• Nie Znaleziono Wyników

27. Michał ORACZ: MODEL USIKA NA TLE KLASYCZNYCH MODELI TKANKI MIĘŚNIOWEJ

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "27. Michał ORACZ: MODEL USIKA NA TLE KLASYCZNYCH MODELI TKANKI MIĘŚNIOWEJ"

Copied!
6
0
0

Pełen tekst

(1)

Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 1/2007 159

Michał O R A C Z , Zakład Mechaniki, Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej, Politechnika Warszawska, W a r s z a w a

M O D E L USIKA NA TLE KLASYCZNYCH MODELI

TKANKI MIĘŚNIOWEJ

Streszczenie. W pracy zaprezentowano mało znany model Usika, który poprzez zastosowanie termomcchaniki ośrodków ciągłych umożliwia sprzężenie zjawisk mechanicznych, elektrycznych, chemicznych oraz cieplnych w tkance mięśniowej. Model porównano z klasycznymi modelami mięśni. W y k a z a n o jego ograniczoną użyteczność oraz podkreślono walory naukowo-dydaktyczne.

1. W S T Ę P

Skurcz tkanki mięśniowej, w bardzo dużym uproszczeniu, spowodowany jest w z a j e m n y m przemieszczaniem się struktur białkowych nazywanych nitkami cienkimi (aktyna) i grubymi (miozyna). W efekcie pobudzenia elektrycznego (z układu nerwowego), chemicznego lub mechanicznego miesień kurczy się (patrz rys. 1) wydzielając duże ilości ciepła. Mechanizm pracy mięśni jest niezwykle złożony i dlatego skurcz jest j e d n y m z najtrudniejszych do zamodelowania zjawisk w biomechanice.

Mechanikę ośrodków ciągłych oraz termodynamikę procesów nieodwracalnych w skrócie n a z y w a m y t e r m o m e c h a n i k ą ośrodków ciągłych. Bardzo szerokie ujęcie zagadnień umożliwia obserwowanie sprzężeń wielu zjawisk (mechanicznych, elektrycznych, chemicznych oraz cieplnych) i może być użyteczne do modelowania bardzo złożonych struktur - np. tkanki mięśniowej. B B • nitka gruba nitka cienka « błona Z • błona M Rys. 1. Schematyczne przedstawienie w z a j e m n e g o „wślizgiwania się''

(2)

Model Usika na tle klasycznych modeli tkanki mięśniowej 160 2. K L A S Y C Z N E M O D E L E M I Ę S N I

2.1. Model typu Hilla

Prekursorem modelowania mięśni był A.V. Hill, który w latach 20-tych XX wieku prowadził badania nad wyizolowanym, maksymalnie pobudzonym mięśniem krawieckim żaby. Wykonał doświadczenia mające na celu ustalenie w z a j e m n y c h relacji siły, prędkości skurczu oraz długości mięśnia. Wykazał, że właściwości tkanki mięśniowej m a j ą

charakter

lepko-sprężysty. W 1927r. Lewin i W y m a n opublikowali pracq, KtÓW WoVowej a n a l m e mięśni jako ciaka iepko-sprężystego

Ze względów historycznych wszystkie modele, które wykorzystują obiekty o łatwo wyróżnialnych własnościach mechanicznych n a z y w a m y modelami typu Hilla (patrz rys. 2). Lepkość w układzie wprowadzona jest za p o m o c ą tłumików, sztywność - sprężyn, skurcz zaś z wykorzystaniem elementów aktywnie zmieniających długość.

CE - element kurczący się SE - element sprężysty szeregowy PE - element sprężysty równoległy DE - element lepki

DPE - element lepko-sprężysty F - siła mięśnia

xCE - przemieszczenie związane z CE xmus - przemieszczenie końca mięśnia

Rys. 2.Model mięśnia typu Hilla zaproponowany przez Wintersa i Starka [6]

Modele typu Hilla ze względu na praktyczność i łatwość implementacji nadal s ą najczęściej stosowane. Zastosowanie identyfikacji do znalezienia parametrów nadaje im d u ż ą wiarygodność, dlatego praktycznie w każdym komercyjnym oprogramowaniu, np. służącym do modelowania w y p a d k ó w , są ustawione j a k o domyślne.

2.2. Model typu H u s l e y a

Niezwykły postęp techniczny dał naukowcom nowe narzędzia. Dzięki mikroskopii elektronowej oraz spektrometrii m a s o w e j udało się zajrzeć do wnętrza kurczliwych struktur białkowych mięśni. W latach 50-tyeh XX wieku ukazała się przełomowa praca autorstwa Huxleya, w której postulował teorię mostków poprzecznych (cross bridges). Po wielu latach badań naukowcy doszli do wniosku, że opisana przez Huxleya teoria jest zbytnim uproszczeniem rzeczywistości. Model ten jest j e d n a k akceptowany do dziś i bardzo często przytaczany.

