Biomechanika extrakcie mlieka pri dojčení

Zdroj:http://www.pnas.org/content/111/14/5230.full
 
Vyriešili sme storočný vedecký spor a preukázali 3D biofyzikálnym modelom, že dojčatá sajú materské mlieko pomocou podtlaku a nie pomocou činnosti úst na dvorci s bradavkou, ktorá by mala vyvolať extrakčný mechanizmus, podobný mechanizmu peristaltiky. Analýza ultrazvukových (UZ) snímok preukázala, že predná časť jazyka, ktorá je zakliesnená medzi bradavkou s dvorcom a dolnou perou, sa pohybuje ako tuhé teleso s cyklickým pohybom sánky, zatiaľ čo zadná časť jazyka sa vlní ako peristaltická vlna, ktorá je nevyhnutná na prehĺtanie. Výpočtová simulácia dojčenia úspešne napodobnila dynamické vlastnosti pozorované pri UZ zobrazení, a tiež predpovedala podtlak potrebný k tomu, aby boli bradavky počas prisatia vytiahnuté.

preklad, vo Worde: Biomechanika extrakcie mlieka pri dojčení
Preklad: Ing. Jana Michálková, 4.januára 2016
 David Elada,1Pavel KozlovskyaOmry BlumaAndrew F. LainebMing Jack PobEyal BotzercShaul Dollbergd,eMabel Zelicoviche,f, and Liat Ben Sirae,f

Vydal Sheldon Weinbaum, The City College of New York, City University of New York, New York, NY, a schválené 25. februára 2014 (na účely preskúmania prijaté 24.októbra 2013)

Zhrnutie

Ako získavajú dojčatá mlieko pri dojčení? Vyriešili sme storočný vedecký spor, či dojčatá sajú materské mlieko pomocou podtlaku alebo pomocou činnosti úst na dvorci s bradavkou, ktorá by mala vyvolať extrakčný mechanizmus, podobný mechanizmu peristaltiky. Dojčenie je dynamický proces, ktorý si vyžaduje synchronizáciu pravidelných pohybov čeľustí dojčaťa, zvlnenia jazyka a vypudzovacieho reflexu. Fyzikálne mechanizmy vykonávané dieťaťom je zaujímavá téma. Použili sme objektívnu a dynamickú analýzu UZ snímok získaných počas dojčenia, aby sa preskúmali dynamické vlastnosti jazyka. Potom sme vyvinuli nový 3D biofyzikálny model prsníka a mliekovodov, ktorý umožňuje napodobňovať dynamické vlastnosti pozorované počas dojčenia pomocou UZ, a tým skúmať biomechanické aspekty dojčenia. Ukázali sme, pokiaľ sme si vedomí, po prvýkrát v histórii, že prisatie za účelom vtiahnutia dvorca s bradavkou do úst dieťaťa a vypudzovanie mlieka počas dojčenia vyžadujú vytvorenie časovo premenného podtlaku v ústnej dutine dieťaťa. Analýza UZ snímok nám jasne ukázala, že pohyb jazyka počas dojčenia bol pomerne pravidelný. Predná časť jazyka, ktorá je zakliesnená medzi dvorcom s bradavkou a dolnou perou, sa pohybuje ako tuhé teleso spolu s cyklickým pohybom sánky, zatiaľ čo zadná časť jazyka sa vlní podobne ako peristaltické vlny, čo je zásadné pre prehĺtanie.

Dojčenie je silne propagované a podporované mnohými spoločnosťami a komunitami. Je všeobecne známe, že materské mlieko poskytuje dojčatám dôležité živiny a imunitu nevyhnutné pre rast a vývoj v prvých mesiacoch po pôrode. Je menej známe, že dojčené deti precvičujú a pripravujú svaly  ústa a líc na budúcu úlohu rozprávania a žuvania ( 1 ) a majú tiež vyššiu saturáciu kyslíkom než deti kŕmené fľašou ( 2 ). Dojčenie je výsledkom dynamickej synchronizácie kmitania sánky dieťaťa, rytmického pohybu jazyka a vypudzovacím reflexom, ktorý smeruje materské mlieko von z prsníka.  Dieťa sa prisaje na prsník a bradavku tak, že bradavka, dvorec, spodné prsné tkanivo a mliekovody sú vtiahnuté do úst dojčaťa, pričom bradavka je vytiahnutá až ku spojeniu tvrdého a mäkkého podnebia. Potom dieťa pohybuje sánkou hore a dole, stláča dvorec a spodné mliekovody svojimi ďasnami v sacom procese, ktorý nasáva mlieko do úst ( 3 , 4 ). Zároveň so stláčaním prirodzený zvlnený pohyb jazyka posúva mlieko dozadu a vyvoláva prehĺtací reflex ( 5 ). V priebehu dojčenia sú satie, prehĺtanie a dýchanie koordinované centrálnym nervovým systém spôsobom, ktorý umožňuje kontinuálne kŕmenie dojčaťa bez prerušenia dýchania ( 2 , 6 , 7 ).

Fyzikálne mechanizmy, ktoré umožňujú dieťa extrahovať mlieko z prsníka zaujímajú vedcov viac ako storočie ( 8 ). Dva navrhované mechanizmy, ktoré boli predmetom vedeckej diskusie k tomuto dňu, sú:     ( i ) satie – vyprázdňovanie obsahu prsníka vyvinutím podtlaku v ústnej dutine ( 9-12  ) a ( ii ) činnosťou úst na prsníkuvytlačením obsahu prsníka  stlačením čeľustí alebo inými časťami úst ( 3 ). S objavením sa zobrazovacích metód filmového röntgenu  a ultrazvuku (UZ) bola významná úloha pripísaná vlneniu jazyka, ktoré sa nazvalo „peristaltika jazyka“ počas žutia bradavky ( 13,14  ). Avšak na testovanie hypotézy vysvetľujúcej fungovanie podtlaku počas dojčenia neboli moderné počítačové modelovanie spolu s obrazovými údajmi  doteraz použité.

