Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Исследование сжимаемости брюшного содержимого
Статья научная
Создание биомеханической модели брюшной полости, позволяющей прогнозировать величину внутрибрюшного давления при различных физиологических и патологических состояниях, является актуальной задачей. Разработка такой модели тесно связана с природой внутрибрюшного давления. В научной литературе можно встретить работы, в которых утверждается, что брюшную полость можно представить как контейнер, наполненный несжимаемой жидкостью. Однако степень сжимаемости брюшного содержимого до сих пор не изучена. Представленная работа посвящена экспериментальному исследованию, в котором сделана попытка определения величины сжатия объема полости живота при сокращении мышц переднебоковой брюшной стенки (брюшного пресса). В качестве исходных данных использовались компьютерные томограммы брюшной полости испытуемого в расслабленном состоянии и при сокращении брюшного пресса. В дальнейшем эти томографические изображения анализировались с помощью приложения, созданного в программной среде пакета Matlab. Обработка экспериментальных данных выявила уменьшение объема брюшного пространства испытуемого всего на 2 %. Полученный результат позволяет сделать вывод о том, что содержимое брюшной полости можно считать несжимаемым. Это доказывает справедливость ранее упомянутого утверждения о том, что в качестве модели брюшной полости человека можно рассматривать контейнер, наполненный несжимаемой жидкостью.
Бесплатно
Статья научная
Статья представляет методику и результаты расчетов пульсирующего течения кровеимитирующей жидкости в трех персонифицированных моделях проксимального анастомоза бедренной артерии после операции бедренно-подколенного шунтирования, проводимой с использованием синтетических протезов. Персонифицированные модели построены по данным компьютерной томографии и ультразвуковым измерениям расходной скорости кровотока в общей бедренной артерии и в шунте. Характеристики пульсирующего течения кровеимитирующей жидкости рассчитаны посредством численного решения трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса. Сравнение расчетного поля скорости, полученными для одной из персонифицированных моделей с данными клинических измерений методом ультразвуковой высокоскоростной векторной визуализации (с применением технологии V Flow , реализованной в сканере Mindray ) показало удовлетворительное согласование результатов. Дается сопоставительный анализ структуры течения в двух персонифицированных моделях, построенных для второго пациента через один и семь месяцев после операции. Установлено, что обнаруженное через семь месяцев сужение проходных сечений сосудистого русла, обусловленное нарастание неоинтимы в общей бедренной артерии (непосредственно перед анастомозом) и на начальном участке шунта, привело к значительному росту градиентов скорости в потоке и осредненных по циклу сдвиговых напряжений на стенке в области анастомоза; при этом величина индекса колебаний напряжения трения на стенке по всей области анастомоза уменьшилась. Обнаружено также, что на расстоянии нескольких калибров от анастомоза в шунте формируется одновихревое слабо-закрученное течение, направление закрутки в котором определяется индивидуальной геометрией области анастомоза.
Бесплатно
Исследование структуры ходьбы больных детским церебральным параличом
Статья научная
Аннотация. Рассмотрены биомеханическая и иннервационная структура ходьбы больных с диплегической формой детского церебрального паралича. Установлены основные биомеханические особенности ходьбы: сокращение длительности переносной фазы, сгибательная установка нижних конечностей, ограничение движений в суставах, редукция и деформация кривых составляющих опорной реакции. Выявлен высокий уровень электрической активности мышц, измененный ЭМГ-профиль с пролонгированием активности из зоны М (максимальной активности) в зону У (умеренной активности) или в зону Н (низкоамплитудной активности). Дана биомеханическая и нейрофизиологическая интерпретация полученных фактов, согласно которой изменение кинематики и динамики ходьбы отражает действие патологических факторов, способствующих формированию неправильной позы тела больного, тогда как трансформация электрической активности мышц имеет преимущественно приспособительный характер.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты применения полупроводникового лазерного автодина для оценки упругих свойств глазного яблока на модели и in vivo. Оценка проводилась в результате определения параметров движения участка сферического упругого тела под действием пневмоимпульса. Неизвестные параметры движения были определены из решения обратной задачи, которая заключается в нахождении минимума функционала, определяемого как сумма квадратов отклонений экспериментальных и теоретических величин автодинного сигнала на различных временных интервалах. Полученные результаты позволили установить, что отношение величины прогиба и ускорения участка тела слабо зависит от давления пневмоимпульсов и расстояния от их источника до поверхности объекта исследований. Использование этой закономерности позволяет исключить ошибки измерений, связанные с непостоянством пневмодавления и расстояния до глаза, и тем самым повысить точность измерений внутриглазного давления с помощью полупроводникового автодина. Упругие свойства объекта определялись в результате анализа восстановленной функции движения участка сферического упругого тела. Для восстановления функции движения был использован метод, в котором функция движения объекта восстанавливается с помощью прямого и обратного вейвлет-преобразования на основе функции Гаусса. Анализ позволил показать связь упругости тела с внутренним давлением, измеренным по методу Маклакова. Значение модуля упругости определяли в результате механических испытаний на одноколонной универсальной испытательной машине. Показана возможность применения полупроводникового лазерного автодина для измерения упругих свойств глаза под действием пневмоимпульса, проведено сопоставление полученных результатов с величиной внутриглазного давления.
