人耳半規(guī)管制備及特性研究

李文康

摘 ? 要：壺腹嵴的功能是作為感受頭部旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)的感受器，通過(guò)查閱相關(guān)書(shū)籍、論文，找到人體半規(guī)管結(jié)構(gòu)與功能之間的匹配關(guān)系，建立人工半規(guī)管生物力學(xué)模型，并以此建立人工半規(guī)管的幾何模型;搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在人工半規(guī)管幾何模型上進(jìn)行類(lèi)似人體的仿真實(shí)驗(yàn)。探究重力對(duì)人耳半規(guī)管傳感特性的影響以及各半規(guī)管之間的耦合關(guān)系。

關(guān)鍵詞：人工壺腹嵴;重力;傳感特性

1 ? ?選題依據(jù)及研究意義

壺腹嵴又叫作位覺(jué)嵴，它是由加厚的結(jié)締組織和感覺(jué)上皮組成，是魚(yú)類(lèi)及以上動(dòng)物的內(nèi)耳半規(guī)管中的位覺(jué)感受器。

壺腹嵴是作為感受頭部旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)的感受器。因?yàn)閮?nèi)耳的3個(gè)半規(guī)管是互相垂直排列的，所以，當(dāng)人的頭部作旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，膜半規(guī)管中的內(nèi)淋巴液的流動(dòng)方向和流動(dòng)速度發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致壺腹帽（光鏡下，嵴為凸入腔內(nèi)的高隆起，頂端圓鈍，表面有高圓頂形的膠狀物，稱(chēng)為壺腹帽）傾斜，纖毛束彎曲，從而刺激了毛細(xì)胞，引發(fā)興奮產(chǎn)生了神經(jīng)沖動(dòng)，經(jīng)過(guò)前庭神經(jīng)傳輸至大腦的前庭中樞，一方面?zhèn)鬏數(shù)酱竽X皮質(zhì)，使人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的感覺(jué);另一方面?zhèn)鬏數(shù)窖奂〉倪\(yùn)動(dòng)核和脊髓，反射性地改變眼外肌、頸部和四肢肌的緊張性，以此來(lái)保持身體的平衡[1]。

人體的前庭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，它的功能是否正常與維持視網(wǎng)膜成像的穩(wěn)定和維持人體的生存需求息息相關(guān)。半規(guī)管作為前庭系統(tǒng)的一部分，結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，半規(guī)管如果發(fā)生功能異常、病理性變化或者過(guò)度的外界環(huán)境激勵(lì)，會(huì)導(dǎo)致人體的空間定位發(fā)生故障，誘發(fā)眼球震顫、眩暈等癥狀，會(huì)直接影響人們的生活。本課題通過(guò)設(shè)計(jì)制作的角加速度傳感器代替壺腹嵴毛細(xì)胞的感覺(jué)毛，包裹傳感器的硅膠層代替壺腹嵴，打造出近似于人體實(shí)際尺寸的半規(guī)管模型，向其中填充類(lèi)內(nèi)淋巴液，通過(guò)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)研究半規(guī)管壺腹嵴的傳感特性，探究重力是否對(duì)半規(guī)管功能產(chǎn)生影響以及3根半規(guī)管之間的耦合關(guān)系，為今后醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)η巴ハ到y(tǒng)功能的檢測(cè)與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)提供一些參考。

2 ? ?本課題研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 ?研究?jī)?nèi)容

本課題的主要研究?jī)?nèi)容：（1）含金屬芯PVDF的制備研究;（2）建立一維人工壺腹嵴含金屬芯PVDF理論模型;（3）建立一維1∶1人工壺腹嵴幾何模型;（4）建立三維1∶1人工壺腹嵴幾何模型;（5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探究重力因素對(duì)半規(guī)管傳感特性的影響以及半規(guī)管之間的耦合關(guān)系[2]。

2.1.1 ?半電極含金屬芯PVDF壓電纖維的制備研究

PVDF纖維的柔韌性好，在工藝方面，尺寸做得相對(duì)較小，避免因?yàn)槌叽邕^(guò)大對(duì)實(shí)驗(yàn)靈敏度造成影響。在熔融紡絲法的工藝基礎(chǔ)上，根據(jù)研究者設(shè)計(jì)的相關(guān)模具制備出含金屬芯PVDF壓電纖維;抽取金屬芯，在加熱至一定溫度的油浴爐中進(jìn)行拉伸，減小PVDF層的厚度，提高壓電纖維的靈敏度;再向其中插入相應(yīng)尺寸的金屬絲并用器具夾持后，在表面涂鍍電極，并進(jìn)行極化處理。

