Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Кинематические и динамические параметры финальной стадии метания копья
Статья научная
Метание копья характеризуется созданием значительного динамического усилия в плечевом поясе в процессе движения. Возникновение чрезмерных усилий в суставах звеньев тела, осуществляющих выполнение данного спортивного упражнения, зачастую является травмирующим. Актуальным направлением тренировочной и соревновательной деятельности является согласование и рационализация движений в соответствии с принципом бионической адекватности системы (в данном случае «метатель-копье»), что обеспечивает максимальную эффективность выполняемого упражнения при отсутствии травмирующего действия нагрузок и перемещений. Биомеханический анализ финальной стадии метания копья выполнен на основании 659 видеозаписей соревновательных попыток. Представлены результаты измерения угловых перемещений звеньев тела относительно друг друга и общего центра масс тела в различных узловых элементах движения. В работе применялся метод позных ориентиров движений, позволивший выделить пусковые и конечные движения, а также ряд мультипликационных положений. Прогнозирование изменений положения звеньев тела с учётом моментов и радиусов инерции звеньев относительно общего центра масс тела метателя дает возможность принять профилактические меры для предотвращения отклонений от заданной оптимальной траектории движений частей тела. Определение диапазонов угловых положений в суставах звеньев тела способствует также достижению высоких спортивных результатов.
Бесплатно
Статья научная
На основе продолжительных исследований создан биогидродинамический метод, который используется для анализа технической подготовленности элитных пловцов женского и мужского пола. Этот метод позволил количественно определить реальные внутрицикловые значения тотальной и эффективной продвигающих сил, генерируемых движителями пловца. Внутрицикловые изменения мгновенной поступательной скорости, равной скорости центра масс тела человека, взаимосвязаны с определенными фазами цикла движений и объясняются разницей мгновенных значений эффективной продвигающей силы (Fp(e.)(t)) и силы лобового гидродинамического сопротивления (Fr(f.d.)(t)). У элитных пловцов зарегистрированы высокие значения коэффициента пропульсивной эффективности (ep = 0,626-0,837).
Бесплатно
Статья научная
Целью данного исследования является выявление степени искривления поясничного отдела позвоночника у беременных женщин в разные триместры беременности. Помимо этого выявляются уровни болей в пояснице на различных стадиях беременности и проявления дисбаланса по некоторым кинематическим переменным в цикле ходьбы. Для достижения цели исследования был применен описательный подход к 24 здоровым пациенткам. Исследователи использовали две линейки для измерения степени искривления поясничного отдела позвоночника и анкетирование для количественной оценки уровня боли в пояснице и нарушения дисбаланса. Использовались две камеры для съемки пациентов во время ходьбы по беговой дорожке: одну камеру поставили сбоку (60 кадров в секунду), а другую - спереди (50 кадров в секунду). Кроме того, результаты исследования показали, что степень искривления поясничного отдела позвоночника, боли в пояснице и дисбаланс увеличиваются при переходе к следующему триместру беременности. Результаты также продемонстрировали уменьшение длины и скорости шага при ходьбе, увеличение времени двойного и индивидуального армирования.
Бесплатно
Кинематический и силовой анализ соревновательных упражнений при беге с препятствиями
Статья научная
Оптимизация тренировочных нагрузок во многом определяется биомеханическими возможностями спортсмена, включая энергоэффективность организма, скорость и точность воспроизведения планируемых действий и т.д. В работе проведен кинематический и силовой анализ соревновательного упражнения «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» с оценкой усилия в ахилловом сухожилии на различных участках дистанции. Полученные данные позволяют определить параметры адресной тренировочной нагрузки, прогнозировать состояние связок и мышц спортсмена при выполнении сложно-координационных действий и обеспечить профилактику травматизма.
Бесплатно
Кинетика биодеструкции лекарственных средств - производных фенола, изохинолина и карбоновых кислот
Статья научная
Процессы биодеструкции при утилизации лекарственных средств − производных ароматических и гетероароматических соединений как исходных субстратов описываются кинетическими уравнениями первого порядка с переменной константой реакции, из которых с учетом предельно допустимых концентраций (ПДК) лекарственных веществ и продуктов их разложения получено выражение для времени окончания процесса. Кинетическое моделирование, параллельное во времени проводимым экспериментам, позволяет оптимизировать планирование исследований по биодеструкции новых объектов, сократить эксперимент путем замены части опытов теоретическим прогнозом и определить время окончания процесса утилизации. Предложен критерий и показана сходимость кинетических кривых с увеличением количества обработанных проб культуральной жидкости.