Бесплатно
Исследование упругих свойств стопы человека
Статья научная
Объектом исследования послужили механические характеристики стоп 175 юношей и 315 девушек Волгоградского государственного медицинского университета в возрасте 17-21 года, не имеющих какой-либо патологии опорно-двигательного аппарата. Целью работы явилось получение данных об упругих характеристиках стопы в естественных условиях у лиц обоего пола юношеского возраста. Исследование морфофункционального состояния стопы осуществлялось при помощи компьютерного плантографического комплекса и включало также системный анализ и графоаналитическую расшифровку цифрового изображения стопы. В зависимости от задаваемой нагрузки на стопу, равной 50 и 80% массы тела, проводилось сканирование подошвенной поверхности стопы и одновременно измерялась высота её продольного свода. Вычисляли коэффициенты деформации, упругости и Пуассона, а также модуль Юнга. В ходе проведенного исследования было выявлено, что наибольший коэффициент деформации у лиц обоего пола отмечен вдоль вертикальной оси стопы, а наименьший - вдоль ее сагиттальной оси. Наибольший коэффициент Пуассона у лиц обоего пола был вдоль фронтальной оси стопы, при этом его значение у девушек было больше по сравнению с юношами. Модуль Юнга был выше у юношей. Полученные данные об упругости стопы человека позволяют охарактеризовать ее амортизирующую функцию в норме и степень ее потери при различных деформациях. Разработанный программно-компьютерный комплекс и программная реализация диагностики анатомо-функциональных параметров позволяют проводить оценку упругости стопы человека. Показатели стопы (модуль Юнга, коэффициенты Пуассона, упругости и деформации) характеризуют ее рессорную функцию и способность сопротивляться действию нагрузок. Таким образом, для юношеского возраста выявлена половая дифференциация упругих специфичных характеристик стопы. Разработанный метод целесообразно использовать для исследования упругих свойств стопы у лиц различных возрастных групп, спортивных специализаций, а также у больных с различными заболеваниями стоп.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты исследований биомеханики микроциркуляции крови и транскапиллярного обмена, достигнутые неинвазивным лазерным высокочувствительным методом. Получены новые экспериментальные факты о перемещениях стенок микрососудов и связи их с сократительной деятельностью гладкомышечных элементов. Выявлено, что интенсивность сокращений мышечных клеток регулируется скоростью кровотока за счет специфического электрического взаимодействия движущихся эритроцитов со стенками микрососудов. Обнаруженная связь частоты колебаний стенок артериол и венул со скоростью кровотока в них и существующие противоречия в традиционных представлениях о транскапиллярном обмене позволили сформулировать новую концепцию о его механизмах, основанных на принципах биоэлектричества.
Бесплатно
Исследование эффективности фазы действия толчковой ноги при толкании ядра
Статья научная
Целью данной работы является изучение механических аспектов толкания ядра в фазе действия толчковой ноги и оценка его эффективности. Исследования проводились на основе анализа двух выступлений Арси Харью (Arsi Harju) в Кирёскоски (Kyroskoski), результаты которых различались на 1,43м: 4 июля 1998г., 6 попыток, результат-20,90м; 22 июля 2000г., 6 попыток, результат-19,47м. На основе проведенных измерений [1-2] определены эффективность фазы действия толчковой ноги и определяющие её факторы. В работе сделан более точный анализ такого спортивного движения на основе полученного математическими методами уравнения траектории центра масс толкателя ядра. Вычисления, выполненные с помощью этого уравнения, показали увеличение как скорости движения центра масс, так и силы, действующей на него, в фазе отталкивания опорной ноги. Эффективность этой фазы оценивалась величинами скорости и силы. В основу исследований положены данные, опубликованные в отчетах [5, 7, 8].