Preskúmali sme fyzikálne aspekty kŕmenia dojčaťa pomocou neinvazívnych vizualizácii pohyblivých častí ústnej dutiny a biofyzikálneho modelu. Na štúdium dynamických charakteristík pohybu jazyka vzhľadom ku pevnému podnebiu bola použitá objektívna dynamická analýza podbradových (submentálnych) UZ snímok  stredového (midsagitálneho) prierezu ústnej dutiny počas dojčenia. Pre simuláciu získavania mlieka pri dojčení bol vyvinutý 3D biofyzikálny model pôsobenia štruktúry na tekutinu (Fluid – Structure Interaction, FSI).

Výsledky

Pohyb jazyka počas dojčenia.

Prierezové podbradové UZ snímky zaznamenané počas dojčenia sa analyzovali dynamicky. Sledované obrysy predstavujúce podnebie (červenou Obr. 1 A ) a povrch jazyka (zelenou Obr. 1  A ) boli sledované na každej snímke ( obr S1.– S3 ) a boli demonštrované na niekoľkých snímkach ( Obr. 1 ).  Na podbradových UZ zobrazeniach dojčenia nie je vidieť špičku jazyka. Poskladaním výsledkov všetkých snímok (asi 150) filmového klipu  do jednej roviny sa zistilo, že oba obrysy sa pohybovali v čase v rámci určitej schémy ( Obr. 1  B ). Tieto pohyby mohli vzniknúť v dôsledku časovo závislých deformácií podnebia a jazyka, taktiež pohybov matky, dojčaťa a techniky pri získavaní dát. Pretože horné podnebie je tuhé a jeho obrys sa nemení počas záznamu UZ, môže sa použiť ako referenčný bod všetkých snímok ( 15 ) pre zníženie šumu vyvolané pohybmi, ktoré nesúvisia s dojčením. Po úprave sú obrysy jazyka a podnebia znázornené na Obr. 1 C . Originál UZ záznam filmového klipu a finálne obrysy jazyka a podnebia sú v  Movie S1 . Ďalšie príklady možno nájsť na  www.eng.tau.ac.il/~elad/Lab/movies.html .

obrazok1

Obr.2
Pohyblivosť jazyka zdravého dieťaťa počas dojčenia.
(A) Podbradové UZ snímky s vyznačenými obrysmi podnebia a povrchu jazyka v rôznych záberoch videoklipu (objekt 24).    (B) Obrysy podnebia (červená) a jazyka (zelená) zo 150tich snímok objektu 24.  (C) Obrysy B po odstránení záznamového šumu, kde bolo horné podnebie použité ako referenčný bod; uložené v polárnych súradniciach.   (D) Pohyblivosť prednej časti jazyka okolo predných súradníc 1-8 po zmene mierky (údaje objektu 41). Vzor prináleží pohybu pevného telesa.   (E) Pohyblivosť zadného jazyka okolo polárnych súradníc 8, 13, 17 a 22 po zmene mierky (údaje objektu 41). Vzor prináleží pohybu peristaltickej vlny.   (F) Frekvenčný rozsah obrysu jazyka okolo všetkých polárnych súradníc. Všetky časti jazyka majú rovnakú dominantnú frekvenciu 1,56Hz (t.j. 0,64s na cyklus satia) (údaje objektu 41). Pôvodný a spracovaný film je k dispozícii Movie S1 . HSPJ – Hard–Soft Palate Junction, rozhranie tvrdej a  mäkkej časti podnebia.

 Dynamická analýza pohyblivosti jazyka pri dojčení bola vykonaná s ohľadom na systém polárnych súradníc, ktoré sú potrebné na záznam údajov v priestorovom súradnicovom systéme ( Obr. 1 C ). Referenčný bod súradníc bol nastavený v blízkosti povrchu brady ( 16 , 17 ). Sledovaním priesečníka obrysov podnebia a jazyka a polárnych súradníc v po sebe idúcich snímkach sa získala miestna časová závislosť pohyblivosti každej štruktúry. Sledovanie pohybu oblasti tvrdého podnebia odhalilo významné pravidelné pohyby jazyka (t.j. asi 30 pixelov), zatiaľ čo podnebie náhodne oscilovalo v pásme 4-5pixelov, čo predstavovalo šum záznamu. Umiestnenie HSPJ (HSPJ – Hard–Soft Palate Junction, rozhranie tvrdej a mäkkej časti podnebia) v polárnych súradniciach bolo identifikovaný v mieste, kde je pás väčší ako 5 pixelov, ako je znázornené modrým krúžkom na Obr. 1C .

Časová závislosť pohybu prednej časti jazyka okolo polárnych línií 1-8 sa poskladala na seba, čo poukázalo pohyb pevného telesa v smere kolmom k tvrdému podnebiu ( Obr. 1 D ). Na druhej strane, nakreslenie pohybu zadnej časti jazyka okolo polárnych línií 8, 13, 17, a 22 ( Obr. 1 E ) jasne preukázalo usporiadané krivky s neskorším rozšírením s fázovým posunom, podobný vzoru predstavujúceho peristaltické vlny smerom k zadnej časti jazyka.

Dôležitým výsledkom tejto dynamickej analýzy je, že predná časť jazyka sa pohybovala ako tuhé teleso proti tvrdej časti podnebia. To bolo ďalej podporené analýzou časového oneskorenia medzi líniami 1-8, ktoré odhalili nulové fázové posuny. Podľa klasickej teórie dojčenia, dieťa vtiahne do úst bradavku s dvorcom a súvisiace rozšírenia a mliekovody drží medzi hornými a dolnými ďasnami dieťaťa. Potom, podobne valcu, peristaltické vlny kontrakcie pomocou povrchu jazyka vytláčajú mlieko z bradavky (ampullae) do pažeráka ( 3 , 13 ). Simultánne zaznamenávanie orokinetogramu a tlaku v blízkosti bradavky počas dojčenia viedli rovnako k záverom, že orálna aktivita bola spojená so stláčaním bradavky ( 18 , 19 ).  Výsledky ukázané na Obr. 1 D poskytujú objektívnu podporu, že pohyb prednej časti jazyka, ktorý leží pod bradavkou, je riadený periodickým pohybom sánky a rozhodne nepredstavuje peristaltické vlny kontrakcie. To znamená, že celá bradavka je periodicky stláčaná proti tvrdému podnebiu.