Бесплатно
Кинетическая модель процесса иммобилизации бактериальных клеток на твердом носителе
Статья научная
Разработана кинетическая модель процесса иммобилизации бактерий рода Rhodococcus на твердом носителе, представляющем собой гидрофобизованные хвойные опилки. Полученные в рамках модели теоретические результаты согласуются с экспериментальными данными по адсорбционной иммобилизации клеток родококков в различных гидродинамических условиях, т.е. при заданных значениях круговой частоты движения платформы орбитального шейкера. На основании разработанной модели рассчитаны основные кинетические параметры процесса иммобилизации бактериальных клеток и определено оптимальное значение круговой частоты.
Бесплатно
Кинетическая схема процесса биодеструкции парацетамола с истекшим сроком годности
Статья научная
Разработана кинетическая схема процесса биодеструкции парацетамола с истекшим сроком годности на основе использования клеток родококков. Даны кинетические уравнения и значения констант скорости реакции биокаталитического окисления парацетамола. Достигнуто совпадение результатов, полученных по теоретическим кинетическим уравнениям, с экспериментальными данными, добытыми при проведении процесса биодеструкции парацетамола в различных условиях.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено обобщение классической SIR -модели распространения инфекций. Обобщение моделей проведено по двум направлениям: 1) с учетом тестирования (мониторинг), которое проводится на практике во всех странах, за счет расширения SIR -модели путем включения модели наблюдения; 2) с учетом отсутствия достоверной информации о состоянии контингента людей (распространение заболеваний моделируется случайными процессами (рандомизация), статистика которых определяется алгоритмами оценивания Калмана-Бьюси). Полученная модель математически является более корректной, устойчивой, что позволяет получать более достоверные оценки процессов инфицирования. Модель оценивания, полученная за счет расширения, описывается уравнениями, соответствующими методу регуляризации при решении некорректных задач. Полученная система уравнений одновременно с оценкой состояния позволяет находить погрешность оценивания. Для оценивания процесса инфицирования, когда количество выздоровевших, умерших в целом мало по сравнению с числом подверженных инфицированию и инфицированных, используется обобщающая модель Лотки-Вольтерра естественного течения эпидемического процесса. На основе полученной модели рассмотрено решение эталонных задач. Получено решение для оптимальной оценки и её погрешности на начальной стадии инфицирования, когда можно считать, что наблюдаемое число инфицированных линейно растёт в зависимости от времени, а погрешность оценивания в начальный момент времени велика относительно числа действительно инфицированных. Получение достоверных наблюдений является основой для принятия эффективных решений по борьбе с эпидемией. Разработанная модель отражает существующую на практике неопределенность в оценивании уровня эпидемического состояния контингента. Рассмотрена эталонная задача, когда оценка числа инфицированных является функцией, которая изменяется в зависимости от времени, хотя в действительности число инфицированных во времени остается постоянным (стационарное состояние). Таким образом, в рамках модели описывается эффект псевдоэпидемии, который может существовать в контингенте с постоянным суммарным числом всех групп.
Бесплатно
Кинетические уравнения перестройки трабекулярной костной ткани в пространстве Ильюшина
Статья научная
В конце XIX века Wolff отметил, что кость здорового человека или животного адаптируется к тем нагрузкам, которым подвергается. Известно, что в трабекулярной костной ткани механизм адаптации реализуется посредством выстраивания трабекул (костных балок) вдоль линий действия главных напряжений. При достижении трабекулярной тканью оптимальной структуры для определенной нагрузки в локальной области кость переходит в состояние равновесия (гомеостаза). В своих работах Cowin предложил описывать положение трабекул в каждый момент времени главными направлениями тензора структуры, отыскиваемыми из решения системы предложенных им кинетических уравнений для каждой компоненты тензора структуры. К сожалению, в настоящее время невозможно экспериментально проследить эволюцию тензора структуры in vivo , т.е. получить возможность оценить значения констант кинетических уравнений. В работе предлагается кинетическое уравнение, построенное в девиаторном пространстве Ильюшина, напрямую отражающее закон Wolff . Уравнение имеет одну материальную константу. Кинетическое уравнение согласовано с определяющим соотношением Cowin , что позволило определить не только векторные, но и скалярные свойства тензора структуры. Проведенная верификация предложенных уравнений на примере перестройки структуры для задачи всестороннего сжатия показала хорошую точность выполнения закона Wolff .
