[논문 리뷰] A 3D dynamical biomechanical tongue model to study speech motor control

G Jean-Michel, Reiner Wilhelms-Tricarico외 2명|ArXiv.org|2006. 06. 16.

Vehicle Noise and Vibration Control참고 문헌 31인용 수 61

한 줄 요약

이 논문은 초탄성 재료 성질(Mooney-Rivlin 형식화)을 갖춘 유한 요소 모델링(FEM)과 8개의 해부학적으로 정확한 근육 액추에이터를 사용하여 3차원 동적 생체역학적 혀 모델을 제시한다. 이는 말과 관련된 혀의 운동을 시뮬레이션한다. 모델은 근육 활성화를 변화시킴으로써 혀 자세가 어떻게 동적으로 변화하는지 성공적으로 시연하며, 말 운동 조절 메커니즘을 연구하기 위한 시험대를 제공한다.

ABSTRACT

A 3D biomechanical dynamical model of human tongue is presented, that is elaborated in the aim to test hypotheses about speech motor control. Tissue elastic properties are accounted for in Finite Element Modeling (FEM). The FEM mesh was designed in order to facilitate the implementation of muscle arrangement within the tongue. Therefore, its structure was determined on the basis of accurate anatomical data about the tongue. Mechanically, the hypothesis of hyperelasticity was adopted with the Mooney-Rivlin formulation of the strain energy function. Muscles are modeled as general force generators that act on anatomically specified sets of nodes of the FEM structure. The 8 muscles that are known to be largely involved in the production of basic speech movements are modeled. The model and the solving of the Lagrangian equations of movement are implemented using the ANSYSTM software. Simulations of the influence of muscle activations onto the tongue shape are presented and analyzed.

연구 동기 및 목표

• 말 운동 조절을 연구하기 위해 인간 혀의 생리학적으로 정확한 3차원 생체역학적 모델을 개발하기 위해.
• 근육 배열과 조직 탄성에 대한 세부 해부학적 자료를 동적 시뮬레이션 프레임워크에 통합하기 위해.
• 말 생산 중 혀 자세의 변형에 미치는 근육 활성화의 영향을 시뮬레이션하기 위해.
• 말 운동 조절 시스템의 신경 조절 전략에 대한 가설 검증을 위한 계산 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 인간 혀의 세부 해부학적 자료를 기반으로 한 구조적 메esh를 사용한 유한 요소 모델링(FEM).
• 탄성 거동을 표현하기 위해 Mooney-Rivlin 변형 에너지 함수를 사용하여 초탄성 재료 거동을 모델링.
• 기존에 알려진 해부학적 기원과 삽입부를 기반으로 FEM 메쉬의 특정 노드에 작용하는 일반적인 힘 생성기로 근육을 표현.
• 말과 관련된 8개의 주요 혀 근육을 정의된 활성화 파rameter와 함께 명시적으로 모델링.
• ANSYS® 소프트웨어를 사용하여 라그랑주 운동 방정식을 해결하여 동적 혀 변형을 시뮬레이션.
• 다양한 근육 활성화 수준이 초래하는 혀 자세 변화에 영향을 분석하는 시뮬레이션.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 근육 활성화 패턴은 말 운동 과제 중 혀의 3차원 자세에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 생체역학적으로 정확한 3차원 혀 모델은 알려진 말 관련 혀 운동을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ3 혀 조직의 기계적 성질은 근육 활성화 하에서 동적 혀 변형에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모델은 말 운동 계획에서의 신경 조절 전략 연구를 위한 유효한 시험대가 될 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 통제된 근육 활성화 패턴에 대한 반응으로 복잡한 3차원 혀 자세 변화를 성공적으로 재현한다.
• 근육 특이적 활성화는 예측 가능하고 해부학적으로 타당한 변형을 유도하며, 모델의 생체역학적 정밀도를 검증한다.
• Mooney-Rivlin 초탄성 형식화는 혀 조직의 비선형 탄성 거동을 정확하게 포착한다.
• 시뮬레이션은 내재성 및 외재성 혀 근육의 조율된 활성화가 말 발음과 일치하는 운동 패턴을 생성함을 보여준다.
• 모델은 혀 운동의 동적 시뮬레이션을 가능하게 하여 말 운동 조절에서의 가설 검증을 지원한다.
• 해부학적으로 정확한 근육 기하학 및 힘 적용의 통합은 모델의 생리학적 관련성을 향상시킨다.