Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Aspeсt ratio как фактор, предсказывающий разрыв аневризм сосудов головного мозга
Статья научная
Аневризмы сосудов головного мозга — патологические расширения, присутствующие у 2–5% населения. Разрыв аневризм часто приводит к развитию геморрагического инсульта. Среди его последствий – инвалидность и смерть. Несмотря на это, превентивное хирургическое лечение аневризм не всегда оправданно, так как приводит к серьезным послеоперационным осложнениям. В связи этим существует проблема разработки и обоснования надежных и удобных критериев оценки риска разрыва аневризм. Aspect ratio (отношение высоты аневризмы к диаметру шейки) – относительный размер аневризм, применяющийся для их классификации на склонные к разрыву и несклонные к разрыву. Эта характеристика также используется в качестве предикторов разрыва аневризм. Авторами проведена серия численных биомеханических расчетов, направленных на обоснование критического значения aspect ratio, характеризующего аневризмы, склонные к разрыву. При моделировании сравнивали средние касательные напряжения на стенке аневризм с различными aspect ratio от 0,5 до 2,25 с шагом 0,25 для асимметричных моделей и aspect ratio от 0,5 до 2,1 с шагом 0,2 для симметричных моделей. Выявлено, что aspect ratio классифицирует аневризмы. Получено его критическое значение, которое было обосновано при помощи биомеханического моделирования. Выявлено, что при бόльших значениях aspect ratio, чем критическое, существенно уменьшаются касательные напряжения на стенке аневризмы, а при переходе через критическое значение aspect ratio было выявлено скачкообразное уменьшение средних касательных напряжений на стенке аневризмы.
Бесплатно
COVID-19: оптимизация биомеханики дыхания аэрозолем растворителя гноя
Статья научная
Особенностью течения заболевания, вызванного коронавирусом, является развитие тяжелой неспецифической пневмонии, которая нарушает газообмен в дыхательной системе и вызывает гипоксию. Чтобы спасти жизнь больным в критической стадии неспецифической пневмонии, необходимо устранить гипоксию. С этой целью широко применяется принудительная механическая вентиляция легких с использованием дыхательных газов, обогащенных кислородом. Однако повышение давления, объема и концентрации кислородного газа во вдыхаемом воздухе не всегда устраняет гипоксию у пациентов с COVID -19. Дело в том, что при этом заболевании причиной симптома удушья является густая слизь и гной, которые заполняют просвет бронхов. Именно слизь и гной, закупоривающие бронхи, не позволяют восстановить воздушность легких, газообмен и оксигенацию крови при неспецифической пневмонии. В связи с этим именно обструкция бронхов, вызванная слизью и гноем, вызывает критическую стадию заболевания при неспецифической пневмонии, вызванной коронавирусом. В этих условиях из-за отсутствия муколитического аэрозоля для ингаляции, который эффективно растворял бы густую слизь и густой гной, ничего не остается для спасения жизни пациента, как устранить гипоксию с помощью экстракорпоральной мембранной оксигенации. Однако экстракорпоральная мембранная оксигенация - это очень дорогой и очень опасный метод лечения, который сам по себе вызывает смерть почти половины пациентов. В связи с этим для повышения эффективности принудительной вентиляции легких предлагается использовать специальный аэрозоль, который при вдыхании способен быстро растворять слизь и гной в бронхах и выводить их наружу. Дана рецептура такого аэрозоля и описан пример его эффективности при обструктивном бронхите.