Бесплатно
Класс кинетически моделируемых биомеханических случайных процессов
Статья научная
Биомеханические процессы, связанные с биологическими системами и человеческим организмом, в силу множества факторов, определяющих их развитие со временем, являются, по сути, случайными. Просматривается класс кинетически моделируемых биомеханических случайных процессов. Особенностью класса является определенная монотонность при возрастании или убывании определяющего процесс параметра и наличие современных методов его регистрации, что позволяет произвести кинетическое моделирование реализаций случайного процесса. В результате нестационарный случайный процесс сводится к неслучайной функции системы двух случайных величин вместо системы бесконечного числа случайных величин в известном методе канонического разложения В.С. Пугачева. Для процессов, моделируемых кинетическими уравнениями первого порядка с линейно изменяющейся «константой» реакции, получены аналитические зависимости математического ожидания и дисперсии от времени. При выборе скорости биодеструкции в качестве определяющего параметра для нового восприятия процесса также оказалось возможным определение числовых характеристик в виде аналитических зависимостей от времени. Для углубленного вероятностного анализа таких нестационарных случайных процессов в работе предлагается ввести гипотезу о нормальном законе распределения определяющего процесс параметра для каждого фиксированного момента времени, для чего необходимо воспринимать текущее время в качестве параметра. Конечно, желательно подкрепить эту гипотезу хотя бы информацией об одинаковых пределах уменьшения–увеличения активности актинобактерий на момент начала процесса биодеструкции лекарственного средства. Предложенный подход позволяет значительно упростить и сделать прозрачным статистический анализ таких процессов in vitro, а также получить новый метод биомеханического сопровождения конкретных реализаций in vivo.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются современные подходы к реабилитации пациентов с конечностно-поясной мышечной дистрофией I типа. Авторы подробно исследовали клиническую картину конечностно-поясной мышечной дистрофии, патогенез данного заболевания и основные принципы лечения. На примере конкретной больной авторы статьи детально рассмотрели клиническую картину заболевания, а также биомеханические и энергетические параметры ходьбы у конкретной больной с диагнозом конечностно-поясной мышечной дистрофией. Авторы показали, что у данной больной отмечается выраженное нарушение функции передвижения, которое проявляется в резком снижении скорости ходьбы, в грубой трансформации временной структуры ходьбы, в уменьшении амплитуды движений в одних суставах и увеличении амплитуды в других суставах, в смещении всех экстремальных значений вправо по временной оси, в резком ослаблении опорной и толчковой функций нижних конечностей, в изменении формы вертикальной составляющей Rz опорной реакции с двухвершинной на треугольную, в выраженном уменьшении моментов мышечных сил в суставах нижних конечностей. Авторы также указывают, что таким больным необходимо проводить регулярные курсы реабилитации с целью улучшения функции передвижения, а также систематически отслеживать изменения биомеханической и иннервационной структуры ходьбы. Исследования структуры ходьбы у больной с конечностно-поясной мышечной дистрофией авторы показали необходимость ортезирования и функциональной электрической стимуляции мышц при ходьбе. На основании проведения пробных сеансов функциональной электрической стимуляции у данной больной авторы впервые определили основные коррекционные воздействия, необходимые таким больным, а также особенности амплитудной и, особенно, временной функциональной электрической стимуляции мышц. Сама пациентка отмечает большую устойчивость при ходьбе, возможность пройти большее расстояние без утомления. Полученные результаты дают основание для дальнейшего планирования курса реабилитации у таких больных.
