ניתוח יסודות פינט של ההתנהגות המכנית של הלשון האנושית בסבורה

ניתוח יסודות פינט (FEA) הוא טכניקה חישובית שהפכה את המחקר של ביומכניקה על ידי מתן אפשרות לחוקרים לדמות ולחזות את ההתנהגות המכנית של רקמות ביולוגיות בתנאים שונים.כאשר החלים על הלשון האנושית - איבר שרירי מורכב חיוני לדיבור, טעם, לבלוע - FEA מציעה תובנות עמוקות כיצד הלשון מפצה, מייצרת כוחות, וקואורדינטות עם מבנים אוראליים אחרים במהלך תהליך זה, ניתוח מעמיק של מחקר מכני של עבודה קלינית, אשר שימש לאחרונה.

הלשון האנושית: אנטומיה וניצול מכניקה

הלשון היא איבר יוצא דופן המורכב שריריים פנימיים וחיצוניים המאפשרים לו לשנות צורה, מיקום, קשיחות עם מהירות ודיוק יוצא דופן.שרירים פנימיים (על-טבעיים, ארוך-טווח נחות, transverse, ו אנכי) לשנות את צורת הלשון, בעוד שרירי חוץ-מחדש (geniossus, hyogus, atous, ו-phicretous) הם תנועות הגנה על-tostogulus, כמו גם על הלשון הביקורתית, כמו גם על-tos).

סוווט, או דה-לוטציה, מחולק בדרך כלל לשלושה שלבים: אוראלי, pharyngeal, ו esophageal.The Language ממלא תפקיד פעיל ביותר בשלב אוראלי, שבו הוא מעלה ומחסססס את הבולוס נגד החפטה הקשה, דוחף אותו באופן מיידי לעבר ה- pharynx.הדרישות המכאניות על הלשון הן משמעותיות: הוא חייב לייצר מספיק לחץ על מנת לעבור את ה-זמנית, תוך כדי למנוע את המעבר של אנשים מוקדמים של תהליך זה, במיוחד, כדי למנוע את ההפרעות האורנוריות, במיוחד, כדי למנוע את החלק הזה של אנשים עם המשתנים, ובמיוחד את המשתנים, כדי למנוע את החלק הזה של המשתנים, כדי למנוע את המשתנים, במיוחד, באופן מוקדם יותר, כדי למנוע את החלק הזה של אנשים עם המשתנים, במיוחד, כדי למנוע את החלק הזה של המשתנים, במיוחד, באופן מוקדם של המשתנים, באופן מוקדם של המשתנים, באופן מוקדם של המשתנים, באופן מוקדם יותר מדי פעם, כדי למנוע את המשתנים, באופן מוקדם יותר, באופן מוקדם של המשתנים, כדי למנוע את המשתנים, באופן מוקדם של המשתנים, כדי למנוע את המשתנים, כדי למנוע את המשתנים, כדי למנוע את המשתנים, כדי למנוע את המשתנים, באופן

הבנת הביומכניקה של הלשון במהלך הבליעה אינה רק מעניינת מבחינה אקדמית אלא חיונית קלינית. שיטות מסורתיות כגון וידאופלונוסקופיה ומנימטריה לספק פתרון מרחבי וזמני מוגבל של עיוות פנימי וחלוקת מתח.כאן ניתוח אלמנט סופי מגבה את הפער, המציע תצוגה מפורטת תלת-ממדית של ההתנהגות המכנית הפנימית של הלשון.

מימון של Finite Element Analysis ב Biomechanics

ניתוח יסודות Finite הוא שיטה מספרית שמפתורה בעיות פיזיות מורכבות על ידי שבירת דומיין מתמשך למספר סופי של אלמנטים דיסקרטיים.כל אלמנט מוגדר על ידי נושטים, ואת ההתנהגות של החומר מתוארת על ידי משוואות חוקתיות המתייחסות ללחץ וזן. על ידי פתרון מערכת המשוואות לכל הצמתים, העיוות הכולל, המתח והמתח בתוך המבנה ניתן להשוות.

ביומכניקה, FEA משמש מודל רקמות המציגות לא ליניארי, אנזוטרופי, ונכסים מולקולטיים - כריזטריסטים שמאתגרים ללכוד עם מודלים אנליטיים פשוטים יותר. עבור רקמות רכות כמו הלשון, אשר כמעט בלתי ניתן למדידה ולהציג עיוותים גדולים במהלך לבלוע, מודלים חומריים היפרליגנטיים (למשל, מון-רינלין, הם לעתים קרובות המודל החומרי של הסימולציה החומרית שלה.

