Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 898
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
Математическая модель движения верхней части тела водителя при резком торможении
Статья научная
В работе рассмотрена математическая модель движения верхней части тела водителя при лобовом столкновении автомобиля с препятствием. Верхняя часть тела водителя моделируется системой четырёх неоднородных стержней, связанных между собой шарнирами, которые моделируют суставы. Предполагается, что четвёртый сегмент жестко скреплён с головой. Параметры стержней, в частности положение их центров масс, взяты из антропометрической литературы. Упругие свойства суставов и действие мышц сгибателей-разгибателей моделировались с помощью спиральных пружин определённой жесткости. Рассмотренная механическая система имеет четыре степени свободы. Предполагалось, что верхняя часть тела водителя совершает плоскопараллельное движение, а корпус автомобиля движется поступательно равнозамедленно. Ускорение указывалось в долях ускорения свободного падения. В основу решения положены дифференциальные уравнения Лагранжа второго рода, которые были разрешены относительно старших производных. Решение произведено численно методом Рунге–Кутты. Ограничением на движение тела водителя является рулевая колонка. Получены зависимости углов отклонения сегментов тела от вертикали, их угловых скоростей и угловых ускорений от времени. Построены графики этих зависимостей. Результаты решения показывают, что поведение верхней части тела водителя в основном совпадает с поведением, наблюдаемым при видеосъёмке краш-тестов на первом этапе столкновения: от момента начала удара до полной остановки корпуса автомобиля. Обратный отброс корпуса водителя в данной работе не рассматривался. Результаты также показывают, что при лобовом столкновении автомобиля не наблюдается «хлыстового» движения сегмента голова – шея. Проведено сравнение результатов данной работы с данными других авторов. Показано, что результаты практически идентичны.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается феноменологическая модель, описывающая возникающие при регенерации костной мозоли процессы диффузии, пролиферации, дифференциации и апоптоза основных типов клеток и тканевых структур под воздействием биохимических и механических факторов роста. Дополнительно к традиционно рассматриваемым четырем типам клеток (мезенхимальные стволовые клетки, фибробласты, хондроциты и остеобласты) и трем типам тканей (фиброзная, хрящевая и костная) в математическую модель включены кровеносные сосуды как четвертый тип ткани. В рамках принятой одномерной модели кость рассматривается как цилиндр с постоянным поперечным сечением, при этом явно выделяется зона повреждения. Все характеристики кости усредняются по поперечному сечению и изменяются только по длине кости. Основная система восьми дифференциальных уравнений в частных производных совместно с соответствующими граничными и начальными условиями описывает изменение концентраций указанных выше восьми типов клеток и тканей во времени для всех поперечных сечений кости. Вводится новый вид коэффициентов системы, определяющих миграцию клеток, взаимодействие и преобразование рассматриваемых типов клеток и тканей, в виде линейных комбинаций временно-зависимых функций, описывающих механические и биохимические факторы роста. Излагается план численного решения начально-краевой задачи для основной системы уравнений. Математическая модель дает возможность изучать процесс восстановления поврежденных костных элементов опорно-двигательного аппарата человека с целью нахождения оптимальных параметров стимулирования и медикаментозного воздействия на поврежденные ткани для их скорейшего и устойчивого заживления.
Бесплатно
Статья научная
Сахарный диабет - это группа хронических метаболических нарушений, характеризующихся повышенным уровнем сахара в крови. В связи с быстрым ростом числа пациентов с сахарным диабетом резко возрастает и частота осложнений. В настоящее время для оценки микроциркуляторной перфузии и выявления ранней дисфункции диабетической микроангиопатии применяются неинвазивные экспериментальные методы. Поскольку функция микроциркуляции предполагает несколько взаимосвязанных процессов, зависящих от большого количества параметров, схожие клинические проявления нарушения микроциркуляции могут быть вызваны различными изменениями, которые зачастую невозможно определить, используя только экспериментальные данные. Математическое моделирование является перспективным инструментом для преодоления вышеупомянутых проблем и улучшения экспериментальных методов. Данная работа посвящена разработке математической модели, позволяющей прогнозировать реперфузионный синдром у пациентов с сахарным диабетом. Модель микроциркуляции может позволить оценить другие параметры (гидравлическую проводимость капиллярной стенки и онкотическое давление) путем сравнения с измерениями скорости фильтрации с помощью капилляроскопии. Используя представленную математическую модель, можно предложить возможный способ объяснения того, почему реваскуляризация может вызвать обострение синдрома диабетической стопы.
