Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
Задача коррекции прикуса в зубочелюстной системе человека
Статья научная
При коррекции прикуса, связанной с потерей зубов, повышенной стираемостью зубов, травмами и переломами челюстей, стоматолог опирается на свой опыт или использует методики, в основе которых заложены геометрические расчеты. Прикус определяет нагружение всей нижней челюсти и височно-нижнечелюстных суставов, поэтому необходимо биомеханическое сопровождение такой коррекции. Поставлена задача управления коррекцией прикуса, в которой при определяемых параметрах прикуса напряжения в дисках суставов и теле нижней челюсти не должны превышать заданных пределов для интенсивности напряжений. Напряжения и деформации в теле нижней челюсти и дисках определяются из решения двух задач теории упругости: для области нижней челюсти и области диска при центральной окклюзии при максимальном нагружении мышц. Точка приложения реакции сустава и положение диска в суставе определяются в нем по результатам магнитно-резонансной томографии. Для определения напряженно-деформированного состояния челюстей и диска височно-нижнечелюстного сустава необходимо знать усилия в мышцах и реакцию височно-нижнечелюстного сустава, являющихся граничными условиями для поставленных задач. Величины усилий мышц заведомо неизвестны. Усилия мышц определяются из решения задачи оптимизации, в которую входят уравнения статики нижней челюсти под действием заданной жевательной нагрузки и критерий оптимизации. После вычисления усилий мышц и реакций в височно-нижнечелюстных суставах решается первоначальная задача определения напряженно-деформированного состояния нижней челюсти и диска. Из сравнения полученных напряжений с допустимыми вычисляются необходимые параметры, определяющие положение прикуса.
Бесплатно
Задача управления движением "гимнаста" в свободном полете и при переходе в режим контакта с опорой
Статья научная
В работе с теоретико-механических позиций обсуждаются некоторые аспекты соскока «спортсмена-гимнаста» (или «робота-гимнаста») с «перекладины». Рассматриваются все фазы соскока в плоском случае. Тело «гимнаста» моделируется трехзвенным физическим маятником, однако после отрыва его от «перекладины» и опускания «рук» моделью динамической системы становится уже двухзвенный маятник. Для двухзвенной модели в рамках режима «кинематического» управления изучается процесс опускания «рук», свободный полет, выход «ногами» на опору (абсолютно неупругий удар) и дальнейшее управление в опорной фазе с целью вертикальной стабилизации всей маятниковой системы. Режим «кинематического» управления означает возможность мгновенного изменения (в некоторых пределах) угла между звеньями тела. Для каждой из фаз движения найдены удобные формы описывающих ее динамических уравнений. Эти уравнения опираются на использование в качестве одной из переменных кинетического момента системы относительно различных точек тела или пространства. Порядок такой системы уравнений ниже, чем порядок полной системы. Стадия успокоения «гимнаста», возникающая после выхода ног на поверхность опоры, изучается также на основе специальной системы уравнений подобного типа. Показано, как с помощью численного анализа можно строить область управляемости для перехода двухзвенника в состояние стабилизации, отвечающее равенству горизонтальных координат опоры ног и центра тяжести двухзвенной маятниковой системы. Рассматривается методика построения стабилизирующего управления. Результаты представленного анализа задачи позволяют построить удобную приближенную модель явления в целом, а также использовать ее при управлении роботизированным аналогом. В качестве примера рассмотрен один из случаев движения, отвечающий антропоморфной модели.
Бесплатно
Задачи биомеханики, связанные с коррекцией технологии хирургических операций на кровеносных сосудах
Статья
Бесплатно
Задачи управления напряжениями в актуальных проблемах биомеханики
Статья научная
В данной работе авторы делятся опытом формализации актуальных проблем биомеханики, связанных с управлением напряжениями и, в отдельных случаях, деформациями. Действительно, решение очень широкого круга проблем стоматологии, ортопедии, восстановительной медицины и других областей медицинский знаний оказались хорошо интерпретируемыми, как решение задач, в которых необходимо теми или иными путями создание желаемых напряжений. Авторы приводят несколько наиболее представительных примеров формулировки таких проблем. Также авторами предлагается теория управления напряжениями. В результате анализа были выделены особенности формулировок проблем биомеханики, связанные с созданием заданного распределения напряжений. В конце работы авторы описывают принцип работы предложенной теории для сформулированных задач, а также иных, которые, возможно, знакомы читателю.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время установление взаимосвязи между процессами регуляции просвета периферических сосудов, динамикой кровотока в них и изменением температуры кожи с целью разработки методов визуализации гемодинамических нарушений является актуальной задачей биомедицинской инженерии и медицинской диагностики. В данной работе устанавливаются экспериментальные частотные зависимости скорости распространения и затухания периодического теплового возмущения в свиной коже как модели кожи человека. Продемонстрирована применимость решения уравнения теплопроводности в случае периодического нагрева для описания распространения теплового возмущения (тепловых волн) в модели кожи человека. В предположении пропорциональности изменения объемного кровотока и температуры в глубине кожи это позволит восстановить сигнал колебаний кровотока на основе данных о динамике температуры поверхности кожи. Последнее экспериментально обосновывает возможность тепловизионной визуализации процессов регуляции сосудистого просвета периферических сосудов при диагностике и терапии сосудистых осложнений.