Бесплатно
Статья научная
Тяжелая степень атипичной пневмонии осложняется респираторной обструкцией, причиной которой является отек слизистых оболочек дыхательных путей и закупорка их слизью, гноем и густой мокротой с прожилками крови. Особенно существенное снижение воздушности происходит в периферических участках легких. Вот почему воздух, вводимый через верхние дыхательные пути, не достигает альвеол в первую очередь в периферических участках легких. В этих условиях традиционная вентиляция легких обеспечивает обратно-поступательное движение воздуха только в трахее, крупных и мелких бронхах, поскольку только эти участки дыхательных путей остаются не закупоренными слизью и гноем. Но эти участки дыхательных путей не обеспечивают эффективную оксигенацию крови пациента. В связи с этим общепринятая искусственная вентиляция легких (ИВЛ) не может нормализовать биомеханику дыхания вплоть до устранения респираторной обструкции. Поэтому при угнетении биомеханики дыхания, вызванном респираторной обструкцией, в настоящее время принято оксигенировать кровь внелегочным путем - с помощью экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО). Однако ЭКМО - это очень опасный и малодоступный метод лечения. Поэтому для сохранения жизни пациентов при тяжелой степени гипоксии предлагается срочно восстановить легочную оксигенацию крови за счет оксигенирования легких путем инъекций раствора растворителя гноя в периферические участки легких. При этом внутрилегочная инъекция щелочного пероксидного растворителя гноя обеспечивает немедленное появление газа кислорода в периферических отделах дыхательных путей, поскольку гной и прожилки крови содержат фермент каталазу, которая тут же разлагает перекись водорода на газ кислород и воду. При этом слизь, гной и мокрота с прожилками крови тут же превращаются в кислородную пену, которая легко удаляется через верхние дыхательные пути наружу.
Бесплатно
Агрегация эритроцитов: некоторые вопросы и гипотезы
Статья научная
Обсуждаются некоторые проблемы, связанные с вопросами о механизмах и последствиях агрегации эритроцитов. Приводятся данные, согласующиеся с представлением об исходно компенсаторной природе увеличенного агрегатообразования при заболевании. Представлены характеристики взаимодействия индивидуальных эритроцитов, полученные с помощью метода оптического пинцета. Произведено сравнение экспериментальных и модельных данных, свидетельствующее о том, что при формировании эритроцитарных агрегатов возможно одновременное действие и осмотических сил, и сил, создаваемых молекулярными «мостиками».
Бесплатно
Адаптационные процессы в кости после остеосинтеза шейки бедра упругими резьбовыми фиксаторами
Статья научная
Представлены математическая модель и расчётная схема решения начально-краевой задачи адаптивной пороупругости в её одномерной постановке для области шейки бедра, подвергнутой осевому сжатию упругими резьбовыми имплантатами в результате хирургической операции остеосинтеза по поводу перелома. В качестве определяющего соотношения среды принимается феноменологическое уравнение, полученное в работе (Акулич и др., Российский журнал биомеханики, 2005, №2). Губчатая костная ткань рассматриваемой области бедра считается неоднородной и изотропной, а структурная модель включает сплошной матрикс и пустые сферические поры в нём. Связь скорости изменения радиуса пор с деформационным стимулом адаптации устанавливается с помощью кинетического уравнения мезоуровня (Сотин и др., Российский журнал биомеханики, 2001, №5). Процессы в межфрагментарном пространстве не рассматриваются, а в качестве необходимых условий сращения принимается наличие сжимающего усилия, обеспечивающего постоянный контакт поверхностей перелома и обычную (не патологическую) пористость костной ткани фрагментов. Исследуется влияние жёсткости и удлинения установки пружин упругих фиксаторов на послеоперационные временные изменения параметров структуры и механических свойств костной ткани.
Бесплатно
Адаптация некоторых экспериментальных данных для прикладной медицины критических состояний
Статья научная
Целью работы было исследование агрегации эритроцитов как основного реологического параметра крови при экспериментальной кровопотере различной степени тяжести. Авторами был рассчитан коэффициент критерия Крускала-Уоллиса. Опыты проводили на белых беспородных крысах обоих полов. Животных распределяли по подгруппам в зависимости от степени тяжести кровопотери, в подгруппах исследовали индекс агрегации эритроцитов валидным методом текстурного анализа. В результате статистической обработки данных установили, что во всех подгруппах агрегация эритроцитов увеличивалась по сравнению с контролем, и это увеличение было более заметным при больших кровопотерях. Определение критерия Крускала - Уоллиса поможет обобщить и адаптировать экспериментальные данные для медицины критических состояний, сделать прогноз перехода одной стадии шока в последующую. Это повысит эффективность лечения больных с геморрагическим шоком.
Бесплатно
Актуальные проблемы управления напряжениями в стоматологии
Статья научная
В данной работе авторы делятся опытом формализации и механического анализа актуальных проблем стоматологии. Приведены результаты расчета напряженно-деформированного состояния ряда структур, создаваемых на этапе лечения различных заболеваний ортодонтическими методами. Рассматриваются вопросы управления напряжениями и, в отдельных случаях, деформациями. Представлена методика управления напряжениями в рамках теории упругости. Описан принцип работы предложенной теории для сформулированных и иных задач.