Бесплатно
Математическая модель морфогенетического цикла бактерий рода Rhodococcus
Статья научная
Построена вероятностная математическая (компьютерная) модель морфогенетического цикла актинобактерий рода Rhodococcus, учитывающая рост, искривление, деление и ветвление клеток. Результаты расчетов по этой модели, в частности, имитации микрофотографий клеточных колоний, сопоставлены с экспериментальными данными, при этом имеется хорошее совпадение теории и эксперимента.
Бесплатно
Математическая модель процесса биодеструкции парацетамола как открытой системы
Статья научная
Разработана математическая модель процесса биодеструкции парацетамола с учетом особенностей открытой системы. Модель представляет собой четыре кинетических уравнения, два из них решены аналитически, остальные - численно. В виде линейной зависимости от времени определены коэффициенты k1 и k2 - «константы» скорости реакций биокаталитического окисления парацетамола и его первичного метаболита n-аминофенола соответственно. При этом расчетные данные согласуются с опытными, полученными в процессе биодеструкции парацетамола свободными и иммобилизованными клетками родококков. Математическая модель позволяет прогнозировать поведение исходного субстрата и продуктов его разложения при заданной схеме реакций и известных константах скоростей, а также окончание процесса биодеструкции парацетамола по убыли n-аминофенола.
Бесплатно
Математическая модель распространения дыхательных шумов в респираторном тракте
Статья научная
Понимание физических процессов образования и распространения дыхательных шумов в воздушных путях легкого, различие этих процессов у здоровых и больных может облегчить определение критериев компьютерной диагностики, основанной на анализе дыхательных шумов. Математическое моделирование возникновения и распространения дыхательных шумов в легких можно разделить на две части: моделирование анатомической структуры воздушных путей и моделирование их функционирования, физических процессов, протекающих в воздушных путях и связанных с течением воздуха. Представлены результаты аналогового моделирования изменения амплитудно-частотной характеристики дыхательных шумов, вызванного синдромом бронхиальной обструкции при бронхиальной астме. Для преодоления ряда трудностей при анализе дыхательных шумов авторы использовали аналоговое моделирование, при котором рассмотрение воздушных потоков в воздухоносных путях легкого заменяется изучением электрических процессов. Предложенное аналоговое моделирование показало, что усиление дыхательных шумов в характерном для бронхиальной астмы частотном диапазоне связано с сужением дыхательных путей. Это усиление, если использовать электротехническую аналогию, носит резонансный характер. С помощью предложенной модели рассчитали частотную зависимость отношения давления на выходе (давление у рта) к давлению на входе (альвеолярное давление) здорового и больного с бронхообструктивным синдромом при бронхиальной астме. Рассматриваемый подход позволяет относительно легко учитывать большое количество элементов респираторного тракта и моделировать изменения этих шумов, вызванные различными легочными заболеваниями. Предложенная математическая модель может помочь в разработке более точной компьютерной диагностики при анализе дыхательных шумов, а ее совместное применение с другими моделями позволит лучше понять процессы в легком.
Бесплатно
Математическая модель растущей растительной ткани как трехфазной деформируемой среды
Статья научная
Методами механики многофазных сред получена континуальная математическая модель растущей растительной ткани. Предполагается, что среда состоит из трех фаз: твердой деформируемой (материал клеточных стенок) и двух жидких (внутриклеточной и внеклеточной), в которых растворен обобщенный химический компонент. Учитывается массообмен между фазами. Принимается во внимание существенное различие в характерном размере клеток и пор, заполненных внеклеточной жидкостью. Уравнения, описывающие перемещение внутриклеточной жидкости и распределенного в ней компонента, содержат слагаемые, связанные с присутствием распределенных осмотических барьеров. Рассмотрены гипотезы, позволяющие замыкать полученную систему уравнений.
Бесплатно
Статья научная
Предложен метод учета нелинейности упругого поведения роговицы глаза, позволяющий эффективно оценивать влияние этого фактора на результаты экспериментов и клинических измерений. Роговица моделируется однородной изотропной безмоментной упругой поверхностью. Ее упругие свойства определяются неквадратичной зависимостью энергии деформации от компонент тензора деформации. Деформации считаются малыми. При максимально простой экспоненциальной форме этой функции появляется лишь один дополнительный параметр по сравнению с линейным случаем. Модель тестирована на задаче о раздувании роговицы давлением, которая соответствует экспериментам с изолированной роговицей. Предсказания линейной модели не согласуются с экспериментальными данными, тогда как предложенная экспоненциальная модель хорошо их описывает. Модель позволяет рассмотреть нелинейное поведение роговицы с учетом ее реальных механических свойств и минимального количества параметров. Использование нелинейной модели целесообразно в тех случаях, когда в рассматриваемом процессе внутриглазное давление и напряженное состояние роговицы меняются значительно, вследствие чего линеаризация определяющего соотношения может приводить к заметным ошибкам.