Model matematyczny 1 1 bazował na probabilistycznej funkcji rozkładu mostków między aktyną i miozyną. Przy założeniu, że istnieje ograniczona i znana liczba stanów energetycznych (sposobów łącznia się głów miozyny z aktyną) uwzględniano szybkości tworzenia i zanikania różnych typów mostków poprzecznych. W z a j e m n e relacje obliczano wykorzystując zależności termodynamiczne (dla dwóch niezależnych stanów - wzory 1 i 2).

C E S E F W W H P E

A A A —

D E - j y D P E

(3)

1_61 M. Oracz ^]- [ f ( x ) + g,( x ) ] [ l - T l ( x , t ) ] - [ r ( x )+g ( x ) ] .1 1( x , t ) (1) dt p - ( A | - A „ ) - ( A0- A , - g ) — = e KT oraz = e H (2) f s ' gdzie:

r)(x, t) - funkcja rozkładu mostków f(x), f ( x ) - szybkość powstawania m o s t k ó w g(x), g ' ( x ) - szybkość rozłączania mostków

A0 i A, - odpowiednio zmiany energii stanów rozłączania lub łączenia T - temperatura absolutna

K. - stała Boltzmana

£ - energia uwalniana podczas hydrolizy j e d n e j molekuły ATP do A D P

Modele oparte na dogłębnej analizie fizjologii tkanki mięśniowej i wykorzystaniu mikrostrukturalnych zależności n a z y w a m y wspólnym m i a n e m modeli typu Huxleya.

3. T E R M O M E C H A N I C Z N Y M O D E L U S I K A 3.1. Założenia modelu Usika

Wydawałoby się, że najwłaściwszym podejściem jest zbudowanie możliwie pełnego modelu traktując miesień jako wieloskładnikowe j e d n o r o d n e materiałowo kontinuum, w którym wyróżnić można dwie fazy [2-5]. Druga (aktywna) zbudowana jest z białek kurczliwych, pierwsza zaś (pasywna) z ich otoczenia. Faza aktywna jest lepko-sprężysta, faza pasywna sprężysta. Ośrodek jest transwersalno-izotropowy i nieściśliwy. Reakcje chemiczne z a c h o d z ą wyłącznie w fazie aktywnej. Reagenty m o g ą wybiórczo przenikać przez błonę k o m ó r k o w ą oraz między fazami, zaś energia uwalniana podczas reakcji jest bezpośrednio zamieniana na pracę. Z a k ł a d a m y również, że prędkości składników s ą sobie równe (brak d y f u z y j n e g o przepływu masy) i znikomo małe.

Odkształcenia ośrodka są j e d n a k o w e i małe. Dla fazy lepko-sprężystej odkształcenia m o g ą nie być w pełni odwracalne, dlatego przedstawiamy j e j a k o sumę odkształcenia sprężystego // i plastycznego A

£ = il + A (3)

3.2. Równania bilansowe

Model Usika wyróżnia się od klasycznych modeli mięśni wykorzystaniem równań bilansowych, które p o k a z u j ą przyczyny zjawisk

Po uwzględnieniu założeń z p.3.1:

bilans masy (równanie ciągłości) upraszcza się do równania

d i w = 0 (4) bilans masy k-tego składnika (obu faz)

(4)

Model Usika na tle klasycznych modeli tkanki mięśniowej 162 — pJ ^ = Q r _ Q r dt p f = Q r+ l Mtv l j [ j bilans pędu bilans entropii 5v ,. P — = d i v o - p g (6) cs .. q R 1 ^ os di T T T t i c y ;

gdzie funkcja dyssypacyjna R

R = i - q - ^ ] + Ż AjIj +oM: A -+2 : Q r k -łi i ) (8) V 1 J j=l k=l

bilans energii swobodnej

d f HT n

pTt= + : E'+°: d : n'+ Q"c m +Z ^ Q r (9)

gdzie:

K - dowolna wielkość A'-tego składnika fazy a

a" - pochodna po czasie wielkości a a" - dewiator

Q a - gęstość źródła wielkości a:

wew - wymiana między fazami; zew - z otoczeniem; chem - w wyniku reakcj

t - czas V - prędkość P - gęstość masy

g - przyspieszenie grawitacyjne Ziemi y - stężenie masowe

M - masa cząsteczkowa

vk j - współczynnik stechiometryczny A'-tego składnika /-tej reakcji chemicznej

A - powinowactwo chemiczne reakcji 1 - szybkość przebiegu reakcji chemicznej

Cl - naprężenie

£ - odkształcenie

q - gęstość przepływu ciepła

cv - ciepło właściwe przy stałej objętości

s - entropia właściwa T - temperatura bezwzględna f - energia swobodna właściwa

(5)

163 M. Oracz 3.3. Związki konstytutywne

Równania bilansowe z poprzedniego punktu należy uzupełnić o związki konstytutywne dopełniające bilans niewidomych:

prawo Hookea

o, d = B, :£ (lOa)

a2 d= B6: , , (10b)

oraz liniowe zależności między uogólnionymi siłami termodynamicznymi wywołanymi przez odpowiadające im uogólnione strumienie termodynamiczne

gradT q - ~Bi r ( i i ) ^ Ż B2 k 2 K% H i ) ( 1 2 ) ^ = B 3 3 4 + Ż B3 4 J^ (13) L J=I L I J=B4 J3^ + ŹB4 J 4A ( 1 4 ) 1 J=1 1

gdzie By to współczynniki wzajemnych liniowych sprzężeń (tensory różnego rzędu).

