【摘要】：大腦是人體的核心器官,支配著人類的一切生命活動。神經元是組成腦的基本單元,不同神經元之間以特定方式形成的神經連接網絡對于腦功能的實現至關重要。已有研究表明,部分疾病的發(fā)病機理與神經連接網絡的形成與調控密切相關,因此獲取全腦神經連接網絡對于腦疾病的治愈和腦研究的發(fā)展具有重要意義。近年來,獲取全腦神經連接網絡的方法層出不窮,其中機械切片結合光學成像的技術手段以其成像范圍大、成像分辨率高等優(yōu)勢被廣泛應用。在發(fā)展的各種包埋方式及對應的機械切片方法中,采用瓊脂糖包埋,包埋流程簡單,無損樣本形態(tài)、熒光信號及抗原性。但是受切片裝置性能及鼠腦內部結構差異性的影響,樣本切片精度不高,在成像時,需將焦面置于樣本表面以下較深的位置來降低切削對成像質量的影響,造成信號不均勻的現象,使得這種包埋方法的應用受到了限制�；诖�,本文研究了用于瓊脂糖包埋小鼠全腦的振動切削方法,旨在提高振動切片系統(tǒng)切削瓊脂糖包埋鼠腦樣本的切削質量,使該包埋方式及切片方法能夠應用于全腦神經連接網絡的獲取中。針對這一目標,本文提出了適用于小鼠全腦振動切削方法研究的具體實施方案:通過分析振動切片切削軟組織的過程,確定影響樣本切削質量的切削參數,并結合現有切片裝置的特點,提出適用于全腦切削研究的振動切片裝置的設計需求,利用所設計的切片裝置結合現有的光學成像系統(tǒng)對瓊脂糖包埋的小鼠全腦進行切削分析,建立鼠腦樣本不同位置的切削質量與切削參數之間的定量關系,在此基礎上分別確定適用于全腦不同位置切削的最佳切片參數。本文設計了基于柔性機構的振動切片裝置。包括音圈電機驅動模塊、傳導機構、振動結構及刀片調節(jié)機構四部分。通過設計音圈電機的驅動部分,實現振幅、頻率連續(xù)可調。采用在Y方向和X方向均具有較高剛度的傳導機構,準確傳遞驅動力并能有效控制由音圈電機安裝所帶來的誤差。通過設計基于雙平行四邊形機構的振動結構,實現系統(tǒng)的直線運動軌跡并降低Z向誤差。為了調節(jié)刀片安裝方向與振動方向近似平行,減小Z向誤差,設計了刀片調節(jié)機構,實現了刀片滾動角能在0~3.9°范圍內精密調節(jié)。最后對該振動切片裝置進行性能測試,實驗結果表明所設計的振動切片系統(tǒng)能實現振動頻率在0~100 Hz、振動幅度在0~0.5 mm內連續(xù)調節(jié)。并且在頻率為100 Hz、振幅為0.5 mm的條件下,系統(tǒng)的直線度誤差小于2.5μm,Z向誤差小于3μm。最后利用所設計的振動切片裝置,完成對小鼠全腦振動切削方法的研究。研究了不同振動切片參數對鼠腦不同位置切削質量的影響,通過PI實時染色結合光學成像的方法準確恢復樣本切削后的斷面輪廓形貌,建立了鼠腦不同位置的切削質量與切削參數的定量關系。通過優(yōu)化小鼠全腦不同位置的切削參數,使得鼠腦樣本的斷面平整度能有效控制在20μm以內。最后對切片系統(tǒng)所使用的陶瓷刀片進行磨損分析,實驗證明以8μm切片厚度切削完四個完整鼠腦樣本后,刃口磨損缺陷不超過5μm。
【圖文】：

圖 2-1 切削的四個階段：I：初始階段；II：組織形變；III：組織斷裂；IV：連續(xù)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，，切削質量越好[48]這一理論，以組織斷裂瞬間的切削力大小作為衡量切片質量好壞的標準。隨后利用斷裂力學中的 J 積分理論建立切削參數與組織斷裂階段瞬間的切削力之間的關系，如式 2-1[47]： = √ 12 2 1 2 2 22 1 22 4 44 2 2 2 22 (2-1)其中 FR是組織斷裂瞬間時的切削力，ω 是振動切片機的工作頻率，A 是振動切片機工作的振幅，μ 是樣本進給速度，k1、k2、c1、c2分別為系統(tǒng)的剛度系數和阻尼系數，為常數。根據關系式，影響切削力即影響切削質量的因素有振動頻率、振幅、樣本進給速度。首先，影響樣本組織斷面質量的關鍵參數是振動頻率。振動切片的

圖 3-5 傳導機構結構。Figure 3-5 Conduction mechanism structure.orks Simulation 進行靜應力分析時，分別在三種不同厚度向施加 30 N 和 3 N 的力，這里的 30 N 和 3 N 分別依據 26.8 N 及假設在 X 方向有 5°安裝誤差時在該方向產生的導機構的應變值，圖 3-6、圖 3-7 展示的是三種厚度下傳力分析結果。（a）~（c）所示，厚度為 1.2 mm、1.6 mm、2 mm 的傳下，Y 向應變值分別為 1.02 μm、0.89 μm、0.80 μm。圖音圈電機在 X 方向存在 5°安裝誤差時，在 X 方向產生的構在該方向的應變值分別為 0.42 μm、0.32 μm、0.25 μm
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：Q189

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本文編號：2605088