Бесплатно
Законы ветвления кровеносных сосудов
Статья научная
В настоящей работе представлены результаты исследований закономерностей ветвления кровеносных сосудов с позиций новой концепции биомеханики кровообращения. В гидродинамических исследованиях системы кровообращения использованы физические законы сохранения с применением локального динамического подхода для узлов винтовых бифуркаций кровеносных сосудов. Разработка теории сосудистых бифуркаций потребовала учета принципа равномерности и минимальности силовой нагрузки на кровеносные сосуды, используемого живой природой при построении и формировании транспортной системы. Установлены неизвестные ранее законы ветвления крупных и мелких кровеносных сосудов. Закон ветвления магистрального сосудистого русла демонстрирует структурно-функциональные связи в узлах бифуркаций крупных кровеносных сосудов, лежащие в основе деления или слияния закрученных потоков крови в артериях и венах. Закон ветвления микрососудистого русла демонстрирует структурно-функциональные связи в узлах бифуркаций микрососудов, лежащие в основе деления или слияния пуазейлевского течения крови в артериолах, капиллярах и венулах. Показано отличие гемодинамических процессов в узлах бифуркаций крупных и мелких кровеносных сосудов. Экспериментальные факты хорошо согласуются с теоретическими исследованиями. Установленные законы ветвления кровеносных сосудов представляют ценность для научной и практической медицины.
Бесплатно
Идентификация параметров и управление в математических моделях иммунного ответа
Статья научная
Цель работы заключается в численном решении задачи дискретного управления иммунным ответом в условиях с неполной информацией. Задача дискретного управления иммунным ответом описана нелинейной системой обыкновенных дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом. Условия с неполной информацией означают, что значения параметров неизвестны, а их оценка корректируется по мере поступления новых экспериментальных данных. Для решения этой задачи предложен алгоритм, позволяющий в рамках математической модели иммунного ответа одновременно строить управление и идентифицировать параметры. Алгоритм строится на основе метода Монте-Карло. Рассматривается управление при острой форме инфекционного заболевания. Идентификация параметров модели проводится по значениям переменных инфекционного процесса. С помощью предложенного алгоритма проведена идентификация параметров базовой математической модели инфекционного заболевания, а также построена программа лечения, основанная на реализации иммунотерапии, которая заключается во введении готовых иммуноглобулинов или донорских антител. Управление выбирается из множества кусочно-постоянных на рассматриваемом отрезке функций. Представленные результаты основаны на имитации экспериментальных значений. В качестве цели управления выбрано обеспечение в некотором смысле «идеального» иммунного ответа, отвечающего высокой стимуляции иммунной системы при отсутствии запаздывания в реакции на заражение. Для этого необходимо динамику антигенов вывести на желаемый режим. Проведено сравнение управления в условиях с неполной информацией с управляющей функцией, построенной с заданным набором значений параметров. Показано, что управление в условиях с неполной информацией лишь незначительно отличается от «идеального» управления. Рассмотренный подход может быть использован для построения различных биомеханических моделей.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы является построение расчетной методики идентификации параметров модели механического поведения роговицы с использованием трех клинических биомаркеров в качестве входных данных: амплитуда деформаций роговицы в реальном времени, измеренная в ходе бесконтактной пневмотонометрии, внутриглазное давление и геометрические особенности роговицы пациента, полученные при его томографическом обследовании. Разработанный инструмент прогнозирования свойств роговицы в области кератоконуса и за ее пределами опирается на набор данных, сформированный по результатам конечно-элементного моделирования бесконтактного тонометрического теста, и процедуру многопараметрической оптимизации (минимизации) отклонения расчетных результатов от измеренных данных о амплитуде деформации роговицы, полученных на пневмотонометре Corvis ST. Моделирование основано на результатах обследования 78 пациентов реальной клинической базы данных с учетом специфических для каждого пациента геометрии роговицы, размеров и положения зоны кератоконуса, внутриглазного давления и деформационных параметров материала при пневмотесте.