Бесплатно
Актуаторная функция мышцы: модель генерации силы при изометрическом возбуждении
Статья научная
Предложено биомеханическое описание скелетной мышцы как системы множества волокон различной длины и ориентации. В рамках этого описания модифицирована (упрощена) ранее разработанная модель сократительной функции мышечного моноволокна. В упрощенной модели не учитывается жесткость моноволокна на сжатие и вводится допущение о равномерности распределения деформаций и напряжений по длине моноволокна. Сопоставлены результаты расчета скорости свободного изотонического сокращения мышечного моноволокна по исходной и упрощенной моделям. Определены временные зависимости силы, генерируемой при изометрическом возбуждении, и распределение осевого напряжения по площади поперечного сечения мышцы в виде крученой нити заданной длины, радиуса и угла крутки.
Бесплатно
Акустическая биометрия в исследовании биомеханики зрительного анализатора
Статья научная
В статье представлены данные изучения одного из основных биомеханических законов - закона связи между структурой и функцией применительно к деятельности зрительного анализатора в процессе световой адаптации. Изучена связь между остротой зрения и упругостью тканей периферической части анализатора. Полученные результаты свидетельствуют о возможности метода параллельного исследования структуры и функции в биомеханике - метода импульсной фотодинамической регуляции и акустического метода для изучения биомеханики анализатора.
Бесплатно
Статья научная
Целью данного исследования являлась разработка и валидация алгоритма анализа активности жевательных мышц. В качестве исходных данных для работы алгоритма необходимы электромиографический сигнал от одной мышцы и параметры, введенные пользователем, на основании которых определяется число периодов сокращения жевательных мышц, их амплитуда, наибольшее значение и продолжительность. Данный алгоритм был реализован с помощью программного пакета Matlab™ ( Matlab R2011b, The MathWorks, Natick, MA, USA ) и находится в свободном доступе в центре обмена файлами Matlab. Выходные данные сохраняются в виде текста, разделенного запятыми. Сначала алгоритм был протестирован с помощью искусственных электромиографических сигналов, а затем были использованы реальные электромиографические сигналы, полученные от жевательной мышцы во время жевания пищи средней жесткости и во время сна. В настоящее время данный программный код используется в Стоматологическом центре Университета Цюриха (Швейцария) для анализа ночной и дневной активности жевательных мышц у здоровых людей, а также у людей, страдающих бруксизмом. Данная методика применялась в рамках экспериментального исследования в Стоматологическом центре (Цюрих, Швейцария) с целью исследования влияния ночного ношения окклюзионного аппарата на жевательные мышцы. Измерения проводились в естественных условиях; в исследовании принимали участие шесть здоровых мужчин и шесть здоровых женщин (в возрасте от 18 до 45 лет). Результаты исследования показали, что при ночном ношении Мичиган-шины уменьшается ночной скрежет зубов, а также сокращается количество сжимащих движений во время сна.
Бесплатно
Статья научная
В работе предложен алгоритм оценки изменений функционального состояния билатерально расположенных мышц. Предложенный алгоритм оценки основан на анализе двумерной функции распределения и двумерной плотности вероятности амплитуды электромиограмм исследуемых мышц. В работе предложены критерии оценки симметричности и несимметричности мышечной активности, приведены результаты исследования изменений функционального состояния для мышц m. Temporalis и m. Masseter группы атлетов. В период соревновательных выступлений и подготовки к ним атлеты испытывают высокие эмоциональные и физические нагрузки, которые преждевременно снижают функциональную активность мышц, что приводит к изменению биомеханики движений. Причины снижения функциональной активности мышц: окклюзионная дисгармония, изменение прикуса и/или межальвеолярного расстояния, гипертонус мышц челюстно-лицевой области. В конечном итоге это приводит к ухудшению спортивных результатов. Исследуемая группа атлетов состояла из 10 мужчин возрастом 23-24 лет, которые занимаются единоборствами на профессиональном уровне. Проводился клинический осмотр, пальпация и изометрические тесты мышц челюстно-лицевой области и височно-нижнечелюстных суставов (ВНЧС), аускультация в области ВНЧС, контроль окклюзии с помощью копировальной бумаги и аппаратом Т-скан, конусно-лучевая томография (КЛКТ) зубочелюстной системы (ЗЧС) и электромиография (ЭМГ) мышц челюстно-лицевой области. Для всех атлетов на данном этапе исследования изготовили индивидуальные окклюзионные релаксирующие шины двух видов: 2 мм толщиной мягкую и 3 мм полужесткую. Рекомендовали использовать каппы в течение 1-2 месяцев: каппу мягкую 2 мм толщиной - применять на постоянной основе, исключая прием пищи и тренировочный процесс, а каппу полужесткую 3 мм толщиной - применять во время тренировочного процесса.
