محاكاة الاستجابة الميكانيكية للطحن البشري إلى الصدمات الصوتية

الأذن البشرية هي نظام ميكانيكي حيوي حساس جداً يحول الطاقة الصوتية إلى إشارات عصبية، ومع ذلك يظل عرضة للضرر من التعرض الصوتي الشديد، والإصابة الصوتية الناتجة عن التشخيص المفاجئ أو المطول للضوضاء الصوتية، والسببات الميكانيكية للصوت، والصدمات الميكانيكية للأذن، والضغط الميكانيكية على الأذن في هذه الظروف القاسية

طبيعة وآثار الصدمات الصوتية

وتُعرَّف الصدمات الصوتية بأنها إصابة جهاز الاستماع نتيجة التعرض لصوت عالي الدقة، وهو ما يتجاوز عادة 120 من الدي بيزو (مستوى الضغط السليم)، وهذه المستويات شائعة في التفجيرات، وإطلاق النار، والآلات الصناعية، والموسيقى المضللة، ويمكن أن يكون الضرر فوريا أو تراكميا أو مؤقتا أو دائما، ولا تزال فقدان السمع الناجم عن الضباب أكثر الأمراض المهنية شيوعا على الصعيد العالمي، حيث تتعرض منظمة الصحة العالمية لخطر السمع غير المأمون.

وتؤثر الصدمات الصوتية على هياكل الأذن المتعددة، إذ يمكن للطاقة الميكانيكية من الأصوات العالية أن تمزق الأذن، وتزيل السلاسل المنوية، أو تدمر في معظمها الخلايا الحساسة الحسية في الكوشلي، المعروفة بخلايا الشعر، ولا تتجدد في الثدييات، مما يؤدي إلى فقدان سمعي دائم.

AAIGA

الفضاء الخارجي (العمر الخارجي)

وتتكون قناة الأذن الخارجية من قنابل الأذن التي تبث موجات صوتية نحو النسيج الطاغي (الطوبة)، وتتكون من قياسات الأذن الأرضية، التي تبلغ طولها 2.5 سنتيمتر تقريباً في البالغين، وتتصرف كأنبوب متردد يضاعف الترددات حول 2-4 كيلوهرتز - وهي مجموعة ذات صلة كبيرة بالخطب وبغيرات الضوضاء الصدمة.

الشرق الأوسط

ويحتوي الأذن المتوسطة على ثلاثة أوسمات: المطرقة )المطرقة(، والحشرات )المشرية(، والقطع )السرقة(، وهذه العظام تشكل نظاماً للثأر يجسد قوة الإهتزازات من الأذن إلى نافذة الشوفان، كما أن الأذن الوسطى تشمل عضلاتين صغيرتين )الضوضاء المتصاعدة والبطيئة( تتحولان إلى ظاهرياً.

داخلي إير (الكوتشليا)

إن الكوشلي هو جهاز مسيل للدماغ على شكل دوائي يبلغ طوله 32 ملم في البشر، وهو يحتوي على ثلاثة صالات (الستريبوليس، ووساط الإعلام، وسكالا تيمباني)، وتستمر أمبراطورية النجمة النجمية النجمية على طولها وتدعم جهاز كورتي الذي يسكن صفائح خلايا الشعر الداخلية والخارجية.

ومن وجهة نظر المحاكاة، يتطلب كل عنصر من هذه المكونات خصائص قياسية جغرافية دقيقة وتمثيل مادي - تجليدي للأذن، وثبات غير خطي للمفاصل المنوية، وديناميات السوائل المتأصلة في سوائل الكاشليار، وكما سنرى، يجب أن تدمج النماذج الحسابية جميع هذه العناصر في التنبؤ بالصدمات النفسية.

نهج المحاكاة الحاسوبية

تحليل العناصر النهائية

الطريقة الأكثر شيوعاً لحفز الاستجابة الميكانيكية للأذن هي تحليل العناصر المحددة، تقسم جيوترات الأذن إلى عدد محدود من العناصر، كل منها مع خصائص مادية محددة، وتحل معادلة الحركة تحت حمولات مطبقة، وتُبنى النماذج الحديثة من فحص خام للأشعة الميكروكية للعظمة البشرية، مما يوفر قياسات جيولوجية دقيقة للغاية.

ويقوم الباحثون عادة ببناء نماذج مستقلة لأجهزة الإرسال، والأذن، والأوعية، والبطانات المتوسطة، والاشلاء، والكوشلي، وكثيرا ما يكون الكوكلي نموذجا مستقيما غير مطلّق لتبسيط الحساب، مع خلايا النسيج الصاروخي والشعر كقشر أو عناصر صلبة ذات خصائص مادية أو مفتوحة، والسائل المحتوية على سائل مضبوطن (ال تستخدم السائل المشابهة)

تفاعل الهياكل الأساسية

ونظراً لأن الأذن هي أساساً نظام مختلط بالسوائل، فإن محاكاة الاستخبارات المالية ضرورية، لا سيما بالنسبة للكوكلي، فالانقلاب بين الأحذية المثبتة وسوائل الكاشليار، وكذلك التفاعل بين الهياكل المسيّرة على طول الميمبرنة القطبية، ينظم نقل الطاقة، ويستخدم الباحثون أساليب التوزيع التعسفية للغاز - الإيلين أو أساليب الإجهاد المتحركة.