Бесплатно
Итоги и перспективы использования методов биомеханики в детской стоматологии
Статья научная
Дается обзор работ в области биомеханического моделирования в стоматологии, проведенных сотрудниками кафедры детской стоматологии Пермской государственной медицинской академии и кафедры теоретической механики Пермского государственного технического университета. Жевательный аппарат человека рассматривается как многоблочная, полимодальная биомеханическая система. Особое внимание обращается на роль механического давления как важного фактора в процессе филогенеза и онтогенеза зубочелюстной системы. Анализируются биомеханические модели различных элементов системы в норме и при патологических процессах (лечение врожденной расщелины неба у детей, функции периодонта как двухфазной биомеханической системы, вопросы оптимального проектирования ортодонтического лечения зубочелюстных аномалий). В заключение обсуждаются перспективы исследования вопросов искусственного вскармливания детей, в частности, акта сосания как биомеханического процесса.
Бесплатно
К 75-летнему юбилею Л.Ю. Коссовича
Другой
Статья посвящена 75-летнему юбилею Леонида Юрьевича Коссовича - доктора физико-математических наук, профессора, лауреата государственной премии в области науки и техники, почетного работника высшего профессионального образования, заведующего кафедрой математической теории упругости и биомеханики Саратовского государственного университета, главного редактора журнала «Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия «Математика. Механика. Информатика», кавалера ордена дружбы, ордена Русской Православной Церкви святителя Макария Митрополита Московского III степени.
Бесплатно
К вопросу о деформации хрусталика глаза при аккомодации
Статья научная
Рассмотрена задача деформации капсулы хрусталика глаза при аккомодации с учетом влияния стекловидного тела. Получено изменение давления внутри капсулы хрусталика глаза при аккомодации.
Бесплатно
К вопросу о патомеханике внутрисуставных импрессионых переломов костей конечностей
Статья научная
Целью исследования было изучение прочностных свойств трабекулярной кости человека околосуставной локализации при одноосном сжатии. Исследовали образцы трупной кости мужского ( N = 24; 60,0%) и женского ( N = 16; 40,0%) полов, средний возраст - 39,5 ± 5,6 г. Аттестовали проксимальный отдел большеберцовой кости ( N = 40), дистального эпиметафиза лучевой кости ( N = 40) и пяточную кость ( N = 40). Применяли физический, морфометрический, морфологический методы, метод компьютерной томографии, метод сканирующей электронной микроскопии и метод статистического анализа. Образцы деформировались до максимального напряжения ~ 30%. Максимальное напряжение для пяточной кости в 2,06 раза превышало показатель для дистального эпиметафиза лучевой кости ( p = 0,012) и в 2,09 раза для проксимального отдела большеберцовой кости ( p = 0,025). Модуль Юнга пяточной кости в 2,2 раза превышал аналогичный показатель для дистального эпиметафиза лучевой кости ( p = 0,004) и в 2,7 раза для проксимального отдела большеберцовой кости ( p = 0,024). Для образцов дистального эпиметафиза лучевой кости значение физической плотности составило 0,936 ± 0,073; для проксимального отдела большеберцовой кости - 0,912 ± 0,097; для пяточной кости - 1,092 ± 0,092 г/мм3. Для образцов дистального эпиметафиза лучевой кости радиоденситометрическая плотность равна 204,9 ± 7,2 HU ( Hounsfield unit, единицы Хаунсфилда); для проксимального отдела большеберцовой кости - 256,0 ± 7,0; для пяточной кости - 318,0 ± 3,0 HU. Наблюдалось повышение механических свойств с увеличением физической ( r = 0,678 при p = 0,002) и радиоденситометрической ( r = 0,508 при p = 0,012) плотности. Импрессионная деформация, возникающая при внутрисуставных переломах, характеризует трабекулярную костную ткань как упруго-пластичный материал, разрушение которого не происходит даже после достижения деформации 30% и более от высоты изучаемого образца, при этом обратимая деформация находилась в пределах 3%. Модуль Юнга, максимальное напряжение, упругая деформация, радиоденситометрическая и физическая плотность трабекулярной костной ткани околосуставной локализации являются критериями биоэквивалентного выбора остеозамещающего материала для устранения структурного дефекта.
