Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Компьютерное моделирование потока крови при наличии сосудистых патологий
Статья научная
Патологические изменения в кровеносных сосудах очень часто являются причиной таких тяжелых случаев, как инсульт, инфаркт миокарда, легочная эмболия и т.д. Современные неинвазивные методы диагностики не позволяют определить необходимые количественные характеристики измененного потока крови. Некоторые параметры может установить зондовая диагностика, но она вносит в характеристики потока существенные искажения. В этой ситуации все больше возрастает роль компьютерных моделей, которые позволяют не только установить качественные изменения пульсирующего потока, но и получить его количественные характеристики. В связи с этим и была поставлена задача компьютерного моделирования течения крови в зонах патологических изменений кровеносных сосудов. Для моделирования крови была выбрана степенная модель неньютоновской жидкости, которая в целом ряде публикаций признана как в большей степени отражающая реологические свойства крови. Пульсовый характер изменения поля скоростей на входе в рассматриваемые участки сосудов представлен в виде части параболоида вращения, высота которой изменяется в соответствии с пульсовым режимом потока. Более того, для учета физико-химического взаимодействия клеток крови со стенкой сосуда в качестве граничного условия предлагается использовать так называемый режим полупроскальзывания. В качестве объектов моделирования были выбраны четыре вида сосудистых патологий: мешотчатая аневризма, фузиформная аневризма, стеноз и бляшка. Их геометрические модели были построены при помощи пакета ABAQUS с использованием инструментов «фигура вращения» ( revolved solid ) и «фигура выдавливания» ( extruded solid ). Расчет количественных характеристик течения крови методом конечных элементов и визуализация результатов также выполнялись в системе ABAQUS. В результате были получены распределения давления и скорости течения крови с шагом по времени 0,01 с в каждом узле вычислительной сетки. В качестве примеров на рисунках приведены наиболее интересные моменты распределения давления в зонах патологий, а также образования вихря в аневризме.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время в основном применяются две модели внутренней адаптации костных тканей, использующие уравнения баланса плотности костного матрикса и отличающиеся механической природой стимула (тензор деформации и плотность энергии деформации). В данной работе предлагается анализ обеих моделей с помощью их феноменологических аналогов. Идея применения феноменологического подхода к приспосабливающейся упругой среде состоит в очевидном предположении о том, что в процессе адаптации к новым нагрузкам модуль упругости, напряжения и деформации непрерывно монотонно изменяются и имеют непрерывные первые производные. Реакция обеих моделей на ступенчатое изменение осевой нагрузки исследовалась на тестовой задаче об осевом сжатии упругого полого толстостенного цилиндра из приспосабливающегося материала. На основе результатов решения и известных экспериментальных данных, подтверждающих чувствительность адаптационной способности костной ткани к изменению именно деформаций, в работе отдается предпочтение модели с деформационным стимулом. С помощью деформационной модели адаптации костной ткани проведен численный эксперимент по моделированию изменения модуля упругости губчатой костной ткани головки бедренной кости человека при изменении уровня нагрузок на тазобедренный сустав. Нагрузка снижалась до 5% от нормального физиологического уровня, что можно считать моделью постельного режима, а затем постепенно повышалась до нормального уровня. Численный эксперимент показал, что при снижении нагрузки кость ослабляется, что выражается в уменьшении ее модуля упругости. При медленном (еженедельном) ступенчатом повышении нагрузки в процессе реабилитации модуль упругости полностью восстанавливается, причем на каждом этапе напряжения не превышают допустимых значений. При менее плавном (ежемесячном) повышении восстанавливающей нагрузки напряжения в кости приближаются к пределу прочности, а на некоторых этапах и превышают его, что указывает на возможное локальное разрушение костных балок и отклонение процесса реабилитации от нормального.