Бесплатно
Алгоритм поиска оптимальных усилий для лечения двусторонней расщелины твердого нёба
Статья научная
В работе рассмотрена задача о лечении врожденной расщелины твердого нёба как задача независимого управления деформациями системы с помощью собственной деформации. Под собственной деформацией в данной работе понимается ростовая деформация, которая моделируется с помощью модели Хсю (Journal of Biomechanics, 1968). Предложен и реализован алгоритм поиска усилий, создающих в теле заданную ростовую деформацию, которая способствует формированию правильной нёбной дуги. Предложен способ вычисления желаемой ростовой деформации. Определены время действия, величина и направление оптимальной нагрузки. Все вычисления проводятся в рамках плоской конечно-элементной модели. Проанализировано влияние области давления ортопедического аппарата на максимальное значение необходимого усилия.
Бесплатно
Алгоритм создания трехмерных образов органов человека по томографическим данным
Статья научная
В последнее время в медицине интенсивно развивается математическое моделирование процессов, определяющих функциональность органов тела человека. Важным этапом моделирования является создание геометрического образа. Одним из современных средств, отражающих трехмерную структуру органов, является томография. В работе описан эффективный алгоритм, позволяющий создавать геометрический образ органов человека на основе томограммы. Дается описание программной реализации алгоритма фронтального роста. Приведены примеры построения трехмерных образов костей таза, черепа и мышц сердца.
Бесплатно
Анализ адаптационной комфортности различных конструкций эндопротезов тазобедренного сустава
Статья научная
С помощью компьютерного моделирования исследуется пространственное линейно упругое напряженно-деформированное состояние бедренной кости после тотального замещения тазобедренного сустава. Линейность зависимости напряжение-деформация при физиологической нагрузке установлена экспериментально in vitro. Учитывалась трансверсальная изотропия и неоднородность упругих характеристик кости. Усилия прикрепленных к бедру мышц и реакция тазовой кости были вычислены при условии минимальности суммы модулей мышечных усилий. На границе между костью и ножкой металлического эндопротеза предполагалось выполнение условия идеального контакта, которое реализуется при прорастании кости в поры металла. Напряженно- деформированное состояние бедренной кости непосредственно перед установкой эндопротеза принималось естественным, то есть нулевым. При установке эндопротеза предполагалось, что форма канала в бедре точно повторяет форму поверхности сопряжения ножки и, следовательно, остаточные напряжения и деформации в кости после операции отсутствуют. Прогностическая оценка адаптационного поведения кости протезированного бедра под нагрузкой веса тела и усилий мышц при возобновлении ходьбы осуществлена с помощью одномерной (вдоль оси остеона) модели внутренней перестройки плотной костной ткани. Кинетическое уравнение модели адаптационной перестройки устанавливает линейную связь скорости изменения радиуса гаверсова канала с деформационным стимулом адаптации и содержит коэффициент пропорциональности этих величин, зависящий от активности костных клеток. Использованные в модели уравнения балансового типа соответствуют принципам адаптационных изменений в организме человека. Процесс адаптационных изменений пористости и модуля упругости костной ткани исследован на компьютерных моделях цилиндрических образцов, вырезанных из участка диафиза бедра, охватывающего ножку эндопротеза. Полученные кривые имеют монотонный характер. Время установления кривых определяется, в основном, скоростью их изменения в начальный момент времени. Этот факт позволил сформулировать критерий адаптационной комфортности конструкции ножки эндопротеза, позволяющий количественно оценить скорость увеличения пористости кортикального слоя бедренной кости, вызванного перераспределением физиологической нагрузки на костную ткань после установки имплантата. Приведены результаты оценки трех наиболее распространенных типов конструкций имплантатов.
