Биомеханическое моделирование естественного и искусственного вскармливания детей раннего возраста

Изменение условий окружающей среды и образа существования являлось генерирующим фактором в филогенезе лицевого и мозгового черепа человека. Различным способам добывания пищи и питания соответствуют различные строения черепа. Взаимодействие окружающей среды и нагрузки оказывают огромное влияние на формообразование и архитектуру, челюстно-лицевой области.

В течение жизни череп и, в частности, челюстно-лицевая область также изменяются. Нагрузка, которую испытывали кости черепа в процессе роста, отражалась на их строении и развитии [6, 8].

Изучение филогенеза, онтогенеза, структуры и функции жевательного-аппарата, многогранность и специфичность выполняемых им функций позволяют рассматривать жевательный аппарат как специализированную полимодальную многоблочную биомеханическую систему, сформировавшуюся в процессе многоэтапных преобразований и приспособлений животных организмов к условиям' окружающей их среды [80, 81].

Это открывает возможности для новых методологических подходов, как для разработки вопросов формообразования этой сложной системы, так и использования методов математического моделирования функционирования отдельных блоков, затворов, клапанов и всей системы в целом под действием изменяющейся с возрастом жевательной нагрузки. Преддверие и полость рта, с точки зрения биомеханики, рассматриваются как единый вестибуло-оральный блок, снабжённый специальной мускулатурой. Зубочелюстная система человека обнаруживает связь осуществляемых функций со структурой ее блоков [82, 83]. Известно, что функция сосания должна угасать к возрасту 18 месяцев [24]. Дальнейшее продолжение сосания (соски, пальцев, одежды и т. д.) приводит к дефектам зубных дуг и нарушениям окклюзии (прикуса). Затем неизбежны морфологические изменения суставной головки, вызывающие нарушения артикуляции челюсти. Наблюдаются глубокие изменения в верхней челюсти, твердом небе, височной5 кости. Все это отрицательно влияет на кровообращение головного мозга, слух, дыхание, вызывает изменения в мускулатуре, нарушает мимику.

Самой первой и основополагающей нагрузкой на зубочелюстную систему человека является нагрузка, возникающая при осуществлении функциисосания. Сосательный рефлекс возникает на ранних стадиях развития плода. Даже не вполне зрелый плод отвечает сосательными движениями на тактильное раздражение губной области. Сосательный рефлекс является одним из немногих врождённых безусловных рефлексов. Сосание — это основа питания младенца [6, 46, 47].

Строение полости рта у новорожденного отличается особыми элементами, приспособляющими полость рта к акту сосания. Это хоботообразные губы, десневая мембрана, выраженные нёбные поперечные складки и жировая подстилка щек. Известно, что нижняя челюсть новорожденного находится в дистальном положении. Постепенно она перемещается вперед и ко времени прорезывания молочных резцов устанавливается в более переднем положении, необходимом для формирования ортогнатического (правильного) прикуса. Такому перемещению нижней челюсти и ее росту способствуют нагрузки при естественном вскармливании ребенка.

Сосательные движения способствуют развитию зубочелюстной системы, в особенности челюстей, мышц дна ротовой полости, языка с окружающими мышцами и мимической мускулатуры. Кроме того, нагрузка обусловливает внутреннее устройство челюстей. Под внутренним устройством подразумевают расположение плотного и губчатого вещества и их взаимоотношение [8].

Благодаря сосанию обеспечивается не только питание, но и< нормальное функционирование зубочелюстной системы ребенка, поскольку полноценно протекающая функция сосания рассматривается как важный подготовительный этап формирования активной функции жевания. Что, в свою очередь, способствует развитию слабо выраженного при рождении суставного бугорка височно-челюстного сустава. Благодаря этим функциональным нагрузкам тупой угол ветви нижней челюсти новорождённого будет меняться, что, в свою очередь, является одним из основных факторов для правильного становления" прикуса.

В настоящее время доказана огромная роль нагрузки на рост, перестройку и функционирование органов и тканей зубочелюстной системы. Доказательством этой роли в формировании челюстно-лицевой области могут служить различного рода деформации: прогнатия, прогения (выдвижение нижней челюсти вперед), сужение и смещение челюстей [12, 17, 18, 26, 39]. Так, например, прогнатия — отставание нижней челюсти в росте, как правило, образуется при искусственном вскармливании, в результате недостаточной-нагрузки иа костно-мышечный аппарат челюстно-лицевой области, или неправильной нагрузки при ротовом дыхании, при наличии вредной привычки закусывания' нижней губы. Деформации зубочелюстной системы, всвою-очередь, ведут к нарушению функции органов пищеварения, дыхания и речи.

Искусственное вскармливание не обеспечивает необходимого функционального нагружения на костно-мышечный аппарат челюстно-лицевой области, что отражается на росте нижней челюсти, снижении тонуса жевательных мышц, мышц приротовой области и языка. В процессе искусственного вскармливания может сформироваться неправильный стереотип функции глотания, развиться парафункция языка. Быстрый прием пищи из бутылочки не обеспечивает удовлетворения сосательного рефлекса и приводит к формированию вредных привычек (сосание пальцев и языка), которые, в свою очередь, нарушают равномерный рост челюстей и вызывают развитие зубочелюстных аномалий [17, 26].