(הסימולציות של FEA דורשות מספר רכיבים: מודל גיאומטרי (המובא באופן זמני מהדמיה רפואית), הקצאת תכונות חומריות, הגדרה של תנאי גבול (למשל, החזקות קבועות, משטחי מגע), ויישומים של עומסים (כוחות חובה, לחץ תוך-טרטורלי) תהליך הפתרון כרוך בפתרון משוואות שיווי המשקל של ה-החליפה, לעתים קרובות באמצעות תוכנה מסחרית כמו FLT:0.

בניית מודל יסוד פינטיט של הלשון האנושית

יצירת מודל FEA ריאלי של הלשון האנושית היא תהליך רב-שלבי הדורש מומחיות באנטומיה, הדמיה ומכניקה חישובית.

צילום: Acquisition and Segmentation

הבסיס של כל מודל של שפה FEA הוא גיאומטריה מדויקת. High-resolution הדמיה מגנטית (MRI) או סריקות של tomography (CT) של חלל הפה משמשים כדי ללכוד את הצורה של הלשון ואת המבנה הפנימי.MRI הוא מעדיף כי זה מספק ניגוד עדין, המאפשר הבחנה שונה בין קבוצות שרירים.

נכסים חומריים

אחד ההיבטים המאתגרים ביותר הוא הקצאת תכונות חומריות מתאימות לשרירים השונים של הלשון.רקמת הלשון היא אנזוטרופית (התוצאות שונות לאורך כיוון סיבי השריר), לא ליניארי (מערכת היחסים בין מתח אינה ליניארית), ומולסטית (תגובה תלויה בזמן) חוקרים משתמשים לעתים קרובות בנתונים ניסיוניים מחיות או מדגמי אדם כדי להפיק קבועים.

תנאים חמורים ועומס

הלשון מעוגן לעצם ההידרואידית וניתן לנעוץ באמצעות השרירים הסרטיניים.החזקות הללו ממודלות כתנאי גבול קבועים או דמויי אביב. במהלך הבליעה, הלשון יוצרת קשר עם החנדטה הקשה, החפטה הרכה, והדממה הקדמית של ה-Fharyngeal אלגוריתמים נגזרים גם הם כדי לדמות אינטראקציות אלה, מניעת אינטרנטורציה ומאפשרת לעומסים המופעלים, כולל חלונות חשמליים או משרירים זעירים, אם כי הם כוללים שינויים אלגוריתמים (אוטיים).

סימולציה ופוסט-Processing

ברגע שהמודל מתכנס, אירוע בלעה מדמה לאורך זמן, בדרך כלל נמשך פחות משני.הלוחם קובע עקירות של עקירה, מתחים אלמנטיים, ומדגיש עשרות אנשים בכל שלב.פוסט-מעבדה הדמיה את התוצאות, לעתים קרובות באמצעות מפות צבע של הפצה לחץ, צפיפות אנרגיה מתוחה, או כיוונים הלחץ העיקרי כוללים את הלחץ המקסימלי על פני השטח, עיוות של השרירים של העבודה, ועושים על ידי השרירים האישיים.

התנהגויות מכניות מפתח נחשפו על ידי FEA של הלשון ב Swallowing

מחקרים של FEA הניבו תובנות חשובות לגבי האופן שבו הלשון מתפקדת באופן מכני במהלך הבליעה הרגילה.

דור הלחץ ו-Bolus Propulsion

הלשון מייצרת תנועה דמוית גל הדוחקת את הבקתה מלפנים ועד ל- FEA מראות שהלחץ הגבוה ביותר מתרחש באזור הקשר הדו-פלפלי, במיוחד באמצע הדרך.לחץ זה יכול לעלות על 20 kPa במבוגרים בריאים.הסימולציות מראות כי הלשון נוקשה ככל שהיא נוגעת בשיתוק, ויוצרת אזור גבוה של לחץ המונע את הביצה מלמטה למעלה מלחץ קליני; הדליפות גבוהה יותר, אינה מתקרבת את הנתונים הקליניים.

