סימלוציה של התגובה המכנית של האוזן האנושית לטראומה אקוסטית

האוזן האנושית היא מערכת ביומכנית רגישה להפליא שממירת אנרגיה אקוסטית לסימנים עצביים, אך היא נותרה פגיעת לחשיפה לצלילים עזים.טראומה אקוסטית – כתוצאה מרעש פתאומי או ממושך – משפיעה על מיליוני אנשים ברחבי העולם, מאנשי צבא שנחשפו לגלי פיצוץ לחובבי מוזיקה בקונצרטים.

הטבע והקונקוויזיות של טראומה אקוסטית

טראומה אקוסטית מוגדרת כפגיעה במנגנון השמיעה הנגרמת על ידי חשיפה לקול רגיש גבוה, בדרך כלל מעל 120 dB SPL (רמת לחץ קשה) רמות כאלה נפוצות בפיצוצים, ירי, מכונות תעשייתיות, ומוסיקה מוגברת.הנזק יכול להיות מיידי או מצטבר, זמני או קבוע. Noise-oriented השמיעה (NIHL) נשאר המחלה הנפוצה ביותר בעולם, עם ארגון הבריאות העולמי הוא אובדן שמיעה של 1 מיליארד דולר כי הם בסיכון גבוה יותר מ הקשבה.

טראומה אקוסטית משפיעה על מבנים אוזניים מרובים.האנרגיה המכנית מצלילים חזקים יכולה לקרוע את האוזן, לנתק את שרשרת אווסicular, או - בדרך כלל - להזיז את התאים החושיים העדין ב cochlea, הידוע כתאים לשיער. ברגע שתאים לשיער נהרסים, הם לא מתחדשים ביונקים, מה שמוביל לאובדן שמיעה קבוע.

האנטומיה של האוזן האנושית: פרספקטיבה מכנית

אוזניים חיצוניות (Externalאוזן)

הגלונה והאוזן יוצרים את האוזן החיצונית, אשר פטריות גלי קול לעבר המרבטן הצמיגים (הגילום) הגיאומטריה של תעלת האוזן, כ-2.5 ס"מ ארוכים במבוגרים, מתנהגת כשחפת מהדהדת שמדגימה תדרים סביב 2–4 kHz - טווח רלוונטי מאוד לדיבור ולמקורות רעש טראומטיים.

האוזן התיכונה

האוזן התיכונה מכילה שלושה אווסיקים: הקניון (hammer), Incus (anvil), ו-Sscaps (stirrup) עצמות אלה מהוות מערכת מנוף שמגבירה את הכוח של הרטטים מהאוזן לחלון הנבל של cochlea. האוזן התיכונה כוללת גם שני שרירים קטנים (tensor mpani ו- stapedius) כי רפלקסיבי לעתים קרובות הגנה איטית על רעש זה, אך לא יעיל זה הוא לעתים קרובות.

האוזן הפנימית (Cochlea)

הקוצ'לי הוא איבר דמוי דמוי דמוי, מלא נוזל על 32 מ"מ ארוך בבני אדם.הוא מכיל שלושה סקאלה (scala oliibuli, cala Media, צמיגים tympani) את membrane הבזיליקה רץ לאורך אורך שלה ותומכת באורגן של קוריטי, אשר בתים באופן פעיל שורות של תאי שיער פנימיים וחיצוניים.

מנקודת מבט סימולציה, כל אחד מהמרכיבים האלה דורש ייצוג גיאומטרי וחומרי מדויק - תכונות אקסקלסטיות של אוזן, קשיחות לא לינארית של המפרקים הווסטליים, ודינמיקה של נוזל מולקווס של נוזלי cochlear. כפי שנראה, מודלים חישוביים חייבים לשלב את כל האלמנטים האלה כדי לחזות טראומה.

המונחים: Simulation

ניתוח יסודות Finite Element Analysis (FEA)

השיטה הנפוצה ביותר לסימול התגובה המכנית של האוזן היא ניתוח יסוד סופי. FEA מחלק את הגיאומטריה של האוזן למספר סופי של אלמנטים, כל אחד עם תכונות חומריות מוגדרות, ומפתור את המשוואות של תנועה תחת עומסים יישומיים.מודלים מודרניים בנויים מ-micro-CT ברזולוציה גבוהה של עצמות זמניות אנושיות, ומספקים גיאומטריה מדויקת לחלוטין.

החוקרים בדרך כלל בונים מודלים נפרדים של FE עבור תעלת האוזן, אוזן, אווסיקים, חצאיות אמצע-ear, ו cochlea. cochlea מיוצג לעתים קרובות כמו מודל מלוטש לא מתואם לפשט חישוב, עם תאי basilar membrane ושיער כמופגז או אלמנטים מוצקים עם תכונות חומר אורתאוטרופי.