Analýza pohybu zadnej časti jazyka ďalej odhalila pohyb peristaltického typu smerom k pažeráku s časovým oneskorením cca 0,14 s medzi linkami 8 a 22 ( Obr. 1  E ). Doba oneskorenia bola vypočítaná pomocou funkcie Matlabu (MATHWORKS) “finddelay” (nájdi oneskorenie), ktorý urobil krížovú koreláciu medzi dvoma signálmi podobného vzoru. Tento peristaltický pohyb bol podobný pre všetky sledované objekty, ale líšil sa vo veľkosti a štruktúre jednotlivých objektov a bol zásadným pri prehĺtaní mlieka získaného z prsníka. V tejto práci sme sledovali prednú časť mäkkého podnebia (t.j. velum), ktorá hrá dôležitú úlohu pri prehĺtaní ( Obr. 1 C ), ale neanalyzovali sme jej pohyblivosť. Pozorovanie filmových snímok dojčených detí odhalilo pohyby  sánky bez pohybu svalov tváre, ktoré môžu ovplyvňovať objem a tlak v ústach. Z toho dôvodu kolísanie tlaku namerané pri špičke bradavky ( 12 , 19 , 20 ), ktorá bola niekoľko milimetrov pred HSPJ ( 21 ), spôsobuje peristaltika zadného jazyka, rovnako ako aj zmeny v objeme úst pri pohybe sánky.

Frekvenčný rozsah pohybu jazyka bol analyzovaný pomocou Fourierového rozvoja na miestne časovo závislých pohyboch okolo každej polárnej línie ( Obr. 1 F ). Rozdelenie frekvencie bolo takmer rovnaké pre všetky polárne línie a dominantná frekvencia bola 1,56 Hz, čo zodpovedá priemernej časovej dĺžke 0,64 s na cyklus satia. To znamená, že sa celý jazyk vlnil rovnakou frekvenciou, avšak líšili sa druhy pohybu podľa toho, či sa jednalo o prednú alebo o zadnú časť  jazyka. Dynamické vlastnosti vypočítané na základe UZ filmových záberov zaznamenaných počas nutričného dojčenia (dojčenie nebolo naprázdno) deviatich zdravých detí boli podobné tým, ktoré sú znázornené na Obr. 1 ( tabuľka S1 ). Dominantné frekvencie pre všetky deti (t.j. vo veku 14 až 120 dní) ukázali tempo satia v rozsahu 1,17-1,95 Hz. Je potrebné poznamenať, že vekové rozdiely medzi dojčatami nemenia fyzikálne princípy, ktoré dojčatá používajú pri získavaní mlieka. Vek má určite vplyv na účinnosť a procesné charakteristiky vzhľadom na vývoj príslušných svalov. Meranie detí vo veku 5-9 dní UZ Dopplerovým snímačom prietoku, inštalovaným  v špičke ochranných klobúčikov, ukázal frekvencie pod 1 Hz pre kontinuálne (t.j. nutritívne) satie a asi 2 Hz pre dojčenie naprázdno (t.j. nenutritívne dojčenie) ( 22 ). Je zrejmé, že použitie latexového klobúčika nepredstavuje prirodzené dojčenie a je známe, že spôsobuje problémy pri dojčení ( 23 ). Získanie signálov orokinetogramu  1- až 2-mesačných detí odhalil orálne pohyby pri frekvenciách pod 1 Hz pri nutritívnom dojčení a pásme 4-8 Hz pri nenutritívnom dojčení ( 19 ). Rozdiely môžu byť výsledkom rôznych experimentálnych techník.

Pohyb bradavky počas dojčenia.

Pozorovanie záznamov filmového röntgenu ( 13 ) a UZ záznamov zosnímaných počas dojčenia jasne odhalilo predozadný pohyb bradavky v závislosti na kmitaní sánky dojčaťa. Bradavka sa pohybuje dozadu (t.j. smerom dovnútra úst), keď jazyk a sánka idú smerom dole a dopredu (t.j. smerom von z úst), keď sa jazyk a sánka hýbu smerom nahor a stláčajú bradavku proti tvrdému podnebiu ( 3 , 24 ). UZ záznam objektov 4, 6 a 41 ( tabuľka S1 ) jasne odhalil pohyb bradavky. Preto sme použili rovnaký algoritmus sledovania a okrem obrysov jazyka a podnebia sme vyznačili v každom snímku i obrys špičky bradavky. Výsledky objektu 41, po úprave snímok s ohľadom k referenčnému pevnému podnebiu, sú znázornené na  . S cieľom odmerať časovo závislé posunutie bradavky sme najprv prezentovali pásmo upraveného tvrdého podnebia jednou spriemernenou krivkou (čierna krivka na Obr. 2 A ) a vyznačili predtým získané rozhranie HSPJ. Potom sme identifikovali špičku bradavky (teda bod, ktorý bradavka dosiahla v ústach dojčaťa najhlbšie) a vypočítali sme jej vzdialenosť od rozhrania HSPJ, viď Obr. 2 B  pre osem snímok kompletného sacieho cyklu. Ukážka pohybu bradavky pohybu pri dojčení viď Movie S2 . Ďalšie príklady možno nájsť na www.eng.tau.ac.il/~elad/Lab/movies.html .

