Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
Динамика биомеханических показателей сосудистого русла у мужчин и женщин разных возрастных групп
Статья научная
Исследование посвящено изучению биомеханики сосудистого русла большого круга кровообращения посредством компьютерных сфигмографии и реографии верхних и нижних конечностей у женщин и мужчин разных возрастных групп. В ходе исследования оценивали скоростные и силовые показатели кинетики магистральных артерий и сосудистого цикла большого круга кровообращения. Выявлена повышенная пропульсивная активность артерий большого круга кровообращения у молодых мужчин в сравнении с активностью артерий женщин аналогичного возраста. С возрастом эти различия несколько уменьшаются. Кроме того, с возрастом усиливается кинетика магистральных артерий у мужчин и женщин. Более того, с возрастом у представителей обоих полов значительно изменяются показатели объемного кровотока на нижних конечностях в сравнении с верхними.
Бесплатно
Статья научная
Проведен сравнительный анализ динамики биомеханических свойств стенок сосудов, кожных покровов и скелетных мышц нижних конечностей при увеличении продольных размеров голени и бедра в процессе естественного роста у детей и при оперативном удлинении по методу Илизарова на 10-30 % от первоначальной длины. С помощью оригинальных методов исследованы эти свойства артерий, кожи и мышц у 450 здоровых людей в возрасте от 7 до 23 лет и 197 пациентов с врожденными укорочениями нижних конечностей. Показано, что у здоровых детей пропорциональность между увеличением длины конечности и увеличением показателей упругих свойств стенок артерий сохраняется до 6 лет, кожных покровов - до 10 лет и скелетных мышц - до 18 лет. Сразу после оперативного удлинения конечности показатели биомеханических свойств кожных покровов и мышц становятся больше исходных величин, а сила мышц снижается. В отдаленные сроки после лечения биомеханические показатели мягких тканей приближаются к уровню показателей, характерных для здоровых сверстников. Тем не менее сократительная способность мышц восстанавливается сравнительно медленно и лишь в отдаленные сроки после окончания лечения. Темпы такого восстановления зависят от величины удлинения конечности и выше у более молодых пациентов.
Бесплатно
Динамика нижней конечности человека в положении лежа на спине
Статья научная
Разработана математическая модель движения нижней конечности в сагиттальной плоскости в положении лежа на спине. Получена замкнутая система уравнений, позволяющая определить реакции в суставах и усилия главных мышц бедра, голени и стопы при заданном движении бедра и стопы и давлении пятки на опорную поверхность. Рассмотрен пример применения математической модели для решения прямой задачи динамики конечности. Определены реакция в тазобедренном суставе, суммарные моменты мышечных усилий тазобедренного и коленного суставов и значения усилий мышц бедра m. iliopsoas и m. gluteus maximus.
Бесплатно
Статья научная
Тяжелоатлетические упражнения являются сложнокоординационными скоростно-силовыми движениями, в которых одновременно сочетается максимальная работа мышц в разных режимах сокращения, а результат лимитируется функциональными особенностями нервно-мышечного аппарата. Согласно современным представлениям, показатели биомеханики двигательного акта и электромиографические характеристики ведущих мышц при его выполнении отражают различные стороны одного и того же процесса сокращения и могут быть использованы в качестве критерия оценки мышечных усилий и функционального состояния нервно-мышечного аппарата. Цель исследования - выявить особенности динамики параметров электрической активности мышц и силовых характеристик в разные фазы выполнения тяжелоатлетического рывка. В исследовании приняли участие 35 тяжелоатлетов мужчин, квалификации «мастер спорта» (МС). Работа проводилась на системе BTS Motion System (BTS Bioengineering, Италия). Для анализа техники тяжелоатлетического рывка была разработана программа для ЭВМ (свидетельство RU 2020660142, 28.08.2020). Исследование заключалось в регистрации и последующем анализе биомеханических (динамических, кинематических) и электромиографических показателей при выполнении спортсменами тяжелоатлетического рывка с интенсивностью 80% от максимального веса непосредственно во время тренировочного занятия. В работе выявлены особенности динамики параметров электрической активности мышц и силовых характеристик, которые значительно изменяются в разные фазы выполнения тяжелоатлетического рывка. Фазы тяги характеризуются нарастанием мышечного напряжения, работой мышц в концентрическом динамическом режиме. Фазы подрыва характеризуются максимальной силой напряжения мышц и скоростью ее динамики как по биомеханическим характеристикам, так и по электрическим процессам в мышцах: отмечается максимальное напряжение и высокая частота импульсации (ДЕ) мышц-разгибателей. Фазы подседа характеризуются снижением мышечного напряжения и скорости его изменения, работой мышц в смешанном режиме, в том числе эксцентрическом и статическом режимах. Период вставания характеризуется высокими, но не максимальными показателями силы и напряжения мышц. Выявлено, что эксцентрический режим сокращения мышц по ЭМГ-показателям проявляется в снижении как амплитудных, так и частотных характеристик. Выполненное исследование позволило представить данные, характеризующие биомеханику двигательного акта и физиологические особенности работы ведущих мышц высококвалифицированных тяжелоатлетов при выполнении соревновательного упражнения «рывок». Определены силовые и электромиографические параметры при различных режимах работы мышц в разные фазы тяжелоатлетического рывка.