Бесплатно
Анализ биомеханических параметров остеотомии первой плюсневой кости
Статья научная
Изучено напряженно-деформированного состояние в биотехнических системах, образующихся при выполнении корригирующих остеотомий первой плюсневой кости. Вальгусная деформация первого пальца стопы является распространенной патологией у человека. Частота встречаемости данной патологии у лиц женского пола до 64 % и до 25 % - у мужского. Хирургическое реконструктивное лечение остается актуальной проблемой в современной ортопедии. Ситуация обусловлена неудовлетворительными результатами лечения. Кроме того, встает вопрос о допустимости нагрузки в раннем послеоперационном периоде у пациентов с количественной индивидуальной оценкой. Данную оценку могут дать методы биомеханики. В работе приведены результаты разработки методики оценки напряженно-деформированного состояния биотехнической системы «кость - винты» при выполнении корригирующих остеотомий первой плюсневой кости. Методика позволяет проводить сравнительный анализ различных способов остеотомий, наиболее распространенных в клинической практике для конкретного пациента. В данном исследовании рассмотрены chevron- и scarf -остеотомии со смещением костных отломков на 1/3 и 2/3. Для решения поставленной задачи на основе данных компьютерной томографии построены персонифицированные твердотельные геометрические модели первой плюсневой кости. Построены также модели фиксаторов. Конечно-элементный анализ осуществлен в программном комплексе Ansys Wоrkbench . Основное внимание уделено анализу напряжений, возникающих при нагрузке на подошвенную поверхность головки первой плюсневой кости во время ходьбы. Проведена оценка максимально допустимого сдвига костных отломков для нормализации деформаций переднего отдела стопы. Разработанная методика позволяет осуществить выбор варианта остеотомии с обоснованием возможности одномоментной операции на обеих стопах для конкретного пациента.
Бесплатно
Анализ движения общего центра масс легкоатлетов-спринтеров при старте
Статья научная
Работа относится к области биомеханики спорта и посвящена изучению кинематических характеристик движения общего центра масс спортсменов старших разрядов при выполнении старта в спринтерском беге. Рассмотрены три варианта низкого старта, отличающиеся расположением упоров стартовой колодки: сближенный, средний и растянутый. В каждом из вариантов варьировалось расстояние от переднего упора колодки до стартовой линии. Определены начальное положение, длина траектории, время движения и горизонтальная скорость общего центра масс при выходе со старта. Обнаружено, что расстояние от проекции общего центра масс на опору до линии старта по команде «Внимание!» достоверно растет при переходе от сближенного к растянутому варианту старта и с удалением переднего упора стартовой колодки от линии старта. На общее время выхода со старта в основном влияет время движения общего центра масс, которое обусловлено длиной траектории и скоростью общего центра масс. Форма траекторий общего центра масс и кривизна их отдельных участков в разных вариантах старта мало отличаются. Основное различие касается длины траекторий. В сближенном варианте старта при расстоянии от линии старта до переднего упора колодки в интервале от (0,50 ± 0,01) до (0,55 ± 0,01) м (1,7–1,9 стопы), а между упорами – 0,29 м (1 стопа) имеет место относительно небольшая длина траектории общего центра масс и достигается его высокая горизонтальная скорость. В этом случае происходит наиболее быстрый выход со старта и стартовый разгон на первых 10 м дистанции, что делает данный вариант старта предпочтительным.
Бесплатно
Статья научная
Повреждение и перелом зубовидного отростка составляют большую часть травм в шейном отделе позвоночника человека. Чтобы понять механизмы, ведущие к повреждению второго шейного позвонка (С2), в особенности к перелому зубовидного отростка, необходимо исследовать процессы, происходящие в этом позвонке при различных условиях нагружения. Голографическая интерферометрия была применена для анализа изменений в величинах перемещений зубовидного отростка при различных условиях нагружения (сжатие, боковой изгиб, разгибание). Было изучено поведение позвонка при различных нагрузках и перегрузках. Исследования обнаружили заметные изменения в перемещениях осевого отростка позвонка С2 и в области ниже двух верхних суставных поверхностей и их отростков. Особенно большие значения были зарегистрированы при разгибании. В соответствии с клиническими данными последние отклонения ведут к наиболее распространенному типу перелома зубовидного отростка.