Объяснение поведения в норме различных блоков и миниблоков зубочелюстной системы, их функционирования, а также патологии и дисфункции жевательного аппарата может быть осуществлено методами биомеханического моделирования. Разработка методологии с позиций биомеханики для изучения процесса сосания с учётом влияния функциональной нагрузки на формирование челюстно-лицевого аппарата расширяет и углубляет исследования развития зубочелюстной системы.

Проблема питания младенцев требует дальнейших исследований* с целью разработки адекватной методики вскармливания и более подробного изучения влияния функции сосания на челюстно-лицевой аппарат.

Проблема вскармливания грудных детей особенно актуальна сегодня, когда большинство мам по тем или иным причинам отдает предпочтение искусственному вскармливанию. В России, как и во многих других странах, отмечаются низкие показатели распространенности грудного вскармливания. По данным Минздрава России за 1996 год, на грудном вскармливании до 6 месяцев находилось 35−40% младенцев, а в городе Перми в 2000 году — лишь 29,4% [1]. А по данным официальной статистики Минздрава России за 2003 г., лишь 41,7% женщин кормят младенцев до 3−6 месяцев и 33,9% — до 6 — 12 месяцев. t.

Современные исследования показали, что акт сосания при естественном и искусственном вскармливании имеет существенные отличия [20, 25, 38, 49, 50].

Естественное вскармливание характеризуется переменным давлением в полости рта младенца, зависящим от времени количеством потребленного молока и определенным ритмом сосательных движений. Экспериментально было установлено, что «пищевая» фаза кормления составляет лишь первые 10 минут [68], остальное время ребенок в большей степени удовлетворяет сосательный рефлекс. Кроме того, в этом процессе активно участвует весь женский организм (избыточное давление в молочных протоках женской, груди в момент кормления составляет примерно 3 кПа) [2].

Неправильно протекающая функция сосания при искусственном вскармливании способствует развитию отклонений в формировании и функционировании челюстно-лицевой области. Этот тип кормления способствует формированию системы патологических рефлексов сосания, не имеющих пищевого смысла* но включенных в поведенческий стереотип, так как показатели сосательных усилий увеличиваются к 12 месяцам жизни ребенка, а в норме к 1 году они должны угасать [24]. Результаты клинических исследований в 2003 г. выявили у 48% детей различного рода зубочелюстные аномалии, и одной из основных причин их развития считается нарушение характера функции сосания при искусственном вскармливании [29]. Деформации зубочелюстной системы нередко вызывают нарушение функции органов пищеварения, дыхания и речи [6].

В медицине большое внимание уделяется вопросам вскармливания, составу смесей, материалу и форме бутылочки и соски [1, 14]. Существует целый ряд экспериментальных исследований функции сосания [13, 16, 20, 25, 48, 54, 91], причем не только' у детей, но и у животных [58 — 60, 84], естественного [50, 61, 68, 70, 75, 85, 90] и искусственного вскармливания [3, 31, 38, 49, 71, 72], процесса молоковыведения из женской молочной железы [2, 15, 95], состава женского молока и молочных смесей [1, 69]. Кроме того, были построены математические модели процесса всасывания при питании у рыб [55 — 56, 62 — 65, 73 — 74, 76 — 78, 88, 89, 92 — 94]. В первой главе эти данные подробно изложены. Однако в литературных источниках не обнаружено попыток построения математических моделей вскармливания.

Биомеханическое описание естественного и искусственного и) вскармливания представляет интерес не только с точки зрения медицины, но и полезно для понимания этих процессов в целом. Кроме того, такие модели, могут использоваться для правильного подбора и коррекции приспособлений искусственного вскармливания (сосок, бутылочек, материалов из которых они изготовлены и т. д.) для здоровых и ослабленных детей, с учетом их возраста [31].

Биомеханическое моделирование процесса вскармливания позволит приблизить условия искусственного вскармливания к условиям естественного по нагрузочным характеристикам, что, в свою очередь, заложит хорошую основу для правильного формирования строения и функций жевательного аппарата.

В формировании строения и функции зубочелюстной системы важную роль играет механический фактор. Особенно наглядно это показывают изменения жевательного аппарата в процессе исторического развития и в течение жизни человека под действием изменяющихся механических нагрузок [30]. Кроме того, для человека первые приемы пищи закладывают фундамент для правильного функционирования и развития зубочелюстной системы в будущем.

Таким образом, сформулируем цель работы:

На основе исследования физифлогии и биомеханики естественного и искусственного вскармливания выделить основные механические факторы, влияющие на протекание этих процессов. Создать модель естественного вскармливания, позволяющую количественно описать процессы, происходящие в молочной железе во время* кормления. Построить биомеханическую модель искусственного вскармливания для приближения нагрузок, возникающих при искусственном вскармливании, к нагрузкам естественного вскармливания.

