Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
Количественная оценка качества формирования изображения в виртуальной реальности
Статья научная
Описан подход к количественной оценке изменения восприятия человеком виртуальной реальности (ВР). Системы ВР достигли заметного прогресса, и влияние их погрешностей не столь заметно. Изменение постуральных характеристик заметнее для задач, в которых зрительная информация используется человеком активнее: таких как удержание равновесия человеком, стоящем на податливом основании. Проведена серия тестов, в ходе которых человек поддерживал вертикальную позу, стоя на платформе стабилоанализатора. В ходе проведения обследования испытуемые поддерживали вертикальную позу, как стоя на обычной твердой поверхности (платформе стабилоанализатора), так и на податливом основании в виде пластины пенополиуретана. Удержание равновесия в этом случае усложняет задачу управления и требует мобилизации сенсорных систем человека, в том числе приводит к повышению роли зрительной информации. При поддержании ортоградной позы человек смотрел на изображение, размещенное на стене на уровне глаз на однотонном фоне, или на такое же изображение в очках виртуальной реальности. При проведении об-следования в очках виртуальной реальности программное обеспечение ВР использовало информацию инерциальных сенсоров шлема ВР и данные о координатах и ориентации для воспроизведения образа неподвижной окружающей среды. Для имеющейся выборки добровольцев для пробы на податливом основании выявлены стабилометрические параметры, которые имеют устойчивую тенденцию к изменению: средняя скорость центра давления, показатель качества функции равновесия и нормированной площади векторограммы. Также отмечены заметные изменения окулографических данных, однако погрешности их определения, связанные с несоответствием частот окулографических измерений, позволяют делать только предварительный вывод по этому вопросу.
Бесплатно
Количественная оценка неопределенности в динамическом моделировании прыжков с шестом
Статья научная
Были разработаны различные стохастические методы ( NIPC ) для учета неопределенностей при анализе случайной природы входных параметров в механических системах, оценки динамических реакций конфигурации «масса - пружина», напоминающей перевернутый маятник, который имитирует прыжок с шестом, включая неопределенности, связанные с различными параметрами. Кроме того, описана и одобрена эффективность NIPC , позволяющая продемонстрировать, как эти неопределенные параметры влияют на производительность прыжка в сочетании с методом Монте-Карло ( MC ). Результаты, полученные с помощью метода NIPC для количественной оценки неопределенности, сравниваются с результатами, полученными с помощью эталонного подхода методом Монте-Карло. Результаты, полученные с помощью метода NIPC , демонстрируют соответствие решениям, полученным с помощью эталонного метода. В целом предложенный метод NIPC оказался эффективным решением для проблемы, сокращения времени вычислений, получения количественной оценки неопределенности динамических реакций модели для прыжков с шестом.
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
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 поведения макротрещин в кортикальной части большеберцовой кости человека
Статья научная
Кость - это биологическая ткань, характеризующаяся сложной иерархической структурой; тканевые компоненты кости обладают различными механическими свойствами и имеют сложную геометрию формы. Потому для облегчения изучения механического поведения костей удобно использовать трехмерные модели, созданные с помощью программного обеспечения CAD . Сочетание концепций линейной механики упругих переломов и конечно-элементного анализа обеспечивает практическое решение для изучения поведения большеберцовой кости при переломе. Целью данного исследования является анализ поведения трещин в кортикальной части большеберцовой кости человека с использованием показателей интенсивности напряжения ( SIF ) в режимах I, II и III, выбранных в качестве критериев разрыва для оценки реакции кости на повреждение. Большеберцовая кость является одним из наиболее распространенных и проблемных мест переломов нижних конечностей. Результаты исследования влияния положения трещины в кости показывают, что риск распространения трещины в основном обусловлен способом раскрытия I и наиболее высок в дистальной зоне, по сравнению со средней и проксимальной областями, независимо от плотности кости. Кроме того, было замечено, что независимо от размера трещины максимальные значения SIF KI достигаются в дистальной зоне. Что касается влияния ориентации трещины, то результаты указывают на преобладание режима II для углов α = - 45°,30°,45°, что приводит к высоким значениям SIF K II.
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