Бесплатно
Статья научная
Предложена градация нарушений пропульсивной активности сердца и сосудистого русла, основанных на количественном и качественном изменении параметров биомеханики кровообращения. В исследование включены данные анализа и интерпретации биомеханических параметров сердечно-сосудистой системы 130 человек, среди которых практически здоровые люди и лица с наиболее распространенными факторами риска развития атеросклероза. При помощи инструментальных методов исследования у обследуемых изучены показатели биомеханики сердца, магистральных артерий, малого и большого кругов кровообращения. В статье рассматривается проблематика градации степеней компенсации нарушений биомеханики кровообращения. Путем анализа и интерпретации результатов комплексного инструментального исследования биомеханических показателей сердечно-сосудистой системы у лиц с основными факторами риска атеросклероза автором введены понятия «компенсации», «субкомпенсации» и «декомпенсации» биомеханики кровообращения, определены их критерии. Подчеркнута необходимость выделения степеней нарушения компенсации биомеханики кровообращения и использования данной периодики последовательного ухудшения функционирования сердечно-сосудистой системы для прогнозирования дальнейшего развития заболевания, раннего отбора пациентов для углубленного изучения состояния их кардиоваскулярного аппарата и решения вопроса о возможной коррекции нарушений биомеханических свойств сердца и сосудов. Проведенный анализ биомеханических показателей всех отделов сердечно-сосудистой системы позволил определить градацию степеней компенсации биомеханики кровообращения. Подход к классификации количественных нарушений биомеханических параметров кровообращения, предлагаемый в данной статье, позволит облегчить процесс анализа результатов, получаемых в процессе математической обработки кривых апекскардиограмм, сфигмограмм и реограмм и интерпретации нарушений биомеханики сердечно-сосудистой системы.
Бесплатно
К вопросу об эквивалентной электрической схеме большого круга кровообращения
Статья научная
Рассмотрена уточненная электрическая эквивалентная схема кровеносной системы большого круга кровообращения. Показано, что по параметрам кровеносной системы можно вычислить величину систолического и диастолического давления. Установлено, что в предложенной модели среднее давление практически не отличается от среднего давления, рассчитываемого по общепринятой методике. Показано влияние каждого параметра кровеносной системы на изменение артериального давления. На основании полученного выражения для временной зависимости артериального давления на участке систолы при неизменной скорости кровотока рассчитана временная зависимость артериального давления при переменной скорости кровотока.
Бесплатно
К вопросу построения упакованной конфигурации оболочки баллона системы доставки коронарных стентов
Статья научная
Разработан новый численно-аналитический метод построения упакованной конфигурации инфляционного баллона, использующий спирали Архимеда в качестве функций, аппроксимирующих профиль поперечного сечения. Предложенный метод реализован в консольном приложении под Windows , что позволяет в кратчайшие сроки создавать модели баллонов разных типоразмеров и типов укладки. Показана работоспособность созданного алгоритма на примере решения двух тестовых задач. Получена хорошая корреляция результатов моделирования с экспериментальными данными. Построение упакованных конфигураций инфляционных баллонов проводилось на основе созданного программного модуля.
Бесплатно
К задаче определения взаимной ориентации блока акселерометров и тела системы видеоанализа
Статья научная
Обсуждается два алгоритма определения матрицы относительной ориентации инерциального блока и тела системы видеоанализа. Решение этой задачи необходимо для дальнейшей совместной обработки данных этих сенсоров в биомеханических исследованиях. В частности, оно требуется для определения ускорения движущегося объекта в условиях гравитации по показаниям трехкомпонентного акселерометра и системы видеоанализа. В этом случае для вычитания из показаний акселерометра составляющих, порожденных силой тяжести, можно использовать данные о местной вертикали хорошо откалиброванной системы видеоанализа. Оба алгоритма используют измерения, полученные для статических положений, отличающихся ориентацией приборных осей относительно гравитационной вертикали, и одновременно позволяют оценивать систематические ошибки акселерометров. Первый алгоритм предполагает ортогональность приборных осей инерциального блока и не учитывает погрешности в информации о масштабных коэффициентах акселерометров. Алгоритм использует соотношения, линеаризованные в окрестности априорных оценок искомых величин. Второй алгоритм не использует априорную информацию об осях приборного трехгранника. В этом случае проводится повторная калибровка блока акселерометров, и помимо нулей и масштабных коэффициентов определяются углы неортогональности инструментальных осей блока. Непосредственным результатом его работы является матрица, которая позволяет определять проекции кажущегося ускорения на координатные оси, связанные с телом системы видеоанализа. Алгоритмы опробованы на экспериментальных данных. Критерием сравнения являлась разность оценок, полученных по различным выборкам измерений. Обработка результатов пробного эксперимента показала, что для неточных микроэлектромеханических систем второй алгоритм дает более устойчивые результаты.
