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摘 要：壶腹嵴的功能是作为感受头部旋转变速运动的感受器，通过查阅相关书籍、论文，找到人体半规管结构与功能之间的匹配关系，建立人工半规管生物力学模型，并以此建立人工半规管的几何模型;搭建实验平台，在人工半规管几何模型上进行类似人体的仿真实验。探究重力对人耳半规管传感特性的影响以及各半规管之间的耦合关系。
关键词：人工壶腹嵴;重力;传感特性
1 选题依据及研究意义
壶腹嵴又叫作位觉嵴，它是由加厚的结缔组织和感觉上皮组成，是鱼类及以上动物的内耳半规管中的位觉感受器。
壶腹嵴是作为感受头部旋转变速运动的感受器。因为内耳的3个半规管是互相垂直排列的，所以，当人的头部作旋转变速运动时，膜半规管中的内淋巴液的流动方向和流动速度发生了改变，从而导致壶腹帽（光镜下，嵴为凸入腔内的高隆起，顶端圆钝，表面有高圆顶形的胶状物，称为壶腹帽）倾斜，纤毛束弯曲，从而刺激了毛细胞，引发兴奋产生了神经冲动，经过前庭神经传输至大脑的前庭中枢，一方面传输到大脑皮质，使人产生旋转的感觉;另一方面传输到眼肌的运动核和脊髓，反射性地改变眼外肌、颈部和四肢肌的紧张性，以此来保持身体的平衡[1]。
人体的前庭系统结构非常复杂，它的功能是否正常与维持视网膜成像的稳定和维持人体的生存需求息息相关。半规管作为前庭系统的一部分，结构更加精细，半规管如果发生功能异常、病理性变化或者过度的外界环境激励，会导致人体的空间定位发生故障，诱发眼球震颤、眩晕等症状，会直接影响人们的生活。本课题通过设计制作的角加速度传感器代替壶腹嵴毛细胞的感觉毛，包裹传感器的硅胶层代替壶腹嵴，打造出近似于人体实际尺寸的半规管模型，向其中填充类内淋巴液，通过信号测试系统来研究半规管壶腹嵴的传感特性，探究重力是否对半规管功能产生影响以及3根半规管之间的耦合关系，为今后医学领域对前庭系统功能的检测与评定标准提供一些参考。
2 本课题研究内容和拟解决的关键问题
2.1 研究内容
本课题的主要研究内容：（1）含金属芯PVDF的制备研究;（2）建立一维人工壶腹嵴含金属芯PVDF理论模型;（3）建立一维1∶1人工壶腹嵴几何模型;（4）建立三维1∶1人工壶腹嵴几何模型;（5）根据实验数据探究重力因素对半规管传感特性的影响以及半规管之间的耦合关系[2]。
2.1.1 半电极含金属芯PVDF压电纤维的制备研究
PVDF纤维的柔韧性好，在工艺方面，尺寸做得相对较小，避免因为尺寸过大对实验灵敏度造成影响。在熔融纺丝法的工艺基础上，根据研究者设计的相关模具制备出含金属芯PVDF压电纤维;抽取金属芯，在加热至一定温度的油浴炉中进行拉伸，减小PVDF层的厚度，提高压电纤维的灵敏度;再向其中插入相应尺寸的金属丝并用器具夹持后，在表面涂镀电极，并进行极化处理。
2.1.2 建立一维人工壶腹嵴含金属芯PVDF理论模型
根据一维半规管角加速度传感器的纤维示意，为了方便理论公式的推导，现采用圆柱坐标系代替常规的直角坐标系对其进行理论研究，圆柱坐标系压电方程中的z方向、θ方向和γ方向分别对应直角坐标系压电方程中的1方向、2方向和3方向。因为涂镀对称电极的SMPF在极化之后具有很强的压电效应，而未涂镀对称电极部分的SMPF几乎不具有压电效应，所以在圆柱坐标系下SMPF计划区域的压电本构方程可以表示为：
（1）
（2）
在式（1）和式（2）中，Sij表示应变，Tij表示应力，Di表示电位移，Ei是电场强度，SEij表示场强稳定时的弹性柔顺系数，dij表示压电常数，εTij表示应力恒定时的介电常数。
2.1.3 建立一维1∶1人工壶腹嵴几何模型
