Advances in Clinical and Experimental Medicine

Title abbreviation: Adv Clin Exp Med
JCR Impact Factor (IF) – 2.1 (5-Year IF – 2.0)
Journal Citation Indicator (JCI) (2023) – 0.4
Scopus CiteScore – 3.7 (CiteScore Tracker 3.8)
Index Copernicus  – 171.00; MNiSW – 70 pts

ISSN 1899–5276 (print)
ISSN 2451-2680 (online)
Periodicity – monthly

Download original text (EN)

Advances in Clinical and Experimental Medicine

2012, vol. 21, nr 2, March-April, p. 151–167

Publication type: original article

Language: English

Mathematical Models of Brachial Plexus Development During the Fetal Period: Clinical Aspects

Matematyczne modele wzrastania splotu ramiennego w okresie prenatalnym w aspekcie klinicznym

Jowita Woźniak1,, Alicja Kędzia1,, Krzysztof Dudek2,

1 Department of Anatomy, Wroclaw Medical University, Wrocław, Poland

2 Institute of Machine Design and Operation, Wrocław Technical University, Wrocław, Poland

Abstract

Background. The brachial plexus is an important anatomical structure. It can be damaged in both the perinatal and postnatal periods as a result of injury. The available literature does not provide much discussion of the development of the brachial plexus in human fetuses.
Objectives. The goal of the study was a mathematical analysis of fetal brachial plexus growth and geometry.
Material and Methods. The study examined 220 human brachial plexuses, derived from 110 fetuses (including 50 females – 45.45%) aged 14–32 weeks of fetal life, with a crown-rump length (CRL) ranging from 80 to 233 mm. Anthropological methods, preparation, digital image acquisition, the Image J measurement tool, the Scion Image for Windows program and statistical methods were applied. In each fetus, somatic as well as linear parameters were observed: lengths, diameters and distances between the nerves making up the brachial plexus geometry.
Results. In the majority of the linear parameters analyzed, no sexual dimorphism or asymmetry were observed. The following asymmetries and sexual dimorphisms appear to be significant from the clinical point of view: asymmetry in the length of the C7 and Th1 nerve left radix, asymmetry in the diameters of the musculocutaneous nerve on the left and the median and ulnar nerves on the right; as well as an increased distance between nerves roots in female fetuses. The weekly growth of individual parts of the plexus varied, as did the correlation ratios among them. The most rapid growth was observed between the 14th and 18th weeks, and the slowest between the 24th and 28th weeks. Four formulae were used in the mathematical growth model: linear regression, logarithmic function, the von Bertalanffy growth model and the Gompertz curve.
Conclusion. The prenatal development of the brachial plexus is not constant. The applied mathematical functions proved useful in describing its growth rate.

Streszczenie

Wprowadzenie. Splot ramienny jest ważną strukturą anatomiczną. Do jego uszkodzeń dochodzi w okresie okołoporodowym, jak również w okresie postnatalnym – w wyniku urazów. W dostępnej literaturze prace badające rozwój splotu ramiennego u płodów ludzkich są nieliczne.
Cel pracy. Matematyczna analiza geometrii oraz wzrastania splotu ramiennego płodów ludzkich.
Materiał i metody. Zbadano 220 splotów ramiennych pochodzących od 110 płodów w wieku 14–32 tygodni życia płodowego, w tym 50 (45,45%) płci żeńskiej, w przedziale v-tub: 80–233 mm. W pracy zastosowano metody: preparacyjną, antropologiczną, cyfrową akwizycję obrazów, komputerowe systemy przetwarzania obrazu Image J oraz Scion Image for Windows, a także metody statystyczne. Dla każdego płodu zbadano parametry somatyczne, a także 54 parametry liniowe: długości, średnice i odległości między nerwami, charakteryzujące geometrię splotu ramiennego.
Wyniki. W większości analizowanych parametrów liniowych nie zaobserwowano dymorfizmu płciowego ani asymetrii. Z klinicznego punktu widzenia istotne wydaje się występowanie asymetrii długości lewego korzenia nerwu C7 i Th1 czy też średnic nerwów: mięśniowo-skórnego po stronie lewej, pośrodkowego i łokciowego po prawej oraz dymorfizmu płciowego: zwiększonej odległości między korzeniami nerwów rdzeniowych u płodów płci żeńskiej. Przyrosty tygodniowe poszczególnych części splotu były zróżnicowane, podobnie jak współczynniki korelacji między zmiennymi. Najszybszy wzrost obserwowano w 14.–18. tygodniu, wolniejszy w 24.–28. tygodniu. Do matematycznego opisu wzrastania użyto czterech funkcji: regresję liniową, logarytmiczną, von Bertalanffy’ego i Gompertza.
Wnioski. Rozwój prenatalny splotu ramiennego jest nierównomierny. Zastosowane funkcje matematyczne okazały się przydatne w opisie tempa wzrostu splotu ramiennego.