النماذج المتعددة المستويات والزائدة

وتشمل التطورات الأخيرة نماذج متعددة النطاق تربط التشوهات الميكانيكية الكلية بالاستجابات الخلوية، مثلا، يمكن نقل الإجهاد على النسيج العازل إلى نموذج لجهاز كورتي، الذي يشمل مجموعات شعر فردية وجهاز النصب المغناطيسي، ويمكن لهذه النماذج التنبؤ بنقطة انقضاض الانقلابات الاصطناعية (هيكل الاستشعار) أو الخلايا الاصطناعية.

شروط حيازة المواد الحرجة والوضع

وتتوقف دقة التبسيط على الممتلكات المادية، إذ يبلغ سمك الأذن نحو 0.1 ملم، ويظهر سلوكا غير خطي في الازدحام، وتختلف الأوسمة بين أصعب العظام في الجسم، حيث تراوحت درجة الغضب بين 14 غيتا، وتختلف درجات طول الطول والطول في متوسط الطول.

وبالنسبة لمحاكاة الصدمات الصوتية، فإن ظروف الحمل هي عادة دوافع (مثل موجة التفجير التي تُعد على شكل موجة من موجة الفريدلاندر) أو طلقات النبرة العالية المستوى المستمرة، ويطبق تاريخ الضغط على مدخل قناة الأذن، وتتتبع عمليات التشريد والسرعات والضغوط التي تنجم عن ذلك في جميع أنحاء الأذن على ثانيات دقيقة إلى أقصى حد ممكن.

النتائج الرئيسية من دراسات المحاكاة

التركيز على الضغط في الشرق الأوسط

وتظهر محاكاة التعرض للانفجارات (Gan et al., 2014) أن المفاصل بين الكوكتيلات والأحذية المثبتة قد تولد أعلى تركيزات الإجهاد أثناء الضجيج، وهذه المناطق غالباً ما تكون أول كسر في الصدمة الصوتية الشديدة، كما أن المحاكاة تكشف عن وجود تردد في النسيجات الخافضة(15).

Basilar Membrane Displacement and Cochlear Damage

وفي داخل الكوشيلا، فإن موجات السفر المحاكاة تحت درجة عالية من الشدة، تظهر غير خطية، ويمكن أن يتجاوز التشريد الأقصى للميدبرة البسيلية حجماً كبيراً، ويتجاوز كثيراً عدد حالات التشرد الصغيرة التي تُعد عادةً في السمع العادي (المناطق عند الحد الأدنى) وفي 140 دي بي إس بي، يمكن أن يصل التشريد إلى عدة ميكروميترات، مما يؤدي إلى تمزق ميكانيكي لجهاز كورتي.

دور مدة الخدمة والإنعاش

وتكشف عمليات المحاكاة التي تتضمن ديناميات مؤقتة أن حتى الضوضاء المعتدلة (100 دي بي) التي تستمر لساعات يمكن أن تسبب أضراراً ضالة تراكمية في الميمبراين القطبي، قد تظهر أنسجة الأذن زاحفة حادة، مما يؤدي إلى تشوه دائم قبل حدوث وفاة الخلايا، وهذه النتائج تساعد على توضيح سبب احتمال تعرضها بشكل متكرر دون علمي إلى فقدان سمعي تدريجي.

تطبيقات محاكاة الاستجابة الميكانيكية

تصميم أجهزة حماية سماع صوتية

ومن أكثر التطبيقات عملية زيادة عدد الأذنين والأذنين وحامية السمع العرفي إلى أقصى حد، ويمكن للأجهزة المحاكاة اختبار مختلف المواد والجيومتريات، على سبيل المثال، استكشاف كيفية تصاعد موجات الأذن ذات النكهة المزدوجة قبل وضع علامات باهظة التكلفة، وقد استخدم الباحثون في مختبر البحوث التابع للجيش نماذج للسمع لتقييم فعالية أجهزة حماية سمعية تعتمد على المستوى تسمح بفقدان الأصوات المنخفضة المستوى.

معايير تقييم المخاطر والأذى

وتوفر عمليات المحاكاة أساسا علميا لتحديد حدود التعرض للضوضاء، ومن خلال ربط السلالة الآلية المحاكاة بالبيانات التاريخية من نماذج الحيوانات، اقترح الباحثون عتبات جديدة للأضرار، مثل سرعة الذروة في النسيج بحجم 0.5 متر/متر أو ضغط قذيفة تبلغ 5 درجات في جهاز كورتي، وهذه المعايير أكثر صقلا من الحدود الدنيا لمستوى الصوت المخفف، ويمكن أن تشكل ضوضاء.