通过查阅相关书籍，得知骨半规管部分的内径为0.8～1.2 mm，壶腹部分内径约为骨半规管内径的3倍，为3.2～4.8 mm。本课题所研究的壶腹嵴位于膜半规管内，因此实验的几何模型根据膜半规管的尺寸建立，根据相关资料，膜半规管占骨半规管管腔隙的1/4，膜壶腹尺寸与壶腹尺寸相当，因此，本次实验取膜半规管内径0.3 mm，膜壶腹4 mm。
人体中，膜半规管壶腹嵴中的感觉毛一端自由，一端连接着支持细胞即一端固定，因此，可以看出壶腹嵴中的感觉毛呈悬臂梁结构，进而当采用聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）压电纤维代替感觉毛时，也同样采用悬臂梁結构。将制备好的PVDF纤维埋入薄硅胶层中，再将其放置于膜壶腹几何模型中，在装配时对其一端进行固定，并用细钢丝引出电极（用于信号的收集）。搭建好实验平台，实验中，通过信号发生器发出一个正弦或者冲击信号，经过功率放大器传输激振器，激振器带动齿条，因为齿条和齿轮相啮合，齿轮固定在轴上，以此来带动膜半规管几何模型进行旋转，因为膜半规管几何模型中填充的类内淋巴液液体，旋转时，液体因为惯性作用会对包裹着PVDF压电纤维的薄硅胶层产生冲击，导致薄硅胶膜产生变形，从而带动压电纤维产生弯曲变形，由压电效应可知，PVDF压电纤维的表面会产生电荷，通过电极传输到信号放大器并由数据采集卡收集，反应至电脑。激光位移传感器测得的正弦信号或冲击信号下的实际信号曲线可以用来对PVDF压电纤维的信号进行对比参考[3]。实验系统为信号发生器、功率放大器、激振器、实验平台、电荷放大器、激光位移传感器、数据采集卡、电脑，通过数据处理软件获取不同角度下PVDF压电纤维的传感特性曲线，研究分析重力因素对壶腹嵴传感特性的影响。
2.1.4 建立三维1∶1人工壶腹嵴几何模型
我们都知道人体每侧都有3个半规管，因此，三维半规管几何模型的建立更加贴近人体半规管，也能更好地研究半规管的工作原理以及3根管之间的耦合关系。与一维半规管不同，三维半规管需要与前庭相连，因此，在几何模型的设计过程中，要考虑椭圆囊（半规管与前庭的连接部分）的尺寸，以及连接处的结构。根据相关资料得知，前半规管和后半规管的非壶腹部分合并成了一总脚，外半规管的非壶腹部分为单脚，它们都开口于前庭。因此，3根半规管只有5个小孔与前庭相通。同时也需要制作3根PVDF压电纤维，将它们埋入薄硅胶层后分别置于3根半规管的壶腹内，装配方式和一维半规管的几何模型相似;同样，也需要向三维半规管的几何模型内填充类内淋巴液液体。 将制作好的三维半规管模型安装在设计好的夹持模具上，实验平台和一维半规管类似，都是由信号发生器给予的信号，通过激振器带动齿条-齿轮，使得实验模型和齿轮同轴转动，从而因为内淋巴液的惯性力使得PVDF压电纤维发生弯曲变形产生电信号。因为三维人工壶腹嵴模型拥有3根PVDF压电纤维，因此，该实验的重点是研究3根不同半规管在旋转过程中的关系以及探究在不同的角度下，3根半规管所起的作用[4]。
2.1.5 一些所做实验的结论
一维人工壶腹嵴实验装置分别将人工壶腹嵴旋转0°、30°、60°、90°，以此来使得填充在壶腹嵴中的液体对壶腹处的薄硅胶膜产生不同的压力，再在每个角度下沿一定方向旋转0～180°，将得到的数据进行数据处理，拟合出各个角度下的PVDF压电纤维信号强度曲线，探究重力是否会对壶腹嵴传感特性产生影响。
一维1∶1半规管角度实验，正弦信号，频率1 Hz，振幅3 mm，通过实验论证重力因素对半规管传感特性的影响，根据实验数据处理不难看出，半规管壶腹部分纤维信号随着X轴角度的增加而增加，其变化规律根据旋转角度的不同，也不尽相同，推测可能与纤维放置的位置有相应的关系，也不能排除实验偶然性和实验误差对实验结果的影响，但可以根据已知图形，推断出重力是影响半规管壶腹部分纤维信号的一个因素[5]。
2.2 擬解决的关键问题
