[论文解读] A 3D dynamical biomechanical tongue model to study speech motor control
该论文提出了一种基于有限元法（FEM）的3D动态生物力学舌模型，采用超弹性材料特性（Mooney-Rivlin公式）和8个解剖学上精确的肌肉执行器，以模拟与言语相关的舌部运动。该模型成功展示了通过改变肌肉激活模式可动态改变舌的形状，为研究言语运动控制机制提供了有效的测试平台。
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.
研究动机与目标
- 开发一种用于研究言语运动控制的生理学上准确的3D人类舌生物力学模型。
- 将舌部肌肉排列和组织弹性的详细解剖学数据整合到动态仿真框架中。
- 模拟肌肉激活对言语产生过程中舌部形状变形的影响。
- 提供一种计算工具，用于检验言语运动系统中神经控制策略的假设。
提出的方法
- 基于人类舌部详细解剖数据的结构化网格，采用有限元法（FEM）建模。
- 使用Mooney-Rivlin应变能函数对超弹性材料行为进行建模，以表征组织弹性。
- 肌肉被表示为作用于FEM网格特定节点的广义力发生器，依据已知的解剖学起止点。
- 明确建模了参与言语的8个主要舌肌，并定义了激活参数。
- 使用ANSYS®软件求解Lagrangian运动方程，以模拟动态舌部形变。
- 仿真分析了不同肌肉激活水平对最终舌部形状变化的影响。
实验结果
研究问题
- RQ1不同的肌肉激活模式如何影响言语运动任务中舌的3D形状？
- RQ2一个生物力学上准确的3D舌模型在多大程度上能再现已知的言语相关舌部运动？
- RQ3舌部组织的机械特性在肌肉激活下如何影响舌部的动态形变？
- RQ4该模型能否作为研究言语运动规划中神经控制策略的有效测试平台？
主要发现
- 该模型成功再现了在受控肌肉激活模式下舌部复杂的3D形状变化。
- 肌肉特异性激活导致可预测且解剖学上合理的形变，验证了模型的生物力学保真度。
- Mooney-Rivlin超弹性公式的应用准确捕捉了舌组织的非线性弹性行为。
- 仿真结果表明，内在与外在舌肌的协同激活可产生与言语构音一致的运动模式。
- 该模型支持舌部运动的动态仿真，有助于在言语运动控制领域进行假设检验。
- 解剖学上精确的肌肉几何结构与力施加方式的整合，显著提升了模型的生理相关性。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。