Бесплатно
Конечно-элементная модель измерения внутриглазного давления тонометром Шиотца
Статья научная
В работе представлена конечно-элементная модель, описывающая изменение напряженно-деформированного состояния внешней оболочки глаза при нагружении тонометром импрессионного типа - тонометром Шиотца. Моделирование выполняется в программном пакете ANSYS . Упругая система «роговица - склера» представляется в виде двух сопряженных трансверсально-изотропных сферических сегментов, нагруженных внутренним давлением и двумя грузами с вогнутыми основаниями (стопой и плунжером). Исследуются зависимости тонометрических давлений, получаемых по стандартной методике обработки данных при тонометрии по Шиотцу, от веса плунжера и толщины роговицы. Полученные результаты сравниваются со значениями, определяемыми из условия постоянства внутреннего объема деформированной составной оболочки.
Бесплатно
Статья научная
Данные о современном состоянии здоровья населения Российской Федерации ставят перед исследователями ряд новых задач. Одной из наиболее актуальных является задача поиска новых способов лечения и профилактики заболеваний сердечно-сосудистой системы, поскольку нарушения кровообращения занимают лидирующее положение среди причин инвалидизации и смертности. Комплексное решение данной задачи включает необходимость разработки современных компьютеризированных методов диагностики и лечения, позволяющих количественно оценить состояние пациента на стадии предоперационного обследования и найти оптимальный вариант индивидуализированного хирургического вмешательства по реваскуляризации миокарда, восстановлению геометрии левого желудочка и сердца человека в целом, а также для оптимизации кровотока в системе венечных артерий. Целью данной работы являлось моделирование поведения индивидуальных анатомически реальных венечных артерий с учетом сокращений миокарда. Определение ангиоархитектоники, морфологических параметров, геометрии и механических свойств тканей сердца выполнено на этапе, предшествовавшем процессу моделирования.
Бесплатно
Конечно-элементный анализ восстановления клиновидного дефекта первого моляра у пациента
Статья научная
Было произведено биомеханическое исследование эффективности предлагаемых методов прямой реставрации твёрдых тканей зубов жевательной группы при клиновидном дефекте с помощью металлических вкладок, изготовленных индивидуально для каждого пациента. Авторы работы на основе собственного клинического опыта разработали и предлагают конструкцию, особенностью которой является использование паза в теле вкладки, выполненной из титана или циркония. Создана трёхмерная геометрическая модель расчётной схемы целого (интактного) и восстановленного вкладкой зуба; определение напряжённо-деформированного состояния зуба производилось с помощью метода конечных элементов. На основе полученных результатов были выработаны рекомендации по использованию исследованных вкладок.
Бесплатно
Конечно-элементный анализ механических причин возникновения вторичных деформаций
Статья научная
В данной работе с помощью конечно-элементного моделирования производится анализ напряженно-деформированного состояния фрагмента нижнего зубного ряда. Цель расчетов заключается в том, чтобы изучить, как изменяется механическое состояние зубов и десны при возникновении дефекта зубного ряда в виде утраты одного из зубов. Особое внимание уделяется тому, как модифицируются основные параметры напряженно-деформированного состояния. В результате были проиллюстрированы и выделены те величины упругой модели, изменения которых соответствуют ожидаемому направлению развития вторичной деформации.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния биомеханической системы, образованной эндопротезом тазобедренного сустава и костями тазовой области человека при нагружении, соответствующем равновесию пациента при двухопорном стоянии. В рамках решения проблемы была скорректирована геометрическая модель ранее разработанного имплантата, построена конечно-элементная модель системы и выполнена серия расчетов прочности в режиме «вертикальное стояние». Подготовленная модель учитывала пористую структуру части имплантата, заменяющего собой фрагмент тазовой кости, утраченной вследствие различных физиологических процессов или травмирующих воздействий. Рассмотрены особенности компьютерного анализа ревизионного эндопротезирования вертлужного компонента сустава. Представлены результаты конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния системы, образованной скелетом и эндопротезом тазобедренного сустава человека, при двухопорном стоянии. Основное внимание уделено расчету напряжений в тазовом компоненте эндопротеза при статической нагрузке на имплантат, возникающей от момента затягивания медицинских винтов в кость и веса пациента.