Бесплатно
Статья научная
Целью настоящей работы явилось исследование первичной и вторичной стабильности дентальных имплантатов, установленных с помощью пред- и послеоперационной лазеротерапии аппаратом B-CureLaserDentalPro методом частотно-резонансного анализа. Фотобиостимулирующие эффекты низкоинтенсивного лазерного излучения аппаратом B-CureLaserDentalPro продемонстрированы на примере гармонизации формирования костно- имплантационного комплекса. В слепом рандомизированном сравнительном плацебоконтролируемом проспективном исследовании определено, что профессиональное и индивидуальное использование диодного лазера 5-го поколения с длиной волны 808 нм, мощностью 250 мВт, частотой импульсов 14 кГц, расфокусированным лучом 4,5 1,0 см, плотностью потока энергии 14,4 Дж/мин на пике (3,2 Дж/см2 в мин) на этапах предоперационной подготовки и послеоперационного сопровождения дентальной имплантации обеспечивает полноценную остеоинтеграцию имплантатов по показателям вторичной стабильности, ISQ2, определяемым частотно-резонансным методом (OsstellISQ), своевременное функциональное нагружение имплантата постоянной ортопедической конструкцией с долгосрочным благоприятным прогнозом лечения. По результатам исследования внутригрупповые, а также индивидуальные показатели вторичной стабильности имплантатов при включении в комплекс дентальной имплантации лазеротерапии в профилактическом и лечебно- реабилитационном режимах соответствовали критерию «превосходные» и превышали показатели первичной стабильности в среднем на 14,6%. В группе сравнения полноценная остеоинтеграция отмечена у 96,5% пациентов и с достоверно (p < 0,001) меньшим (на 5,9%) приростом значения ISQ; неуспех лечения фиксировали в 3,5% наблюдений (дезинтеграция и утрата имплантата).
Бесплатно
Динамика спортивных снарядов и спортсменов в сопротивляющейся среде
Статья научная
Работа посвящена оптимизации различных спортивных движений в сопротивляющейся среде. На спортивные снаряды и на спортсменов при их движении действуют аэродинамические силы: лобовое сопротивление и подъёмная сила. В настольном теннисе, как показали расчёты, наиболее опасной является подача с сильным верхним вращением шарика (накат). Приведены дифференциальные уравнения движения центра масс мяча, которые справедливы и для других видов спорта. Так, в футболе из решения краевой задачи следует, что при подаче углового боковое вращение мяча позволяет поразить ворота соперника. В прыжках с трамплина большое влияние на полёт оказывает угол наклона лыж к скорости движения центра масс системы лыжник-лыжи. Найден угол, при котором дальность прыжка максимальна. В слаломе оптимизированы основные параметры слаломной траектории с учётом лобового сопротивления и трения скольжения. Предполагается дальнейшее исследование динамики спортсменов и спортивных снарядов, в частности, математическое моделирование игры в гольф, где мяч пролетает большие расстояния.
Бесплатно
Динамико-кинематический анализ в судебно-медицинской экспертизе
Статья научная
Реконструкция обстоятельств происшествия для судебно- следственных органов является одним из важнейших этапов в расследовании уголовных дел, особенно преступлений против жизни и здоровья граждан. Задача восстановления полной картины происшествия по конечному результату является обратной и однозначного решения не имеет, то есть различные варианты действий участников могут привести к одному и тому же результату. Использование при проведении судебно-медицинской экспертизы традиционных методов не всегда позволяет дать категоричные выводы на поставленные следствием вопросы. При нанесении телесных повреждений механическим путем возникает необходимость в биомеханическом исследовании картины происшествия. Выделяются три типа биомеханических задач. Первый - сопоставление обнаруженных механических повреждений с имеющимися описаниями пространственного расположения тел в момент происшествия. Второй - исследование движения твердых тел в результате механического взаимодействия между собой. Третий - анализ разрушения твердых или мягких тканей человека на основе решения задач механики деформируемого твердого тела (для костей) и теории вязкоупругоcти (для мягких тканей) с применением соответствующих критериев разрушения. Результатом биомеханического исследования является вывод о том, соответствуют ли данные, отраженные в материалах следствия, имеющимся объективным последствиям преступления. В работе обсуждаются вопросы применения биомеханического анализа для восстановления картины происшествия. Приведены экспериментальные данные по движению ствола ружья в результате отдачи при выстреле. Разработана методика расчета движения тела человека при огнестрельном ранении.