Бесплатно
Статья научная
На основании клинико-биомеханических исследований впервые в России выяснено влияние тренировки в экзоскелете на биомеханическую и иннервационную структуру ходьбы больных с ишемическим инсультом. Выявлено, что у больных с ишемическим инсультом наиболее выраженные локомоторные нарушения отмечаются при сочетании рекурвации (переразгибания) в коленном суставе с эквинусной деформацией стопы и голеностопного сустава, характеризующейся стойким подошвенным сгибанием или эквиноварусной деформацией стопы и голеностопного сустава (выворот внутрь и подошвенное сгибание стопы). Рассмотрена биомеханическая и иннервационная структура ходьбы у 5 больных с последствиями ишемического инсульта через 3-4 месяца после начала заболевания. Были выявлены основные нарушения биомеханической структуры ходьбы у больных с ишемическим инсультом, а именно снижение скорости, темпа и длины двойного шага, выраженная асимметрия временных, кинематических и динамических параметров, выпадение отдельных фаз двигательного цикла, изменение рисунка движений, уменьшение опорной и толчковой функций нижних конечностей, существенная трансформация электромиографического профиля мышц. В статье разработана методика применения экзоскелета у данного контингента больных, которая включает в себя определение продолжительности сеанса тренировки, длительности курса, пройденное расстояние за сеанс. Было выявлено, что после десятидневного курса тренировки в экзоскелете у больных наблюдаются следующие изменения: увеличение скорости передвижения, темпа и длины двойного шага, полное устранение временной асимметрии, повышение опорной и толчковой функций нижних конечностей, возрастание амплитуды угловых перемещений в суставах нижних конечностей, незначительное улучшение электромиографического профиля мышц.
Бесплатно
Статья научная
На основании исследований биомеханической и иннервационной структуры ходьбы больной с рассеянным склерозом дано обоснование применения экзоскелета ExoAtlet . Ранее было выявлено, что у больных с рассеянным склерозом имеются общие черты, которые свойственны всем больным с заболеваниями опорно-двигательной системы, в частности снижение скорости движения, уменьшение устойчивости, ослабление опорной и толчковой функций нижних конечностей, резкое снижение электрической активности мышц в течение локомоторного цикла. На примере конкретной больной с рассеянным склерозом выявлены специфические особенности ходьбы, характерные только для данного заболевания. К таким особенностям ходьбы относятся циклический характер опорной реакции и электромиографического профиля мышц, шаткость походки, треугольная или трапециевидная форма вертикальной составляющей Rz опорной реакции, эквинус стопы и голеностопного сустава нередко в сочетании с рекурвацией в коленном суставе, резкое уменьшение основного сгибания в коленном суставе на одной или обеих ногах, снижение электрической активности мышц и ее пролонгирование на бóльшую часть опорной фазы. С целью изучения энергетических параметров ходьбы и выявления резонансных свойств нижних конечностей при данном заболевании было проведено исследование электромиографического профиля двух симметричных мышц нижних конечностей (обеих прямых мышц бедра и обеих двуглавых мышц бедра) при ходьбе в разном темпе у данной больной. Методика тренировки ходьбы в экзоскелете для больной с рассеянным склерозом опиралась на оценке следующих параметров: общее время тренировки, чистое время ходьбы (т.е. ходьбы без остановок), расстояние, пройденное за сеанс, скорость, темп, длину шага при ходьбе в экзоскелете, общее количество шагов за сеанс. После курса тренировки ходьбы в экзоскелете в сочетании с традиционным лечением препаратами, изменяющими течение рассеянного склероза, у больной отмечается существенное улучшение биомеханической и иннервационной структуры ходьбы, которое проявляется в повышении скорости передвижения, в возрастании амплитуды угловых перемещений в суставах нижних конечностей, в исчезновении явлений цикличности электромиографического профиля мышц, в изменении формы вертикальной составляющей Rz с треугольной или трапециевидной на отчетливую двугорбую наряду с повышением экстремальных значений Rz кривой, в увеличении максимумов электрической активности всех мышц и их концентрации в адекватную фазу локомоторного цикла, в возрастании средней электрической активности мышц (мощности мышц) при повышении скорости передвижения, в появлении двух ветвей параболы с наличием четкого минимума в кривой суммарного интеграла электрической активности за 10 м пути.