Бесплатно
Анализ импедансных характеристик дыхательной системы животных и человека
Статья научная
Целью исследования являлась модификация метода импульсной осциллометрии дыхательной системы биообъектов в интересах возможности его применения для экстраполяции медико-биологических эффектов воздействия экстремальных физических факторов условий профессиональной деятельности с животных на человека. Метод основан на верифицированном алгоритме определения импедансных характеристик легких человека (резонансной частоты, активной и реактивной частотно-зависимых компонент импеданса) с помощью двухмикрофонной техники. Измерение импедансных характеристик дыхательной системы животных (30 крыс, 15 кроликов и 15 овец) в диапазоне частот от 5 до 100 Гц проводили на декапитированных животных при присоединении трахеи к экспериментальной установке, включающей громкоговоритель, волновод, два измерительных микрофона, импедансную стенку и соединительную трубку, предназначенную для подключения установки к трахее. Импедансные характеристики дыхательной системы у людей (40 спортсменов в возрасте 20-30 лет) в том же частотном диапазоне измеряли в процессе свободного дыхания: на окончание волновода в качестве перфорированной панели устанавливали стандартный загубник. В результате измерений определяли частоту резонанса дыхательной системы, коэффициент поглощения акустических колебаний, резистанс на частоте резонанса и акустическую добротность дыхательной системы. Результаты теоретико-экспериментальных исследований свидетельствуют, что резонансные частоты дыхательной системы у людей, кроликов и овец близки между собой, а резонансные частоты дыхательной системы крыс и человека существенно отличаются. Это позволяет использовать кроликов и овец в качестве адекватной биологической модели при экстраполяции результатов воздействия экстремальных факторов с животных на человека в части состояния дыхательной системы. Экстраполяцию аналогичных результатов с крыс на человека необходимо проводить с учетом соотношения импедансных характеристик дыхательных систем.
Бесплатно
Анализ кинематики разбега в соревновании по прыжкам в длину у спортсменов мужской команды Иордании
Статья научная
Целью исследования было изучение кинематических переменных на этапах разбега и отталкивания вверх, а в дальнейшем исследование взаимосвязи между этими кинематическими переменными у спортсменов иорданской мужской команды в соревнованиях по прыжкам в длину. Для этого было выбрано четыре элитных прыгуна мужского пола из иорданской мужской команды (возраст (18 ± 0,6) лет; рост (180 ± 2) см; масса (72 ± 2) кг; длина ноги (87 ± 1) см; тренировочный стаж (4 ± 0,58) лет). Испытуемых снимали цифровыми видеокамерами ( Nikon D 3400, 60 кадров в секунду). Первая камера была размещена на расстоянии 20 м в сторону от центра пробега для захвата шагов, вертикальная высота камеры составляла 1,2 м. Вторая камера была расположена для захвата последних двух шагов и фазы отталкивания вверх, эта камера была размещена на расстоянии 8 м в сторону от последних двух шагов для захвата других переменных исследования, вертикальная высота камеры составляла 1 м. Видеоданные были получены с помощью программы Kinovea (версия 0.8.27 × 64), где анализировалась лучшая попытка. Это исследование включало 15 кинематических переменных. По полученным результатам можно сделать вывод, что испытуемые демонстрируют асимметричные результаты по большинству исследуемых переменных, за исключением переменной «время приземления». Кроме того, один интересный вывод состоит в том, что высота центра масс при отталкивании вверх является единственной переменной, которая имеет статистически значимую связь с дальностью достижения ( r = 0,949). В итоге рекомендуется создание кинетического файла для каждого прыгуна в длину.
Бесплатно
Статья научная
В работе проведен кинематический анализ движений при выполнении соревновательного упражнения «подъем по штурмовой лестнице на четвертый этаж учебной башни». Упражнение состоит из четырех этапов, на каждом из которых измерялись параметры соревновательного бега (время, скорость, количество беговых шагов, их длина и частота). Характеристики были найдены на основе видеоанализа соревнований, в которых участвовали ведущие спортсмены. Полученные данные позволяют оценить эффективность выполнения упражнений и являются основой для построения биомеханических моделей в дальнейшем.
Бесплатно
