Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 870
Статья научная
Переупаковка клеток играет ключевую роль в развитии эпителиальных тканей, их регенерации и адаптации к механическим воздействиям. В данной работе представлен комплексный анализ процессов переупаковки клеток в эпителиальных тканях, проведённый с использованием усовершенствованной математической модели эволюции эпителиальной ткани. Модель является дискретной, в основе которой используется вершинная модель. Также модель включает описание ключевых процессов, таких как деление клеток, интеркаляция, хемомеханическое взаимодействие и перераспределение химических сигналов, что позволяет учитывать влияние механических и химических факторов при морфогенезе эпителия. Основное внимание уделено процессам переупаковки клеток при одноосном растяжении ткани. Проведено методическое исследование поведения системы при различных значениях параметра интеркаляции клеток. Численное моделирование позволило выявить закономерности в изменении морфологии тканей при воздействии механических нагрузок. Основным результатам является то, что определён приемлемый параметр интеркаляции, при котором достигается оптимальная динамика клеток, обеспечивающая минимизацию локальных напряжений и восстановление нормальной структуры ткани. В этом случае процессы интеркаляции эффективны, что позволяет ткани равномерно перераспределять нагрузку. Результаты моделирования подтверждают, что переупаковка клеток способствует поддержанию механической устойчивости тканей и их нормальному развитию. Полученные данные могут быть полезны для изучения морфогенеза, процессов регенерации тканей и онкогенеза, а также для разработки терапевтических подходов к лечению заболеваний, связанных с нарушением механических свойств эпителиальной ткани. Предложенная математическая модель успешно описывает динамику переупаковки клеток и её влияние на механические свойства эпителиальных тканей. Работа открывает перспективы для дальнейших исследований по моделированию сложных биологических процессов в многоклеточных системах.
Бесплатно
Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала
Статья научная
Разработка индивидуализированных конструкций имплантатов в кратчайшие сроки является актуальной проблемой персонализированной медицины, что обусловливает применение передовых цифровых технологий в биомедицине. Несмотря на приемлемые результаты по эндопротезированию тазобедренного сустава, все еще существует ряд серьезных проблем, требующих дальнейшего изучения конструкции и материалов персонализированных имплантатов. В частности, при исследовании поведения системы при функциональных нагрузках возникает ряд вопросов, касающихся корректного задания нагрузок, которые учитывали бы взаимосвязь мышц и суставов, и выбора материала имплантата, который мог бы обеспечивать долгосрочную биосовместимость с живым организмом человека без длительной замены. В рамках решения проблемы были рассмотрены особенности создания персонализированных математических моделей на основе данных компьютерной томографии пациента, полученных из ФГБУ «НМИЦ травматологии и ортопедии имени Р.Р. Вредена» (Санкт-Петербург). Была разработана реалистичная конечно-элементная модель таза и исследовано напряженно-деформированное состояние костей таза и имплантатов при моделировании первичной и повторной операции эндопротезирования тазобедренного сустава. В ходе работы была проведена серия расчетов, отличающихся способами фиксации полимерного имплантата, а также проанализирована возможность применения персонализированной конструкции эндопротеза из полимерного материала.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время биоспеклы успешно применяются для изучения процессов, происходящих на поверхности и внутри различных биологических объектов: фруктов, овощей, зерен, кожи и сетчатки глаза пациента. Ранее были разработаны методика и установка для определения метаболической активности клеточных культур Vero, Л-41 и ЛЭЧ методом динамической спекл-интерферометрии. Параметрами, характеризующими активность клеток, являлись усредненное по времени цифровое значение интенсивности излучения в пикселе телекамеры и коэффициент корреляции двух спекловых изображений η. Получены хорошо воспроизводимые результаты при исследовании клеточных культур, зараженных вирусом простого герпеса первого типа. В данной статье рассмотрена оптическая методика, позволяющая по коэффициенту корреляции фрагмента спекловых изображений определять среднеквадратическое отклонение разности оптических путей волн σ u в малой области отдельной клетки либо в группе клеток. Объектом исследования являлась клеточная культура Л-41 в виде монослоя клеток на стеклянной подложке, помещенной в кювету с питательной средой. Кювету освещали излучением от лазерного модуля через матовый рассеиватель, спекловое изображение клеток формировали с оптическим увеличением, равным 11. Величину σ u использовали в качестве параметра, характеризующего активность физико-химических процессов в клетках. Показано, что в процессе увеличения температуры Т от 26 до 37 °C в течение часа имеют место значительные флуктуации величины σ u в пространстве и во времени. При стабилизации температуры в течение 30 минут флуктуации практически прекращаются, а при изменении температуры на десятые доли градуcов наблюдается хорошая корреляция между σ u и Т.