Бесплатно
Статья научная
Исследование напряженно-деформированного состояния биомеханической системы «таз - кастомизированный имплантат» методом конечных элементов широко распространено при лечении травм таза в ортопедии. Однако, влияние сложных условий нагружения,с которыми человек сталкивается ежедневно, на поведение тазобедренного сустава еще недостаточно изучено. Данная работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния биомеханической системы, образованной эндопротезом тазобедренного сустава и костями тазовой области человека при ходьбе. В рамках решения проблемы были рассмотрены особенности создания конечно-элементных моделей костей таза и индивидуального эндопротеза на основе исходных геометрических моделей, полученных из Национального медицинского исследовательского центра травматологии и ортопедии имени Р.Р. Вредена» (Cанкт-Петербург) и выполнена серия расчетов прочности при ходьбе. Модель имплантата, заменила собой первичный протез, утраченный вследствие развития нестабильности вертлужного компонента. Анализ показал, что винты и эндопротез имеют достаточный запас прочности, в костной же ткани можно ожидать локальные микроразрушения в зоне контактов ее с винтами. При проведении операции стоит акцентировать внимание на скрепелении имплантата с костной тканью, с целью избежания нежелательного разрушения кортикального слоя вокруг отверстий. По результатам анализа можно сделать рекомендацию об исключении винтов под номерами восемь и девять, поскольку ни винты, ни отверстия под них не испытывают сильных нагрузок.
Бесплатно
Конечно-элементный анализ способов пломбирования при реставрации дефекта первого моляра
Статья научная
В данной работе на основании конечно-элементного моделирования оценивается прочность пломбы, которая замещает кариозный дефект эмали первого моляра нижней челюсти. Рассматриваются два различных по локализации кариозных дефекта. Анализируются четыре типа пломб, различающихся по материалу их исполнения и компоновке. Также предлагаются варианты нагружения зуба для сравнения и выделения наиболее опасного воздействия с позиции последующих возможных осложнений. В результате выработан ряд рекомендаций, позволяющих снизить вероятность разрушения восстановленного зуба.
Бесплатно
Конечно-элементный анализ эффективности установки вкладки для замещения дефекта премоляра
Статья научная
В данной работе на основании конечно-элементного моделирования рассматривается работа вкладки, замещающей обширный дефект эмали зуба. Предполагается, что вкладка изготовлена из циркония и укреплена в зубе с помощью цемента. Анализируются два вида формы поверхности контакта вкладки зуба: плоская и пазообразная. Также предлагаются варианты нагружения вкладки (температурное и силовое) для сравнения и выделения наиболее опасного воздействия с позиции последующих возможных осложнений. В результате показано, что температурное воздействие имеет большее влияние на состояние вкладки и окружающие ее ткани, нежели силовое. Использование дополнительного паза в теле вкладки позволяет снизить пиковые напряжения в тех областях, в которыx наиболее часто возникают осложнения.
Бесплатно
Концентрация напряжений в костных тканях и винтовых дентальных имплантатах
Статья научная
Исследование концентрации напряжений в костных тканях и винтовых дентальных имплантатах выполнено на модели винтового соединения имплантата и окружающих костных тканей при действии нормальных и касательных нагрузок. Расчеты выполнены методом граничных элементов в постановке плоской деформации. Полагалось, что углубления в губчатой кости, образующиеся при внедрении имплантата в костную ткань, соответствуют резьбе на имплантате. Костная ткань рассматривается как изотропный и однородный линейно-упругий материал. Установлено, что при увеличении модуля упругости губчатой костной ткани максимальные эквивалентные напряжения в этой костной ткани возрастают. Напряжения в кортикальной костной ткани при увеличении модуля упругости губчатой кости снижаются за счет уменьшения нагрузки, передаваемой на эту часть кости. Напряжения в губчатой кости снижаются при увеличении модуля упругости кортикальной кости. Уровень максимальных напряжений в кортикальной кости возрастает при увеличении модуля упругости этой костной ткани. Максимальные напряжения в кортикальной костной ткани наблюдаются вблизи шейки имплантата.