Основные задачи, рассмотренные и решенные в работе, состоят в следующем:

1. разработать математическую модель естественного вскармливания, которая описывает процесс выработки молока в молочной железе женщины в процессе кормления ребенка;

2. разработать постановку задачи моделирования искусственного вскармливания, обеспечивающего достижение поставленной цели;

3. построить математическую модель искусственного вскармливания с учетом основных параметров искусственного вскармливания, разработать алгоритм ее решения, проверить адекватность полученной модели;

4. экспериментально исследовать реологические свойства пищевых продуктов, используемых для кормления и докармливания в сравнении с грудным молоком;

5. изучить закономерности течения продуктов питания во время искусственного вскармливания;

6. на основе решенных задач выделить основные геометрические и биомеханические факторы, влияющие на процесс искусственного вскармливания;

7. разработать общую методику назначения индивидуальных параметров искусственного вскармливания во врачебной практике, сформулировать практические рекомендации.

Решение этих задач позволит рассмотреть кормление детей раннего возраста с точки зрения биомеханики и уменьшить отрицательное влияние искусственного вскармливания на формирование челюстно-лицевой области.

Работа имеет следующую структуру и содержание.

В первой главе на основе литературного обзора выполнен анализ современного состояния вопросов моделирования и экспериментального изучения процессов естественного и искусственного вскармливания.

Вторая глава посвящена математической модели естественного вскармливания, которая описывает процесс образования молока в альвеолах молочной железы женщины, его течение по молочным протокам и поступление в ротовую полость младенца при сосании. Рассмотрена физиология молочной железы женщины и влияние реакции женского организма на естественное вскармливание во время кормления грудью.

Проанализированы особенности образования и выведения женского молока во время лактации.

В третьей главе анализируются результаты эксперимента по определению реологических свойств детского питания. Для определения реологических свойств были использованы молоко коровье и грудное, три разных смеси, сок с мякотью, кефир молочной кухни. Все продукты питания, за исключением грудного молока, испытывались при трех температурах (25°С, 30 °C, 37°С).

В четвертой главе рассмотрены постановка и решение задачи для модели искусственного вскармливания. Рассмотрена гидродинамическая задача о течении вязкой жидкости через локальное сужение. Методом планирования эксперимента аппроксимацией с помощью гиперболического тангенса построена функция объема молока, полученного ребенком, в зависимости от диаметра отверстия, толщины стенки соски и времени кормления.

В пятой главе рассматривается применение модели искусственного вскармливания для определения оптимальных параметров соски и предложена методика их определения.

Автор благодарит своих коллег, сотрудников кафедры теоретической механики Пермского государственного технического университета, и особенно В. М. Тверье, чье участие в обсуждении проблем, часто было незаменимым и помогло найти удачное решение многих проблем.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность Е. Ю. Симановской за помощь при выполнении данной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Построена модель естественного вскармливания, учитывающая переменную податливость молочной железы, определена объемная скорость молока вырабатываемого железой во время кормления;

2. экспериментально исследованы реологические свойства детского питания;

3. разработаны алгоритмы решения задачи моделирования течения питательных смесей с целью приближения биомеханических условий искусственного вскармливания к условиям естественного;

4. установлены основные закономерности течения молока, выделены основные параметры, определяющие процесс искусственного вскармливания;

5. разработана общая методика назначения параметров искусственного вскармливания, полученная методика предложена для практического применения;

6. результаты переданы в «Медсанчасть № 9 им. М.А. Тверье» и в городскую детскую клиническую поликлинику № 1 города Перми для использования в лечебной практике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Вскармливание детей раннего возраста— важный подготовительный этап для дальнейшего правильного функционирования всей зубочелюстной системы-и ее формирования. .

В даннойработевпервые проведено! комплексное исследование процессов естественного и искусственного вскармливания детей' с позиции биомеханики.

Построеннаямодель естественного вскармливания позволяет количественно описать механизмы вмолочнойжелезе, чтоможетбыть, использовано в диагностировании различногорода нарушенийфункции лактации.

Экспериментальное исследованиереологических свойств продуктов детскогопитанияпозволило классифицировать по типу исследованные жидкости иопределить их вязкость. Полученные данные использовались при• моделировании искусственного вскармливания;

На основемоделированияискусственноговскармливания разработана методикадля определения параметров искусственного вскармливания (диаметр отверстия и толщины стенки соски) таких, чтобы ребенок при искусственном, вскармливании прилагал такие же усилия, как при естественном, и при этомполучал такой’же объем молока. Методика-может применятся для индивидуального подбора параметров искусственноговскармливания, а также для ослабленных детей.

В работе охвачен лишь определенный круг задач, однако существует еще целый ряд вопросов требующих дальнейшего исследования. Для, применения разработанной методики необходимо дополнительное исследование сосательной активности у ослабленных детей, классификация таких детей по возможности создавать определенные усилия при сосании. В модели искусственного вскармливания не учитывались упругие свойства соски, однако нужна количественная оценка этого фактора.