Бесплатно
Математическая модель структурной перестройки костной ткани
Статья научная
Рассмотрены основные научные подходы к решению фундаментальной задачи биомеханики живых тканей, состоящей в разработке математической теории структурной перестройки твердых биологических тканей, детерминированной процессом дифференциации клеток и управляемой внешним силовым полем. Представлены обобщенная динамическая модель изменяющейся пороупругой сплошной среды и математический алгоритм, концептуально описывающий процесс структурной перестройки костной ткани под действием внешнего механического стимула периодического характера. Модель предполагает, что индуцируемые потоки жидкости в системе микропор костного вещества, возникающие в результате деформаций костного матрикса, наряду с самими упругими деформациями играют существенную роль механического регулятора, ответственного за репаративную регенерацию ткани. Для численного анализа построенной математической модели предложены численные алгоритмы, на основе которых может быть разработано программное обеспечение для компьютерного моделирования процесса костной перестройки. Математическая модель дает возможность исследовать процессы восстановления поврежденных костных элементов опорно-двигательного аппарата человека при наличии динамической нагрузки и теоретически обосновать выбор оптимального периодического воздействия на поврежденные ткани с целью их скорейшего и устойчивого заживления.
Бесплатно
Статья научная
На основе уравнений диффузии – реакции рассмотрена система двух конкурирующих за единый ресурс родственных популяций. Дана простая математическая формулировка исследуемой задачи, учитывающая диффузионные процессы и локальное взаимодействие между членами изучаемого биологического сообщества в условиях неоднородности среды обитания. С использованием концепции идеального свободного распределения (ИСР) для одной из двух популяций построена модель эволюционно стабильной стратегии (ЭСС), приводящей к ее долговременному устойчивому существованию. Проанализированы стационарные решения системы и условия их устойчивости на одномерном ареале с неравномерным распределением ресурса. Сформулированы принципы (правила поведения), выполнение которых обеспечивает реализацию ЭСС выбранной популяции. Для численного решения начальнокраевой задачи применяется модифицированный интегроинтерполяционный метод с дискретизацией на основе смещенных сеток. На основе реализованного в среде MATLAB комплекса программ SPECIES21 проведена серия вычислительных экспериментов, устанавливающая степень влияния трех ключевых факторов (начальных распределений популяций, коэффициентов диффузии и конкурентного взаимодействия) на поведение системы.
Бесплатно
Математические модели лазерной коррекции миопии методами ЛАСИК, SMILE и ФРК
Статья научная
Исследуется изменение напряженно-деформируемого состояния внешней оболочки глаза для случая роговицы, ослабленной в ее центральной части в результате хирургической коррекции миопии. Корнеосклеральная оболочка глаза моделируется двумя сопряженными трансверсально-изотропными сферическими сегментами переменной толщины, с разными радиусами кривизны и биомеханическими свойствами. Роговица представляется многослойной оболочкой. Предполагается, что составная оболочка заполнена несжимаемой жидкостью. В программном пакете ANSYS Inc. выполняется построение трех различных математических моделей, описывающих операции лазерной коррекции зрения: удаление лентикулы через небольшой разрез ( SMILE ), лазерный кератомилез (ЛАСИК) и фоторефрактивную кератэктомию (ФРК). Диаметр и толщина лентикулы в модели операции SMILE , диаметр зоны абляции и максимальная толщина (глубина) абляции роговицы в моделях ЛАСИК и ФРК определяют область оптической хирургии и рассматриваются как сопоставимые параметры при сравнении представленных моделей. Конечно-элементное моделирование показывает, что после коррекции зрения методом ЛАСИК центральная часть роговицы имеет наибольшее смещение, а также большие напряжения в строме, чем после SMILE и ФРК. Показано влияние многослойной структуры роговицы и упругих характеристик склеры на биомеханику глаза в результате коррекции зрения.
Бесплатно
Статья научная
Цель исследования оценить прогностическую ценность нового комплексного параметра - реологического коэффициента красной крови, который является расчетным индексом следующих величин: общее количество эритроцитов в RBC [1012/л], объем эритроцитов MCV [fl], распределение эритроцитов RDW [%], средний гемоглобин MCH [pg]. В данной работе исследовалась реология крови у практически здорового населения сел Сачхерского района Грузии (Сареки, Саирхе, Чорвила). Для определения валидности реологического коэффициента красной крови с другим параметром, изучающим реологический статус крови, обследовалась группа пациентов с артериальной гипертензией. Реологический статус исследовали с помощью метода Georgian Technique и сравнивали данные с реологическим коэффициентом красной крови и, таким образом, определили эквивалентность этих методов. Использование реологического коэффициента красной крови повысит информативность и расширит область применения исследований реологии крови при существенном уменьшении затрат пациента, лечебного учреждения и здравоохранения в целом.
