頂受慣性定律制約發(fā)生移動(dòng)反應(yīng),膠頂偏移使之與其相連的感覺(jué)毛細(xì)胞纖毛彎曲,經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生化反應(yīng),產(chǎn)生神經(jīng)信號(hào)。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,研究當(dāng)半規(guī)管受到直線激勵(lì)時(shí),內(nèi)部液體載荷和膠頂凹凸變形、纖毛彎曲之間的關(guān)系,建立起相應(yīng)的生物力學(xué)模型研究單根人體生理半規(guī)管的角加速度感知機(jī)理。(2)設(shè)計(jì)制備仿生一維人工半規(guī)管,研究單根人體生理半規(guī)管角加速度感知機(jī)理。設(shè)計(jì)制備仿人體生理半規(guī)管結(jié)構(gòu)形狀的外殼,并將制備好的人工壺腹嵴固定在PLA材料外殼壺腹部分的內(nèi)壁上,設(shè)計(jì)制備一維人工半規(guī)管。在研究?jī)?nèi)容(1)的基礎(chǔ)上,基于一維人工半規(guī)管,研究發(fā)生平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),半規(guī)管角加速度(角位移)和壺腹嵴膠頂凹凸變形、纖毛彎曲之間的關(guān)系,建立起相應(yīng)的生物力學(xué)模型。(3)模仿人體生理半規(guī)管的三維空間結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)制備三維人工半規(guī)管。當(dāng)人體頭部發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),由于三個(gè)半規(guī)管內(nèi)部互相聯(lián)通,內(nèi)淋巴液可以流動(dòng),因此三個(gè)壺腹嵴所產(chǎn)生的三組傳感信號(hào)理論上應(yīng)互相關(guān)聯(lián),初步得到空間角加速度(角位移)的具體方向和大小。人工半規(guī)管角加速度傳感器的設(shè)計(jì)制備克服了傳統(tǒng)傳感器共振頻率過(guò)高,與人體不匹配,精度低,加工復(fù)雜以及傳統(tǒng)傳感器驅(qū)動(dòng)力較大,功率損耗過(guò)大的缺點(diǎn)。課題所制備的耦合仿生人工半規(guī)管系統(tǒng),和人體生理半規(guī)管具有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)、工作原理。建立人體半規(guī)管實(shí)體模型以及對(duì)其傳感特性進(jìn)行研究,有助于我們更好地理解半規(guī)管的結(jié)構(gòu)和關(guān)系、工作過(guò)程、工作機(jī)制,驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)相關(guān)疾病的病理、病因。所建模型可以很方便地經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、修正,具有較高的真實(shí)性和可靠性。
【學(xué)位授予單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TH77
【圖文】：

第一章緒論逡逑１．１引言逡逑如圖１．１所示，人體生理前庭系統(tǒng)位于人體頭部的內(nèi)耳中［２９］，是人體保持平衡十分重逡逑要的器官，其中半規(guī)管在前庭系統(tǒng)中的作用尤為重要。人體生理半規(guī)管有兩個(gè)，在左、右逡逑內(nèi)耳中各分布一個(gè)。每個(gè)生理半規(guī)管由三根彼此關(guān)聯(lián)的半規(guī)管組成，分別被稱為前半規(guī)管、逡逑后半規(guī)管和水平半規(guī)管。每個(gè)半規(guī)管都可圍繞其各自的軸線作旋轉(zhuǎn)加速度運(yùn)動(dòng)，且三個(gè)半逡逑規(guī)管各自所在的三個(gè)平面呈幾何上的正交關(guān)系。逡逑前半規(guī)管邐前庭神經(jīng)逡逑可感知橫丨邐蝸神經(jīng)邐１逡逑向旋Ｈ逡逑／邋１＾＇邐Ｉ邐壺腹逡逑邐球費(fèi)逡逑后半規(guī)管邐外半規(guī)莆逡逑可感知前后可感知?jiǎng)?wù)體旋《逡逑旋Ｈ逡逑圖１．１人體前庭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［２９］逡逑半規(guī)管一端膨大，稱為壺腹。壺腹嵴是非常重要的人體平衡感受器，結(jié)構(gòu)如圖１．２所逡逑示。壺腹嵴內(nèi)充滿內(nèi)淋巴液，壺腹嵴嵴頂懸浮在內(nèi)淋巴液內(nèi)。壺腹嵴有感覺(jué)纖毛，其中感逡逑覺(jué)纖毛部分插入到壺腹嵴嵴頂中。感覺(jué)纖毛一端自由，一端連接著支持細(xì)胞，可以看作為逡逑懸臂梁結(jié)構(gòu)。如圖１．２ａ所示［２９］，壺腹嵴結(jié)構(gòu)包括壺腹嵴頂、內(nèi)淋巴液、有毛細(xì)胞、支持細(xì)逡逑胞、有毛細(xì)胞的感覺(jué)毛等