本课题拟解决的关键问题如下：PVDF纤维油浴拉伸后的极化问题以及电极引线问题;1∶1人工壶腹嵴的工艺制作问题;三维人工壶腹嵴耦合关系的探究问题。
3 预计出现的问题、困难和拟采取的解决办法
3.1 预计出现的问题
（1）外界条件对PVDF压电纤维信号的影响;（2）实验数据的处理和分析。
3.2 拟采取的解决方法
（1）对实验系统进行优化，同时加强对实验环境的管理，尽量将外部条件对实验数据的影响降至最低值。
（2）通过查阅相关论文、书籍，结合前人的经验和实验结果，根据自己的实际情况对数据进行分析处理，得出实验结论。
4 课题的主要创新之处
本课题制作的人工壶腹嵴的比例为1∶1，与人体的壶腹嵴实际尺寸很接近，能更好地探究人体壶腹嵴的传感特性，减小了因尺寸过大而导致的填充液体过多，液体重力对实验过程造成的影响，实验数据更加具有说服力。
相关研究发现新生儿的骨迷路与成人的大小一样，也就是说，半规管在新生儿还在母亲腹中的时候就已经基本发育完全了。因此，胎儿在母亲腹中时半规管是否发育完全成为界定新生儿发育是否良好的关键因素。人工壶腹嵴的传感特性研究和数据分析可以为检测和评定半规管发育情况提供一个非常重要的参考，同时也可以更加深入地了解因为半规管功能衰退引发的各种疾病，找出病因，及时地预防和治疗。本课题来自国家自然基金，希望实验的成功能为人类医学领域作出一份绵薄的贡献。
[参考文献]
[1]沈 双，孙秀珍，刘迎曦.人内耳前庭系统膜迷路流固耦合数值模拟[J].力学学报，2010（3）：415-421.
[2]马丙辉，卢泽生.小型微力传感器的研制[J].机械工程学报，2006（1）：227.
[3]曾令延，魏文洲，李茂进，等.正常人内耳结构的MR测量[J].医学影像学杂志，2006（3）：226-229.
[4]徐科军.传感器动态特性的实用研究方法[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1999.
[5]边义祥，裘进浩.半电极含金属芯压电纤维的弯曲振动模型[J].光学精密工程，2011（6）：1 298-1 305.
关键词：人工壶腹嵴;重力;传感特性
1 选题依据及研究意义
壶腹嵴又叫作位觉嵴，它是由加厚的结缔组织和感觉上皮组成，是鱼类及以上动物的内耳半规管中的位觉感受器。
壶腹嵴是作为感受头部旋转变速运动的感受器。因为内耳的3个半规管是互相垂直排列的，所以，当人的头部作旋转变速运动时，膜半规管中的内淋巴液的流动方向和流动速度发生了改变，从而导致壶腹帽（光镜下，嵴为凸入腔内的高隆起，顶端圆钝，表面有高圆顶形的胶状物，称为壶腹帽）倾斜，纤毛束弯曲，从而刺激了毛细胞，引发兴奋产生了神经冲动，经过前庭神经传输至大脑的前庭中枢，一方面传输到大脑皮质，使人产生旋转的感觉;另一方面传输到眼肌的运动核和脊髓，反射性地改变眼外肌、颈部和四肢肌的紧张性，以此来保持身体的平衡[1]。
人体的前庭系统结构非常复杂，它的功能是否正常与维持视网膜成像的稳定和维持人体的生存需求息息相关。半规管作为前庭系统的一部分，结构更加精细，半规管如果发生功能异常、病理性变化或者过度的外界环境激励，会导致人体的空间定位发生故障，诱发眼球震颤、眩晕等症状，会直接影响人们的生活。本课题通过设计制作的角加速度传感器代替壶腹嵴毛细胞的感觉毛，包裹传感器的硅胶层代替壶腹嵴，打造出近似于人体实际尺寸的半规管模型，向其中填充类内淋巴液，通过信号测试系统来研究半规管壶腹嵴的传感特性，探究重力是否对半规管功能产生影响以及3根半规管之间的耦合关系，为今后医学领域对前庭系统功能的检测与评定标准提供一些参考。
2 本课题研究内容和拟解决的关键问题
2.1 研究内容