Бесплатно
Идентификация параметров определяющих соотношений, описывающих механическое поведение мягких тканей
Статья научная
Одной из главных проблем, возникающих при формулировании определяющих соотношений для мягких биологических тканей, является идентификация параметров, входящих в модель. Определяющие соотношения мягких тканей должны учитывать отклик биологического материала, который обуславливается анизотропией, нелинейностью материала, слабой сжимаемостью, большими деформациями и перемещениями. В данной работе представлена методика для идентификации параметров определяющих соотношений, которая заключается в сравнении результатов, полученных по модели, с экспериментальными данными для данной ткани. Названный подход учитывает историю нагружения, которая получена из механических испытаний, а затем по объединенной стохастической/детерминистической схеме находятся параметры модели, при которых отклонение теоретической и экспериментальной кривых минимально. Представлены аналитические модели для описания поведения тканей пищевода и периодонта. Показано, что данный подход позволяет адекватно описать различное механическое поведение биологических мягких тканей, отличающихся по структуре и выполняемым функциям. Проведено сравнение экспериментальных данных и результатов, полученных по моделям.
Бесплатно
Идентификация характеристик предварительно напряженного кожного покрова
Статья научная
Представлена модель кожного покрова в виде неоднородного по толщине вязкоупругого слоя, в свою очередь состоящего из трех слоев (подкожный жир, дерма и эпидермис). Считалось, что в слое имеется неоднородное одноосное предварительное напряжение, возникшее как результат релаксации после проведения операции по лифтингу (подтяжке) кожи. Постановка задачи записана на основе общей постановки задачи об установившихся колебаниях неоднородного тела с учетом предварительного напряженно-деформированного состояния. Пронцип соотвествия в постановке задачи позволил заменить упругие модели на комплексные аналоги, соответствующие модели стандартного вязкоупругого тела. Обратная задача заключалась в определении механических характеристик (комплексных аналогов параметров Ламе) и предварительного напряжения с использованием информации об акустическом отклике для периодического зондирующего неинвазивного воздействия на поверхности слоя. Исходная задача с применением преобразования Фурье по продольной координате сведена к решению ряда более простых задач в трансформантах. На основе комбинирования различных режимов нагружения построена двухэтапная схема идентификации механических свойств и предварительного напряжения. На первом этапе для идентификации с помощью итерационного подхода и метода регуляризации Тихонова последовательно определяются комплексные аналоги параметров Ламе. На втором этапе, используя функции, найденные на первом этапе, с применением построенного проекционного метода определили предварительные напряжения. Применение разработанного подхода к рассматриваемой задаче о коже проиллюстрировано вычислительными экспериментами, показавшими эффективность созданных методик в диапазонах, соответствующих реальным значениям искомых параметров. Дополнительно даны рекомендации по выбору частотных диапазонов для идентификации на каждом из этапов.
Бесплатно
Избранные параметры отработанных поверхностей головок эндопротезов Веллера
Статья научная
В данной статье представлен анализ параметров шероховатости, а также фрактальной размерности поверхности головок эндопротеза Веллера тазобедренного сустава человека. Исследованный материал разделен на группы: группа 0 (3 новых головки), группа I (5 отработанных головок от 2 до 3 лет), группа II отработанных головок oт 6 до 8 лет), группа III (15 отработанных головок oт 10 до 14 лет) и группа IV (10 отработанных головок oт 16 до 20 лет). Средний возраст больных составил oт 65 до 85 лет, a период эксплуатации эндопротезов Веллера - oт 2 до 20 лет. Эндопротезы были установлены пациентам в возрасте от 61 до 68 лет. Максимальные значения для параметров шереховатости характерны для поверхностей неиспользованных головок Веллера и убывают с увеличением времени эксплуатации эндопротеза. Минимальные значения параметров имеют место для головок с наибольшим сроком эксплуатации. Установлена ощутимая негативная статистическая зависимость между приводимыми параметрами и временем эксплуатации эндопротеза (p>0,001).
Бесплатно
Статья научная
Алкогольная полинейропатия может привести к таким тяжелым осложнениям, как одно- и двухсторонние деформации стоп. При этом стопы приобретают характерную эквиноварусную деформацию, которая тяжелейшим образом изменяет биомеханику походки больных, иногда делая ее просто невозможной. В статье описаны результаты лечения 16 пациентов с алкогольной полинейропатией и деформацией стоп. В эту группу больных также входили пациенты с тяжелой формой заболевания, когда поражались обе нижние конечности. Показаны результаты оперативного лечения с точки зрения изменения параметров биомеханики походки. Выявлено, что комплексное хирургическое лечение в комбинации с аппаратами внешней фиксации способно вернуть таких пациентов к повседневной жизни и ходьбе без дополнительной опоры.
