[論文レビュー] A soft robotic tongue to develop solutions to manage swallowing disorders

Marco Marconati, S. Pani+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2020

Tracheal and airway disorders参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、嚥下動態のリアルなin vitro評価を可能にするために、人間の舌の力学に着想を得たソフトロボット舌アクチュエータを提案する。可変な親水性と制御可能な気圧駆動を統合することで、生理的に妥当な口腔内移動時間、食塊速度、軟口蓋圧力を再現した。最適な舌の協調が移動時間を短縮し残留物を最小限に抑える一方、厚めでせん断薄体性を示す液体は、協調性が低い状況下でも食塊の制御性を向上させることを示した。

ABSTRACT

The development of novel texture adaptations for the management of swallowing disorders could be accelerated if reliable in vitro tests were made available. This study addresses some of the limitations of swallowing in vitro models, by introducing a soft robotic actuator inspired by the tongue. The wettability of the soft-robotic actuator was engineered to achieve physiologically relevant contact angles to allow comparing dry and lubricated conditions. The actuator design and the control algorithm are designed to offer flexibility in the swallowing patterns to consider different scenarios, including poor lingual coordination. In vitro swallowing tests with shear thinning liquids were performed as a proof of concept and showed physiologically relevant oral transit time, bolus velocity and palatal pressure. Both the bolus rheology and the coordination of the peristaltic contractions influenced the temporal evolution of the bolus velocity and the bolus transit time. This novel soft robotic tongue, its integration in an in vitro oral cavity and its flexible control can therefore contribute to developing better solutions to manage swallowing disorders.

研究の動機と目的

• 既存のin vitro嚥下モデルにおける限界、特に幾何学的単純化、剛性材料、唾液潤滑性の模倣不足を是正すること。
• 埋め込まれた室を気圧で膨張させることでペルストリックな舌の動きを再現するソフトロボット舌アクチュエータの開発。
• 食塊の流動特性、舌の協調性、潤滑性の影響が口腔内移動時間と軟口蓋圧力に与える影響を制御可能に調査すること。
• 口咽頭性嚥下障害向け新規食品配合のスクリーニングに適したスケーラブルで柔軟なin vitroプラットフォームを提供すること。
• アクチュエータ制御における調整可能なタイミングパラメータを用いて、舌の協調性が悪い状況が食塊の制御性と除去効率に与える影響を評価すること。

提案手法

• 臨床的3Dメッシュに基づいて設計された3Dプリンティングによる半透明なin vitro口腔腔を考案し、ソフトロボット舌を収容可能に変更した。
• ソフトロボット舌は、後部および前部の室を圧力制御で制御することでペルストリック波を模倣する気圧式可動アクチュエータで構成される。
• アクチュエータ表面の親水性を人間の舌の特性に合わせて設計し、乾燥状態と潤滑状態の比較が可能になった。
• 高速ビデオで食塊の移動を記録し、埋め込まれた圧力センサーで軟口蓋圧力を測定し、超音波ドップラー法で食塊速度を追跡した。
• 後部の収縮と前部の膨張の時間遅れ（tA）を含む制御パラメータを系統的に変更し、協調的および非協調的嚥下を模倣した。
• 流動特性の影響を評価するため、4.59% w/wのTUC溶液（せん断薄体性を示す液体）を食塊モデルとして用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 後部の収縮と前部の膨張のタイミング差が、口腔内移動時間および食塊速度にどのように影響するか？
• RQ2 本in vitroモデルにおいて、異なる協調パターン下での食塊の流動特性および軟口蓋圧力はどの程度変化するか？
• RQ3 表面の潤滑性の有無が、食塊の残留物および移動ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ4 ソフトロボット舌は、厚めでせん断薄体性を示す液体について、生理的に妥当な口腔内移動時間と軟口蓋圧力を再現できるか？
• RQ5 舌の協調性が悪い状況が、食塊の制御性および除去効率に与える影響は何か？

主な発見

• 完全な協調状態（tA = 0 s）で最短の口腔内移動時間（0.27 s）が達成され、前部の膨張が0.2 s遅れた場合、移動時間は0.41 sに増加した。
• 協調遅延（tA）と移動時間の間に非単調な関係が観察された。遅れおよび予期的な収縮の両方が移動時間を延長したが、いずれも設定された遅延よりは小さい増加であった。
• 食塊速度プロファイルには、0.6 s以降に後部室の再膨張に起因する特徴的な第二ピークが観察され、tA = 0 sの場合はその振幅が小さく、軟口蓋上に残存する食塊が少ないことを示した。
• 潤滑性がない状態では薄い食塊に対してわずかに残留物が増えたが、移動時間に顕著な影響はなく、潤滑性の役割が低粘度液体に対してより重要であることを示唆した。
• TUC溶液（4.59% w/w）で最も厚い状態でも、前部の膨張が0.2 s遅れても、食塊の早期漏れは発生しなかった。これは高粘度およびせん断薄体性の保護的効果を裏付けた。
• 食塊の粘性が高くなるほど軟口蓋圧力が上昇し、特に舌の前部で高い圧力がかかることが確認され、嚥下時の生理的圧力勾配を反映していた。