Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
Статья научная
Цель настоящего исследования - нейросетевое моделирование и определение параметров статокинезиограмм, которые являются носителями полезной информации об особенностях постурального регулирования, обусловившего полученную траекторию движений центра масс человека. Разработана методика получения информативных маркеров путём выявления центроидов кластеризации на основе самоорганизующихся нейронных сетей Кохонена с Евклидовой метрикой. Сети Кохонена, обучаемые без учителя (то есть без применения априорной диагностической информации о состоянии испытуемых), являются мощным и информативным методом, который позволяет получить не только графические, но и математические маркеры нарушений здоровья у испытуемых, исследовать биомеханику микродвижений центра давления на основе гибкого математического аппарата - нейросетевого кластерного анализа. На примере идентификации постинсультного состояния, проведён нейросетевой анализ стабилометрических данных и показан метод выявления патобиомеханических маркеров статокинезиограмм, который позволил стандартизировать типовую принадлежность групп испытуемых. С помощью нейронных сетей удалось выявить кластеры, которые поддаются медико-биологической интерпретации с достоверностью до 95,9 %, что обусловливает теоретическую значимость полученных результатов. Также были рассмотрены деревья решений и многослойная нейронная сеть, обучаемая с учителем. Многослойная нейронная сеть позволила выявлять маркеры нарушений здоровья с вероятностью 71,9 %.
Бесплатно
Вязкоупругий гистерезис папиллярной мышцы
Статья научная
Проведен анализ экспериментальных данных по вязкоупругому гистерезису изолированных папиллярных мышц крысы до и после удаления кардиомиоцитов. Показано, что значения площадей петель гистерезиса мышц контрольной группы при всех исследованных режимах нагрузок больше площадей петель гистерезиса группы мышц после удаления миоцитов. Показано, что при удалении кардиомиоцитов уменьшается и жесткость, и вязкость папиллярных мышц, а также уменьшается примерно в два раза площадь петли гистерезиса в цикле «растяжение-укорочение» мышц при исследованных режимах нагрузки. Это говорит о том, что примерно 50% потерь энергии на тепло в цикле «растяжение-сжатие» папиллярных мышц приходится на соединительнотканный каркас мышцы. Предложена структурно-функциональная модель, которая адекватно воспроизводит экспериментальные данные по вязкоупругому гистерезису папиллярных мышц при различных режимах нагрузки и в случае контрольного препарата, и в случае препарата после удаления кардиомиоцитов.
Бесплатно
Гемодинамика поверхностной бедренной артерии: клинический случай
Статья научная
Поверхностная бедренная артерия, в отличие от глубокой артерии бедра, наиболее часто поражается атеросклерозом с формированием гемодинамически значимых стенозов или окклюзий, что приводит к возникновению ишемии нижней конечности. В последних российских и европейских рекомендациях по заболеванию периферических артерий в настоящее время рекомендуют эндоваскулярную стратегию (ангиопластику и стентирование) для всех поражений короче 25 см. Исследование гемодинамики поверхностной бедренной артерии затруднено тем, что она подвергается выраженной деформации (сжатие, растяжение, кручение) при физиологических движениях в тазобедренном и коленном суставах. В связи с этим весьма актуальной задачей является численное моделирование гемодинамики до и после ангиопластики и стентирования пораженной артерии для оценки перераспределения кровотока в магистральных сосудах нижней конечности. В работе выполнено численное исследование гемодинамики артерий нижних конечностей в норме, при окклюзии и с установленными виртуальными стентами различной пористости для конкретного пациента. Установлено, что в зависимости от выбранного стента объем кровотока по поверхностной бедренной артерии может изменяться до 15 %, а в целом перераспределение кровотока может достигать до 50 %, по сравнению со здоровой конечностью. Для стентов с показателем 0,1-0,2 пористости касательные напряжения в зоне стента до 5 раз выше, чем у стентов, для которых эта величина составляет 0,8, хотя значения максимальных пристеночных касательных напряжений по всей конфигурации остаются сопоставимыми, что говорит о возможных существенно различных сценариях эндотелизации стента. Более глубокое понимание этих процессов позволит определиться с выбором тактики лечения и видом имплантируемого устройства, что в конечном счете может улучшить ближайшие и отдаленные результаты хирургического лечения, а также повысить статус реабилитации пациента.