obrazok2

Obr.2
Pohyby bradavky v predozadnom smere počas dojčenia (údaje objektu 41).
(A) Obrysy jazyka (zelenou) a periférneho (okrajového) povrchu bradavky (fialová) po úprave šumu záznamu voči referenčnému tvrdému podnebiu. Čierna krivka predstavuje priemer všetkých obrysov tvrdého podnebia.   (B) Obrysy podnebia (červenou), jazyka (zelenou) a bradavky (fialová) z niekoľkých snímok v priebehu jedného cyklu dojčenia. Čierna šípka predstavuje vzdialenosť medzi špičkou bradavky a rozhrania HSPJ (modrý krúžok).    (C) Znížená pohyblivosť špičky bradavky (fialová, dĺžka čiernych šípok v B ) v porovnaní s tuhým pohybom prednej časti jazyka (zelená, priemer pohybu nad líniami 1-8 podľa  Obr. 1 D ). Pohyb bradavky je znázornený vo filme S2 . HSPJ – Hard–Soft Palate Junction, rozhranie tvrdej a mäkkej časti podnebia.

Akonáhle je známa časová závislosť pohybu špičky bradavky vzhľadom k rozhraniu HSPJ, je možné hodnotiť dynamiku vzhľadom k prednej časti jazyka, ktorá sa vlní ako tuhé teleso. Krivky pohybu prednej časti jazyka boli spriemerované so zohľadnením k referenčnému tvrdému podnebiu.  Krivky pohybu prednej časti jazyka vzhľadom k tvrdému podnebiu (t.j. línie 1-8 na Obr. 1D ), ako je znázornené zelenou krivkou na Obr. 2C, a v porovnaní s fialovou krivkou pohybu špičky bradavky (t.j., vzdialenosť medzi špičkou bradavky a rozhraniu HSPJ na Obr. 2 B ). Je potrebné poznamenať, že identifikácia špičky bradavky na UZ snímkach je niekedy náročná následkom echa, ktorý vzniká vylučovaním mlieka z prsníka ( 24 ), ktorý môže vysvetliť prerušované časti na krivke pohybu bradavky. Veľmi podobný vzor medzi pohybmi jazyka a bradavky bol získaný od dvoch ďalších objektov (objekty 4 a 6).  Na základe výsledkov zobrazených na Obr. 2 medzi dôležité údaje patrili: ( i ) rozmedzie pohybu špičky bradavky s ohľadom na rozhranie HSPJ bol asi 3,7 mm (25 pixelov), pričom rozmedzie tuhého pohybu prednej časti jazyka s ohľadom na tvrdé podnebie bol 4,4 mm (30 pixelov); a ( ii ) špička bradavky zaostáva o 0,08s za pohybom prednej časti jazyka, čo môže byť spôsobené vysokoelastickými vlastnosťami tkaniva bradavky a jazyka.

Pohyb jazyka s vzhľadom na sánku

Vlnenie jazyka počas dojčenia je témou mnohých štúdií ( 4  – 14 ).  Podbradové UZ obrazovanie odhalilo komplexný pohyb jazyka, ako tu tiež bolo preukázané. Pozorovanie filmových záberov dojčených detí odhalil stabilné kmitanie sánky bez pohybu lícnych svalov. Vzhľadom k tomu, že jazyk a sánka počas dojčenia kmitajú, zaujímalo nás odhalenie ich vzájomného pohybu. Nedávno sme dostali filmovú snímku z radiografickej expozície dojčenia zo štúdie Ardran et al. ( 13 ), ktorá jasne preukázala pohyb bradavky, jazyka a sánky. S povolením od Nuffieldskej katedry gynekológie a pôrodníctva (University of Oxford, Oxford) sme použili dynamickú analýzu na analyzovanie pohybu jazyka počas dojčenia s ohľadom na sánku. Sánku sme stanovili  ako referenčnú úroveň, pričom sledované obrysy jazyka možno nájsť v Movie S3 . Výsledky ukázali, že tuhý pohyb prednej časti jazyka (viď Obr. 1 D ) bol diktovaný kmitaním sánky, zatiaľ čo zadná časť jazyka sa vlnila viď Obr. 1 E pre uľahčenie prehĺtania a koordináciu s dýchaním. Predná časť jazyka, ktorá je zakliesnená medzi dvorcom s bradavkou a  dolnou perou, sa hýbe nepretržite spolu so sánkou. Tiež sa mierne pohne dopredu (t.j. smerom von z úst), keď sánka smeruje nadol (t.j. otvoria sa ústa) a opačne. Táto pohyblivosť v prednej časti úst je v súlade s vyplazovacím reflexom dieťaťa a môže byť hlavným problémom u detí s prirastenou uzdičkou.

Fyzikálny model vylučovania mlieka počas dojčenia.

Fyzikálny proces, pri ktorom dieťa extrahuje mlieko z prsníka je stále nejasná a kvôli nedostatku neinvazívnych techník pre experimentálne potvrdenie boli navrhnuté dve teórie. Výsledky získané v tejto štúdii jasne preukázali, že predná časť jazyka sa pod bradavkou pohybuje ako tuhé teleso, vylučujúc tak  hypotézu o peristaltickom stláčaní bradavky. Ďalšie nevysvetlené fyzikálne  problémy sa vzťahujú k deformácii bradavky a okolia dvorca. Počas prisatia dieťa uzatvára ústa na bradavke a časti dvorca tak, že tieto formuje, pričom sa predpokladá, že sformovaná bradavka sa predĺži na 2-3 násobok pôvodnej dĺžky ( 3 ). Tiež je neobjasnený proces sťahovania bradavky, keď sa sánka a jazyk pohybujú smerom nahor a stláčajú bradavku voči podnebiu a opačne, keď sánka ide dole a objem v ústach dieťaťa sa zvyšuje. Pri chýbajúcom podtlaku by človek predpokladal opačný vzorec deformácie bradavky  počas pohybu sánky.