Key words

brachial plexus, anatomy, mathematical models, growth, human fetus

Słowa kluczowe

splot ramienny, anatomia, modele matematyczne, wzrastanie, płody ludzkie

References (33)

  1. Bareggi R, Grill V, Zweyer M, Sandrucci MA, Nardrucci P, Forabosco A: The growth of long bones in human embryological and fetal upper limb and its relationship to other development patterns. Anat Embryol 1994, 189, 19–24.
  2. Gray DJ, Gardner E: The prenatal development of the human humerus. Am J Anat 1969, 124, 431–446.
  3. Lewis WH: The development of the arm in man. Am J Anat 1902, 1(2), 145–183.
  4. Shinohara H, Naora H, Hashimoto R, Hatta T, Tanaka O: Development of the innervation pattern in the upper limb staged human embryos. Acta Anat 1990, 138, 265–269.
  5. Woźniak W, Bruska M: The length of the humerus in human embryos at developmental stages 18–23. Folia Morphol 2006, 65(2), 136–139.
  6. Rodriguez-Niedenführ M, Burton GJ, Deu J, Sañudo JR: Development of the arterial pattern in the upper limb of staged human embryos: normal development and anatomic variations. J Anat 2001, 199, 407–417.
  7. Rodriguez-Niedenführ M, Vazquez T, Nearn L, Ferreira B, Parkin I, Sañudo JR: Variations of the arterial pattern in the upper limb revisited: a morphological and statistical study, with a review of the literature. J Anat 2001, 199, 547–566.
  8. Rodriguez-Niedenführ M, Vazquez T, Parkin I, Sañudo JR: Arterial patterns of the human upper limbs: update of anatomical variations and embryological development. Eur J Anat 2003, suppl. 1, 21–28.
  9. Castellana C, Kosa F: Morphology of the cervical vertebrae in fetal-neonatal human skeleton. J Anat 1999, 194, 147–152.
  10. Pande BS, Singh I: One-sided dominance in the upper limbs of human fetuses as evidence by asymmetry in muscle and bone weight. J Anat 1997, 109(3), 457–459.
  11. Uysal II, Seker M, Karabulut AK, Büyükmumcu M, Ziylan T: Brachial plexus variations in human fetuses. Neurosurgery 2003, 53(3), 676–684.
  12. Uzmansel D, Kortoğlu Z, Kara A, Öztürk NC: Frequency, anatomical properties and innervation of axillary arch and its relation to the brachial plexus in human fetuses. Surg Radiol Anat 2010, 32(9), 859–863.
  13. Carlson BM: Human embryology and developmental Biology. Mosby, St Louis 1999, 450.
  14. Mielcarska M, Chocholska M, Zgorzalewicz-Stachowiak M: Perinatal brachial plexus palsy in children – etiology, classification and clinical picture of injuries. Physiotherapy 2009, 17(1), 66–77.
  15. Gosk J, Rutowski R: Analiza czynników ryzyka okołoporodowych uszkodzeń splotu ramiennego. Ginekol Pol 2005, 76(4), 270–276.
  16. Gosk J, Rutowski R: The injuries of the bone-joint system accompanying the perinatal brachial plexus palsy. Adv Clin Exp Med 2006, 15(2), 297–230.