Бесплатно
Геометрия поверхности суставного хряща головки бедра человека
Статья научная
Представлен анализ амплитудных параметров St, Sz и Sa поверхности 25 образцов суставного хряща головки бедра человека. На поверхности здорового суставного хряща выступают неровности, описываемые параметрами: St oт 9,62 до 24,7 мкм (x = 16,0; s = 4,59), Sz oт 8,38 до 18,5 мкм (x = 12,81; s = 3,11) и Sa oт 0,78 до 2,24 мкм (x = 1,33; s = 0,54), где обозначено: x - среднее значение, s - дисперсия. На поверхности пораженного артрозом суставного хряща выступают неровности, описываемые параметрами: St oт 74,3 до 238,0 мкм (x = 160,35; s = 45,39), Sz oт 38,9 до 178,0 мкм (x = 121,33; s = 39,71) и Sa oт 11,2 до 30,7 мкм (x = 16,58; s = 5,16). Выступающие артротические изменения на поверхности суставного хряща оказывают влияние на работу тазобедренного сустава человека.
Бесплатно
Гибридная конечно-элементная модель желудочков сердца человека с учётом структуры миокарда
Статья научная
Представлена модель сокращения желудочков человеческого сердца. Основа модели - тетраэдральная сеть (желудочки в состоянии диастолы); дополнительная модель описывает структуру волокон миокарда. Воздействие анизотропной структуры миокарда на изотропную конечно-элементную сеть достигается приложением сил вдоль волокон. Распространение электрического возбуждения моделируется приложением сил с задержкой по времени. Полученные зависимости давления крови от объёма желудочков согласуются с экспериментальными данными. Модель служит основой для конструирования и изучения концепций новых сенсоров для имплантируемых приборов в области электротерапии сердца.
Бесплатно
Гидродинамическое давление в зазоре микро- и биоподшипников
Статья научная
Данное исследование посвящено определению распределения давлений в тонком слое неньютоновской вязкоупругой смазки в микроподшипнике скольжения криволинейной ортогональной формы (сферической, конической, цилиндрической, параболической, гиперболической). В работе принимаются в рассмотрение неизотермические, неустановившиеся и случайные условия течения, а также температурные деформации био- и микроподшипников и их муфт. Представлен общий анализ влияния неустановившегося неизотермического течения вязкоупругой жидкости в магнитном поле на давление в зазорах криволинейных микроподшипников между двумя вращательными поверхностями при случайных условиях. Смазывание поверхностей микроподшипника характеризуется различными геометрическими формами и неньютоновскими свойствами смазок.
Бесплатно
Гипотеза Н. А. Бернштейна в описании хаотической динамики непроизвольных движений человека
Статья научная
В сравнительном анализе изучены особенности хаотической динамики параметров нервно-мышечной системы (на примере тремора) двух групп женщин. Регистрация тремора осуществлялась у двух групп испытуемых (по 15 человек в каждой) с различной физической подготовкой в спокойном состоянии и при статической нагрузке 300 г. Каждый испытуемый проходил N = 15 серий эксперимента в обоих состояниях (без физической нагрузки и с нагрузкой), и каждая серия содержала 15 выборок измерений ( n = 15) треморограмм (по 500 точек в каждой выборке регистрации координаты xi ( t ) положения пальца по отношению к токовихревому датчику) пальца руки. При использовании непараметрического парного сравнения с помощью критерия Вилкоксона в каждой серии эксперимента были получены 15 таблиц, в которых представлены результаты расчета матриц (15×15) парного сравнения треморограмм. Динамика непроизвольных микродвижений конечностей (тремора пальцев рук) как в режиме релаксации, так и при статической нагрузке проявлялась в изменении числа «совпадений» произвольных пар выборок ( k ), которые (пары) можно отнести к одной генеральной совокупности. При этом сами треморограммы как в спокойном состоянии, так и при нагрузке демонстрировали глобальную статистическую неустойчивость выборок (их статистических функций распределения f ( x )). Получаемые выборки в одном эксперименте невозможно произвольно повторить в следующем (с аналогичным гомеостазом). Это представляет количественную меру эффекта Еськова-Зинченко в анализе хаотически изменяющихся статистических функций распределения выборок треморограмм. Были рассчитаны среднее число совпадений произвольных