Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 882
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
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
Локализованные моды дисторсии в структуре двойной спирали ДНК
Статья научная
Так как реальные механизмы некоторых биологических процессов, включающие дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), до сих пор неизвестны, биологи уделяют все большее внимание структурным аспектам с целью выяснить действительные механизмы репликации (повторение процесса), транскрипции (первого этапа реализации генетической информации в клетке, результатом которого является биосинтез молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК) на матрице ДНК) и денатурации (процесса расщепления белковых молекул). В настоящей работе сделаны попытки на основе решения статистической задачи о поведении ансамбля дефектов предложить уравнение движения в виде специальной формы уравнения Гинзбурга-Ландау для параметров порядка, отражающего поведение локализованных дисторсий в структуре ДНК, и исследовать динамические свойства данной системы. Показано, что динамика локализованных мод дисторсии может быть связана с новым типом критических явлений - структурно-скейлинговыми переходами, которые характерны для неравновесных систем с «медленной динамикой». Установлен вид дополнительного параметра порядка для данных систем - структурный параметр скейлинга, который играет роль «эффективных температур» неравновесной системы. Проведенный анализ автомодельных решений выявил существование трех типов коллективных мод в ансамблях дефектов в соответствующих интервалах структурного параметра скейлинга. Показано соответствие характерных коллективных мод трем типам универсальных статистических распределений в суперстатистике неравновновесных систем с медленной динамикой. Обсуждается возможная связь динамики коллективных мод с механизмами транскрипции и репликации.
Бесплатно
Магнитно-резонансные антропоморфные фантомы, имитирующие релаксационные свойства головного мозга
Статья научная
Физические фантомы – эталонные объекты, предназначенные для стандартизации протоколов сканирования, калибровки томографов, контроля качества изображений и отработки методов магнитнорезонансной томографии (МРТ) без участия пациентов. В настоящее время, помимо качественной визуализации, развиваются количественные методы МРТ. Для обеспечения единообразия интерпретации результатов, а также разработки новых методов сканирования и адаптации импульсных последовательностей необходимо использовать специализированные тестовые объекты – фантомы, имитирующие физиологически значимые времена релаксации. Антропоморфные физические фантомы служат надежным инструментом для разработки и исследования новых методов МРТ. Цель данного обзора – анализ литературы по существующим антропоморфным фантомам головного мозга с обобщением опыта исследователей по их изготовлению. Для обзора была проанализирована литература из двух баз данных: Google Scholar и PubMed. В обзор включены только антропоморфные физические фантомы МРТ из материалов с временами релаксации, близкими к тканям головного мозга, которые обычно включают несколько компонентов (Т1, Т2модификаторов). Краткая сравнительная характеристика описанных в обзоре фантомов обобщена в таблице с указанием имитируемых тканей и времен релаксации, материалов изготовления и области применения. Вопрос о создании фантомов головного мозга детей и плодов, чьи релаксационные характеристики и анатомия отличаются от взрослых, остается нерешенным. Информация о возможностях и методах изготовления антропоморфных фантомов для МРТ поможет специалистам в области медицинской визуализации, биохимии и биомеханики решить актуальную мультидисциплинарную практическую задачу их моделирования и использования в преклинических исследованиях.
Бесплатно
Математическая модель влияния дыхания подогретой кислородно-гелиевой смесью на тепломассообмен
Статья научная
Разработана математическая модель тепломассопереноса в дыхательных путях человека. Проведен теоретический анализ влияния дыхания кислородно-гелиевыми газовыми смесями на тепломассообмен. Во время дыхания подогретыми газовыми смесями кровоток и теплопроводность стенок бронхов оказываются достаточными для быстрого выравнивания температуры стенки, поэтому тепломассообмен можно описывать стационарной моделью. Показано, что при дыхании подогретыми смесями кислородно-гелиевая смесь быстрее остывает, но лучше увлажняется, чем воздух, из-за больших коэффициентов тепло- и массопереноса. Испарение воды с поверхности слизистой оболочки приводит к тому, что тепло передается от стенки в газ даже при дыхании подогретыми смесями. Уменьшение испарения, например, из-за частичного высыхания слизистой оболочки, приводит к передаче тепла от кислородно-гелиевой смеси в стенку верхних дыхательных путей.
Бесплатно