Бесплатно
Косвенное определение аэродинамического сопротивления при скоростном спуске на лыжах
Статья научная
При численном моделировании скоростного спуска на лыжах необходимо знать коэффициенты аэродинамического сопротивления, определяющие силу лобового сопротивления и подъёмную силу при движении лыжника в воздушной среде. В литературе указываются лишь диапазоны изменения этих коэффициентов [1]. Численное моделирование обтекания лыжника потоком воздуха в настоящее время представляет чрезвычайно сложную задачу, а прямые измерения аэродинамических сил требует уникального дорогостоящего оборудования. Авторы предлагают методику индивидуального определения коэффициентов аэродинамического сопротивления, основанную на аналитическом решении задачи спуска на лыжах по прямолинейному участку горы и измерении на практике предельной скорости спуска или времени спуска на заданном отрезке трассы. Для этого строятся изолинии предельной скорости и времени спуска в координатах: параметр аэродинамического сопротивления и коэффициент трения лыж о снег. При известном значении коэффициента трения, найденного другими способами, из графиков изолиний можно определить параметр аэродинамического сопротивления индивидуально для каждого спортсмена.
Бесплатно
Коэффициент Пуассона дентина как анизотропной среды с гексагональной симметрией
Статья научная
Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) играет важную роль в деформационном поведении материалов. Наравне с модулем Юнга он составляет две независимые и наиболее информативные материальные константы твердых тел. Для твердых тканей зуба (эмали и дентина) коэффициент Пуассона должен соответствовать коэффициенту Пуассона реставрационных материалов во избежание перенапряжений на границе разделов реставрационный материал ‒ эмаль и реставрационный материал ‒ дентин. Кроме того, величина коэффициента Пуассона влияет на деформационную прочность эмали и дентина, а именно трещиностойкость при возникновении в них напряженно-деформированного состояния. В данной работе впервые получена ориентационная зависимость коэффициента Пуассона дентина зубов на основе матриц упругих постоянных и коэффициентов податливости гексагональных кристаллов, какими являются кристаллы гидроксиапатита дентина. Результаты вычисления коэффициентов Пуассона дентина как кристаллической системы с гексагональной структурой представлены в виде таблиц и на диаграммах в полярной и декартовой системах координат. Также рассчитаны экстремальные (минимальный и максимальный) коэффициенты для соответствующих направлений продольной и поперечной деформаций в кристаллографической системе координат. Показано, что максимальное значение коэффициента Пуассона дентина (0,53) больше верхнего предела для коэффициента Пуассона изотропных материалов, в том числе известных реставрационных материалов, что в ряде случаев может снижать качество реставраций в микрообъемах. Отмечается, что аналогичный анализ может быть выполнен и для эмали зубов.
Бесплатно
Статья научная
Задача биомеханического моделирования диска височно-нижнечелюстного сустава (ВНЧС) человека в теории пороупругости требует проведения экспериментов по определению материальных констант, особенно коэффициента проницаемости в законе Дарси. Для проведения эксперимента вычленялись диски ВНЧС свиней, из которых на криогенном микротоме изготавливались срезы толщиной от 0,15 до 0,6 мм. Полученные образцы помещались в установку, разработанную и изготовленную авторами данной статьи. Через образцы пропускался раствор Хенкса. Измерялась масса раствора, протекшего через образец за некоторый промежуток времени. Эти значения использовались для определения коэффициента проницаемости. Проведены гистологические исследования испытанных и контрольных образцов. Эксперимент показал, что 1) ткани и структура диска не повреждаются за время проведения опыта (до двух суток); 2) при толщине образца, равной 0,15 мм, вещество, связывающее волокна (хондромукоид), вымывается, и коэффициент проницаемости увеличивается на пять порядков; 3) величина коэффициента проницаемости больше соответствующего коэффициента для гиалинового хряща и меньше, чем у диска коленного сустава.