2.1.2 ?建立一維人工壺腹嵴含金屬芯PVDF理論模型

根據(jù)一維半規(guī)管角加速度傳感器的纖維示意，為了方便理論公式的推導(dǎo)，現(xiàn)采用圓柱坐標(biāo)系代替常規(guī)的直角坐標(biāo)系對(duì)其進(jìn)行理論研究，圓柱坐標(biāo)系壓電方程中的z方向、θ方向和γ方向分別對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系壓電方程中的1方向、2方向和3方向。因?yàn)橥垮儗?duì)稱(chēng)電極的SMPF在極化之后具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)，而未涂鍍對(duì)稱(chēng)電極部分的SMPF幾乎不具有壓電效應(yīng)，所以在圓柱坐標(biāo)系下SMPF計(jì)劃區(qū)域的壓電本構(gòu)方程可以表示為：

（1）

（2）

在式（1）和式（2）中，Sij表示應(yīng)變，Tij表示應(yīng)力，Di表示電位移，Ei是電場(chǎng)強(qiáng)度，SEij表示場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定時(shí)的彈性柔順系數(shù)，dij表示壓電常數(shù)，εTij表示應(yīng)力恒定時(shí)的介電常數(shù)。

2.1.3 ?建立一維1∶1人工壺腹嵴幾何模型

通過(guò)查閱相關(guān)書(shū)籍，得知骨半規(guī)管部分的內(nèi)徑為0.8～1.2 mm，壺腹部分內(nèi)徑約為骨半規(guī)管內(nèi)徑的3倍，為3.2～4.8 mm。本課題所研究的壺腹嵴位于膜半規(guī)管內(nèi)，因此實(shí)驗(yàn)的幾何模型根據(jù)膜半規(guī)管的尺寸建立，根據(jù)相關(guān)資料，膜半規(guī)管占骨半規(guī)管管腔隙的1/4，膜壺腹尺寸與壺腹尺寸相當(dāng)，因此，本次實(shí)驗(yàn)取膜半規(guī)管內(nèi)徑0.3 mm，膜壺腹4 mm。

人體中，膜半規(guī)管壺腹嵴中的感覺(jué)毛一端自由，一端連接著支持細(xì)胞即一端固定，因此，可以看出壺腹嵴中的感覺(jué)毛呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而當(dāng)采用聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）壓電纖維代替感覺(jué)毛時(shí)，也同樣采用懸臂梁結(jié)構(gòu)。將制備好的PVDF纖維埋入薄硅膠層中，再將其放置于膜壺腹幾何模型中，在裝配時(shí)對(duì)其一端進(jìn)行固定，并用細(xì)鋼絲引出電極（用于信號(hào)的收集）。搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一個(gè)正弦或者沖擊信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器傳輸激振器，激振器帶動(dòng)齒條，因?yàn)辇X條和齒輪相嚙合，齒輪固定在軸上，以此來(lái)帶動(dòng)膜半規(guī)管幾何模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因?yàn)槟ぐ胍?guī)管幾何模型中填充的類(lèi)內(nèi)淋巴液液體，旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體因?yàn)閼T性作用會(huì)對(duì)包裹著PVDF壓電纖維的薄硅膠層產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致薄硅膠膜產(chǎn)生變形，從而帶動(dòng)壓電纖維產(chǎn)生彎曲變形，由壓電效應(yīng)可知，PVDF壓電纖維的表面會(huì)產(chǎn)生電荷，通過(guò)電極傳輸?shù)叫盘?hào)放大器并由數(shù)據(jù)采集卡收集，反應(yīng)至電腦。激光位移傳感器測(cè)得的正弦信號(hào)或沖擊信號(hào)下的實(shí)際信號(hào)曲線可以用來(lái)對(duì)PVDF壓電纖維的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比參考[3]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激振器、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電荷放大器、激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電腦，通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件獲取不同角度下PVDF壓電纖維的傳感特性曲線，研究分析重力因素對(duì)壺腹嵴傳感特性的影響。

2.1.4 ?建立三維1∶1人工壺腹嵴幾何模型

我們都知道人體每側(cè)都有3個(gè)半規(guī)管，因此，三維半規(guī)管幾何模型的建立更加貼近人體半規(guī)管，也能更好地研究半規(guī)管的工作原理以及3根管之間的耦合關(guān)系。與一維半規(guī)管不同，三維半規(guī)管需要與前庭相連，因此，在幾何模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮橢圓囊（半規(guī)管與前庭的連接部分）的尺寸，以及連接處的結(jié)構(gòu)。根據(jù)相關(guān)資料得知，前半規(guī)管和后半規(guī)管的非壺腹部分合并成了一總腳，外半規(guī)管的非壺腹部分為單腳，它們都開(kāi)口于前庭。因此，3根半規(guī)管只有5個(gè)小孔與前庭相通。同時(shí)也需要制作3根PVDF壓電纖維，將它們埋入薄硅膠層后分別置于3根半規(guī)管的壺腹內(nèi)，裝配方式和一維半規(guī)管的幾何模型相似;同樣，也需要向三維半規(guī)管的幾何模型內(nèi)填充類(lèi)內(nèi)淋巴液液體。

