【摘要】：大腦是人體的核心器官,支配著人類的一切生命活動(dòng)。神經(jīng)元是組成腦的基本單元,不同神經(jīng)元之間以特定方式形成的神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)對(duì)于腦功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。已有研究表明,部分疾病的發(fā)病機(jī)理與神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)的形成與調(diào)控密切相關(guān),因此獲取全腦神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)對(duì)于腦疾病的治愈和腦研究的發(fā)展具有重要意義。近年來(lái),獲取全腦神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)的方法層出不窮,其中機(jī)械切片結(jié)合光學(xué)成像的技術(shù)手段以其成像范圍大、成像分辨率高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。在發(fā)展的各種包埋方式及對(duì)應(yīng)的機(jī)械切片方法中,采用瓊脂糖包埋,包埋流程簡(jiǎn)單,無(wú)損樣本形態(tài)、熒光信號(hào)及抗原性。但是受切片裝置性能及鼠腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異性的影響,樣本切片精度不高,在成像時(shí),需將焦面置于樣本表面以下較深的位置來(lái)降低切削對(duì)成像質(zhì)量的影響,造成信號(hào)不均勻的現(xiàn)象,使得這種包埋方法的應(yīng)用受到了限制�；诖�,本文研究了用于瓊脂糖包埋小鼠全腦的振動(dòng)切削方法,旨在提高振動(dòng)切片系統(tǒng)切削瓊脂糖包埋鼠腦樣本的切削質(zhì)量,使該包埋方式及切片方法能夠應(yīng)用于全腦神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)的獲取中。針對(duì)這一目標(biāo),本文提出了適用于小鼠全腦振動(dòng)切削方法研究的具體實(shí)施方案:通過(guò)分析振動(dòng)切片切削軟組織的過(guò)程,確定影響樣本切削質(zhì)量的切削參數(shù),并結(jié)合現(xiàn)有切片裝置的特點(diǎn),提出適用于全腦切削研究的振動(dòng)切片裝置的設(shè)計(jì)需求,利用所設(shè)計(jì)的切片裝置結(jié)合現(xiàn)有的光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)瓊脂糖包埋的小鼠全腦進(jìn)行切削分析,建立鼠腦樣本不同位置的切削質(zhì)量與切削參數(shù)之間的定量關(guān)系,在此基礎(chǔ)上分別確定適用于全腦不同位置切削的最佳切片參數(shù)。本文設(shè)計(jì)了基于柔性機(jī)構(gòu)的振動(dòng)切片裝置。包括音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)、振動(dòng)結(jié)構(gòu)及刀片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)四部分。通過(guò)設(shè)計(jì)音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分,實(shí)現(xiàn)振幅、頻率連續(xù)可調(diào)。采用在Y方向和X方向均具有較高剛度的傳導(dǎo)機(jī)構(gòu),準(zhǔn)確傳遞驅(qū)動(dòng)力并能有效控制由音圈電機(jī)安裝所帶來(lái)的誤差。通過(guò)設(shè)計(jì)基于雙平行四邊形機(jī)構(gòu)的振動(dòng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的直線運(yùn)動(dòng)軌跡并降低Z向誤差。為了調(diào)節(jié)刀片安裝方向與振動(dòng)方向近似平行,減小Z向誤差,設(shè)計(jì)了刀片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了刀片滾動(dòng)角能在0~3.9°范圍內(nèi)精密調(diào)節(jié)。最后對(duì)該振動(dòng)切片裝置進(jìn)行性能測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的振動(dòng)切片系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率在0~100 Hz、振動(dòng)幅度在0~0.5 mm內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。并且在頻率為100 Hz、振幅為0.5 mm的條件下,系統(tǒng)的直線度誤差小于2.5μm,Z向誤差小于3μm。最后利用所設(shè)計(jì)的振動(dòng)切片裝置,完成對(duì)小鼠全腦振動(dòng)切削方法的研究。研究了不同振動(dòng)切片參數(shù)對(duì)鼠腦不同位置切削質(zhì)量的影響,通過(guò)PI實(shí)時(shí)染色結(jié)合光學(xué)成像的方法準(zhǔn)確恢復(fù)樣本切削后的斷面輪廓形貌,建立了鼠腦不同位置的切削質(zhì)量與切削參數(shù)的定量關(guān)系。通過(guò)優(yōu)化小鼠全腦不同位置的切削參數(shù),使得鼠腦樣本的斷面平整度能有效控制在20μm以內(nèi)。最后對(duì)切片系統(tǒng)所使用的陶瓷刀片進(jìn)行磨損分析,實(shí)驗(yàn)證明以8μm切片厚度切削完四個(gè)完整鼠腦樣本后,刃口磨損缺陷不超過(guò)5μm。
【圖文】：

圖 2-1 切削的四個(gè)階段：I：初始階段；II：組織形變；III：組織斷裂；IV：連續(xù)切削[47]。Figure 2-1 Four stages in tissue cutting processes: I: Initial State; II: Tissue Deformation; III: CrackPropagation; IV: Controlled Cutting[47].基于切削力越小，，切削質(zhì)量越好[48]這一理論，以組織斷裂瞬間的切削力大小作為衡量切片質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)。隨后利用斷裂力學(xué)中的 J 積分理論建立切削參數(shù)與組織斷裂階段瞬間的切削力之間的關(guān)系，如式 2-1[47]： = √ 12 2 1 2 2 22 1 22 4 44 2 2 2 22 (2-1)其中 FR是組織斷裂瞬間時(shí)的切削力，ω 是振動(dòng)切片機(jī)的工作頻率，A 是振動(dòng)切片機(jī)工作的振幅，μ 是樣本進(jìn)給速度，k1、k2、c1、c2分別為系統(tǒng)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，為常數(shù)。根據(jù)關(guān)系式，影響切削力即影響切削質(zhì)量的因素有振動(dòng)頻率、振幅、樣本進(jìn)給速度。首先，影響樣本組織斷面質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)是振動(dòng)頻率。振動(dòng)切片的

圖 3-5 傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)。Figure 3-5 Conduction mechanism structure.orks Simulation 進(jìn)行靜應(yīng)力分析時(shí)，分別在三種不同厚度向施加 30 N 和 3 N 的力，這里的 30 N 和 3 N 分別依據(jù) 26.8 N 及假設(shè)在 X 方向有 5°安裝誤差時(shí)在該方向產(chǎn)生的導(dǎo)機(jī)構(gòu)的應(yīng)變值，圖 3-6、圖 3-7 展示的是三種厚度下傳力分析結(jié)果。（a）~（c）所示，厚度為 1.2 mm、1.6 mm、2 mm 的傳下，Y 向應(yīng)變值分別為 1.02 μm、0.89 μm、0.80 μm。圖音圈電機(jī)在 X 方向存在 5°安裝誤差時(shí)，在 X 方向產(chǎn)生的構(gòu)在該方向的應(yīng)變值分別為 0.42 μm、0.32 μm、0.25 μm
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：Q189

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本文編號(hào)：2605088