人耳半規管制備及特性研究

李文康

摘 ? 要：壺腹嵴的功能是作為感受頭部旋轉變速運動的感受器，通過查閱相關書籍、論文，找到人體半規管結構與功能之間的匹配關系，建立人工半規管生物力學模型，并以此建立人工半規管的幾何模型;搭建實驗平臺，在人工半規管幾何模型上進行類似人體的仿真實驗。探究重力對人耳半規管傳感特性的影響以及各半規管之間的耦合關系。

關鍵詞：人工壺腹嵴;重力;傳感特性

1 ? ?選題依據及研究意義

壺腹嵴又叫作位覺嵴，它是由加厚的結締組織和感覺上皮組成，是魚類及以上動物的內耳半規管中的位覺感受器。

壺腹嵴是作為感受頭部旋轉變速運動的感受器。因為內耳的3個半規管是互相垂直排列的，所以，當人的頭部作旋轉變速運動時，膜半規管中的內淋巴液的流動方向和流動速度發生了改變，從而導致壺腹帽（光鏡下，嵴為凸入腔內的高隆起，頂端圓鈍，表面有高圓頂形的膠狀物，稱為壺腹帽）傾斜，纖毛束彎曲，從而刺激了毛細胞，引發興奮產生了神經沖動，經過前庭神經傳輸至大腦的前庭中樞，一方面傳輸到大腦皮質，使人產生旋轉的感覺;另一方面傳輸到眼肌的運動核和脊髓，反射性地改變眼外肌、頸部和四肢肌的緊張性，以此來保持身體的平衡[1]。

人體的前庭系統結構非常復雜，它的功能是否正常與維持視網膜成像的穩定和維持人體的生存需求息息相關。半規管作為前庭系統的一部分，結構更加精細，半規管如果發生功能異常、病理性變化或者過度的外界環境激勵，會導致人體的空間定位發生故障，誘發眼球震顫、眩暈等癥狀，會直接影響人們的生活。本課題通過設計制作的角加速度傳感器代替壺腹嵴毛細胞的感覺毛，包裹傳感器的硅膠層代替壺腹嵴，打造出近似于人體實際尺寸的半規管模型，向其中填充類內淋巴液，通過信號測試系統來研究半規管壺腹嵴的傳感特性，探究重力是否對半規管功能產生影響以及3根半規管之間的耦合關系，為今后醫學領域對前庭系統功能的檢測與評定標準提供一些參考。

2 ? ?本課題研究內容和擬解決的關鍵問題

2.1 ?研究內容

本課題的主要研究內容：（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）根據實驗數據探究重力因素對半規管傳感特性的影響以及半規管之間的耦合關系[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，尺寸做得相對較小，避免因為尺寸過大對實驗靈敏度造成影響。在熔融紡絲法的工藝基礎上，根據研究者設計的相關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;再向其中插入相應尺寸的金屬絲并用器具夾持后，在表面涂鍍電極，并進行極化處理。

2.1.2 ?建立一維人工壺腹嵴含金屬芯PVDF理論模型

根據一維半規管角加速度傳感器的纖維示意，為了方便理論公式的推導，現采用圓柱坐標系代替常規的直角坐標系對其進行理論研究，圓柱坐標系壓電方程中的z方向、θ方向和γ方向分別對應直角坐標系壓電方程中的1方向、2方向和3方向。因為涂鍍對稱電極的SMPF在極化之后具有很強的壓電效應，而未涂鍍對稱電極部分的SMPF幾乎不具有壓電效應，所以在圓柱坐標系下SMPF計劃區域的壓電本構方程可以表示為：

（1）

（2）

在式（1）和式（2）中，Sij表示應變，Tij表示應力，Di表示電位移，Ei是電場強度，SEij表示場強穩定時的彈性柔順系數，dij表示壓電常數，εTij表示應力恒定時的介電常數。

2.1.3 ?建立一維1∶1人工壺腹嵴幾何模型

通過查閱相關書籍，得知骨半規管部分的內徑為0.8～1.2 mm，壺腹部分內徑約為骨半規管內徑的3倍，為3.2～4.8 mm。本課題所研究的壺腹嵴位于膜半規管內，因此實驗的幾何模型根據膜半規管的尺寸建立，根據相關資料，膜半規管占骨半規管管腔隙的1/4，膜壺腹尺寸與壺腹尺寸相當，因此，本次實驗取膜半規管內徑0.3 mm，膜壺腹4 mm。