תבניות של Deformation ו-שרירים Synergy

FEA מאפשר לחוקרים לדמיין תבניות עיוות פנימי כי הם בלתי אפשרי לראות עם דימות לבד בשלב אוראלי, הלשון מפענחה בהילוך "squeeze-back" האופייני: החלק השלישי הקדמי צחס באופן אנכי, באמצע הכריתות הקדמית לתוך שרירי דלקת הרחם הקדמיים, בעוד החלק הקדמי של השרירים הקדמיים מופעלים ביעילות, כמו גם לחץ על השרירים pharxine.

השפעה על תכונות קידוד על תפקוד סולו

מחקרים על רגישות פרדוקסאלית באמצעות FEA הראו כי וריאציות בנוקשות שרירים, תזמון הפעלה וגיאומטריה יש השפעות משמעותיות על מכניקת לבלוע.לדוגמה, הגדלת הנוקשות של הלשון (כפי שעלול להתרחש עם fibrosis או צלקות) מפחית את הדהמת של amplitude ומוביל ללחץ מגע גבוה יותר אבל ירידה נמוכה יותר.

יישומים קליניים ותובנות

המוטיבציה הקלינית העיקרית למחקר שפה FEA היא האבחנה והטיפול של dysphagia. Dysphagia משפיע על אוכלוסייה גדולה וצמיחה, וכלים הנוכחיים של הערכה יש מגבלות. FEA מספקת מסגרת לקשר מכניקת רקמות בסיסית עם תוצאות פונקציונליות.

מודל למטופל-הניתוח של ניהול דיספג'יה

על ידי יצירת מודלים ספציפיים לחולה FEA סריקות MRI שגרתיות, רופאים יכולים לחזות באופן תיאורטי כיצד הלשון של המטופל מסוים יבצע במהלך הבליעה.מודלים אלה יכולים לשמש כדי לדמות את ההשפעות של התערבויות כירורגיות (למשל, ירידה הלשון עבור מאקרוגלובוסיה), מכשירים הרדמה (מעליות ליבה, מכשירים למניעת הריון), או תרגילי שיקום.

עיצוב כירורגי ואסתטיקה

FEA שימש גם כדי לייעל את העיצוב של הגדלת פניות עבור חולים שעברו ניתוח מבריק. על ידי הדמיה כיצד צורת שפה שונה אינטראקציה עם משטח סטטי, מהנדסים יכולים להתאים את קו המתאר של הפרוזה כדי למזער את הדליפה ולשפר יעילות לבלוע באופן דומה, FEA יכול להודיע את העיצוב של מכשירים המסייעים עם הלשון במקרים של תפקוד עצבי.

המונחים: specific mechanics

מודלים של FEA מותאמים לייצג פתולוגיות ספציפיות.לדוגמה, מודלים של תנועת שפה מוגבלת (ankyloglossia או "tongue-tie") על ידי שינוי תנאי הגבול של frenulum מראה כיצד זה מגביל את הגובה הקדמי ומשתנה דפוסי הלחץ.עבור מחלת פרקינסון, סימולציות עם שיעורי הפעלה מופחתת שרירים לשחזר את ה bradykinesia של הלשון נראה קליני מחלה זו-הידי זה יכול לעזור סימפטומים ספציפיים בדיקה מכנית של אסטרטגיות.

אתגרים ומגבלות בשפת FEA

למרות הבטחתו, FEA של הלשון ניצבת בפני כמה מכשולים משמעותיים שיש לטפל בהם לפני אימוץ נרחב.

רכוש חומרי בלתי-וודאות

התכונות המכאניות של רקמת הלשון האנושית ב vivo אינן מוגדרות היטב.רוב המודלים החומריים מסתמכים על נתונים חדשים של בעלי חיים או מרקמות צולבות, אשר עשויים לא ללכוד את ההתנהגות הפעילה והדינמית של שריר חי.יתר על כן, הלשון מורכבת משרירים מרובים עם נטייה סיבים שונים ונכסים חוזיים שונים.כפי שחת פרמטרים חומריים ייחודיים ומדויקים לכל קבוצת שרירים היא קשה מאוד.

אימות נגד נתונים Vivo

אימות ישיר של תחזיות FEA הוא מאתגר כי קשה למדוד מתחים פנימיים וזנים בשפה אנושית חיה במהלך הבליעה. שיטות אימות נוכחיות מסתמכות על השוואות עם עיוות פני השטח מ-MRI מתויגת או עם מדידות לחץ תוך-טרטוראלי. בעוד אלה מספקים קצת ביטחון, הם לא לאשר לחלוטין את מצב הלחץ הפנימי.שיפור טכניקות הדמיה, כגון אולטרסאונד או רצף MRI מהיר יותר, עשויים להציע אימות נתונים עתידיים.