3D FSI model dojčenia bol vyvinutý s cieľom získať lepší pohľad do mechanických aspektov priebehu dojčenia. Za týmto účelom sme vyvinuli pružný model prsníka ( Obr. 3 A ), ktorý predstavoval dojčiaci prsník s dvorcom a 12 mm dlhou bradavkou o priemere 15 mm ( 25 ). Kompletný lalok rozvetvených mliekovodov vedúcich od stredových mechúrikov smerom k jedinému vývodu v bradavke bol nasimulovaný rozvetvenou sieťou trubičiek , ktoré skončili na výstupe o priemere 0,7 mm ( Obr. 3 C a Obr. S4 ) ( 26 – 29 ). O materiálovej pružnosti prsníka, vrátane bradavky a dvorca, sa predpokladalo, že sa správa ako Mooney-Rivlin hyperelastický materiál s koeficientmi, ktoré zodpovedajú mimotelovým silovým deformačným  testom tkaniva prsníka (30 ). Ústa dieťaťa vrátane jazyka a ďasien, pri maximálnom otvorení pred prisatím, boli modelované ako pružný valec pozostávajú z dvoch polovíc s vnútorným priemerom 25 mm a dĺžkou 30 mm ( Obr. 3 B ). U ďasna  sa odhadovalo, že je vyduté 1,9 mm od tvrdého podnebia. V nadväznosti na analýzu röntgenového filmového záberu sa o jazyku predpokladalo, že je pripojený k sánke, pričom stredová časť jazyka bola 3 mm vyššie než jeho okrajová časť. Uzavretie úst bolo uskutočnené použitím zvislých síl, kde dve protiľahlé ploché dosky stlačili valec ( Obr. 3 C ). Pružný materiál úst bol oveľa tuhší ako materiál dvorca s bradavkou, ale umožnil čiastočné uzavretie, keď bol vystavený protiľahlým zvislým silám. Predpokladali sme, že mlieko je k dispozícii buď v prsníku alebo pri simulácii dojčenia vylučované podľa potreby v závislosti od spúšťacieho reflexu.

obrazok3

Obr. 3.
Fyzikálny model vylučovania mlieka počas dojčenia.
(A) Model prsníka.   (B) Model úst dieťaťa pri maximálnom otvorení.   (C) Prierez úst dieťaťa na prsníku vo chvíli prisávania sa. Šípky reprezentujú posuny pri zatváraní/otváraní a  podtlak pri saní.   (D) Prierez úst dieťaťa na prsníku vo chvíli skončenia prisatia.   (E) Maximálna zvislá šírka úst dojčaťa počas prisávania a satia.   (F) Podtlak počas prisávania a satia.   (G) Dĺžka bradavky (viď D ) počas prisávania a satia.   (H) Objem mlieka získaného dojčaťom počas prisávania a satia.   (I) Objem naakumulovaného mlieka počas simulácie (t.j. prisatie a dva sacie cykly), získaný integráciou dát v H

Simulácia kŕmenia dojčaťa na prsiach matky bola uskutočnená v dvoch etapách: prvá, prisatie na dvorec s bradavkou tak, aby sa dvorec s bradavkou roztiahol v ústnej dutine dojčaťa. Nasledovali periodické sacie pohyby sánkou dieťaťa, zatiaľ čo lebka a podnebie boli nehybné a ústa natesno obopínali prsník.  Skúmanie fyzikálnych síl, ktoré vynakladá dieťa pri získavaní mlieka z prsníka, boli vykonané pre referenčný model prsníka s jediným lalokom rozvetvených mliekovodov a pri dojčení frekvenciou 1,5 Hz. Pre simuláciu prisatia sme predpokladali uzavretie úst pri znížení otvoru zvislo z 25 mm na 15 mm, pri súčasnom generovaní podtlaku satia 1,33 kPa (20 mmHg) oproti atmosférickému tlaku v ústach dieťaťa (modré krivky na Obr. 3, E a F ). Pri samotnom nutritívnom satí sme predpokladali pravidelné cykly otvárania/zatvárania úst v rozsahu 5 mm (t.j. medzi 15 a 20 mm), zároveň  synchronizované s podtlakom v rozsahu 2,66 až 5,33 kPa (20 až 40 mmHg) (zelené krivky na Obr. 3 E a F ). V priebehu simulácií sme predpokladali plný kontakt medzi „perami“ modelu úst  a dvorcom prsníka na zabezpečenie tesného kontaktu úst podobne ako je to počas dojčenia v skutočnosti.

Simulácia fázy prisávania sa úst na bradavku s časťou dvorca, pri podtlaku 2,66 kPa (20 mmHg), odhalila predĺženie bradavky v ústach dojčaťa na 24,5 mm, čo je dvojnásobok dĺžky voľnej bradavky (t.j. 12 mm), ( Obr. 3 D a G ). Zníženie podtlaku na 1,33 KPa (10 mmHg) skrátilo dĺžku bradavky na 21,5 mm a väčší podtlak 4 kPa (30 mmHg) spôsobil predĺženie bradavky na 27,4 mm. Pri pružnejšom tkanive bradavky a dvorca sa bradavka predĺži viac a opačne – pri tuhšom tkanive bradavky sa predĺži menej.

Simulácia dojčenia pre referenčný prípad, počas ktorého dieťa pravidelne hýbalo ústami (t.j. kmitalo sánkou) a periodicky salo (t.j. podtlak osciloval), znázornená zelenými krivkami na Obr. 3 E a F, odhalil predozadné cyklické posuny špičky bradavky v rozmedzí 4,9 mm a prietok materského mlieka 0,105 ml na sací cyklus (Obr. 3 G a H a film S4 ). Simulovaný pohyb špičky bradavky s ohľadom na otváranie/ zatvárenie úst bol podobný pozorovaniam na UZ zobrazení ( Obr. 2 C a Movie S1 ). Akumulácia objemu mlieka v čase je znázornená na Obr. 3I , čo je podobné Woolridge-ovým meraniam ( 22 ).