אינטראקציה עם שינוי (FSI)

מכיוון שהאוזן היא מערכת מבוססת נוזלים, סימולציות FSI הן חיוניות, במיוחד עבור cochlea.ההפיכה בין sboarde sboarde ונוזל cochlear, כמו גם אינטראקציה מבנית נוזל לאורך המזכרון basilar, למשול את העברת האנרגיה. חוקרים משתמשים בשיטות אקראיות Lagraian-Eulerian () או לעבור את הסימולציות למתחים בלחץ גבוה, כדי להזיז את הגבולות.

מודלים רבים-סקריים וזוגות

ההתקדמות האחרונה משלבת מודלים רב בקנה מידה כי קישורים מאקרוסקופיים עיוותים לתגובות סלולריות.לדוגמה, הלחץ על קרום הבזיליקה ניתן לעבור למודל של האיבר של קוריטי, הכולל חבילות שיער בודדות ואת membrane הפיכה tectorial.מודלים אלה יכולים לחזות את הנקודה שבה תאי שיער (הרגישים) הם תומכים תאים אלה הם תמיכה טראומה קריטית.

תכונות חומריות קריטיות ועומס תנאים

הדיוק של סימום תלוי במידה רבה בתכונות החומריות.האוזן יש עובי של בערך 0.1 מ"מ ומציג התנהגות לא לינארית מולקולסטית.האוסיקה הן בין העצמות הקשות ביותר בגוף, עם המודולוס של יאנג בסביבות 14 GPa. ligaes-ear באמצע-ear ו נוטה יש ערכים קשיחים כי עם כיוון וקצב משתנה.

עבור סימולציה טראומה אקוסטית, תנאי טעינה הם בדרך כלל דחפים (למשל, גל פיצוץ מודלד כמו גל פרידנדר) או התפרץ בטון ברמה גבוהה מתמשכת.היסטוריית זמן הלחץ מוחל על כניסה תעלת האוזן. Simulations אז לעקוב אחר העקירה וכתוצאה מכך, מהירויות, מתחים, וזנים לאורך האוזן על פני מיקרו שניות כדי מילימטרים פגומים לעתים קרובות מבוססים על סף פסגות או פיגור גבוה יותר, היא עלולה למתח.

תוצאות חיפוש: Simulation Studies

ריכוז מתח באוזן התיכונה

סימולציות של חשיפה לפיצוץ (ראה:0Gan et al., 2014FLT:1) מראה כי מפרק incudo-malleolar ואת sboarde לחוות את ריכוזי הלחץ הגבוהים ביותר במהלך רעש אימפולסיבית.אזורים אלה הם לעתים קרובות הראשון לשבר בטראומה אקוסטית חמורה.ה גם סימולציות חושפות כי רפלקס אקוסטי, אשר מקשה את שרשרת הסמוקים, יכול להפחית במהירות של פיצוצים ב -15B.

בזילאר ממברנן דיסלוקמנט ונזקי קוכלאר

בתוך הקובצ'לי, סימולציה גלים נודדים תחת צליל אינטנסיבי להראות משיכה לא ליניארית.העקירה הפסגה של קרום הבזיליקה יכולה להפוך גדול מאוד, הרבה יותר מעל העקירות הקטנות האופייניות לשמיעה רגילה (מונים בסף) ב-140 dB SPL, העקירת השיא יכולה להגיע כמה מיקרומטרים, מה שגורם לדמית מכנית של ה-FSIy.

תפקיד משך ושיקום

סימלציה המשלבת דינמיקות זמניות מגלה שאפילו רעש בינוני (100 dB) שנמשך במשך שעות יכול לגרום נזק מצטבר של זנים במזכרון הבזיליקה.רקמות האוזן עלולות להציג חיץ מולקולסטי, המוביל לעיוות קבוע לפני מותו של התא.ממצאים אלה לעזור להסביר מדוע חשיפה תת-טראומטית חוזרת עלולה להוביל לאובדן שמיעה מתקדם.

תגובות מכניות

עיצוב מכשירי הגנת השמיעה

אחת האפליקציות המעשיות ביותר היא קידוד אוזן, אוזן, ומגינים שמיעה מותאמים אישית.סימולציות יכולות לבדוק חומרים שונים וגיאומטריה - לדוגמה, לחקור כיצד אוזן כפולה-flange hydrel אטומים גלי פיצוץ לפני הסתברות יקר. חוקרים במעבדה מחקר צבאי השתמשו במודלים FE כדי להעריך את יעילותם של גינויים תלויי רמה המאפשרים לצלילים נמוכים באמצעות סימולציה גבוהה, אך ללא סימולציה גבוהה.

הערכת סיכונים ופציעות

סימלציה מספקת בסיס מדעי לקביעת גבולות החשיפה לרעש.על ידי הדבקה מכנית מדמיינת עם נתונים יסטולוגיים ממודלים של בעלי חיים, החוקרים הציעו סף נזק חדש, כגון מהירות של בזיליקה גבוהה של 0.5 מ"ר / או מתח של 5 פא באורגן של קוריטי. קריטריונים אלה הם יותר מעודנים מאשר רמה של צליל משקל וניתן להסביר עבור אימפולס, אשר מזיק במיוחד.