Бесплатно
Статья научная
Лимфобластный лейкоз является одним из тяжелых заболеваний кроветворной системы, которое предусматривает продолжительное лечение, но несмотря на это часто влечет за собой инвалидизацию и смертность. В связи с этим интересны все до сих пор не исследуемые взаимосвязи между элементами крови и их двигательной способностью, которую можно описать реологическими свойствами крови. Для лучшего понимания взаимосвязи морфометрических признаков с реологическими свойствами крови нами был составлен алгоритм исследования, целью которого стало изучение реологических показателей системы крови с использованием клинических тестов и in silico расчетов на фоне клинической картины количества и размеров форменных элементов, лимфоцитарной формулы больных с лимфобластным лейкозом. В группе больных при лейкобластной лейкемии число нейтрофилов было снижено на 38 % по сравнению с контролем. Другие типы не менялись достоверно. Наблюдалась тромбоцитопения, снижение концентрации гемоглобина и показателя гематокрита, однако число эритроцитов соответствовало значениям в контроле. Динамика размеров эритроцитов является показателем лабильности системы крови. В условиях развития лейкемических процессов доля молодых эритроидных форм ничтожно мала. Развитие лимфобластного лейкоза сопровождалось тромбоцитопенией, снижением концентрации гемоглобина и показателя гематокрита, однако число эритроцитов соответствовало значениям в контроле. В исследованиях выявлены изменения геометрических характеристик эритроцитов у больных лейкозом. Увеличение габаритных размеров (диаметра и высоты) эритроцитов у больных при лейкобластной лейкомии по сравнению с контролем колебалось на 15-20 %. Реологические параметры были изменены достоверно. По нашим данным, нарушение текучести крови происходит из-за изменения агрегации эритроцитов, деформируемости эритроцитной мембраны, вязкости плазмы при неизмененном количестве эритроцитов, т.е. при нормальном гематокрите. Эти данные особенно интересны с точки зрения реологии и клиники лейкозов.
Бесплатно
Клинические маркеры функционального состояния резистивных артерий у молодых мужчин
Статья научная
Исследования резистивных сосудов, оценка их функционального состояния является одним из ключевых вопросов кровообращения с точки зрения физики, ангиологии, реологии, биомеханики крови и смежных с ними наук. В статье рассмотрены некоторые физические величины, которые описывают функциональное состояние резистивных артерий. Такие физические составляющие, как толщина интиммедиального слоя, коэффициенты резистентности резистивных артерий и модуль Юнга, по результатам данного исследования оказались интересными как патофизиологические маркеры, способные отражать изменение сосудистой стенки на очень ранних этапах, когда других предвестников болезни еще не существует. Очень важно продолжать исследования в этом направлении с целью углубления, транспортировки и обобщения полученных данных на масштабные когортные исследования.
Бесплатно
Количественная оценка проявлений двигательной патологии в постуральных ортостатических стереотипах
Статья научная
С целью количественной оценки проявлений двигательной патологии в стереотипах постуральной ортостатической активности использована компьютерная оптическая топография. Пространственные характеристики туловища и позвоночника в ортостатической позе исследовались по 7-14 топографическим снимкам при пролонгированном стоянии до 3,5 минут. Мониторинг постуральной активности осуществлялся в естественной позе и в условиях моделируемой разновысокости ног с интервалом от 10 до 20 с. Обследованы ортопедически здоровые люди (55) в возрасте от 6 до 30 лет и 36 пациентов с детским церебральным параличом того же возраста до и после функциональной нагрузки в виде тридцатиминутной безостановочной ходьбы в произвольном темпе. Установлено, что диагностический критерий «нормированных отклонений», основанный на оценке изменчивости постуральных биомеханических профилей туловища в популяции, адекватно не отражает признаки двигательной патологии в ортостатической активности. Для оценки патологических проявлений в постуральной деятельности необходимо определение индивидуальной вариабельности изучаемого показателя в структуре конкретного двигательного стереотипа. Разработанный показатель стабильности постурального параметра в биомеханической системе туловища находится в прямой зависимости от абсолютных значений его вариативности и отражает степень приближения характеристик опорно-двигательной системы к полезному приспособительному результату. В структуре функциональной организации постуральных ортостатических стереотипов вариабельность биомеханических характеристик вертикально и горизонтально ориентированных кинематических элементов туловища находится в степенной зависимости от их математически ожидаемых значений. Нормативные значения показателя стабильности для индекса нарушения формы туловища во фронтальной плоскости более -2,0 отн. ед., а значения вариативности менее 0,4σ. В условиях двигательной патологии сила степенной зависимости уменьшается, что характеризует проявления двигательных расстройств, связанных с нарушением функций экстрапирамидной системы, тогда значения показателя стабильности менее -2,0 отн. ед., а значения вариативности - более 0,4σ.