Бесплатно
Динамическая модель верхних конечностей и ее применение: систематический обзор
Статья научная
Динамические модели широко используются при анализе кинематики движения человека. Такое моделирование может быть полезно при оценке сил и крутящих моментов, создаваемых в конечности человека при движении. Целью данного исследования является обзор современных методов разработки динамических моделей верхней конечности. В работе рассмотрены методы Кейна, Лагранжа, а также оптимизации и регрессии. Подход Кейна чаще всего используется для анализа 3 D -сегментов рук из-за его преимуществ, которые заключаются в векторным подходе. Подход Лагранжа используется при известной потенциальной и кинетической энергии системы. Показано, что большинство исследователей использовали статистический анализ для проверки своей модели и расчетов. Оценка некоторых методов была осложнена тем, что исходная модель не является общедоступной. Таким образом, в данной работе рассмотрены модели, которые послужат ориентиром для исследователей в решении актуальных вопросов из этой области.
Бесплатно
Динамический анализ удара при игре в гольф: анализ изгибающего момента при ударе
Статья научная
Целью данной работы является разработка и аппробация конечно- элементной модели для анализа динамики удара при игре в гольф. Модель представляет собой три маятника, под которыми понимаются предплечье, рука и клюшка. Также вводятся в рассмотрение три угла, отражающие движения каждого маятника относительно шарниров. Трехмерный анализ позволяет определить эти углы. После аппробации метода конечных элементов был проведен анализ изгибающих моментов, возникающих в деформированной части клюшки, который позволил понять природу задержки при замахе и изучить динамическое поведение клюшки. Конечная цель работы: с помощью числовых результатов обеспечить приспособление клюшки с точки зрения дизайна и параметров материала.
Бесплатно
Дистрибутивный контроль в стабилизации модели инфекционных заболеваний
Статья научная
В статье рассмотрена модель инфекционных заболеваний, построенная Г.И. Марчуком в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений. В эту модель добавлен дистрибутивный контроль по обратной связи с целью достижения устойчивости в окрестностях стационарного решения. Такой контроль может срабатывать и в некоторых случаях, когда не представляется возможным задействовать другие известные методы. Используя идею сведения интегродифференциальных систем к системам обыкновенных дифференциальных уравнений, авторы изучили экспоненциальную устойчивость интересующего нас стационарного решения этой системы.
Бесплатно
Статья научная
Выполнено математическое моделирование диагностической процедуры дифференциальной тонометрии, основанной на нагружении глаза тонометром Шиотца с использованием двух или более весов плунжера - одного из двух конструктивных элементов этого тонометра. Используется разработанная ранее авторами модель глазного яблока, основанная на представлении роговицы безмоментной двумерной упругой поверхностью, а склеральной области - нульмерным упругим элементом, отвечающим изменением давления на изменение объема содержащейся в нем жидкости. В отличие от предшествующих работ, в которых выполнялось теоретическое исследование дифференциальной тонометрии на основе физически линейной модели роговицы, учитывается нелинейность ее упругого поведения на основе эффективного подхода, позволившего описывать эту нелинейность посредством единственного параметра. Показано, что зависимость тонометрического давления от веса плунжера остается практически линейной, что дает возможность вводить коэффициент эластоподъема γ как наклон соответствующей прямой. Этот коэффициент растет с увеличением как склеральной, так и роговичной жесткостей и падает с ростом истинного давления. Учет нелинейности приводит к увеличению расчетных значений γ при достаточно больших как истинных давлениях, так и жесткостях обоих компонентов глазного яблока, а также к расширению области давлений, для которых эти значения велики. Показано, что можно выделить две группы глаз, в одной из которых, характеризуемой большими значениями коэффициента эластоподъема, оба компонента корнеосклеральной оболочки очень жесткие, а в другой, где эти значения существенно ниже, жесткость тканей глаза можно считать нормальной. При этом остается промежуточная область значений γ, для которой столь определенные выводы только по результату дифференциальной тонометрии сделать нельзя. Однако возможность выделения группы «очень жестких» глаз, для которых особенно велика вероятность глаукомы, делает эту процедуру полезной при диагностике этого заболевания.