пар выборок ( ) и стандартные отклонения σ для всех 15 матриц без нагрузки и в условиях воздействия нагрузки в 300 г, которые показали увеличение числа k пар совпадений выборок треморограмм в условиях статической нагрузкипочти в два раза. Выявлено изменение числа k совпадений произвольных пар выборок в спокойном состоянии: неспортсмены - 2,93, спортсмены - 2,13.The features of chaotic dynamics of neuromuscular system parameters (tremor) of two groups of womenhave been studied using comparative analysis.The registration of tremor was performed in two groups of subjects (15 people in each group) with different physical fitness at rest and at a static load of 300 g. Each subject has been tested 15 times (number of series N = 15) in both states (with physical load and without)and each series contained 15 samples ( n = 15) of tremorogram measurements (500 elements in each sample, registered coordinates xi ( t ) of the finger position relative to eddy current sensor) of the finger. Using non-parametric Wilcoxon test of each series of experiment, a pairwise comparison was made forming 15 tables in which the results of calculation of pairwise comparison matrix (15×15) for tremorograms are presented. The dynamics of involuntary micromovements of the limbs (tremor of fingers), with and without static physical loads manifested in the change of the number of “coincidences” of arbitrary pairs of samples ( k ), which (pairs) can be attributed to one general population. In this case, tremorograms showed the global statistical instability of the samples (their statistical distribution functions ) as in state of rest and under physical load. The samples obtained in one experiment cannot be arbitrarily repeated in the next experiment (similar to homeostasis). This represents a quantitative measure of Eskov-Zinchenko effect in the analysis of randomly varying statistical distribution functions of samples of tremorograms. The average number of fits of random pairs of samples ( ) and standard deviation σwere calculated for all 15 matrices without load and under the impact of physical load (300 g), which showed an increase almostin twice in the number k of pairs of matching samples of tremorograms at conditions of a static load. It was revealed changein number k of matches for arbitrary pairs of samples in a resting statefor not athletes is 2.93, for athletes is 2.13.
Бесплатно
Гипотеза о причине укачивания при испытании на качелях Хилова
Статья научная
В работе рассматривается вестибулярная стимуляция, реализующаяся при испытаниях на качелях Хилова. Выдвинута гипотеза, объясняющая причины быстрого развития болезни движения на этом тренажёре. Сравнение с качаниями на обычных качелях и с горизонтальными колебаниями на тележке отчетливо показывает, что на качелях Хилова реализуются условия для того, чтобы поступательное движение на этих качелях распознавалось в центральной нервной системе как поворот несмотря на отсутствие отклика полукружных каналов.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе рассматривается поверхность между кортикальной костной тканью и имплантатом, в частности, её состояние в случае парапротезного перелома, т.е. перелома кости в области вокруг протеза, замещающего сустав. Для моделирования концентрации напряжений в области перелома кортикальной кости использовалась модель теории упругости с анизотропным градиентом (теория упругости высокого порядка с дополнительными константами, учитывающими влияние микроструктуры в различных направлениях). Для учёта микроструктурных эффектов в кортикальной костной ткани были введены в рассмотрение два параметра линейного размера на макроскопическом уровне: первый параметр относится к характерному размеру системы трансверсальных Гаверсовых каналов (остеонов), другой - к продольному размеру волокон. Материал имплантата считался изотропным, а масштаб длины соответствовал характерному размеру материала. Были решены численные тестовые задачи для анализа напряжений в области вершины трещины. Показано, что градиент упругости (анизотропный для кости и изотропный для металла) не даёт сингулярных решений и учитывает неявное влияние микроструктуры. Кроме того, было изучено влияние масштабного эффекта в области кость-имплантат.