Bolo uskutočnených niekoľko simulácií so samostatnými zmenami vzhľadom k referenčnému prípadu, aby sa preskúmal relatívny prínos pohybu úst a satia. Simulácia iba pohybu úst (ako na Obr. 3 E ), zatiaľ čo bol udržiavaný konštantný podtlak prisatia 2,66 kPa (20 mmHg), ukázala tok 0,116 ml/cyklus. Pri ponechaní úst zatvorených na 15 mm (ako pri konci prisatia), zatiaľ čo bol udržiavaný konštantný podtlak prisatia 2,66kPa (20 mmHg), bol získaný tok 0,114 ml/cyklus. Na druhej strane, simulácia pohybu úst (t.j. medzi 25 a 15 mm)   bez podtlaku v ústach, s oscilačným tlakom spúšťacieho reflexu 1 mmHg, odhalil výrazne nižší prietok iba 0,023 ml/cyklus. Táto analýza jasne ukázala, že dieťa môže získavať mlieko z prsníka jednoducho za použitia podtlaku v ústach. Avšak, to neberie do úvahy prirodzené reflexy prehĺtania a dýchania, ktoré vyžadujú kmitanie sánky a vlnenie jazyka. Táto analýza taktiež napodobnila pravidelné predozadné posunutie bradavky špičky pozorované v UZ zobrazovaní.

Analyzované boli tiež prínosy pružnosti prsníka a veľkosti mliekovodov. Simulácia s 20% mäkším prsníkom predĺžil bradavku na 32 mm (t.j. 2,65 násobok voľnej dĺžky bradavky) a znížil prietok mlieka na 0,086 ml/cyklus (t.j. zníženie o 18%), v dôsledku redukcie priesečníkov mliekovodov. Za predpokladu 20% tuhšej elasticity prsníkov sa získal tok mlieka 0,116 ml/cyklus, čo je o 10% viac než referenčný stav. Toto sa očakávalo vzhľadom ku kolapsu mliekovodov pri zavretých ústach a podtlaku. Pri simulácii modelu s rozvetvenou sieťou mliekovodov, ktorých rúrky mali na výstupe priemer 0,5 mm (namiesto 0,7 mm), sa získalo mlieko objemu 0,068 ml/cyklus počas nutritívneho satia. Je potrebné poznamenať, že prietok mlieka pre model s tuhým lalokom mliekovodov, ktorý bol vystavený rovnakej oscilácii podtlaku, bol  takmer 3x väčší. To jasne ukazuje, že k najväčšiemu odporu toku mlieka nastáva v deformovanej oblasti dvorca s bradavkou.

Opakovaním simulácie modelu prsníka s dvomi rozvetvenými sieťami, ktoré simulovali dva laloky mliekovodov, sa získal tok mlieka 0,208 ml/cyklus, čo bolo takmer dvakrát viac ako tok získaný pomocou jediného laloka. Zložitejšia simulácia realistickejšieho prsníka s piatimi lalokmi vetvení mliekovodov s piatimi vývodmi na špičke bradavky (Obr. S5 a Movie S5 ) získala rovnaký predozadný pohyb bradavky a tok mlieka 0,513 ml/cyklus, čo je takmer päťkrát viac ako tok získaný pomocou jediného laloka. Existujúce údaje o prietoku pri príjme mlieka dojčaťa počas dojčenia sa merali buď špeciálnym UZ zariadením Doppler ( 22 ) alebo vážením dojčiat pred a po dojčení ( 11 , 31 ): Boli v rozmedzí 0,03 až 0,5 ml na cyklus satia. Môžeme predpokladať široký rozsah množstva získaného mlieka v dôsledku funkčnej variabilite prsníka (napr. pružnosť, počet a štruktúra lalokov a počet a veľkosť vývodov mliekovodov na bradavke), rovnako ako spôsobom a úrovňou energie vynaloženej dojčaťom počas dojčenia. Jasne sme preukázali, že zmeny charakteristík siete mliekovodov, elasticity prsníka a sacích síl dojčaťa vedie k rozsahu variability, ktorá bola meraná in vivo (naživo).

Diskusia

Dojčenie vyžaduje synchronizované ovládanie sánky, jazyka a pier. Použitie objektívnej a dynamickej analýzy UZ filmových záznamov získaných počas dojčenia, rovnako ako fyzikálne simulácie s komplexným biomechanickým modelom, odhalili dynamické vlastnosti štruktúr ústnej dutiny a vynaložených síl  potrebných pre získavanie mlieka pri dojčení. Je známe už celé desaťročia, že dojčenie vyžaduje prisatie dojčaťa na dvorec s bradavkou, ktorá sa potom v ústach dieťaťa značne povytiahne a potom satie, kde sa bradavka pohybuje počas otvorenia úst (t.j. sánka smeruje nadol) v ústach smerom dozadu a opačne pri zatváraní úst (t.j. sánka smerom hore). Preukázali sme, že vytiahnutie bradavky s dvorcom na dvojnásobnú dĺžku oproti voľnej bradavke, vyžaduje uzavretie pier dojčaťa na prsníku a vytvorenie podtlaku asi 2,66kPa (20 mmHg) oproti atmosférickému tlaku. Tento tlak musí byť udržiavaný po celú dobu dojčenia, aby sa bradavka udržala v ústach. Akonáhle sa začne dieťa dojčiť, predná časť jazyka sa hýbe ako tuhé teleso spolu s cyklickým pohybom sánky. Pomocou komplexnej biofyzikálnej simulácie sme ukázali, že extrakcia mlieka z prsníka bola výsledkom cyklického podtlaku v ústach dojčaťa v rozmedzí  2,66 až 5,33 kPa (20 až 40 mmHg) a nie v dôsledku žutia bradavky.