עיצוב משותף של Cochlear Implant

הבנת התגובה המכנית של האוזן מתחת לטראומה גם מודיעה על עיצוב של שתלים cochlear.המערך אלקטרודה יש להכניס לתוך צמיגים צמיגים cympani של הבזיליקה ללא פגיעה במזכרה.סימולציות של כוחות ההכנסה ואת חלוקת המתח וכתוצאה מכך לעזור למהנדסים לפתח פרמטרים רכים יותר, יותר אנטרומטיים.

אבחון קליני ותכנון טיפול

מודלים Computational משולבים בזרימות עבודה אבחון.לדוגמה, אם המטופל סובל מאובדן שמיעה פתאומי של חיישן חזותי לאחר אירוע חזק, סימולציה אישית המבוססת על סריקת העצם הזמנית שלו יכול להעריך את המיקום והחומרה הסבירו. מידע זה יכול להנחות החלטות על טיפול סטרואידים או התערבות כירורגית.מודל ספציפי לחולה זה עדיין בחיתולים שלו, אך מראה הבטחה נהדרת.

מגבלות של הסימולציות הנוכחיות

למרות הכוח שלהם, מודלים נוכחיים יש מגבלות חשובות.הגאומטריה של האוזן, במיוחד cochlea, הוא מאוד מורכב, ורוב המודלים מפשטים את הצורה הספירלית לתוך קופסה ישר כדי להפחית את העלות החישובית. פשטות זו עשויה לשנות דינמיקת הגלים.חומרים חומריים עבור האוזן האנושית עדיין אינם מאופיין לחלוטין, במיוחד עבור אזורי שיער מקיפים ותאים פנימיים.

בנוסף, סימולציות לעיתים קרובות חסרות הגברה של cochlear פעיל. תאי שיער בחוץ בדרך כלל מספקים משוב אלקטרו-מוטי כדי לשפר את הרגישות ואת בחירתיות התדירות.תחת סאונד אינטנסיבי, מנגנון פעיל זה עשוי להיות לא מתפקד או אפילו לתרום לנזק. שילוב של כוח פעיל לתוך מודלים FE נשאר מאתגר אבל חיוני עבור חיזוי מדויק טראומה.

אימות הוא עוד מכשול, בעוד כמה השוואות עם מדידות העצם של קדראביטרי נעשו (ראה:0; ירוק et al., 2016FLT:1), מעטים המחקרים ישירות למדוד לחץ תוך-קוכלאר במהלך טראומה.רוב התחזיות מסולפות באופן עקיף באמצעות נתונים התנהגותיים או אלקטרופיזיים ממודלים של בעלי חיים.

כיוונים עתידיים

השדה נע לכיוון נאמנות גבוהה יותר, ספציפית למטופל, מודלים בקנה מידה רב.מתקדמים בדמיית רפואית (למשל, סינכרן X-ray microtomography) עכשיו לאפשר פתרון תת-מיקרו-מיקרוני של מבני קוכלאר, המאפשר מודלים לכלול תאים בודדים ואת חללי תת-קרקעית.

מודלים חד-צדדיים המקשרים טראומה מכנית לנתיבים ביוכימיים (למשל, סידן influx, מין חמצן תגובתי דור) נמצאים בפיתוח.מודלים כאלה יכולים לחזות לא רק נזק מכני חריף, אלא גם ניוון משני לאורך ימים.הם יכולים גם לדמות את ההשפעות של סוכנים טיפוליים כמו נוגדי חמצון או קורטיקוסטרואידים, המספקים פלטפורמת סינון תרופתית.

לבסוף, סימולציה של טראומה אקוסטית תשמש יותר ויותר בשילוב עם חיישנים בעלי לב.לדוגמה, חיישן ברמה האוזן של החייל יכול ללכוד את גל הלחץ של הפיצוץ; גל זה יכול להיות מוזן למודל FE מראש כדי להעריך את הסיכון של הפרט בתחום, המאפשר טריאזיס רפואי מיידי מעקב.

מסקנה

הסימולציה של התגובה המכנית של האוזן האנושית לטראומה אקוסטית התבגרה לתוך משמעת מתוחכמת המשלבת אנטומיה, מדע חומרי, דינמיקות נוזלית ומכניקה חישובית. על ידי חשיפת המכנית שמובילה לאובדן שמיעה, מודלים אלה כבר השפיעו על תכנון מגן שמיעה, קריטריונים נזק ופיתוח השתלת סימולציה, בעוד אתגרים נשארים בדלנות מודל ואימות, המשך התקדמות הדמיה, מחשוב, והפיכה רב-מידה ללא ספק מוכן להחלמה של סכינים ושיקום של חוקרים טובים יותר.

לקריאה נוספת בנושא, ראה:0 (הסקירה מקיפה זו של מודלים של יסוד סופיים של אוזן האדם אוזן ⁇ 1 ו- FLT:2a מחקר על סימולציה טראומה מושרה פיצוץ 3.