Бесплатно
Коэффициенты продольной стабильности дентальных имплантатов
Статья научная
Вводится понятие продольной стабильности дентальных имплантатов. Известно, что прибор Osstell ISQ ( Implant Stability Quotient, Швеция) наряду с вынужденными колебаниями дентальных имплантатов, возникающими под действием поперечных нагрузок, может возбуждать продольные колебания и регистрировать их резонансную частоту. Цель работы - обоснование возможности использования коэффициентов продольной стабильности для оценки готовности дентальных имплантатов к функциональным нагрузкам, а также верификация методики их измерения с помощью прибора Osstell ISQ путем сравнения с соответствующими коэффициентами продольной жесткости, измеряемыми методом лазерного тестирования. По сравнению с традиционной предлагаемая методика обладает рядом преимуществ и позволяет создать новую, более совершенную базу для неинвазивного мониторинга процесса остеоинтеграции дентальных имплантатов. Например, использование модифицированных «магнитных заглушек» вместо магнитных штифтов ( SmartPeg ) позволяет проводить измерения коэффициентов продольной стабильности через слизистую оболочку альвеолярной кости, т.е. не раскрывая дентальный имплантат для дальнейшего использования как опору под несъемный зубной протез, а модифицированные «магнитные колпачки» дают возможность определять коэффициенты продольной стабильности мини-имплантатов со сферической головкой, используемых для дополнительной фиксации съемных зубных протезов при полном отсутствии зубов. Необходимо подчеркнуть, что традиционная методика Osstell ISQ не позволяет проводить измерения коэффициентов стабильности указанных мини-имплантатов. Введение коэффициентов продольной стабильности позволило построить простую теоретическую модель колебаний дентальных имплантатов, закрепленных в упругой и вязкоупругой среде, установить связь между коэффициентами продольной стабильности и продольной жесткости, дать оценку несущей способности дентальных имплантатов. Более того, при оценке их готовности к функциональным нагрузкам с помощью коэффициентов продольной стабильности рекомендации остаются прежними, так как отношение коэффициентов стабильности при продольных и поперечных нагрузках должно быть близко к единице.
Бесплатно
Критерии оптимизации специальных упражнений бегунов на средние дистанции
Статья научная
Цель работы состоит в оптимизации специальных упражнений бегунов на средние дистанции на основе анализа фазовых траекторий мышц нижних конечностей в координатах «относительная длина - скорость сокращения мышцы». Рассмотрены следующие упражнения, применяемые на практике для развития силовой выносливости спортсменов: бег в подъем, многоскоки с ноги на ногу, бег с прыжками на каждый третий шаг и многоскоки на одной ноге. Упражнения выполнялись тремя квалифицированными спортсменами на ровной поверхности, в подъем с углами 4, 8, 12º. Оптимальность упражнений определялась по соответствию формы фазовых траекторий и положению на них периодов активности мышц, а также средней амплитуде электромиограмм при беге с соревновательной скоростью и при выполнении специальных упражнений. Качественный анализ фазовых траекторий позволил выявить специальные упражнения, наиболее близкие к соревновательному упражнению и превышающие его по средней амплитуде электромиограмм, характеризующей развиваемое мышцей усилие. Для более точного количественного анализа фазовых траекторий в качестве критериев оптимизации специальных упражнений предложено использовать коэффициенты биомеханического соответствия, силового превышения и общей эффективности упражнения. В результате показано, что оптимальными средствами воздействия на мышцы задней поверхности бедра спортсмена служат бег и бег с прыжками на каждый третий шаг в подъем с углом 12°, на мышцы передней поверхности бедра - все рассмотренные прыжковые упражнения, на мышцы задней поверхности голени - прыжковые упражнения и бег в подъем с углом 12°, который также обеспечивает равномерное распределение нагрузки на основные группы мышц.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье впервые в России рассматривается проблема реабилитации пациентов с последствиями позвоночно-спинномозговой травмы посредством применения экзоскелета. Предложен новый метод реабилитации данного контингента больных - ходьба в экзоскелете, он позволяет значительно расширить контингент инвалидов, т.