Бесплатно
Изменение дыхательного импеданса в условиях водной иммерсии
Статья научная
Экспериментально исследовали влияние водной иммерсии на дыхательный импеданс и структуру общей емкости легких у здоровых людей в условиях водной иммерсии. У 13 здоровых испытуемых-добровольцев до и после погружения в ванну измерили механический импеданс дыхательного тракта и легочные объемы. Установили, что действительная часть импеданса системы дыхания увеличивается при водной иммерсии, в то время как легочные объемы уменьшаются. Теоретический анализ влияния объема легких на осцилляторное сопротивление дыхательного тракта показал, что рост осцилляторного сопротивления при водной иммерсии в основном вызван уменьшением размеров дыхательных путей, связанным с уменьшением размера легких.
Бесплатно
Изменение кинематики гребка при утомлении скелетных мышц
Статья научная
Цель исследования заключалась в изучении изменений кинематических параметров гребка при плавании кролем на груди, вызванных утомлением скелетных мышц, осуществляющих гребковое движение руки. В эксперименте принимали участие спортсмены 12-13 лет, имеющие квалификацию первого спортивного разряда и кандидата в мастера спорта. На четырех отрезках стометровой соревновательной дистанции регистрировались длительность и средняя скорость движения, количество гребков, шаг пловца и длительность одного гребка. По данным надводной и подводной видеосъемок проводился биомеханический анализ гребковых движений по фазам и циклам, включающий определение продолжительности фаз и формы фазовой траектории в суставах. Определены модельные параметры суставных углов и изменения кинематических характеристик гребка вследствие утомления.
Бесплатно
Измерение поворота предплечья с помощью вращающегося дискового устройства
Статья научная
В работе представлена новая система для анализа движения объекта с помощью фотосъемки, запатентованной в США А. Рахикайненом [6, 7]. Принцип действия метода заключается в фотографировании движущегося объекта посредством вращающегося диска с одним прозрачным и несколькими затемненными фильтрующими окошками, служащими в качестве оптических затворов. Необходимо провести серию снимков за равные промежутки времени. Далее, по полученным фотографиям (которые представляют собой набор изображений объекта с траекториями световых маркеров, прикрепленных к некоторым точкам тела, видимыми как прерывистые световые линии) можно замерить траектории движения точек при движении. Данный метод был использован для анализа поворота предплечья вверх и вниз. Данная работа продолжает предыдущие исследования по изучению движения руки [8]. В статье представлена теоретическая модель поворота руки под действием постоянной максимальной силы, результаты которой сравнивались с экспериментами по повороту предплечья вверх и вниз. Кривая по теоретической модели хорошо совпала с экспериментальной. В заключение отметим, что модель Хилла [1] может применяться для моделирования действия постоянной мощности.
Бесплатно
Измерение с помощью стереофотограмметрии и анализ перемещений в височно-нижнечелюстном суставе
Статья научная
Статья представляет трехмерный метод описания и анализа кинематики височно-нижнечелюстного сустава. Описывается разработанное и примененное оборудование. Представлен экспериментальный протокол, который затем подтвержден путем исследования неточностей измерений. Возможности оборудования лабораторий и, следовательно, применяемых методов позволяют двойное считывание результатов. Анализ движений раскрытия и смыкания челюстей показывает, что перемещения нижней челюсти относительно височной зоны происходят одновременно путем вращения и поступательного движения.
Бесплатно
Изучение поверхности циркониевого зубного имплантата в наномасштабе атомно-силовым микроскопом
Статья научная
Исследовано влияние различных обработок поверхности циркониевых имплантатов на прочность сцепления в соединении «индивидуальный фрезерованный трансдентальный имплантат - цемент - твердые ткани зуба». В качестве аналогов таких имплантатов использовались штифты из диоксида циркония, индивидуально изготовленные под препарированные ранее удаленные зубы, в сочетании с наиболее эффективными цементами Fuji -1 и Multilink-N . Для оценки качества формируемой «чистоты» поверхности эксперименты проводились в два этапа. На первом этапе образцы обрабатывались пескоструйной машиной под давлением 2 атмосферы порошком оксида алюминия с размером зерен 50, 100 и 250 мкм; при этом обработка проводилась однократно в одном направлении, продольно оси имплантата. На втором этапе те же образцы обрабатывались повторно в прежнем режиме, но в двух направлениях. Обработанные образцы изучались в зондовой нанолаборатории (Троицк, Россия) с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Параметры шероховатости измерялись в нанометрах на каждом образце по трем изображениям сканирующего зондового микроскопа (СЗМ). Анализ СЗМ-изображений обнаружил, что шероховатость образцов выше при обработке зернами бóльшего размера. Результаты проведенного исследования показали, что однократной пескоструйной обработки диоксида циркония вполне достаточно для улучшения адгезивных свойств имплантатов как к фиксирующим цементам, так и к костной ткани пациента.