邋＿＿前庭神經(jīng)逡逑圖１．２人體前庭系統(tǒng)［２９］：邋ａ）壺腹嵴結(jié)構(gòu)；ｂ）感覺(jué)毛細(xì)胞結(jié)構(gòu)［２９］；邋ｃ）靜態(tài)壺腹結(jié)構(gòu)逡逑１．２選題依據(jù)逡逑從低等動(dòng)物到高等動(dòng)物的進(jìn)化過(guò)程中，為了適應(yīng)周?chē)沫h(huán)境變化，動(dòng)物的感覺(jué)器官結(jié)逡逑構(gòu)也由簡(jiǎn)單逐步向復(fù)雜進(jìn)化，功能也由單一向綜合進(jìn)化。平衡系統(tǒng)就是一個(gè)鮮明的例證［２７］。逡逑如圖１．３所示，在無(wú)脊椎動(dòng)物中，水母身體上出現(xiàn)了第一個(gè)平衡器官－平衡囊，田螺的逡逑平衡囊結(jié)構(gòu)為幾個(gè)連著有yL經(jīng)的小圓球－耳砂。脊椎動(dòng)物中，盲鰻魚(yú)動(dòng)物內(nèi)耳中已經(jīng)出現(xiàn)了逡逑一個(gè)垂直半規(guī)管，用作平衡器官。石吸鰻己進(jìn)化出含兩個(gè)半規(guī)管的膜迷路。魚(yú)綱中的軟骨逡逑魚(yú)和硬骨魚(yú)都已進(jìn)化出完整的平衡器官：３個(gè)半規(guī)管、球囊和橢圓囊。兩棲綱、爬行綱、逡逑鳥(niǎo)綱和哺乳動(dòng)物的平衡器官一般都包括３個(gè)半規(guī)管、球囊和橢圓囊［２８］。逡逑圖１．３各種動(dòng)物的半規(guī)管逡逑和其他動(dòng)物相比，人類(lèi)在日常生活中需要進(jìn)行各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，因而人類(lèi)進(jìn)化出結(jié)構(gòu)逡逑更為復(fù)雜精細(xì)，功能更為先進(jìn)的平衡系統(tǒng)［１］。前庭系統(tǒng)位于人體頭部的內(nèi)耳中，結(jié)構(gòu)如圖逡逑１．４ａ所示［３］

逡逑壺腹嵴的結(jié)構(gòu)如圖１．２ａ所示，其中感覺(jué)毛細(xì)胞的纖毛束插入到上方的膠質(zhì)嵴頂中。頭逡逑部發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，半規(guī)管管壁也隨之旋轉(zhuǎn)，而半規(guī)管中的內(nèi)淋巴液由于慣性作用，旋轉(zhuǎn)逡逑速度會(huì)小于管壁，內(nèi)淋巴液的旋轉(zhuǎn)慣性力作用到壺腹嵴頂時(shí)，使包含感覺(jué)毛細(xì)胞頂部纖毛逡逑束的壺腹嵴產(chǎn)生如圖１．２ｂ所示的彎曲變形，感覺(jué)毛細(xì)胞也會(huì)由于頂部纖毛束的彎曲產(chǎn)生神逡逑經(jīng)信號(hào)，并通過(guò)上行神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給前庭中樞和大腦。這一過(guò)程將半規(guī)管的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換逡逑為神經(jīng)［１６］信號(hào)，前庭中樞及大腦根據(jù)神經(jīng)信號(hào)，判斷纖毛束彎曲變形的幅值和方向，逡逑感知角加速度大小和方向。與很多學(xué)者的研究思路：通過(guò)與一個(gè)壓阻式傳感器相連，通過(guò)逡逑測(cè)量電阻的變化計(jì)算纖維的彎曲變形［１２＿１５１不同。逡逑人體頭部左右兩側(cè)各有一個(gè)前庭系統(tǒng)，這２個(gè)半規(guī)管的位置如圖１．４所示［３４１，左右２逡逑個(gè)水平半規(guī)管基本處于同一個(gè)平面內(nèi)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號(hào)：2747777