將制作好的三維半規(guī)管模型安裝在設(shè)計(jì)好的夾持模具上，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和一維半規(guī)管類(lèi)似，都是由信號(hào)發(fā)生器給予的信號(hào)，通過(guò)激振器帶動(dòng)齒條-齒輪，使得實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃妄X輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而因?yàn)閮?nèi)淋巴液的慣性力使得PVDF壓電纖維發(fā)生彎曲變形產(chǎn)生電信號(hào)。因?yàn)槿S人工壺腹嵴模型擁有3根PVDF壓電纖維，因此，該實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是研究3根不同半規(guī)管在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的關(guān)系以及探究在不同的角度下，3根半規(guī)管所起的作用[4]。

2.1.5 ?一些所做實(shí)驗(yàn)的結(jié)論

一維人工壺腹嵴實(shí)驗(yàn)裝置分別將人工壺腹嵴旋轉(zhuǎn)0°、30°、60°、90°，以此來(lái)使得填充在壺腹嵴中的液體對(duì)壺腹處的薄硅膠膜產(chǎn)生不同的壓力，再在每個(gè)角度下沿一定方向旋轉(zhuǎn)0～180°，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合出各個(gè)角度下的PVDF壓電纖維信號(hào)強(qiáng)度曲線，探究重力是否會(huì)對(duì)壺腹嵴傳感特性產(chǎn)生影響。

一維1∶1半規(guī)管角度實(shí)驗(yàn)，正弦信號(hào)，頻率1 Hz，振幅3 mm，通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證重力因素對(duì)半規(guī)管傳感特性的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理不難看出，半規(guī)管壺腹部分纖維信號(hào)隨著X軸角度的增加而增加，其變化規(guī)律根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度的不同，也不盡相同，推測(cè)可能與纖維放置的位置有相應(yīng)的關(guān)系，也不能排除實(shí)驗(yàn)偶然性和實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，但可以根據(jù)已知圖形，推斷出重力是影響半規(guī)管壺腹部分纖維信號(hào)的一個(gè)因素[5]。

2.2 ?擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

本課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下：PVDF纖維油浴拉伸后的極化問(wèn)題以及電極引線問(wèn)題;1∶1人工壺腹嵴的工藝制作問(wèn)題;三維人工壺腹嵴耦合關(guān)系的探究問(wèn)題。

3 ? ?預(yù)計(jì)出現(xiàn)的問(wèn)題、困難和擬采取的解決辦法

3.1 ?預(yù)計(jì)出現(xiàn)的問(wèn)題

（1）外界條件對(duì)PVDF壓電纖維信號(hào)的影響;（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析。

3.2 ?擬采取的解決方法

（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的管理，盡量將外部條件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響降至最低值。

（2）通過(guò)查閱相關(guān)論文、書(shū)籍，結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4 ? ?課題的主要?jiǎng)?chuàng)新之處

本課題制作的人工壺腹嵴的比例為1∶1，與人體的壺腹嵴實(shí)際尺寸很接近，能更好地探究人體壺腹嵴的傳感特性，減小了因尺寸過(guò)大而導(dǎo)致的填充液體過(guò)多，液體重力對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程造成的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加具有說(shuō)服力。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)新生兒的骨迷路與成人的大小一樣，也就是說(shuō)，半規(guī)管在新生兒還在母親腹中的時(shí)候就已經(jīng)基本發(fā)育完全了。因此，胎兒在母親腹中時(shí)半規(guī)管是否發(fā)育完全成為界定新生兒發(fā)育是否良好的關(guān)鍵因素。人工壺腹嵴的傳感特性研究和數(shù)據(jù)分析可以為檢測(cè)和評(píng)定半規(guī)管發(fā)育情況提供一個(gè)非常重要的參考，同時(shí)也可以更加深入地了解因?yàn)榘胍?guī)管功能衰退引發(fā)的各種疾病，找出病因，及時(shí)地預(yù)防和治療。本課題來(lái)自國(guó)家自然基金，希望實(shí)驗(yàn)的成功能為人類(lèi)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作出一份綿薄的貢獻(xiàn)。

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