Бесплатно
Граничные условия на выходах при численном моделировании гемодинамики сонной артерии
Статья научная
Индивидуальный подход к моделированию гемодинамики сонных артерий и артерий виллизиевого круга человека требуется в случаях необходимости хирургического вмешательства в связи с атеросклеротическим поражением или возникновением аневризм. Разработка строгого подхода к постановке задачи, включающей индивидуальные граничные условия, свойства сосудов и персонализированную геометрию, является актуальной научной проблемой, которой посвящена данная работа. В ходе исследования данные численного моделирования гемодинамики сонной артерии конкретного пациента сравнивались с данными, полученными с помощью аппарата УЗИ. Геометрическая модель бифуркации сонной артерии строилась в системе автоматизированного проектирования SolidWorks на основе данных УЗИ, выполненного на аппарате Mindray Resona 7. На приборе были получены значения скорости на входе в сосуд, механические свойства стенок, «эталонные» значения скоростей в наружной и внутренней сонных артериях, а также векторные поля скоростей в разные моменты времени. Рассматривалось 3 типа граничных условий на выходах из сосудов: нулевое давление, давление с запаздыванием, условия типа Windkessel . Результаты расчетов сравнивались с «эталонными» с целью определения наиболее близкого к физиологическому поведения сосуда.
Бесплатно
Движение антропоида на подвижном основании
Статья научная
Рассматривается антропоидная модель из трех подвижных звеньев, изменяющих свою конфигурацию под действием внутренних управляющих усилий и реакций со стороны подвижной точки опоры, движение которой задано. Первое нижнее звено моделирует голень, второе звено - бедро и третье - корпус вместе с головой. Отличием предложенной модели, от созданных ранее, заключается в использовании углов между звеньями. В предшествующих работах по моделированию динамики антропоидов углы обычно отсчитываются от какого-либо фиксированного направления - вертикали или горизонтали. Однако такой способ не соответствует биомеханике опорно-двигательного аппарата антропоида, экзоскелета, антропоморфного робота, положения звеньев которых измеряются углами между звеньями. При таком способе задания углов усложняется система дифференциальных уравнений динамики, описывающая движение предложенной модели, в сравнении с моделями, в которых углы отсчитываются от фиксированного направления. Для составления уравнений движения используются локальные подвижные системы координат, связанные со звеньями. Рассматривается программное движение модели, соответствующее заданному закону изменения обобщенных координат, и в результате решения прямой задачи определяются соответствующие управляющие силы. Управление моделируется кусочно-заданной ступенчатой функцией. Рассматривается влияние собственной массы пассивного экзоскелета. Исследуется влияние вращающихся роторов электродвигателей активного экзоскелета на динамику биомеханической системы человек-экзоскелет. Проводятся оценки энергетических затрат в каждом приводе. Проведен полный цикл моделирования динамики антропоида на подвижном основании при различных режимах движения. Ценность полученных результатов заключается в том, что предложенную модель можно непосредственно использовать при создании антропоморфных роботов или экзоскелетов.
Бесплатно
Статья научная
Цель исследования заключалась в выявлении биомеханических закономерностей движения трехзвенной модели опорно-двигательного аппарата тела спортсмена в связи с изменениями ее масс-инерционных характеристик, антропометрических показателей и переменной конфигурацией биосистемы. В настоящей работе моделировалось движение большого оборота назад на перекладине с переменной конфигурацией, и в вычислительном эксперименте на ЭВМ получены биомеханические закономерности двигательного действия в связи с варьированием масс-инерционных характеристик моделируемой биосистемы, которые до настоящего времени не нашли отражения в научных публикациях. Ранее подобное исследование проводилось для биосистемы постоянной конфигурации.
Бесплатно
Статья научная
Двумерная конечно-элементная модель височно-нижнечелюстного сустава была разработана из магнитно-резонансного изображения для изучения функции задней дисковой связки и крыловидной мышцы во время движения открытия челюстей. Движение было задано путем наложения перемещений на два узла модели. Эти перемещения были измерены с помощью прибора трехмерного анализа. Задняя дисковая связка и крыловидная мышца были смоделированы линейными пружинами постоянной и переменной жесткости соответственно. Для того чтобы обеспечить моделирование перемещения диска, соответствующее реальному перемещению, положение диска на различных шагах моделирования было сравнено с положением, полученным с помощью магнитно-резонансного изображения при различных положениях между резцами. Разные значения жесткости пружин были также проверены, чтобы оценить их влияние на перемещение диска и распределение напряжений. Результаты показывают, что задняя дисковая связка влияет на положение диска, распределение напряжений и интенсивность напряжений в суставе. Однако интенсивность напряжений сильно не изменится, если не учитывать крыловидную мышцу.