מורכבות משלימה ואישון

מודלים של שפה נאמנות גבוהה דורשים משאבים חישוביים משמעותיים.דמיה טיפוסית של בלעה אחת עשויה לקחת שעות עד ימים לרוץ, אפילו על מעשים חזקים.זה מגביל את היכולת לבצע סימולציות הרציונאליות לתכנון הטיפול. יתר על כן, בניית מודל ספציפי לחולה דורש כיום פלח ובדיקת פרמטר ידני, שהוא עבודה רגיש ועדיין לא מעשי לשימוש קליני שגרתי.

ייצוג של חוזים שרירים פעילים

מודלים של התכווצות פעילה של שרירי הלשון הוא עדיין תחום של מחקר פעיל.תבניות ההפעלה במהלך הבליעה מורכבות ולא מובן לחלוטין.רוב המחקרים משתמשים בפונקציות הפעלה פשוטות המבוססות על עפעפיים EMG או תזמון.שילוב שליטה עצבית ריאלית ויכולת לדמות התאמות כפייה נשאר אתגר גדול.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

תחום הלשון FEA מתפתח במהירות, מונע על ידי התקדמות הדמיה, שיטות חישוביות, ו ביומכניקה.

מודלים של Multi-Scale ו- Multi-Physics

מודלים עתידיים יתערבו בקנה מידה, מרמת סיבי השרירים ועד לרמת האיברים.זה יאפשר הבנה מכניסטית יותר של איך שינויים ברמה התאית (למשל, באורך סרקקום) ישפיעו על תפקוד ארגוני שלם.בנוסף, ניצול המודל המכני עם דינמיקת בולוס (אינטראקציה של מבנה השפעה) יאפשר סימולציות מציאותיות יותר של תחבורת בורק, כולל ההשפעה של נפח הנפח והנפח של הבודהה.

שילוב עם Neural Control ו-חיישנים Feedback

הוספת מודלים של מרכזי בלעת מוחות משוב מ mechanoeptptors יאפשר סימולציות שיכולות להסתגל להפרעות.מודלים נוירו-מכניים כאלה יכולים לחזות כיצד הלשון לומדת לפצות לאחר שבץ או ניתוח, מתן תובנות אסטרטגיות שיקום.

מודל אוטומטי דור מחשוב ענן וענן

ההתקדמות בלמידה של מכונות מוחלת על פילוח אוטומטי הדור מ-MRI. זה, בשילוב עם מפתרי יסוד סופיים מבוססי ענן, יכול להפחית את זמן הסבב עבור סימולציות ספציפיות לחולה מכמה ימים עד דקות.אם טכנולוגיות אלה בוגרות, FEA יכול להפוך כלי קליני שגרתי להערכת הפרעות בלעה והתערבות תכנון.

קישור ל- Clinical Outcome Measures

כיוון מבטיח נוסף הוא לקשור מדדים FEA-derived (כגון לחץ פלסמה שיא, זמן לעיוות מקסימלי, או עבודה שנעשתה על ידי הלשון) עם אמצעים קליניים סטנדרטיים כמו סולם החדירה או ציוני יעילות בלעה.הקמת הקורלציה האלה תאמת את הרלוונטיות של מדדי FEA ועזור לקבוע סף לנורמלי לעומת פגיעה.

מסקנה

ניתוח יסודות סיפק - וממשיך לספק - תובנות יקרות ערך להתנהגות המכנית של הלשון האנושית במהלך הבליעה.על ידי מתן הדמיה מפורטת של לחצים פנימיים, זנים, ותיאום שרירים, FEA עוזר להסביר כיצד איבר מורכב זה מייצר את הכוחות הדרושים כדי לדחוף את הסימון בבטחה מן הפה כדי לתקן את ה- FEAFite, ככל הנראה שיפור שיטות מחקר קליני של טיפול תרופתי ו- FmeFram מבטיח של אנשים מתקדמים יותר, כדי לשפר את רמת הדיוק של שיטות מחקר אלקטרונים של טיפולית של טיפולית של טיפול תרופתית ואפקטיבי.