  17. Parker LA: Part 2. Birth trauma: injuries to the intraabdominal organs, peripheral nerves, and skeletal system. Adv Neonatal Care 2006, 6(1), 7–14.
  18. Sibiński M, Synder M: Obstetric brachial palsy – risk factors and predictors. Ortop Traumatol Rehab 2007, 6(6), 569–576.
  19. Piatt JH: Birth injuries of the brachial plexus. Pediatr Clin N Am 2004, 51, 421–440.
  20. Radecka G: Rola fizjoterapeuty we wczesnym okresie leczenia następstw okołoporodowego uszkodzenia splotu ramiennego u dzieci. Balneol Pol 1998, 40(1/2), 73–78.
  21. Andersen J, Watt J, Olson J, Aerde van J: Perinatal brachial plexus palsy. Paediatr Child Health 2006, 11(2), 93–100.
  22. Witych G, Poręba R: Intrapartum risk factors for shoulder dystocia. Ann Acad Med Siles 2005, 59(5), 409–410.
  23. Bager B: Perinatally acquired brachial plexus palsy a persisting challenge. Acta Paediatr Scand 1997, 86, 1214– 1219.
  24. King GD, Binder H, Getson P, O’Donnell R: Obstetrical brachial plexus palsy outcome with conservative management. Muscle Nerve 1996, 19, 884–891.
  25. Merz E, Grüßner A, Kern F: Mathematical modeling of fetal limb growth. J Clin Ultrasound 1989, 17, 179–185.
  26. Scheuer JL, Musgrave JH, Evans SP: The estimation of late fetal and perinatal age from limb bone length by linear and logarithmic regression. Ann Hum Biol 1980, 7(3), 257–265.
  27. Kędzia A, Woźniak J, Dudek K, Ziajkiewicz M (abstr.): Foetal age evaluation on the basis of limb lenght, Abstract Book, 29th Congress of Polish Anatomical Society, Bydgoszcz 2009, 58.
  28. Kędzia A, Woźniak J, Ziajkiewicz M, Dudek K: Model matematyczny wzrostu kości długich kończyny górnej w okresie prenatalnym. Komputerowe Wspomaganie Badań Naukowych, WTN, Wrocław 2008, XV, 209–216.
  29. Podgórski P, Kędzia A, Woźniak J: Aplication of artificial neural network to analyzed the age of the fetus on the basis of long bones of the lower limbs, Abstract Book, 29th Congress of Polish Anatomical Society, Bydgoszcz 2009, 107.
  30. Podgórski P, Kędzia A, Woźniak J, Ziajkiewicz M, Dudek K: Sztuczne sieci neuronowe a modele parametryczne w ocenie wieku płodu. Komputerowe Wspomaganie Badań Naukowych, WTN, Wrocław 2009, XVI, 291–296.
  31. Woźniak J, Kędzia A, Dudek K: Mathematical assessment of foetal facial skeleton development. Arch Perinat Med 2010, 16(4), 211–217.
  32. Kędzia A, Woźniak J, Ziajkiewicz M, Dudek K, Derkowski W: Matematyczna analiza zmienności sklepistości czaszki i wymiarów oczodołów podczas rozwoju prenatalnego człowieka. Komputerowe Wspomaganie Badań Naukowych, WTN, Wrocław, 2009, XVI, 247–256.
  33. Kędzia A, Woźniak J, Tkaczyszyn M, Szkutnik A, Dudek K (abstr.): Mathematical models of pectoral major muscle in prenatal period. Materiały Konferencyjne, II Sympozjum PAN Współczesna Myśl Techniczna w Naukach Medycznych i Biologicznych, Wrocław 15–16.04.2011, 33–34.
© Wroclaw Medical University