Бесплатно
Компартментальная модель поглощения воды корнями растения с учётом процессов на клеточном уровне
Статья научная
Функционирование корня растения описывается на основе методов механики сплошных сред. Исходная модель рассматривает ткань корня как пористую сплошную среду, в которой жидкость состоит из двух фаз, отождествляемых с внутриклеточной и внеклеточной жидкостями, фильтрующимися через твердый каркас. Растворенный в жидкости химический компонент создает осмотическую силу, связанную с перемещением жидкости через клеточные мембраны. Модель учитывает как активный межфазный перенос растворенного вещества, так и его пассивное перемещение (конвективное и диффузионное). Важной отличительной особенностью модели является детальный учет движения жидкости во внутриклеточной фазе, включая перемещение во внутриклеточном пространстве и перетекание через клеточные мембраны под воздействием перепадов гидростатического и осмотического давлений. Принятые граничные условия учитывают наличие поясков Каспари, являющихся барьером для перемещения внеклеточной фазы через внеклеточное пространство. Решение задачи об осесимметричном течении жидкости из внешней среды во внутреннюю емкость, отождествляемую с сосудами ксилемы, осуществлено посредством осреднения, приводящего к компартментальной модели, в которой коэффициенты определяются из средних характеристик на клеточном уровне. Расчеты выполнялись для случая срезанного корня. Рассмотренная модель позволяет проанализировать участие различных механизмов в формировании корневого давления и получить количественное совпадение с экспериментально наблюдаемыми фактами.
Бесплатно
Статья научная
На основе информации о структуре решения и асимптотических оценок в задаче о стационарном потоке через корень получена система приближенных алгебраических соотношений, аналогичная имеющимся компартментальным моделям. Предлагаемый метод имеет по сравнению с последними существенное преимущество, позволяя учитывать особенности анатомического строения корня и неоднородность распределения величин по его сечению. Это дает возможность сформулировать простые конечные зависимости, совпадающие с достаточной точностью с численным решением, получаемым в рамках континуальной модели. Применение предлагаемого подхода для решения конкретных задач оказывается более простым по сравнению как с численным решением, основывающимся на континуальной модели, так и с решением, получаемым асимптотическими методами.
Бесплатно
Статья научная
В спорте высоких достижений высокие результаты являются продуктом, как правило, целого комплекса достижений. Инновации в материалах, методиках подготовки и технике позволяют выигрывать и ставить рекорды. Одним из способов улучшения результатов в циклических видах спорта, например в лыжных гонках, является использование сведений о биомеханике движений спортсменов-гонщиков. Анализ параметров движения спортсмена позволяет охарактеризовать эффективность этих движений, а также разработать тактику проведения им гонки. В настоящей работе приводится методика получения данных, разработан алгоритм их оцифровки, а также предложена математическая модель, описывающая набор данных движений лыжников-гонщиков. В ходе анализа данных математического моделирования было выявлено существенное влияние как класса лыжников, так и их пола на параметры математической модели. Результаты работы могут быть полезны для более глубокого понимания фундаментальных основ биомеханики движений спортсменов лыжников-гонщиков, а также для построения более оптимальных техник тренировок и прохождения дистанции.
Бесплатно
Композиционный способ определения управления глазодвигательными мышцами при саккаде
Статья научная
В работе на основе анализа экспериментальных данных по саккадическим движениям глаз установлено, что закон поворота глаза при саккаде хорошо аппроксимируется функцией Больцмана. Такое приближение позволяет вычислять аналитически угловые скорость и ускорение глаза при саккаде. Рассмотрена вязкоупругая модель мышечного сокращения. Сделаны дополняющие предположения о композиционном построении управления мышцы и о том, что динамическая часть управления отлична от нуля только для той мышцы, которая создает момент, совпадающий по знаку с угловым ускорением глаза. Эти предположения позволяют покомпонентно определить законы управления, реализующие саккадические движения глаза. Приведен соответствующий численный пример.
Бесплатно