Бесплатно
Статья научная
Выполнено математическое моделирование деформации глазного яблока, нагруженного тяжелым штампом с плоским основанием, что соответствует тонометрии по Маклакову. Моделирование осуществляется в рамках развиваемого авторами общего подхода, представляющего глазное яблоко как совокупность деформируемой двумерной поверхности (роговица) и нульмерного элемента, откликающегося изменением объема на изменения внутриглазного давления (склеральная область). Поведение обоих компонентов считается упругим: линейно для склеральной области и нелинейно для роговицы. Для последней использована разработанная авторами ранее экспоненциальная модель, в которой нелинейность упругих свойств роговицы характеризуется единственным параметром. Расчеты проводились в диапазоне значений параметра нелинейности, оцененном на основании данных о растяжении изолированной роговицы давлением. Показано, что учет нелинейности приводит к увеличению разницы между давлениями в нагруженном и ненагруженном глазу (тонометрической разности) и возрастанию наклона зависимости тонометрического давления от веса груза (коэффициента эластоподъема) при эластотонометрии. Рассчитанные поправки позволяют предложить уточнения для методики обработки данных клинических измерений. Однако такого рода выводы следует рассматривать как предварительные: окончательные оценки параметра нелинейности для живых глаз отсутствуют и должны быть получены в результате сопоставления результатов расчета с клиническими исследованиями. В частности, необходимо выяснить, в какой степени значения этого параметра индивидуальны и могут различаться для разных глаз.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается математическое моделирование поясничного отдела позвоночника со сниженной минеральной плотностью костной ткани. Основное внимание уделяется сравнению биомеханических характеристик двух стабилизационных систем: ригидной интерламинарной стабилизации (РИС) и транспедикулярной фиксации (ТПФ). В исследовании применялось математическое моделирование методом конечных элементов (МКЭ) для оценки распределения напряжений и деформаций в модели поясницы при ТПФ и РИС. Наряду с этим использовались данные компьютерной томографии пациентов, что позволило учесть анатомические особенности позвонков и свойства костной ткани. Оценку биомеханических эффектов стабилизационных систем производили при различных типах движения: осевая сжимающая нагрузка (имитация вертикальной нагрузки в положении стоя (50 кгс)), сгибание, разгибание, наклоны вбок (боковые наклоны с учетом асимметричной нагрузки на межпозвонковые диски и связки), скручивание (ротационные нагрузки с оценкой устойчивости имплантатов). Выявлено, что ТПФ сопровождается повышенными нагрузками на смежные позвонки, что увеличивает риск синдрома смежного сегмента. РИС позволяет более равномерно распределять нагрузки, однако повышает напряжения в дугах позвонков. Данные моделирования согласуются с результатами зарубежных и отечественных исследований, подтверждая необходимость индивидуального подхода к выбору метода стабилизации у пациентов с остеопорозом. РИС предпочтительна для пациентов с остеопорозом, в то время как ТПФ остается стандартом при выраженной нестабильности.
Бесплатно
Статья научная
Тритерпеноиды – класс природных соединений ациклической или полициклической структуры, широко представленных в растительном мире. Типичный представитель данного класса – пентациклический тритерпеноид бетулин – относится к наиболее значимым источникам фармакологически активных соединений. Синтез новых производных бетулина осуществляется как химическими, так и биокаталитическими методами. Перспективным интермедиатом в синтезе противоопухолевых и противовирусных агентов является 3-оксобетулин, продукт направленной окислительной биотрансформации бетулина актинобактериями рода R hodococcus. В настоящей работе проведено экспериментальное исследование процесса биотрасформации бетулина в 3-оксобетулин нерастущими клетками родококков. Подобраны условия процесса биотрансформации бетулина, при которых выход целевого продукта составляет свыше 50%. Исследована динамика образования 3-оксобетулина в процессе биотрансформации бетулина в условиях использования различных концентраций субстрата. На основе экспериментальных данных определены кинетические закономерности процесса биотрансформации в зависимости от уровня рН, концентрации используемой биомассы и концентрации вносимого субстрата. Проведено феноменологическое рассмотрение биомеханики процесса биотрансформации бетулина, которая определяется механикой движения клеток родококков и окружающей их жидкости с субстратом. При использовании различных вариантов метода наименьших квадратов разработан методологический подход к математическому моделированию и определены кинетические константы процесса окислительной биоконверсии бетулина. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами разработанной теоретической модели. Выбор оптимальных значений параметров процесса биотрансформации бетулина иллюстрируется моделью поверхности отклика. Полученные данные могут быть использованы для дальнейшей оптимизации процесса биокаталитического синтеза 3-оксобетулина.
Бесплатно
