检索结果-南通市图书馆

作者：李佳玲扬州大学

学位级别：硕士

半规管是人体内耳的重要组成部分,由外向内分别为骨半规管和膜半规管。骨半规管与膜半规管之间充满外淋巴液,膜半规管内充满内淋巴液。单根膜半规管的结构由近2/3的环状管、一脚相通的椭圆囊和一脚膨大的壶腹组成,壶腹内存在壶腹嵴。人... 详细信息

半规管是人体内耳的重要组成部分,由外向内分别为骨半规管和膜半规管。骨半规管与膜半规管之间充满外淋巴液,膜半规管内充满内淋巴液。单根膜半规管的结构由近2/3的环状管、一脚相通的椭圆囊和一脚膨大的壶腹组成,壶腹内存在壶腹嵴。人体通过壶腹嵴嵴顶的凹凸变形,能够感知头部的角加速度。由于膜半规管位于前庭系统内部,且结构复杂、体积较小,其结构和功能的关系至今仍不明确。本课题模仿膜半规管的生物结构,采用自制的表面对称电极含金属芯PVDF纤维（Symmetric Metal core PVDF fiber,smpf）制备仿生纤毛传感器,并以1:10的比例,设计制备了仿生膜半规管实体模型。基于此模型,建立了仿生膜半规管的角加速度感知理论模型,研究了仿生膜半规管的结构和功能关系,并进行了实验验证。具体的研究内容如下:1)模仿膜半规管中毛细胞纤毛的结构,设计制备了 smpf仿生纤毛传感器。采用第一类压电方程,建立了悬臂梁结构smpf的弯曲变形传感理论模型,并进行了实验验证。结果表明,smpf传感器可以感知自身弯曲变形的波形、幅值、频率等参数。2)将smpf仿生纤毛传感器埋入硅橡胶中,设计制备了仿生壶腹嵴,并将仿生壶腹嵴安装在直管中,设计制备了仿生膜半规管直管。建立直管的直线加速度传感理论模型,经实验验证,结果表明,smpf仿生纤毛传感器能够感知仿生壶腹嵴嵴顶凹凸变形的波形、频率、振幅等参数,且输出信号的幅值和嵴顶中心点位移成线性关系。3)模仿人体膜半规管的结构,将仿生壶腹嵴安装在壶腹位置,采用3D打印制备膜半规管壳体的方法制备了仿生刚性膜半规管,采用AB胶制备膜半规管壳体与3D打印制备骨半规管壳体的方法制备了仿生弹性膜半规管。当两类仿生膜半规管在水平面内实验测试时,采用质量块-弹簧-阻尼系统,建立了两类仿生膜半规管的角加速度传感理论模型,并搭建实验系统,进行了实验验证。实验结果表明,两类仿生膜半规管能够感知正弦信号角加速度激励下的波形、频率、幅值等参数,且输出信号的幅值和角加速度值成线性关系。在同等激励条件下,仿生刚性膜半规管的输出信号的幅值大于仿生弹性膜半规管的输出信号的幅值。在垂直面内,两类仿生膜半规管也可以感知角加速度,且输出信号的幅值和仿生壶腹嵴所在角度呈正弦关系。理论传感模型和实验结果都表明,本课题设计制备的两类仿生膜半规管能够感知角加速度,且膜半规管在传感模型中可以模拟为弹簧元件,在膜半规管的运动过程中,起到缓和冲击、吸收储存能量的作用。

关键词：仿生 smpf 膜半规管壶腹嵴

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人体前庭感受器的仿生设计与研究

人体前庭感受器的仿生设计与研究

作者：王永坡扬州大学

学位级别：硕士

本课题基于仿生学原理,采用自制的对称电极含金属芯PVDF纤维(Symmetric Metal core PVDF fiber,smpf),依据人体前庭感受器结构和功能,设计并制备仿生前庭感受器,并建立感知加速运动的理论模型。在此模型基础上,利用实验验证的方法,探究... 详细信息