本课题的主要研究内容：（1）含金属芯PVDF的制备研究;（2）建立一维人工壶腹嵴含金属芯PVDF理论模型;（3）建立一维1∶1人工壶腹嵴几何模型;（4）建立三维1∶1人工壶腹嵴几何模型;（5）根据实验数据探究重力因素对半规管传感特性的影响以及半规管之间的耦合关系[2]。
2.1.1 半电极含金属芯PVDF压电纤维的制备研究
PVDF纤维的柔韧性好，在工艺方面，尺寸做得相对较小，避免因为尺寸过大对实验灵敏度造成影响。在熔融纺丝法的工艺基础上，根据研究者设计的相关模具制备出含金属芯PVDF压电纤维;抽取金属芯，在加热至一定温度的油浴炉中进行拉伸，减小PVDF层的厚度，提高压电纤维的灵敏度;再向其中插入相应尺寸的金属丝并用器具夹持后，在表面涂镀电极，并进行极化处理。
2.1.2 建立一维人工壶腹嵴含金属芯PVDF理论模型
根据一维半规管角加速度传感器的纤维示意，为了方便理论公式的推导，现采用圆柱坐标系代替常规的直角坐标系对其进行理论研究，圆柱坐标系压电方程中的z方向、θ方向和γ方向分别对应直角坐标系压电方程中的1方向、2方向和3方向。因为涂镀对称电极的SMPF在极化之后具有很强的压电效应，而未涂镀对称电极部分的SMPF几乎不具有压电效应，所以在圆柱坐标系下SMPF计划区域的压电本构方程可以表示为：
（1）
（2）
在式（1）和式（2）中，Sij表示应变，Tij表示应力，Di表示电位移，Ei是电场强度，SEij表示场强稳定时的弹性柔顺系数，dij表示压电常数，εTij表示应力恒定时的介电常数。
2.1.3 建立一维1∶1人工壶腹嵴几何模型
通过查阅相关书籍，得知骨半规管部分的内径为0.8～1.2 mm，壶腹部分内径约为骨半规管内径的3倍，为3.2～4.8 mm。本课题所研究的壶腹嵴位于膜半规管内，因此实验的几何模型根据膜半规管的尺寸建立，根据相关资料，膜半规管占骨半规管管腔隙的1/4，膜壶腹尺寸与壶腹尺寸相当，因此，本次实验取膜半规管内径0.3 mm，膜壶腹4 mm。
人体中，膜半规管壶腹嵴中的感觉毛一端自由，一端连接着支持细胞即一端固定，因此，可以看出壶腹嵴中的感觉毛呈悬臂梁结构，进而当采用聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）压电纤维代替感觉毛时，也同样采用悬臂梁結构。将制备好的PVDF纤维埋入薄硅胶层中，再将其放置于膜壶腹几何模型中，在装配时对其一端进行固定，并用细钢丝引出电极（用于信号的收集）。搭建好实验平台，实验中，通过信号发生器发出一个正弦或者冲击信号，经过功率放大器传输激振器，激振器带动齿条，因为齿条和齿轮相啮合，齿轮固定在轴上，以此来带动膜半规管几何模型进行旋转，因为膜半规管几何模型中填充的类内淋巴液液体，旋转时，液体因为惯性作用会对包裹着PVDF压电纤维的薄硅胶层产生冲击，导致薄硅胶膜产生变形，从而带动压电纤维产生弯曲变形，由压电效应可知，PVDF压电纤维的表面会产生电荷，通过电极传输到信号放大器并由数据采集卡收集，反应至电脑。激光位移传感器测得的正弦信号或冲击信号下的实际信号曲线可以用来对PVDF压电纤维的信号进行对比参考[3]。实验系统为信号发生器、功率放大器、激振器、实验平台、电荷放大器、激光位移传感器、数据采集卡、电脑，通过数据处理软件获取不同角度下PVDF压电纤维的传感特性曲线，研究分析重力因素对壶腹嵴传感特性的影响。
2.1.4 建立三维1∶1人工壶腹嵴几何模型