Бесплатно
Статья научная
В опытах с использованием цельной крови и суспензий эритроцитов с разной концентрацией клеток (от 20 до 55%) было изучено влияние гематокрита (Hct) на текучесть крови и ее транспортный потенциал. Получены уравнения, удовлетворительно описывающие влияние изменений концентраций эритроцитов на текучесть крови и показывающие степень ее неньютоновости в этих условиях. Показано, что при низкой (Hct = 20%) и при высокой концентрации эритроцитов (Hct = 55%) клеточная суспензия проявляет при течении неньютоновские свойства и это течение хорошо описывается уравнением жидкости степенного закона. При исследовании крови с разной вязкостью плазмы было показано, что вклад последней в текучесть цельной крови был меньше, чем гематокрита (Hct = 43%) и составил 27%. Анализ влияния гематокрита и вязкости плазмы на текучесть крови и ее транспортные возможности показал, что наилучшим транспортным потенциалом обладала кровь при ее относительно низкой вязкости, со средней величиной гематокрита (43,5%), низкой вязкостью плазмы (1,72 мПа∙с) и хорошей деформируемостью эритроцитов. При моделировании разной вязкости суспензионной среды применением растворов декстрана 70 (в концентрации 1, 2 и 3%), было подтверждено, что наибольшим транспортным потенциалом обладает суспензия эритроцитов с самой низкой вязкостью среды (1% декстран). Течение суспензий с низкой, средней и относительно высокой вязкостью удовлетворительно описывается уравнением жидкости степенного закона с высокой степенью достоверности аппроксимации экспериментальных данных (99%). Установлено, что с повышением вязкости суспензионной среды увеличивается эффективность потоковой деформации эритроцитов.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты экспериментальных исследований адгезионной прочности при статической нагрузке на разрыв стоматологических цементных соединений индивидуального фрезерованного трансдентального имплантата с твердыми тканями корня зуба. Образцы представляли собой композицию, составленную из конструкции конической формы (аналог трансдентального имплантата, изготовленного из титанового сплава и диоксида циркония), установленной в канал культи естественного зуба и фиксированного в нем цементной склейкой. Эксперименты проводились на ранее удаленных 78 зубах с резецированной верхушкой корня. В результате исследования были определены цементы, обеспечивающие наибольшую адгезионную прочность соединения «индивидуальный трансдентальный имплантат - стоматологический цемент - культя удалённого зуба» в образце. Для внутрикорневой фиксации имплантатов из титанового сплава рекомендован композитный цемент Multilink-N , а для имплантатов из диоксида циркония - стеклоиономерный цемент Fuji -1. На втором этапе исследовалось влияние искусственно сформированной шероховатости поверхности имплантата на адгезионные свойства цементного соединения «имплантат - зуб». С этой целью перед проведением экспериментов по вытягиванию штифтов поверхности в образцах были подвергнуты пескоструйной обработке гранулами оксида алюминия размером частиц 50; 150; 250 мкм. Для фиксации были использованы цементы, показавшие наиболее высокие адгезионные характеристики на предыдущем этапе. Оказалось, что увеличение размера шероховатости в диапазоне 50-250 мкм улучшает адгезионные параметры цементного соединения «имплантат - зуб» для всех испытанных цементов. Наличие шероховатости имплантатов позволяет выдерживать значительно бόльшую нагрузку по сравнению с гладким имплантатом, а увеличение значения шероховатости поверхности имплантата с 50 до 250 мкм также существенно (почти в 2,5 раза) повышает нагрузку.
Бесплатно
Статья научная
Подошвенное давление - важнейший биомеханический параметр для оценки и моделирования условий послеоперационного лечения пациентов с деформацией первого луча стопы. Современная хирургия стопы предполагает раннюю активизацию пациента после операции. Универсальность и надежность такого подхода после хирургической коррекции вальгусной деформации первого пальца стопы вызывает сомнения. В связи с этим проводятся исследования, позволяющие определить количественные параметры подошвенного давления в обычных условиях и при использовании послеоперационной обуви, используемой для его снижения в переднем отделе стопы. Установлена взаимосвязь тонуса икроножной мышцы с подошвенным давлением в переднем отделе стопы. Не проводилось исследований, определяющих влияние тонуса икроножной мышцы на эффективность разгрузки переднего отдела стопы при помощи послеоперационной обуви. Экспериментально изучено подошвенное давление, в том числе с учетом влияния тонуса икроножной мышцы. Разработан и апробирован экспериментальный стенд: с его помощью исследовано распределение давления под стопой у 26 здоровых лиц в положении стоя на платформе и в послеоперационной обуви. Проведена количественная оценка тонуса икроножной мышцы у тех же испытуемых. Сопоставлены подошвенное давление у лиц в послеоперационной обуви и амплитуда тыльного сгибания голеностопного сустава при выпрямленном и согнутом под углом 90 градусов коленном суставе. Средняя величина снижения нагрузки в послеоперационной обуви составила 57%, медиана 60%. Измерение тонуса икроножной мышцы можно применять для предсказания того, уменьшится ли нагрузка на передний отдел стопы при применении специальной обуви. В качестве критерия нужно использовать угол тыльного сгибания стопы: если он превышает 10 градусов, велика вероятность снижения нагрузки на передний отдел. Для показателя тыльной дорсифлексии стопы, измеренной в выпрямленном состоянии коленного сустава, вероятность прогноза эффективности послеоперационной обуви составляет 79%. Аналогичная вероятность при использовании в качестве критерия прогноза амплитуды тыльного сгибания стопы, измеренной при согнутом под углом 90 градусов коленном суставе, оказалась равной 66%.
Бесплатно
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 70-летнему юбилею В.Ю. Столбова
Другой
Статья посвящена юбилею Валерия Юрьевича Столбова - доктора технических наук, профессора, лауреата премии Президента РФ, почетного работника высшего профессионального образования, лауреата Премии Пермского края в области технических наук, заведующего кафедрой вычислительной математики, механики и биомеханики Пермского национального исследовательского политехнического университета, члена редколлегии «Российского журнала биомеханики» и главного редактора научного журнала «Прикладная математика и вопросы управления / Applied Mathematics and Control Sciences».
Бесплатно
К 70-летнему юбилею С.М. Бауэр
Другой
Статья посвящена юбилею Светланы Михайловны Бауэр - доктора физико-математических наук, почетного работника высшего образования, члена национального комитета по теоретической и прикладной механике Российской Федерации, Американского математического общества, научного совета по биомеханике Российской академии наук, профессора кафедры теоретической и прикладной механики математико-механического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, члена редколлегий «Российского журнала биомеханики», журнала «Известия Саратовского университета», Серия «Математика. Механика. Информатика» и «Журнала Белорусского государственного университета. Математика. Информатика».
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