Бесплатно
Двухфазная модель течения крови
Статья научная
При течении крови в мелких сосудах (менее 200 мкм) наблюдается зависимость реологических свойств крови от диаметра сосуда. В мелких сосудах необходимо учитывать пристеночные эффекты и агрегацию эритроцитов. Для описания таких течений используются дискретно-континуальные или двухслойные модели течения. В работе предложена единая двухфазная модель крови для описания течения как в крупных, так и в мелких кровеносных сосудах. Модель описывает интегральные характеристики течения, такие как показатель гематокрита, вязкость и скорость крови. На основе данной модели дано объяснение известным особенностям (эффектам) течения крови в сосудах: зависимости показателя гематокрита от диаметра сосуда; существованию бесклеточного (безэритроцитного) слоя плазмы вблизи стенки сосуда; тупому (по сравнению с профилем течения Пуазейля) профилю скорости крови; зависимости вязкости крови от диаметра сосуда. Получены аналитические зависимости для скорости, вязкости и показателя гематокрита крови от диаметра кровеносного сосуда. Проведено сравнение с экспериментальными данными.
Бесплатно
Демпфирующая роль желудочков головного мозга при ударе
Статья научная
На основе уравнений ударной динамики механики сплошных сред использованием конечно-элементных и конечно-разностных аппроксимаций выполнен вычислительный эксперимент по определению напряженно- деформированного состояния головного мозга с последующим выявлением природной защитной функции желудочков, проявляющейся в снижении уровня сдвиговых деформаций, опасных для головного мозга.
Бесплатно
Деформационно-прочностные характеристики полимерного протеза клапана сердца
Статья научная
Изучены механические характеристики искусственного клапана сердца эластичными замыкательными элементами из однородных изотропных и направленно-армированных анизотропных полимерных материалов. Показано, что важнейшим критерием работоспособности указанной конструкции является усталостная прочность замыкательных элементов при изгибе. Выполнен конечно-элементный расчет напряженно-деформированного состояния аортального протеза в систолической фазе сердечного цикла. Моделирование деформационных характеристик и анализ усталостной прочности позволяет рекомендовать для дальнейшего изучения конструкцию протеза с замыкательными элементами из направленно-армированного полимерного композита на основе полиуретановой матрицы.
Бесплатно
Деформационные свойства стенки левого предсердия
Статья научная
Наличие у пациентов митральной регургитации является вторым показателем по частоте рекомендаций вмешательств на митральном клапане. Проблема выбора лечебной тактики у больных с ишемической митральной недостаточностью остается актуальной и обсуждаемой. Неблагоприятный прогноз у пациентов с ишемической митральной недостаточностью во многом зависит от тяжести дисфункции левого желудочка, и этапы ее прогрессирования достаточно хорошо изучены, а степень дилатации левого желудочка является одним из показаний к хирургическому вмешательству при наличии выраженной ишемической митральной недостаточности. Однако, в силу того что невозможно определить влияние компонентов коронарной недостаточности и объемной перегрузки на процесс ремоделирования левого желудочка, размеры и фракции его выброса не могут быть использованы в качестве параметров гемодинамической значимости регургитации. Участие левого предсердия в процессе глобальной дилатации сердца на фоне эволюции ишемической митральной недостаточности изучено хуже. Увеличение объема левого предсердия является мощным предиктором смертности. Хорошо известно, что вклад предсердий имеет особое значение в условиях дисфункции левого желудочка для поддержания его ударного объема. Такие показатели, как деформация и скорость деформации стенки левого предсердия, являются более ранними маркерами объемной перегрузки в сравнении с изменением геометрии левого предсердия. Для изучения деформационных свойств стенки левого предсердия был поставлен эксперимент с применением компьютерной томографии, проведенный на базе Федерального центра сердечно-сосудистой хирургии им. С.Г. Суханова. Была разработана методика обработки экспериментальных данных, в результате чего получены количественные характеристики смещения и деформации точек стенки левого предсердия. Произведено сравнение деформационных свойств и построены кривые напряжение - деформация для различных участков стенки левого предсердия вдоль и поперек роста мышечных волокон. Показано наличие деформаций сдвига в касательной к стенке плоскости.