W równaniach (11) - (14) niektóre sprzężenia zostały pominięte. Wynika to z uwzględnienia transwersalnej-izotropii ośrodka oraz założenia, że międzyfazowy przepływ masy (12) zależy wyłącznie od potencjałów chemicznych, w przeciwieństwie do dewiatora naprężenia fazy 2 (13) oraz szybkości reakcji chemicznych (14), które od potencjałów chemicznych nie zależą.

3.4. Definicje

Jeśli zbilansujemy liczbę niewiadomych i równań okaże się, że układu nie można rozwiązać. W powyższych rozważaniach pominięte zostały bowiem definicje, które nie wnoszą nowej jakości do modelu, ale są konieczne do jego utworzenia:

definicje naprężeń w ośrodku

cr = - j T r o l + od; cd= ol d+ < rd (15)

(6)

Model Usika na tle klasycznych modeli tkanki mięśniowej 164 3.5. Zastosowanie modelu Usika

Do tej pory nie spotkałem się jeszcze z praktycznym zastosowaniem modelu Usika. Od lat 70-tych XX wieku pojawiło się kilka niezależnych publikacji, j e d n a k żadna z prac nie zawierała bilansującego się układu równań. Pełne wyprowadzenie wraz z wyjaśnieniem wszystkich koniecznych pojęć zostało zawarte w pracy [3],

Pomimo trudności z praktycznym wykorzystaniem modelu, całkowita liczba równań skalarnych wynosi bowiem 46+4n+2r (n - liczba składników, r — liczba reakcji), ma on olbrzymią wartość poznawczą. Uwzględnia wiele zjawisk i zakłada ich w z a j e m n e sprzężenia. 4. W N I O S K I

Inżynierskie potrzeby w y k l u c z a j ą złożone modele. Rozwiązanie ma być szybkie i jednoznaczne. Dlatego też najczęściej stosuje się modele fenomenologiczne (np. typu 1 lilia). W celach poznawczych warto jednak sięgnąć po nieco bardziej złożony aparat matematyczny (rachunek tensorowy) i przeanalizować modele przyczynowe. Sam fakt zastosowania mechaniki ośrodków ciągłych nie oznacza jednak, że p o z n a m y prawa rządzące zjawiskiem. Większość z nich ma b o w i e m wyłącznie charakter związków konstytutywnych [6,7]. Dlatego prezentowany w pracy model Usika jest bardzo wartościowym źródłem wiedzy o mięśniach.

L I T E R A T U R A

[1] Baranowski B.: N i e r ó w n o w a g o w a termodynamika w chemii fizycznej, P W N , 1974 [2] JłoxiiH B. B.,CejoB JL U.: He.mHefiHbie TeH3opHbie <|)yHKiiHii o t HecKO.TbKiix

TeH3opHŁ>ix apryMeHTOB, IlpiiKJiaflHaa MaTeMaTHKa u MexaHUKa, tom 27, Bbin. 3,1973 [3] Oracz M.: Zastosowanie termomechaniki ośrodków ciągłych do modelowania tkanki

mięśniowej. Praca magisterska (promotor J. Pietrucha), 2002.

[4] P e r u p e p C. A., ]J,aTpaH A. K.: OcHOBHbie npo6neMbi MexamiKH M b i m e i H o r o

coKpaiueHiifl, CoBpeMeHHbie ripo6;ieMbi OHOMexawiKii, c.17-39, 3nHaTHe, 1983

[5] Y c h k FI. M.: KoHTHHyaubHaji MexaHO-xHMHHecKaa M o a e u b MbiuieHHoii TKaHH, flpuKJiaflHaa MaTeMaTHKa U MexaHMKa, T o m 3 7 , Bbin. 3 , c. 4 4 8 - 4 5 8 , 1 9 7 3

[6] Wittek A.: Mathematical modeling of the muscle effects on the human body responses under transient loads - example of the head-neck complex, Chalmers Reproservice, doctor's thesis, 2000

[7] Zahalak G. I.: Modeling Muscle Mechanics (and Energetics), Multiple Muscle Systems: Biomechanics and Movement Organization, J.M. Winters and S.L Y. Woo (eds.), Springer-Verlag, N e w York, s. 1-23, 1990

US1K M O D E L AND CLASSICAL MODELS OF MUSCULAR TISSUE

Summary. The paper presents not well known Usik model. Using thermomechanics of continuous medium it is possible to show cross effects of mechanical, electrical, chemical and thermodynamical phenomena in muscular tissue. Model was compared with classical models of muscles. Uselessness and pedagogic aspects were shown.

Cytaty

Powiązane dokumenty