我们都知道人体每侧都有3个半规管，因此，三维半规管几何模型的建立更加贴近人体半规管，也能更好地研究半规管的工作原理以及3根管之间的耦合关系。与一维半规管不同，三维半规管需要与前庭相连，因此，在几何模型的设计过程中，要考虑椭圆囊（半规管与前庭的连接部分）的尺寸，以及连接处的结构。根据相关资料得知，前半规管和后半规管的非壶腹部分合并成了一总脚，外半规管的非壶腹部分为单脚，它们都开口于前庭。因此，3根半规管只有5个小孔与前庭相通。同时也需要制作3根PVDF压电纤维，将它们埋入薄硅胶层后分别置于3根半规管的壶腹内，装配方式和一维半规管的几何模型相似;同样，也需要向三维半规管的几何模型内填充类内淋巴液液体。 将制作好的三维半规管模型安装在设计好的夹持模具上，实验平台和一维半规管类似，都是由信号发生器给予的信号，通过激振器带动齿条-齿轮，使得实验模型和齿轮同轴转动，从而因为内淋巴液的惯性力使得PVDF压电纤维发生弯曲变形产生电信号。因为三维人工壶腹嵴模型拥有3根PVDF压电纤维，因此，该实验的重点是研究3根不同半规管在旋转过程中的关系以及探究在不同的角度下，3根半规管所起的作用[4]。
2.1.5 一些所做实验的结论
一维人工壶腹嵴实验装置分别将人工壶腹嵴旋转0°、30°、60°、90°，以此来使得填充在壶腹嵴中的液体对壶腹处的薄硅胶膜产生不同的压力，再在每个角度下沿一定方向旋转0～180°，将得到的数据进行数据处理，拟合出各个角度下的PVDF压电纤维信号强度曲线，探究重力是否会对壶腹嵴传感特性产生影响。
一维1∶1半规管角度实验，正弦信号，频率1 Hz，振幅3 mm，通过实验论证重力因素对半规管传感特性的影响，根据实验数据处理不难看出，半规管壶腹部分纤维信号随着X轴角度的增加而增加，其变化规律根据旋转角度的不同，也不尽相同，推测可能与纤维放置的位置有相应的关系，也不能排除实验偶然性和实验误差对实验结果的影响，但可以根据已知图形，推断出重力是影响半规管壶腹部分纤维信号的一个因素[5]。
2.2 擬解决的关键问题
本课题拟解决的关键问题如下：PVDF纤维油浴拉伸后的极化问题以及电极引线问题;1∶1人工壶腹嵴的工艺制作问题;三维人工壶腹嵴耦合关系的探究问题。
3 预计出现的问题、困难和拟采取的解决办法
3.1 预计出现的问题
（1）外界条件对PVDF压电纤维信号的影响;（2）实验数据的处理和分析。
3.2 拟采取的解决方法
（1）对实验系统进行优化，同时加强对实验环境的管理，尽量将外部条件对实验数据的影响降至最低值。
（2）通过查阅相关论文、书籍，结合前人的经验和实验结果，根据自己的实际情况对数据进行分析处理，得出实验结论。
4 课题的主要创新之处
本课题制作的人工壶腹嵴的比例为1∶1，与人体的壶腹嵴实际尺寸很接近，能更好地探究人体壶腹嵴的传感特性，减小了因尺寸过大而导致的填充液体过多，液体重力对实验过程造成的影响，实验数据更加具有说服力。
相关研究发现新生儿的骨迷路与成人的大小一样，也就是说，半规管在新生儿还在母亲腹中的时候就已经基本发育完全了。因此，胎儿在母亲腹中时半规管是否发育完全成为界定新生儿发育是否良好的关键因素。人工壶腹嵴的传感特性研究和数据分析可以为检测和评定半规管发育情况提供一个非常重要的参考，同时也可以更加深入地了解因为半规管功能衰退引发的各种疾病，找出病因，及时地预防和治疗。本课题来自国家自然基金，希望实验的成功能为人类医学领域作出一份绵薄的贡献。
[参考文献]
[1]沈 双，孙秀珍，刘迎曦.人内耳前庭系统膜迷路流固耦合数值模拟[J].力学学报，2010（3）：415-421.
[2]马丙辉，卢泽生.小型微力传感器的研制[J].机械工程学报，2006（1）：227.
[3]曾令延，魏文洲，李茂进，等.正常人内耳结构的MR测量[J].医学影像学杂志，2006（3）：226-229.
[4]徐科军.传感器动态特性的实用研究方法[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1999.
[5]边义祥，裘进浩.半电极含金属芯压电纤维的弯曲振动模型[J].光学精密工程，2011（6）：1 298-1 305.