Advancing Cochlear Implant Design

كما أن فهم رد الأذن الميكانيكي تحت الصدمة يُفيد بتصميم زرعات الكشليكية، ويجب إدخال صفيفة الكهرودين إلى الترمباني دون الإضرار بالمسمار البسيلار، كما أن محاكاة قوات الإدخال وما ينتج عن ذلك من توزيع للإجهاد تساعد المهندسين على تطوير صفائف أكثر مرونة، بالإضافة إلى معرفة كيف تُعدل الصدمة الميكانيكية

التشخيص السريري وتخطيط العلاج

ويجري إدماج النماذج الحاسوبية في سير العمل التشخيصي، مثلاً إذا عانى المريض من فقدان سمعة مفاجئة بعد حدوث حادث مسموع، فإن المحاكاة الشخصية التي تستند إلى فحصها المتزامن للأشعة السينية يمكن أن تقدر موقع الضرر وشدته، ويمكن أن تسترشد هذه المعلومات بالقرارات المتعلقة بالعلاج بالستيرويد أو التدخل الجراحي، ولا يزال هذا النموذج الخاص بالمرضى في حالة الاستنشاق، ولكنه يبشر بالخير.

حدود المحاكاة الحالية

وعلى الرغم من قوتها، فإن النماذج الحالية لها قيود هامة، إذ أن قياسات الأذن، ولا سيما الكوكاليا، معقدة للغاية، ومعظم النماذج تبسط الشكل الرئوي في صندوق مستقيم لخفض التكلفة الحسابية، وقد يغير هذا التبسيط ديناميات نشر الموجات، ولا تزال الخواص المادية للأذن البشرية غير محددة تماما، ولا سيما بالنسبة لمناهج التكرير الاصطناعي ومناطق خلايا الشعر الداخلية.

وبالإضافة إلى ذلك، كثيرا ما تفتقر عمليات المحاكاة إلى تضخيم الكشليكية النشطة، حيث توفر خلايا الشعر الخارجي عادة تغذية مرتدة بالكهرباء لتعزيز الحساسية والانتقائية من حيث التردد، وقد تصبح هذه الآلية النشطة، في ظل الصوت المكثف، غير عاملة أو حتى تسهم في الضرر، ولا يزال إدماج توليد القوة النشطة في نماذج FE يشكل تحديا، ولكنه أمر أساسي للتنبؤ الدقيق بالصدمات النفسية.

فالتحقيق هو عقبة أخرى، ففي حين أجريت بعض المقارنات مع قياسات العظام المتوسطة (]Greene et al., 2016)، فإن الدراسات القليلة تقيس مباشرة الإجهاد داخل الكواكب أثناء الصدمات، ومعظم التنبؤات المحاكاة متداخلة بشكل غير مباشر عن طريق بيانات السلوك أو الكهربية من نماذج الحيوانات.

الاتجاهات المستقبلية

ويتجه هذا المجال نحو نماذج أعلى من حيث الشكل، ومحددة للمرضى، ونماذج متعددة النطاق، كما أن التقدم في التصوير الطبي (مثلاً، ميكروتوماتورية الأشعة السينية المتزامنة) يتيح الآن إيجاد حل دون ميكرون للهياكل الكشليلية، مما يتيح نماذج تضم خلايا شعر فردية وأماكن فرعية، كما يجري استخدام التعلم الماكين للتعجيل بتنفيذ عمليات التحفيز: الشبكات العصبية المدربة على النتائج.

ويجري حاليا وضع نماذج مزدوجة تربط الصدمات الميكانيكية بالممرات الكيمائية الحيوية (مثل تدفق الكالسيوم، وتوليد الأنواع الأكسجينية التفاعلية) ويمكن أن تنبأ هذه النماذج ليس فقط بالضرر الميكانيكي الحاد بل أيضا بالتدهور الثانوي على مدى أيام، كما يمكنها أن تحاكي آثار العوامل العلاجية مثل مضادات السموم أو الكويكبات الارتية، التي توفر منصة افتراضية لفحص المخدرات.

وأخيرا، سيستخدم محاكاة الصدمات الصوتية بصورة متزايدة بالاقتران مع أجهزة الاستشعار التي يمكن ارتداؤها، فعلى سبيل المثال، يمكن لمستشعر مستوى أذن الجندي أن يلتقط موجة ضغط انفجارية؛ ويمكن أن يُدمج هذا النموذج الموجي في نموذج FE مثبت مسبقا لتقدير خطر الإصابة الفردي في الميدان، مما يتيح إجراء ثلاثية ومتابعات طبية فورية.

خاتمة

إن محاكاة الاستجابة الميكانيكية للأذن البشرية للصدمات الصوتية قد تطورت إلى نظام متطور يدمج التشريح وعلم المواد وديناميات السوائل وميكانيكيات الحاسوب، ومن خلال الكشف عن المسارات الميكانيكية التي تؤدي إلى فقدان السمع، فإن هذه النماذج قد أثرت بالفعل على تصميم السمع ومعايير الضرر وتطوير الزرع، وفي حين أن التحديات التي تواجه التصدعات لا تزال قائمة في التصويب والتثبت، لا تزال هناك صدمات.

For further reading on the subject, see this comprehensive review of finite element models of the human ear and ]a study on blast-induced trauma simulation.