Бесплатно
Диффузионная модель разрушения элементов опорно-двигательного аппарата человека
Статья научная
Предложена диффузионная модель разрушения элементов опорно-двигательного аппарата человека. К описанию механизмов разрушения биологических тканей человека применены методы теории вероятностей и математической статистики. Распространение микротрещины предполагается марковским процессом. При помощи диффузионного уравнения Фоккера‒Планка‒Колмогорова получена функция плотности вероятности распределения координат конца микротрещины в твердых тканях опорно-двигательного аппарата человека. На ее основе определены важные в практике статистические характеристики: вероятность достижения границы сустава, среднее время первого достижения границы, математическое ожидание и дисперсия для значения координат конца микротрещины и времени их достижения. Рассмотрены одно-, дву- и трехмерные случаи. Проведены численные оценки и их сопоставление с реальными объектами.
Бесплатно
Диффузионный анализ стабилометрических измерений и особенности работы вестибулярного аппарата
Статья научная
Рассматривается метод диффузионного анализа результатов стабилометрии. Известно, что диффузионные функции стабилограмм для фронтального и сагиттального направлений различны и их графики в логарифмических осях имеют характерный излом. Предполагается, что этот излом связан с изменением свойств персистентности для различных интервалов времени движения при наличии обратной связи в системе поддержания человеком вертикальной позы. В статье рассмотрен вопрос о возможной связи описанных особенностей диффузионного анализа стабилограмм с наличием зоны нечувствительности сигнала вестибулярного аппарата. Рассмотрены модели управляемой стабилизации вертикальной позы для фронтального и сагиттального направлений. Эти модели используют модифицированные уравнения движения перевернутого маятника, стабилизируемого ПИД-регулятором по позиционным измерениям. Управление дополнено обратной связью по информации, поступающей от модели отолитового органа, имеющего зону нечувствительности. Предполагается, что сигнал вертикального канала отолитов и полукружных каналов являются подпороговыми и системой управления не воспринимаются. Приведены результаты диффузионного анализа для ансамбля реализаций численной модели удержания человеком вертикальной позы. Параметры системы управления скорректированы по итогам сопоставления результатов моделирования с натурными данными. Численное моделирование показало, что влияние отолитового органа при спокойном стоянии здорового человека в позе "ноги на ширине плеч" во фронтальной плоскости минимально или отсутствует, в сагиттальной же плоскости существуют значения коэффициента усиления сигнала отолита, при которых становится заметно влияние этой составляющей управления. Представленное моделирование позволяет наметить основные направления для анализа связи показателей диффузионного анализа стабилограмм с особенностями функционирования как вестибулярного аппарата, так и других сенсорных модальностей.
Бесплатно
Жидкокристаллические бионесущие системы как умные системы
Статья научная
Проводится анализ основных понятий, используемых при исследовании «умных» материалов и конструкций. Дается обзор состояния научных исследований в этой области. Описываются жидкие кристаллы, применяемые в структурах живых систем, а также их функции в связи со свойствами многих биологических систем и материалов. Кроме того, обсуждаются некоторые аспекты систем из жидких кристаллов в связи с концепцией синовиальных суставов как «умных» систем.
Бесплатно
Зависимость вязкости водного раствора гиалуроновой кислоты от внешних полей. Часть II
Статья научная
В данной работе обсуждается зависимость вязкости водных растворов биополимера - гиалуроновой кислоты от внешних полей, таких как температура, скорость сдвига и напряжения. Наиболее полезным способом характеризации таких сложных жидкостей является проведение реологических измерений. Измерение вязкостей n, n', n'' было произведено в растворах гиалуроновой кислоты с высоким молекулярным весом, которые были получены в биологических системах.
Бесплатно
Зависимость вязкости водного раствора гиалуроновой кислоты от ее микроструктуры. Часть I
Статья научная
Изучена связь между измеренной вязкостью водного раствора соли натрия гиалуроновой кислоты и молекулярными моделями структурированных жидкостей. Было найдено, что вязкость модели синовиальной жидкости зависит от ее микроструктуры. Вязкость гиалуроновой кислоты зависит в основном от концентрации кислоты в воде, ее молекулярного веса и структуры макромолекул.
