[論文レビュー] A 3D dynamical biomechanical tongue model to study speech motor control

G Jean-Michel, Reiner Wilhelms-Tricarico+2 more|ArXiv.org|Jun 16, 2006

Vehicle Noise and Vibration Control参考文献 31被引用数 61

ひとこと要約

本論文では、3次元動的生物学的舌モデルを提示する。このモデルは、超弾性材料特性（ムアニー＝リヴリン式）を有する有限要素法（FEM）を用い、言語関連の舌運動を模擬するための8つの解剖学的に正確な筋肉アクチュエータを備えている。モデルは、筋肉の活性化パターンを変化させることで舌の形状が動的に変化することを効果的に示しており、言語運動制御機構の研究のためのテストベッドを提供する。

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.

研究の動機と目的

• 言語運動制御を調査するための生理学的に正確な3次元生物学的舌モデルの開発。
• 筋肉の配置と組織の弾性に関する詳細な解剖学的データを、動的シミュレーションフレームワークに統合すること。
• 言語発声における筋肉活性化が舌の形状変形に与える影響をシミュレートすること。
• 言語運動システムにおける神経制御戦略に関する仮説の検証に役立つ計算ツールの提供。

提案手法

• 人間の舌の詳細な解剖学的データに基づく構造的メッシュを用いた有限要素法（FEM）によるモデリング。
• 組織の弾性を表現するため、ムアニー＝リヴリン歪みエネルギー関数を用いて超弾性材料挙動をモデル化。
• 筋肉は、既知の解剖学的起始部と停止部に基づき、FEMメッシュの特定の節点に作用する一般化された力生成装置として表現される。
• 言語に関与する8つの主要な舌筋を、明示的に定義された活性化パラメータを用いてモデル化。
• ラグランジュ方程式の運動をANSYS®ソフトウェアを用いて解き、動的舌変形をシミュレート。
• シミュレーションでは、筋肉活性化レベルの変化が引き起こす舌形状変化への影響を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる筋肉活性化パターンが、言語運動タスク中の舌の3次元形状にどのように影響を与えるか？
• RQ2 生理学的に正確な3次元舌モデルが、既知の言語関連の舌運動をどの程度再現できるか？
• RQ3 舌組織の機械的特性が、筋肉活性化下での動的舌変形にどのように影響を与えるか？
• RQ4 このモデルは、言語運動計画における神経制御戦略の研究のための有効なテストベッドとして機能できるか？

主な発見

• モデルは、制御された筋肉活性化パターンに応じて、複雑な3次元舌形状変化を効果的に再現した。
• 筋肉特異的な活性化は、予測可能で解剖学的に妥当な変形をもたらし、モデルの生物学的忠実性を検証した。
• ムアニー＝リヴリン超弾性式の使用により、舌組織の非線形弾性挙動が正確に捉えられた。
• シミュレーションでは、内在性および外在性の舌筋の協調的活性化が、言語発音に一致する運動パターンを生じることを示した。
• モデルは動的舌運動のシミュレーションを可能とし、言語運動制御における仮説検証を支援した。
• 解剖学的に正確な筋肉の幾何学的形状と力の作用の統合により、モデルの生理学的妥当性が向上した。