S ohľadom na výsledky tejto štúdie je potrebné poukázať na cenné pripomienky a kritické poznámky z predošlých štúdií ( 9 , 13 ). Hytten ( 9 ) ukázal, že satie je spojené s pomerne malým kolísaním podtlaku v ústach o veľkosti asi 1,33 kPa (10 mmHg), s maximálnym podtlakom 6,67 kPa ( 50 mmHg). Hytten ( 9 ) ďalej ukázal, že použitie nenavlhčeného tlakomeru a cumlíka s maličkou dierkou spôsobili prudké kolísanie tlaku, keď dieťa jazykom utesnilo cumlík (alebo rúrku) a táto činnosť podobná ventilu spôsobila negatívne tlaky, ktoré výrazne prekročili skutočný intraorálny tlak. Ardran a kol. ( 13 ) študovali mnoho kineradiografických filmov a pozorovaním poskytli presné popisy pohybu jazyka a bradavky. Táto aktuálna štúdia podporuje jeho pozorovania a jeho navrhovaný mechanizmus s presným fyzikálnym modelom.

Naša štúdia demonštrovala novú metódu, ktorá umožňuje skúmanie kinematiku jazyka z nahraných UZ snímok a potom modelovanie extrakcie mlieka z prsníka počas dojčenia. Dôležitými výsledkami tejto práce sú oscilácie podtlaku pri satí mlieka a model pohybu prednej časti jazyka. Vizuálne pozorovanie detí počas dojčenia odhalil veľmi uvoľnené kmitanie sánky, bez pohybu líc a takmer bez námahy. To znamená, že oscilácie podtlaku potrebné na extrakciu mlieka z prsníka sú s najväčšou pravdepodobnosťou tvorené zmenami objemu úst pri kmitaní sánky a peristaltickým pohybom zadnej časti jazyka. Predná časť jazyka sa pohybuje ako tuhé teleso, ktoré nasleduje zadné vlnenie jazyka.

Metódy

UZ (ultrazvukové) zobrazovanie.

UZ zobrazovanie podbradovým prierezom (midsagitálne submentálne zobrazenie) dojčiat počas dojčenia bolo vykonané prenosným UZ zobrazovacím systémom GE Vivid i  s použitím vysoko multifrekvenčným (5-8 MHz) prevodníkom s jedinou ohniskovou zónou a mierne konvexne zakriveným povrchom. Štúdia bola schválená etickou revíznou radou Nemocnice Ichilov (zdravotné centrum Sourasky, Tel Aviv) (0498-10-TLV). Rodičia boli informovaní o všetkých aspektoch postupu a podpísali informovaný súhlas. Pre analýzu boli vybrané  najlepšie pozorovateľné sekvencie štyroch až šiestich cyklov nutritívneho satia. V každom snímku boli obrysy podnebia a jazyka sledované za použitia aktívneho modelu obrysu ( 32 , 33 ). Dynamická analýza bola vykonaná po odstránení záznamového šumu, kde bolo horné podnebie použité ako referenčný bod (15 ), s použitím systému polárnych súradníc. ( 16 , 17 ).

Biofyzikálny model.

Simulácia dojčenia bola vykonaná pomocou výpočtových nástrojov pre FSI (3D biofyzikálny model na pôsobenie štruktúry na tekutinu (fluid–structure interaction), pozn. prekl.), ktoré berú do úvahy fyzickú deformáciu dvorca s bradavkou zároveň s tokom mlieka v mliekovodoch. Fyzika problému je riadená súčasným riešením dynamických riadiacich rovníc pohybu a deformácie, a to ako kvapaliny tak i štruktúry, s danými hraničnými podmienkami. 3D modely boli zdiskrétnené do tisícov prvkov a riešené zároveň na vysokorýchlostnom počítači pomocou komerčného softvéru ADINA – Automatická dynamická prírastková nelineárna analýza (Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis). Podrobnosti o modeli sú uvedené v SI metódy .

Poďakovanie

Ďakujeme A. Jaffovi za vytvorenie spojenia medzi lekármi a bioinžiniermi, ktorí umožnili túto štúdiu, S. Einavovi za kontinuálnu podporu a plodné diskusie  a U. Zaretskému za pomoc pri návrhu komplexného 3D modelu prsníka a sietí mliekovodov. Ďakujeme tiež D. Flohr a B. Gambash za vykonávanie analýzy filmu v predbežnej fáze projektu a Y. Nadlin-Carmel za redakčnú pomoc s niektorými úsekmi v rukopise.

Poznámky pod čiarou

Komu má byť adresovaná korešpondencia. E-mail: elad@post.tau.ac.il.

Príspevky autorov: D.E., S.D., a L.B.S. návrh výskumu; E.B., S.D., M.Z., a L.B.S. nábor objektov výskumu;  D.E., P.K., O.B., M.Z., a L.B.S. uskutočnenie výskumu; D.E., A.F.L., a M.J.P. prispenie  nových prvkov/analytických nástrojov; D.E., A.F.L., M.J.P., E.B., S.D., a L.B.S. analýzu údajov; a D.E., A.F.L. a S.D. napísanie článku.

Autori prehlasujú, že nebol žiaden konflikt záujmov.

Tento článok je priame podanie PNAS.

Tento článok obsahuje on-line podporné informácie na  www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1319798111/-/DCSupplemental.