人體中，膜半規管壺腹嵴中的感覺毛一端自由，一端連接著支持細胞即一端固定，因此，可以看出壺腹嵴中的感覺毛呈懸臂梁結構，進而當采用聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）壓電纖維代替感覺毛時，也同樣采用懸臂梁結構。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，在裝配時對其一端進行固定，并用細鋼絲引出電極（用于信號的收集）。搭建好實驗平臺，實驗中，通過信號發生器發出一個正弦或者沖擊信號，經過功率放大器傳輸激振器，激振器帶動齒條，因為齒條和齒輪相嚙合，齒輪固定在軸上，以此來帶動膜半規管幾何模型進行旋轉，因為膜半規管幾何模型中填充的類內淋巴液液體，旋轉時，液體因為慣性作用會對包裹著PVDF壓電纖維的薄硅膠層產生沖擊，導致薄硅膠膜產生變形，從而帶動壓電纖維產生彎曲變形，由壓電效應可知，PVDF壓電纖維的表面會產生電荷，通過電極傳輸到信號放大器并由數據采集卡收集，反應至電腦。激光位移傳感器測得的正弦信號或沖擊信號下的實際信號曲線可以用來對PVDF壓電纖維的信號進行對比參考[3]。實驗系統為信號發生器、功率放大器、激振器、實驗平臺、電荷放大器、激光位移傳感器、數據采集卡、電腦，通過數據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都有3個半規管，因此，三維半規管幾何模型的建立更加貼近人體半規管，也能更好地研究半規管的工作原理以及3根管之間的耦合關系。與一維半規管不同，三維半規管需要與前庭相連，因此，在幾何模型的設計過程中，要考慮橢圓囊（半規管與前庭的連接部分）的尺寸，以及連接處的結構。根據相關資料得知，前半規管和后半規管的非壺腹部分合并成了一總腳，外半規管的非壺腹部分為單腳，它們都開口于前庭。因此，3根半規管只有5個小孔與前庭相通。同時也需要制作3根PVDF壓電纖維，將它們埋入薄硅膠層后分別置于3根半規管的壺腹內，裝配方式和一維半規管的幾何模型相似;同樣，也需要向三維半規管的幾何模型內填充類內淋巴液液體。

將制作好的三維半規管模型安裝在設計好的夾持模具上，實驗平臺和一維半規管類似，都是由信號發生器給予的信號，通過激振器帶動齒條-齒輪，使得實驗模型和齒輪同軸轉動，從而因為內淋巴液的慣性力使得PVDF壓電纖維發生彎曲變形產生電信號。因為三維人工壺腹嵴模型擁有3根PVDF壓電纖維，因此，該實驗的重點是研究3根不同半規管在旋轉過程中的關系以及探究在不同的角度下，3根半規管所起的作用[4]。

2.1.5 ?一些所做實驗的結論

一維人工壺腹嵴實驗裝置分別將人工壺腹嵴旋轉0°、30°、60°、90°，以此來使得填充在壺腹嵴中的液體對壺腹處的薄硅膠膜產生不同的壓力，再在每個角度下沿一定方向旋轉0～180°，將得到的數據進行數據處理，擬合出各個角度下的PVDF壓電纖維信號強度曲線，探究重力是否會對壺腹嵴傳感特性產生影響。

一維1∶1半規管角度實驗，正弦信號，頻率1 Hz，振幅3 mm，通過實驗論證重力因素對半規管傳感特性的影響，根據實驗數據處理不難看出，半規管壺腹部分纖維信號隨著X軸角度的增加而增加，其變化規律根據旋轉角度的不同，也不盡相同，推測可能與纖維放置的位置有相應的關系，也不能排除實驗偶然性和實驗誤差對實驗結果的影響，但可以根據已知圖形，推斷出重力是影響半規管壺腹部分纖維信號的一個因素[5]。

2.2 ?擬解決的關鍵問題

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

3 ? ?預計出現的問題、困難和擬采取的解決辦法

3.1 ?預計出現的問題

（1）外界條件對PVDF壓電纖維信號的影響;（2）實驗數據的處理和分析。

3.2 ?擬采取的解決方法

（1）對實驗系統進行優化，同時加強對實驗環境的管理，盡量將外部條件對實驗數據的影響降至最低值。

（2）通過查閱相關論文、書籍，結合前人的經驗和實驗結果，根據自己的實際情況對數據進行分析處理，得出實驗結論。

4 ? ?課題的主要創新之處

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，減小了因尺寸過大而導致的填充液體過多，液體重力對實驗過程造成的影響，實驗數據更加具有說服力。

相關研究發現新生兒的骨迷路與成人的大小一樣，也就是說，半規管在新生兒還在母親腹中的時候就已經基本發育完全了。因此，胎兒在母親腹中時半規管是否發育完全成為界定新生兒發育是否良好的關鍵因素。人工壺腹嵴的傳感特性研究和數據分析可以為檢測和評定半規管發育情況提供一個非常重要的參考，同時也可以更加深入地了解因為半規管功能衰退引發的各種疾病，找出病因，及時地預防和治療。本課題來自國家自然基金，希望實驗的成功能為人類醫學領域作出一份綿薄的貢獻。

[參考文獻]

[1]沈 ? 雙，孫秀珍，劉迎曦.人內耳前庭系統膜迷路流固耦合數值模擬[J].力學學報，2010（3）：415-421.

[2]馬丙輝，盧澤生.小型微力傳感器的研制[J].機械工程學報，2006（1）：227.

[3]曾令延，魏文洲，李茂進，等.正常人內耳結構的MR測量[J].醫學影像學雜志，2006（3）：226-229.

[4]徐科軍.傳感器動態特性的實用研究方法[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1999.

[5]邊義祥，裘進浩.半電極含金屬芯壓電纖維的彎曲振動模型[J].光學精密工程，2011（6）：1 298-1 305.