Бесплатно
Деформация склеры при интравитреальных инъекциях
Статья научная
В работе представлена математическая модель, описывающая изменение напряженно-деформированного состояния склеры (внешней оболочки глаза) после интравитреальной инъекции. В рамках трехмерной теории упругости исследуется деформация ортотропного сферического слоя. После нагружения внутренней поверхности слоя начальным (физиологическим) давлением рассчитывается значение дополнительного давления, необходимого для изменения внутреннего объема на величину, равную объему вводимого препарата. Задача решается численно методом конечных разностей в пакете MapleTM, а также в конечно-элементном программном пакете COMSOL Multiphysics ( v. 5.0). Показано, как меняется форма деформированного сферического слоя в зависимости от соотношения модулей упругости в окружном и меридиональном направлениях. При увеличении внутреннего давления ортотропный сферический слой принимает форму, близкую к эллипсоидальной, в отличие от трансверсально-изотропного сферического слоя, остающегося сферическим при деформации. Получены значения изменения внутриглазного давления при введении дополнительного объема несжимаемой жидкости в результате интравитреальной инъекции.
Бесплатно
Статья научная
Методами подографии («ДиаСлед-Скан», г. С.-Петербург), компьютерной оптической топографии (г. Новосибирск), сонографии («VOLUSON-730PRO», Австрия) проведено комплексное обследование 368 детей и подростков в возрасте 6-17 лет для оценки диагностической информативности качественных и количественных характеристик траектории общего центра давления (ОЦД), проецируемой на горизонтальную плоскость при ходьбе. Сделаны выводы: медиальное смещение траектории ОЦД при подографическом анализе локомоторных стереотипов является вариантом компенсаторно-приспособительного механизма опорно-двигательной системы, проявляющимся в результате естественного роста под влиянием аллометрических процессов. У подростков до 14 лет при ходьбе в ускоренном режиме его величины по показателю dX менее 25% могут считаться допустимой возрастной нормой. Локомоторные стереотипы при величинах медиального смещения ОЦД от 26 до 40% можно расценивать как субкомпенсированные и при отсутствии с ростом ребенка положительной динамики в контролируемых величинах рассматривать как показания к углубленному исследованию ортопедического статуса пациента. Стереотипы с медиальным смещением траектории ОЦД более 40% оказались сопряжены с дисплазиями тазобедренного сустава и явились очевидным признаком двигательной патологии.
Бесплатно
Дизайн индивидуальных вертлужных компонентов: влияние типа дефекта на вид конструкции
Статья научная
Варианты лечения массивных дефектов области вертлужной впадины очень разнообразны и остаются вызовом для хирурга. Хотя индивидуальные конструкции не показывают результатов, превосходящих другие методы реконструкции, вариабельность дизайна предлагает широкие возможности надежной первичной фиксации. В Национальном медицинском исследовательском центре травматологии и ортопедии имени Р.Р. Вредена за период с 2015 по 2019 год выполнено 115 ревизий вертлужного компонента с использованием индивидуальных конструкций с целью определить и классифицировать основные типы индивидуальных конструкций, применяемых в реконструкции обширных дефектов вертлужной впадины. Несмотря на то, что большинство дефектов относилось к категориям дефектов 3 A , 3 B степени по Paprosky , нарушения целостности тазового кольца, тип индивидуальной конструкции определялись в большей степени геометрией дефекта. При дефектах, сопровождающихся отсутствием опоры медиальной стенки, конструкция имела антипротрузионные свойства и мостовидный вариант фиксации. В наиболее тяжелых случаях при отсутствии опорности и связи с осевым скелетом вертлужный компонент имел фланец для фиксации к оставшейся части крыла подвздошной кости и ножку, фиксирующуюся в задних отделах тела подвздошной кости. Основные типы дизайна индивидуальных конструкций были представлены аугментами, трехфланцевыми конструкциями и фланцевыми конструкциями с ножкой. Наряду с реконструкцией области дефекта это расширяло возможности первичной фиксации винтами и позволяло оптимизировать положение и ориентацию вертлужного компонента уже на этапе планирования. Индивидуальное проектирование вертлужных компонентов позволяет сочетать варианты фиксации разных типов конструкций.
Бесплатно
