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半规管嵴石症的机械仿生设计及传感特性研究

半规管嵴石症的机械仿生设计及传感特性研究

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作者：王智扬州大学

学位级别：硕士

人体前庭系统中半规管的主要功能是感知头部的角加速度,以维持身体平衡。半规管“嵴石症”是良性阵发性位置性眩晕（BPPV）的重要组成学说,其基本作用原理是游离耳石颗粒黏附在半规管壶腹嵴胶顶上,引起半规管信号感知错误并导致人体眩... 详细信息

人体前庭系统中半规管的主要功能是感知头部的角加速度,以维持身体平衡。半规管“嵴石症”是良性阵发性位置性眩晕（BPPV）的重要组成学说,其基本作用原理是游离耳石颗粒黏附在半规管壶腹嵴胶顶上,引起半规管信号感知错误并导致人体眩晕。由于半规管结构复杂、精细,且深埋于颞骨中,无法用现有的医学影像技术测量半规管内部的生物力学响应,验证“嵴石症”学说。本课题采用人工材料模拟人体半规管中的生物组织,按比例设计制备一维的仿生“嵴石症”物理模型;基于此模型,建立“嵴石症”的角加速度感知理论模型;搭建实验系统,验证理论模型,研究“嵴石症”的病理。具体研究内容如下:1)用透明光敏树脂制备的硬质外壳模拟人体膜半规管的结构,选用改性明胶/聚乙烯醇复合水凝胶模拟嵴帽,选用聚乙烯醇溶液模拟内淋巴液,按照1:4的比例,设计制备一维的仿生半规管物理模型。通过调节仿生嵴帽的弹性和内淋巴液的粘性,保证仿生半规管和人体半规管具有类似的时间常数。2)基于人体半规管的结构和工作过程,建立半规管二阶过阻尼感知模型,分析了嵴顶位移和半规管角加速度的关系、时间常数的决定参数。搭建实验系统,采用电机驱动仿生半规管进行单向角加速度旋转实验,采用齿轮-齿条结构驱动仿生半规管进行正弦摆动实验,基于电子显微镜结合图像处理方法,测量了仿生嵴顶的位移。实验结果显示,在脉冲角加速度、恒定角加速度和正弦角加速度作用下,嵴顶的变形曲线和人体的眼震曲线相同,长时间常数为11s,和人体半规管类似;实验结果说明仿生半规管和人体半规管具有类似的生物力学特性,可以模拟人体半规管的工作过程、工作原理和病理病症。实验结果还表明,在角加速度作用下,仿生嵴帽偏移幅值与角加速度大小成线性关系,说明人体半规管为角加速度传感器,验证了理论模型。3)采用四氧化三铁复合材料模拟人体耳石,设计制备了一维仿生“嵴石症”物理模型。在前述理论模型的基础上,建立了半规管“嵴石症”力学响应模型,分析了耳石对于半规管感知功能的影响。搭建实验系统,测试了仿生“嵴石症”物理模型的感知功能。脉冲角加速度的实验结果表明,“嵴石症”使仿生嵴顶偏移幅度明显下降,并一定程度降低系统长时间常数。正弦摆动实验结果表明,在人体正常活动频率范围内,“嵴石症”会降低半规管的系统增益,为半规管系统施加高相位。实验结果也验证了理论模型。理论模型和实验结果表明,本课题设计制备的仿生半规管和人体半规管具有高度相似的生物力学特性,“嵴石症”能够改变半规管的系统增益及相位,不影响系统的长时间常数。本课题提出的研究方法,能够模拟人体半规管的工作原理,有助于深入研究人体半规管相关疾病的病理,推动相应诊疗技术的发展。

关键词：半规管 BPPV 嵴石症仿生角加速度

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