The present study introduces an advanced multi-physics and multi-scale modeling approach to investigate in silico colon motility. We introduce a generalized electromechanical framework, integrating cellular electrophysiology and smooth muscle contractility, thus advancing a first-of-its-kind computational model of laser tissue soldering after incision resection. The proposed theoretical framework comprises three main elements: a microstructural material model describing intestine wall geometry and composition of reinforcing fibers, with four fiber families, two active-conductive and two passive; an electrophysiological model describing the propagation of slow waves, based on a fully-coupled nonlinear phenomenological approach; and a thermodynamical consistent mechanical model describing the hyperelastic energetic contributions ruling tissue equilibrium under diverse loading conditions. The active strain approach was adopted to describe tissue electromechanics by exploiting the multiplicative decomposition of the deformation gradient for each active fiber family and solving the governing equations via a staggered finite element scheme. The computational framework was fine-tuned according to state-of-the-art experimental evidence, and extensive numerical analyses allowed us to compare manometric traces computed via numerical simulations with those obtained clinically in human patients. The model proved capable of reproducing both qualitatively and quantitatively high or low-amplitude propagation contractions. Colon motility after laser tissue soldering demonstrates that material properties and couplings of the deposited tissue are critical to reproducing a physiological muscular contraction, thus restoring a proper peristaltic activity.


翻译:本研究提出了一种先进的多物理场、多尺度建模方法,用于在硅基环境中研究结肠运动。我们建立了一个广义的机电耦合框架,整合了细胞电生理学与平滑肌收缩性,从而首次构建了用于模拟切除术后激光组织焊接的计算模型。该理论框架包含三个核心要素:一是微结构材料模型,基于四族纤维(两族主动导电纤维与两族被动纤维)描述肠壁几何构型及增强纤维的分布特征;二是基于全耦合非线性现象学方法的电生理模型,用于描述慢波传播过程;三是热力学一致性力学模型,通过超弹性能量贡献描述不同载荷条件下的组织平衡状态。采用主动应变方法,利用各主动纤维族变形梯度的乘法分解描述组织机电行为,并通过交错有限元方案求解控制方程。依据当前最优实验证据对计算框架进行参数标定,通过大量数值分析,将数值仿真得到的测压曲线与临床患者实测数据进行对比验证。结果表明,该模型能定性和定量地复现高/低幅度传播性收缩。激光组织焊接后的结肠运动证明,沉积组织的材料特性及其耦合关系对实现生理性肌肉收缩、恢复正常蠕动功能具有关键作用。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
专知会员服务
24+阅读 · 2020年9月25日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
专知会员服务
55+阅读 · 2020年3月16日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
详述DeepMind wavenet原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
12+阅读 · 2017年6月26日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年5月2日
VIP会员
最新内容
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
10+阅读 · 今天7:47
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
专知会员服务
2+阅读 · 今天7:37
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
2+阅读 · 今天7:14
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
专知会员服务
11+阅读 · 6月10日
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
11+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
5+阅读 · 6月10日
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
17+阅读 · 6月10日
相关资讯
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
详述DeepMind wavenet原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
12+阅读 · 2017年6月26日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员