Zdroje

  1. Palmer B (1998) The influence of breastfeeding on the development of the oral cavity: A commentary. J Hum Lact 14(2):93–98. FREE Full Text
  2. Goldfield EC, Richardson MJ, Lee KG, Margetts S(2006) Coordination of sucking, swallowing, and breathing and oxygen saturation during early infant breast-feeding and bottle-feeding. Pediatr Res60(4):450–455.  CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  3. Woolridge MW (1986) The ‘anatomy’ of infant sucking. Midwifery 2(4):164–171. CrossRefMedlineGoogle Scholar
  4. Neville MC (2001) Anatomy and physiology of lactation. Pediatr Clin North Am 48(1):13–34. CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  5. Wagner CL(2009) Counseling the Breastfeeding Mother. eMedicine. Available at http://emedicine.medscape.com/article/979458-overview. Accessed March 9, 2014.
  6. Bu’Lock F, Woolridge MW, Baum JD(1990) Development of co-ordination of sucking, swallowing and breathing: Ultrasound study of term and preterm infants. Dev Med Child Neurol 32(8):669–678.MedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  7. Koenig JS, Davies AM, Thach BT(1990) Coordination of breathing, sucking, and swallowing during bottle feedings in human infants. J Appl Physiol (1985) 69(5):1623–1629. Abstract/FREE Full Text
  8. Kron RE, Litt M (1971) Fluid mechanics of nutritive sucking behaviour: The suckling infant’s oral apparatus analysed as a hydraulic pump. Med Biol Eng 9(1):45–60.CrossRefMedlineGoogle Scholar
  9. Hytten FE (1951) Observations on the vitality of the newborn. Arch Dis Child 26(130):477–486.FREE Full Text
  10. Smith WL, Erenberg A,Nowak A, Franken EA Jr.(1985) Physiology of sucking in the normal term infant using real-time US. Radiology 156(2):379–381.MedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  11. Prieto CR, et al.(1996) Sucking pressure and its relationship to milk transfer during breastfeeding in humans. J Reprod Fertil 108(1):69–74.Abstract/FREE Full Text
  12. Geddes DT, Kent JC, Mitoulas LR, Hartmann PE(2008) Tongue movement and intra-oral vacuum in breastfeeding infants. Early Hum Dev 84(7):471–477.CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  13. Ardran GM, Kemp FH, Lind J (1958) A Cineradiographic study of breast feeding. Br J Radiol31(363):156–162. Abstract/FREE Full Text
  14. Weber F, Woolridge MW, Baum JD (1986) An ultrasonographic study of the organisation of sucking and swallowing by newborn infants. Dev Med Child Neurol 28(1):19–24. MedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  15. Song T, Lee VS, Rusinek H, Kaur M, Laine AF (2005) Automatic 4-D registration in dynamic MR renography based on over-complete dyadic wavelet and Fourier transforms. Med Image Comput Comput Assist Interv 8(Pt 2):205–213. Google Scholar
  16. Bressmann T, Uy C, Irish JC (2005) Analysing normal and partial glossectomee tongues using ultrasound. Clin Linguist Phon 19(1):35–52. CrossRefMedlineGoogle Scholar
  17. Stone M (2005) A guide to analysing tongue motion from ultrasound images. Clin Linguist Phon19(6-7):455–501. CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  18. Lau C, Schanler RJ (1996) Oral motor function in the neonate. Clin Perinatol 23(2):161–178. MedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  19. Voloschin LM, Althabe O, Olivé H, Diena V, Repezza B (1998) A new tool for measuring the suckling stimulus during breastfeeding in humans: The orokinetogram and the Fourier series. J Reprod Fertil 114(2):219–224. Abstract/FREE Full Text
  20. Luther EC, Arballo JC, Sala NL, Cordero Funes JC (1974) Suckling pressure in humans: Relationship to oxytocin-reproducing reflex milk ejection. J Appl Physiol 36(3):350–353. FREE Full Text
  21. Jacobs LA, Dickinson JE, Hart PD, Doherty DA, Faulkner SJ (2007) Normal nipple position in term infants measured on breastfeeding ultrasound. J Hum Lact 23(1):52–59. Abstract/FREE Full Text
  22. Woolridge MW, How TV, Drewett RF, Rolfe P, Baum JD (1982) The continuous measurement of milk intake at a feed in breast-fed babies. Early Hum Dev 6(4):365–373. CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  23. McKechnie AC, Eglash A (2010) Nipple shields: A review of the literature. Breastfeed Med5(6):309–314. CrossRefMedlineGoogle Scholar
  24. McClellan HL, Sakalidis VS, Hepworth AR, Hartmann PE, Geddes DT (2010) Validation of nipple diameter and tongue movement measurements with B-mode ultrasound during breastfeeding.Ultrasound Med Biol 36(11):1797–1807. CrossRefMedlineGoogle Scholar
  25. Smith WL, Erenberg A, Nowak A (1988) Imaging evaluation of the human nipple during breast-feeding. Am J Dis Child 142(1):76–78. CrossRefMedlineGoogle Scholar
  26. Ramsay DT, Kent JC, Hartmann RA, Hartmann PE (2005) Anatomy of the lactating human breast redefined with ultrasound imaging. J Anat 206(6):525–534. CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  27. Rusby JE, Brachtel EF, Michaelson JS, Koerner FC, Smith BL (2007) Breast duct anatomy in the human nipple: Three-dimensional patterns and clinical implications. Breast Cancer Res Treat106(2):171–179. CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  28. Taneri F, et al.(2006) Microanatomy of milk ducts in the nipple. Eur Surg Res 38(6):545–549. CrossRefMedlineGoogle Scholar
  29. Hassiotou F, Geddes D(2013) Anatomy of the human mammary gland: Current status of knowledge. Clin nat 26(1):29–48. CrossRefMedlineGoogle Scholar
  30. Samani A, Plewes D (2004) A method to measure the hyperelastic parameters of ex vivo breast tissue samples. Phys Med Biol 49(18):4395–4405. CrossRefMedlineGoogle Scholar
  31. Bowen-Jones A, Thompson C, Drewett RF (1982) Milk flow and sucking rates during breast-feeding. Dev Med Child Neurol 24(5):626–633. MedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  32. Li B, Acton ST (2007) Active contour external force using vector field convolution for image segmentation. IEEE Trans Image Process 16(8):2096–2106. CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
  33. Li B, Acton ST (2008) Automatic active model initialization via Poisson inverse radient. IEEE Trans Image Process 17(8):1406–1420. CrossRefMedlineWeb of ScienceGoogle Scholar
Google+Facebook