本课题基于仿生学原理,采用自制的对称电极含金属芯PVDF纤维(Symmetric Metal core PVDF fiber,smpf),依据人体前庭感受器结构和功能,设计并制备仿生前庭感受器,并建立感知加速运动的理论模型。在此模型基础上,利用实验验证的方法,探究了在加速运动过程中,作用力对人体前庭感受器感知加速运动的影响,取得了一定的研究成果。具体实验研究内容如下:(1)根据第一类压电方程,建立悬臂梁结构仿生纤毛的理论模型,通过实验验证:仿生纤毛的响应电荷量与冲击加速度幅值之间呈线性关系,说明了仿生纤毛具有感知加速度幅值的能力,同时也说明了仿生纤毛可以用来制备仿生囊斑。(2)采用硅橡胶和仿生纤毛,制备了含单根仿生纤毛的仿生囊斑,建立仿生囊斑的理论模型,即在直线加速度作用下,仿生囊斑的响应电荷的变化;分析了耳石对仿生囊斑传感过程的影响;搭建了实验平台进行实验验证。实验结果表明:仿生囊斑的传感信号与冲击激励幅值之间呈线性关系,与冲击激励的角度之间呈余弦关系,表明了耳石增强了仿生囊斑的感知能力,仿生囊斑与人体囊斑具有类似的感知功能。(3)按照人体耳石器官的结构,将多根仿生纤毛按囊斑中微纹走向埋设置,设计制备仿生囊斑。并用3D打印方法制备外壳,将仿生囊斑和液体密封在外壳中,分别制备出仿生球囊和椭圆囊。根据人体耳石器官中2个囊器官的位置关系,将仿生球囊和椭圆囊与三根半规管组装在一起,制备完整的仿生前庭感受器。建立仿生前庭感受器的平面直线加速度感知理论模型,并分析了耳石层重力、液体摩擦力和惯性力对前庭感受器传感性能的影响,搭建实验系统验证了理论模型。实验结果表明:椭圆囊能够感知水平平面内直线加速度的方向和大小,球囊可以感知铅垂平面内直线加速度的方向和大小。(4)采用空间直线加速度分解的方法,建立仿生前庭感受器的空间加速度感知理论模型。搭建实验系统验证了理论模型。实验结果表明:仿生前庭感受器能够感知空间直线加速度的方向和大小。通过理论分析和仿生器官实验研究,证明人体在耳石层重力、液体摩擦力和惯性力的共同作用下,能够感知头部的直线加速度的方向和大小,其中椭圆囊主要感知水平平面内的直线加速度,球囊主要感知铅垂平面内的直线加速度。

关键词：仿生学椭圆囊仿生囊斑 smpf 囊斑

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半规管直线加速度感知机理研究

半规管直线加速度感知机理研究

作者：李强扬州大学

学位级别：硕士

半规管系统是人体平衡系统的重要组成部分,感知人体头部的旋转加速度运动。但是对于其是否能够感知直线加速度,以及为什么只感知旋转加速度却能够屏蔽直线加速度的影响,一直有着不同的见解,并提出了诸如密度假说、闭环假说和圆形几何假... 详细信息

半规管系统是人体平衡系统的重要组成部分,感知人体头部的旋转加速度运动。但是对于其是否能够感知直线加速度,以及为什么只感知旋转加速度却能够屏蔽直线加速度的影响,一直有着不同的见解,并提出了诸如密度假说、闭环假说和圆形几何假说等来解释半规管对直线加速度的感知原理。基于这些假说的理论推导从数学模型和计算机仿真上对半规管的感知过程和各个参数进行了详尽的分析,部分人体头部实验结果也与理论相符合,但都未能够进行实体仿生模型实验。考虑到人体内组织结构功能的复杂性,不能保证其理论与结果的对应关系。本课题根据半规管结构设计制备了一套1:10比例的仿生半规管模型,进行仿生半规管直线加速度传感性能实验,对提出的假说进行实验验证,研究其直线加速度传感特性。主要研究内容如下:1.根据半规管内感知器官壶腹嵴的感知原理,采用表面对称电极含金属芯PVDF纤维（Symmetric Metal core PVDF fiber,smpf）作为传感元件代替壶腹嵴内的感知纤毛,设计制备出仿生壶腹嵴。根据其结构和PVDF的压电特性进行感知模型推导,并设计实验对仿生壶腹嵴的感知能力进行研究。实验结果表明,仿生壶腹嵴能够对作用在其上的不同力信号进行反应,并且仿生壶腹嵴输出的电信号与其在受力下的变形量呈线性相关,与理论模型相一致。2.根据人体半规管的结构,利用制备完成的仿生壶腹嵴制作出仿生半规管实体模型。根据人体半规管感知理论和仿生半规管结构建立感知理论模型,并设计实验对仿生半规管的感知能力进行研究。实验结果表明,仿生壶腹嵴能够感知到仿生半规管的运动,并能够对不同的运动信号类型、振幅大小和频率作出响应,验证了理论模型。3.根据密度假说,配置不同浓度的仿生内淋巴液进行旋转与直线加速度实验,检验仿生内淋巴液与仿生壶腹嵴之间的密度差变化对仿生半规管感知能力的影响。实验结果表明,密度差的变化确实会对仿生半规管的直线加速度感知能力产生影响。4.设计不同的仿生半规管结构进行实验,考察半规管的结构形状对其感知运动的能力产生的影响。阻断实验结果表明,破坏半规管的环状结构并不能提升对直线加速度的感知能力,否定了闭环假说。形状模型与直管模型实验结果则验证了圆形几何假说。通过设计制备仿生半规管模型,并对其进行理论分析与实验验证,说明半规管确实具有感知直线加速度的能力,但是其最主要的功能仍然是感知旋转加速度。相同的频率与振幅,半规管感知到的旋转加速度信号要远高于直线加速度,多数情况下的直线加速度信号可能都未超过半规管的感知阈值,因此被神经系统抑制忽略掉。实验结果验证了部分半规管的感知理论模型,为医学领域对相关病症的检查和治疗及人体植入半规管的设计提供一些参考。