Бесплатно
Зависимость деформации роговицы от параметров системы при быстром нестационарном нагружении
Статья научная
Выполнено математическое моделирование деформирования глазного яблока под нестационарным воздействием внешнего давления, приложенного в ограниченной области роговицы, в широком диапазоне характеризующих систему параметров. Давление сначала возрастает, а затем убывает таким образом, что кривая «давление – время» оказывается симметричной. Характерное время всего процесса имеет порядок нескольких десятков миллисекунд. Такая зависимость соответствует воздействию на глаз, реализуемому в анализаторе реакции глаза (ORA). Используется ранее разработанный авторами подход, основанный на представлении роговицы мягкой двумерной поверхностью, а склеральной области нульмерным элементом. Деформация роговицы описывается линейными вязко-упругими соотношениями фойгтовского типа, а склеральный элемент считается линейно упругим. Дважды (при нагружении и разгрузке) центральная область роговицы принимает форму, близкую к плоской. Исследуется зависимость величин, характеризующих расположение моментов уплощения на кривой «давление – время», от истинного внутриглазного давления, механических свойств глазных тканей, и максимального нагружающего давления. Показано, что среднее давление уплощения (полусумма давлений уплощения при нагружении и разгрузке) может быть использовано для оценки истинного внутриглазного давления, однако учет индивидуальных механических (упругих и вязкоупругих) свойств глазных тканей может вносить определенные поправки. Величина корнеального гистерезиса (разность давлений уплощения) заметно зависит от истинного внутриглазного давления и в общем случае не может рассматриваться как характеристика, непосредственно отражающая степень вязкоупругости роговицы. Предложена методика эффективной оценки параметра, характеризующего ее вязкоупругость, по данным, определяемым в эксперименте.
Бесплатно
Зависимость первичной стабильности дентального имплантата от направления окклюзионной нагрузки
Статья научная
Практика дентальных имплантологов свидетельствует о том, что косая нагрузка на имплантат опаснее вертикальной. Особое значение исследование системы «имплантат - челюсть» под действием косой нагрузки имеет при изучении первичной стабильности дентальных имплантатов, когда остеоинтеграция еще не произошла и на интерфейсе «кость - имплантат» нет сцепления. Повреждающее воздействие чрезмерных нагрузок при этом связано с опасностью возникновения под их влиянием избыточных микродвижений (взаимных смещений ответных точек) на интерфейсе «кость - имплантат», что ведет к нарушению процесса остеоинтеграции. На простейшей модели дентального имплантата с резьбой квадратного профиля рассмотрено влияние угла наклона нагрузки на первичную стабильность имплантата в челюсти. Расчеты проводились методом конечных элементов в пакете ANSYS . Приведены графики изменения микроподвижности вдоль интерфейса «кость - имплантат», даны таблицы величин и локализаций максимумов микродвижений и графики их зависимости от угла нагружения. Показано, что для неинтегрированных имплантатов переход от вертикального нагружения к горизонтальному приводит к резкому падению их стабильности, что при достаточно высоких окклюзионных нагрузках может способствовать нарушению остеоинтеграции.
Бесплатно
Задача быстродействия при моделировании саккадического движения глаза
Статья научная
В данной статье обсуждается вопрос изучения быстрых целенаправленных движений глаз человека. Такие движения моделируются различными способами. Один из них - решение оптимальных задач. В предлагаемой работе рассматривается быстрое одиночное согласованное баллистическое движение глаз - саккада. Результатом решения задачи быстродействия является уравнение движения глаза на саккаде. Система уравнений, описывающая движение глазного яблока и прилагаемого к нему со стороны глазодвигательной системы управляющего момента, основана на маятниковой модели. Особенность данной системы: все вводимые величины имеют физический смысл и выбраны на основе результатов опубликованных исследований. Ее основное отличие от имеющихся работ заключается в учете ограниченности скорости изменения управляющего момента, развиваемого парой глазодвигательных мышц. В этом случае разомкнутая система имеет два действительных корня и один нулевой. В статье проанализирован случай соотношения - частный случай соотношения действительных корней 1:3. В результате моделирования получены траектории, по своим характеристикам приближенные к наблюдаемым в экспериментальных исследованиях саккадам. На основе построенной модели проведено сравнение параметров синтезированных саккад с параметрами, полученными на экспериментальной выборке. Полученные модели могут использоваться как для задач физиологии и медицины, так и при построении сред виртуальной реальности. Например, при разработке пространственных интерфейсов использование математической модели позволяет оптимизировать расположение элементов путем применения теории игр.
Бесплатно