Бесплатно
К оценке деформативности решетчатой пластинки глаза
Статья научная
Рассмотрено несколько задач о деформировании круглой упругой пластинки переменной жесткости с различными граничными условиями, в том числе и при наличии упругого опирания, характеризующегося двумя коэффициентами упругости. На основе вариационного принципа Лагранжа для пластинки был сформулирован и решен численно с помощью метода Ритца ряд вспомогательных задач, не содержащих искомых коэффициентов; получено представление прогиба как дробно-рациональной функции от этих коэффициентов. На основе измерения прогиба в нескольких точках решена обратная задача их отыскания из системы нелинейных алгебраических уравнений. Также была поставлена и решена задача о восстановлении трех параметров: коэффициентов упругости заделки и распределенной нагрузки, связанной с внутриглазным давлением. Проведен ряд вычислительных экспериментов, показавших хорошую точность реконструкции параметров. Выяснено, как характер изменения жесткости пластинки влияет на точки ее перегиба. В рамках исследования также была рассмотрена задача об оценке влияния этих коэффициентов на реконструкцию давления; установлено, что неучет упругости заделки ведет к существенным ошибкам в определении амплитуды нагрузки.
Бесплатно
Статья научная
Методом оптической компьютерной топографии исследованы позные стереотипы адаптации туловища к разновысокости ног у 35 больных до и после оперативной коррекции односторонних укорочений. Установлено, что такой сложноорганизованный многопараметровый предмет изучения, как осанка тела имеет большое число степеней свободы, очень динамичен во времени и зависит от целого ряда внешних и внутренних обстоятельств. В частности, обнаружено, что адаптационные стратегии стереотипов осанки на уровне кинематических элементов туловища определяются не только величиной разновысокости ног, но и зависят от геометрических характеристик физиологической кривизны позвоночника, продолжительности стояния, давности заболевания, срока после лечения и т.д. Поскольку в условиях реального обследования не удается учесть и половины из установленного перечня обстоятельств, формирующих текущий стереотип осанки, процедуры постурального контроля остаются неэффективными, а методы постуральной диагностики не востребованными. Для формирования базовой системы критериев стереотипы осанки должны оцениваться с одновременным контролем вегетативных функций, с использованием принципов обратной связи и при увеличении продолжительности мониторирования.
Бесплатно
К фазовому анализу ходьбы и некоторых ритмических движений человека
Статья научная
В статье приведены материалы по исследованию ходьбы человека по горизонтальной поверхности и по лестнице вверх и вниз, а также при ритмических движениях на велоэргометре. Описана и проанализирована фазовая биомеханическая структура этих двигательных актов, установлена роль основных групп мышц разгибателей и сгибателей в осуществлении локомоторных и ритмических движений. Выявлены существенные различия в деятельности мышц- антагонистов при ходьбе (силовая функция мышц-разгибателей и корректирующая функция мышц-сгибателей).
Бесплатно
Кинезин: механика молекулярного мотора
Статья научная
Молекулярные наномоторы обеспечивают самые разные механизмы биологической подвижности. Одним из наиболее распространенных и перспективных для изучения является кинезин - белок, служащий, в частности, для внутриклеточной транспортировки «грузов» вдоль особых молекулярных нитей - микротрубочек, образованных белком тубулином. Взаимодействуя с тубулином, он принимает участие в делении клетки, разборке микротрубочек, движении жгутиков и ресничек. Кинезин по структуре моторного домена и биохимическому циклу во многом схож с другим моторным белком - миозином, играющим важнейшую роль в мышечном сокращении. Энергию для работы обоих моторов доставляет реакция гидролиза АТФ. С другой стороны, кинезин имеет также существенные отличия от миозина в общем строении и фазах биомеханического взаимодействия. В наши дни установлено, как именно кинезин связывается с тубулином, как обеспечивается его последовательное и длительное (процессивное) движение по микротрубочкам, какую силу и скорость он развивает на расстояниях, измеряемых тысячами его одиночных шагов. В то же время многие вопросы, относящиеся к механике кинезинового мотора, еще находятся в процессе обсуждения - детали передачи информации от одной глобулярной головы к другой, существование промежуточных состояний биомеханического цикла, природа обратных шагов кинезина. Для выяснения этих и других деталей и дальнейшего анализа проводят биомеханические исследования, строят математические модели, в которых применяют методы механики сплошной среды, теоретической механики, математической статистики. Настоящий обзор имеет целью собрать в одной статье актуальные сведения о кинезине и его взаимодействии с тубулином и представить их в контексте современной биомеханики.
Бесплатно
Статья научная
На основе рассматриваемых в теоретической механике моделей в статье делается попытка построить кинематическую модель плоского движения коленного сустава и, в частности, ответить на вопрос, сколько степеней свободы имеет коленный сустав человека. Принимается, что движение с интересующей нас кинематической точки зрения можно рассматривать как движение одного твердого тела, бедра, по поверхности другого твердого тела, большеберцовой кости. Передняя и задняя крестообразные связки из-за своей нерастяжимости накладывают дополнительные ограничения на движение.
Бесплатно