关键词：半规管壶腹嵴仿生模型 smpf

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人工半规管角加速度传感特性研究

人工半规管角加速度传感特性研究

作者：张弋扬州大学

学位级别：硕士

从低等动物到高等动物的进化过程中,人类进化出了一对复杂、精细、灵敏的平衡感觉器官-半规管,利用壶腹崤胶顶-内淋巴液耦合惯性系统感知角加速度,进行空间定向,保持清晰视觉以及人体身体平衡。由于生理原因,我们很难直接观察和测量半... 详细信息

从低等动物到高等动物的进化过程中,人类进化出了一对复杂、精细、灵敏的平衡感觉器官-半规管,利用壶腹崤胶顶-内淋巴液耦合惯性系统感知角加速度,进行空间定向,保持清晰视觉以及人体身体平衡。由于生理原因,我们很难直接观察和测量半规管的力学响应,对其感知机理缺乏深入的了解。本课题用人工材料代替半规管内部的惯性组织,用含金属芯压电纤维人工毛发传感器代替感觉纤毛细胞,设计制备和人体半规管具有相似生物力学特性的耦合仿生人工半规管系统。基于此系统,按照从局部到整体的顺序,研究人体半规管的角加速度感知机理,包括:胶顶-内淋巴液系统的功能机制、单根半规管的角加速度感知机理,三根半规管的角加速度感知机理,建立反映半规管工作过程、工作原理和信号处理机制模型,并进行实验验证。本课题将有助于我们深入了解半规管的功能原理,推动前庭系统功能检查技术的发展。课题选用合适的人工材料器件,代替生理半规管中相应的人体生物组织,设计制备人工半规管,在宏观和微观两个层面上,模仿人体生理半规管的结构和功能,是一种耦合仿生系统。宏观层面是指,在整体结构和惯性系统工作原理方面,人工半规管和人体生理半规管具有高度的相似性;微观层面是指,人工半规管中的传感元件smpf,和人体生理半规管中的感觉毛细胞,在结构和功能方面,具有高度的相似性。本文主要内容如下:(1)研究壶腹嵴胶顶-内淋巴液系统的功能机制。模仿人体生理半规管中壶腹嵴的结构,将smpf用作传感元件,设计制备结构的具有传感功能的类圆形膜状人工壶腹嵴。人工壶腹嵴在液体载荷作用下,将产生凹凸变形。设计制备能够直接观察和测量人工壶腹嵴凹凸变形的直线型人工半规管。当头部做旋转运动时,内淋巴液和壶腹嵴胶顶受惯性定律制约发生移动反应,胶顶偏移使之与其相连的感觉毛细胞纤毛弯曲,经过复杂的生化反应,产生神经信号。在此结构基础上,研究当半规管受到直线激励时,内部液体载荷和胶顶凹凸变形、纤毛弯曲之间的关系,建立起相应的生物力学模型研究单根人体生理半规管的角加速度感知机理。(2)设计制备仿生一维人工半规管,研究单根人体生理半规管角加速度感知机理。设计制备仿人体生理半规管结构形状的外壳,并将制备好的人工壶腹嵴固定在PLA材料外壳壶腹部分的内壁上,设计制备一维人工半规管。在研究内容(1)的基础上,基于一维人工半规管,研究发生平面旋转运动时,半规管角加速度(角位移)和壶腹嵴胶顶凹凸变形、纤毛弯曲之间的关系,建立起相应的生物力学模型。(3)模仿人体生理半规管的三维空间结构,设计制备三维人工半规管。当人体头部发生旋转运动时,由于三个半规管内部互相联通,内淋巴液可以流动,因此三个壶腹嵴所产生的三组传感信号理论上应互相关联,初步得到空间角加速度(角位移)的具体方向和大小。人工半规管角加速度传感器的设计制备克服了传统传感器共振频率过高,与人体不匹配,精度低,加工复杂以及传统传感器驱动力较大,功率损耗过大的缺点。课题所制备的耦合仿生人工半规管系统,和人体生理半规管具有类似的结构、工作原理。建立人体半规管实体模型以及对其传感特性进行研究,有助于我们更好地理解半规管的结构和关系、工作过程、工作机制,验证和发现相关疾病的病理、病因。所建模型可以很方便地经过实验验证、修正,具有较高的真实性和可靠性。

关键词： smpf 角加速度传感器 PVDF 仿生传感器人工半规管仿生感知压电纤维