Бесплатно
Изучение прочностных свойств донорской лучевой кости расчетно-экспериментальным методом
Статья научная
Целью исследования является изучение влияния различных вариантов формы выреза лучевой кости на ее прочностные свойства. Актуальность данного исследования определяется тем, что частота патологических переломов лучевой кости после забора трансплантата достигает 67 %. Нами применен комплексный подход к изучению прочностных свойств донорской лучевой кости, включающий экспериментальные и теоретические методы. Определены относительные деформации натуральных костей с вырезом и без них в условиях растягивающих и изгибающих нагрузок. Проанализированы формы начального прогиба в двух плоскостях на экспериментальных костях. На основании экспериментальных данных проведены математические расчеты с использованием технической теории изгиба балок и метода поперечных сечений для изучения влияния глубины, формы выреза и начального прогиба лучевой кости на ее прочностные свойства при растяжении и изгибе. Для прямоугольного и треугольного вырезов с одинаковой глубиной дефекта снижение прочности при растяжении составило соответственно 62 и 57 % от предельной разрушающей нагрузки целой кости. Установлено, что с увеличением начального прогиба возрастают поперечные разрушающие нагрузки на кость при ее растяжении. Изгибные напряжения при растяжении кости в среднем ее сечении могут превышать растягивающие в 9 раз. Изучение продольных изгибающих моментов выявило, что без учета концентрации напряжений при пределе прочности 120 МПа в условиях физиологических нагрузок кость с прямоугольным вырезом оказалась слабее кости с треугольным вырезом в 1,43 раза, а с учетом концентрации напряжения - в 1,58-1,86 раза. Расчеты, выполненные по предлагаемой методике и подтвержденные экспериментами, показали, что при одинаковом пределе прочности 120 МПа прямоугольный вырез слабее треугольного в 1,4 раза, а с учетом концентрации напряжений - в 1,5-1,8 раза. Полученные закономерности позволят хирургу уменьшить донорский изъян лучевой кости за счет рационального выполнения ее остеотомии.
Бесплатно
Статья научная
Исследование клинических параметров различных систем организма при раке желудка является актуальным, так как рак желудка - одно из самых серьезных онкологических заболеваний современного мира. Цель работы - изучить реологические свойства крови при раке желудка, а также электрофизические свойства крови и обмена железа у больных раком желудка. Методы исследования были современными и оригинальными. В исследование были включены пациенты с раком желудка и здоровые добровольцы, составивишие контррольную группу. Средний возраст в исследуемых группах был сопоставим. У всех обследованных получено информационное согласие. У пациентов с раком желудка до операции содержание железа и гемоглобина было снижено, трансферрин и ферритин оставались в пределах нормы. На 7-й день после операции ферритин увеличился в 2 раза, гемоглобин был близок к контрольным значениям. Трансферрин и железо оставались сниженными на 7-й послеоперационный день. Индекс агрегации эритроцитов у пациентов с раком желудка до операции был повышен в полтора раза по сравнению с контрольными данными. На 7-й день после операции индекс агрегации эритроцитов улучшился и был увеличен всего на 30 % по сравнению с контрольными данными. Индекс электрофизических свойств при раке желудка до операции был изменен по сравнению с контрольными значениями, на 7-й день после операции он также изменился. Такой подход, наряду с тщательным изучением рутинных анализов при раке желудка, очень важен. Оказалось, что семидневный послеоперационный интервал недостаточен для нормализации исследуемых параметров. Анализ таких данных позволит персонализировать терапию пациентов с раком желудка, что очень важно для каждого пациента и здоровья общества в целом.
Бесплатно
Импульсная смазка в тазобедренном суставе для гипоупругой модели хряща
Статья научная
Гипоупругая модель поверхности хряща в тазобедренном суставе человека используется в данной работе для внезапных изменений параметров смазки после травмы. Известно, что в течение нескольких микросекунд после травмы распределенное давление и нагрузка, а также сила трения и коэффициент трения существенно уменьшают или увеличивают свои значения. Эти изменения очень трудно измерить, поэтому так важно соответствующее численное исследование в этой области. Для получения численных результатов в данной работе предлагается исследование поведения зазора сустава для гипоупругого хряща.
Бесплатно