е. применять его у больных не только с парапарезами нижних конечностей, но и с полной нижней параплегией. С точки зрения авторов, одним из наиболее эффективных методов реабилитации таких больных является сочетание тренировки в экзоскелете с чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга. Авторы выявили отличия биомеханической структуры ходьбы в экзоскелете у здоровых людей и пациентов с травмой спинного мозга, а также определили методику применения чрескожной электрической стимуляции спинного мозга в сочетании с тренировкой ходьбы в экзоскелете. После интенсивного курса тренировок в экзоскелете с чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга у четырех из шести пациентов увеличилась болевая и тактильная чувствительность, все шесть пациентов отмечали появление парастезии в ногах ниже зоны анастезии, появление ощущения пассивного движения в суставах и «чувство опоры» при стоянии. Было выявлено, что после 10-дневного курса тренировки ходьбы в экзоскелете в сочетании с чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга у больных отмечаются следующие положительные изменения: повышается устойчивость, увеличивается опорная и толчковая функции нижних конечностей, изменяется форма вертикальной составляющей Rz опорной реакции, уменьшается время опоры на костыли. При этом у 2 из 6 пациентов улучшение происходит во время первого пробного сеанса ходьбы в экзоскелете в сочетании с чрескожной электрической стимуляцией спинного мозга, в частности, изменение временной структуры шага (уменьшение длительности опорной и двуопорной фаз и увеличение длительности переносной фазы, уменьшение времени опоры на костыли), незначительное увеличение амплитуды переднего и заднего толчков. Можно полагать, что даже незначительные положительные изменения двигательных функций во время первого сеанса являются критериями благоприятных результатов и могут быть использованы для выявления реабилитационного потенциала, а в последующем и для реабилитационного прогноза.
Бесплатно
Ксенобиотическая разгрузка организма человека средствами физической культуры
Статья научная
В результате проведенных фундаментально-прикладных исследований установлена возможность свинцово-хромо-никелевой разгрузки организма человека мышечными нагрузками, а также мышечно-тепловыми воздействиями, используемыми в экологически относительно чистом месте. Выявлены сопутствующие оздоровительные эффекты, выражающиеся в эффективном улучшении дыхательной функции крови, нормализующем повышении ее сниженных параметров, а также в росте показателей функционального состояния реабилитируемых. Эффект полученных результатов заключается в следующем. Излишки никеля и хрома в организме человека вызывают канцерогенез. Свинец является одним из сильных коканцерогенов, ускоряющих этот процесс. Накопление в организме человека хрома, никеля, свинца приводит к поломке микроэлементного гомеостаза. Внедрение в практику свинцово-хромо- никелевой разгрузки организма индивида защитит его от химического канцерогенеза, обусловленного этими металлами, улучшит состав крови и функциональное состояние человека.
Бесплатно
Статья научная
Описана история организации совместной лаборатории биомеханики Нижегородского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии и Института прикладной физики Российской академии наук. Приведены сведения о разработанных методах исследования опорно-двигательной системы человека, используемых в клинической и космической медицине.
Бесплатно
Лазерные автодинные измерения параметров движений барабанной перепонки
Статья научная
В работе по результатам измерений с помощью полупроводникового лазерного автодина нанометровых смещений иследованы механические свойства барабанной перепонки в норме и при патологических изменениях. По результатам измерений амплитудно-частотных характеристик колебаний барабанной перепонки показана возможность диагностирования нарушений передаточной функции в цепи «барабанная перепонка - слуховые косточки». Установлены различия между амплитудно-частотными зависимостям барабанной перепонки и графиками нарастания амплитуды колебаний барабанной перепонки в зависимости от уровня звукового давления при адгезивных процессах, при сенсоневральной тугоухости и в норме. Экспериментально установлено наличие продольного смещения барабанной перепонки на фоне вибраций, возбуждаемых периодическим звуковым воздействием. Установлено, что при увеличении интенсивности звукового воздействия на барабанную перепонку в спектре механических колебаний происходит появление субгармонических составляющих. Проведенные исследования позволяют установить условия возбуждения нормальных колебаний барабанной перепонки и порога адекватного восприятия звукового сигнала.
Бесплатно
