Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 830
Анализ импедансных характеристик дыхательной системы животных и человека
Статья научная
Целью исследования являлась модификация метода импульсной осциллометрии дыхательной системы биообъектов в интересах возможности его применения для экстраполяции медико-биологических эффектов воздействия экстремальных физических факторов условий профессиональной деятельности с животных на человека. Метод основан на верифицированном алгоритме определения импедансных характеристик легких человека (резонансной частоты, активной и реактивной частотно-зависимых компонент импеданса) с помощью двухмикрофонной техники. Измерение импедансных характеристик дыхательной системы животных (30 крыс, 15 кроликов и 15 овец) в диапазоне частот от 5 до 100 Гц проводили на декапитированных животных при присоединении трахеи к экспериментальной установке, включающей громкоговоритель, волновод, два измерительных микрофона, импедансную стенку и соединительную трубку, предназначенную для подключения установки к трахее. Импедансные характеристики дыхательной системы у людей (40 спортсменов в возрасте 20-30 лет) в том же частотном диапазоне измеряли в процессе свободного дыхания: на окончание волновода в качестве перфорированной панели устанавливали стандартный загубник. В результате измерений определяли частоту резонанса дыхательной системы, коэффициент поглощения акустических колебаний, резистанс на частоте резонанса и акустическую добротность дыхательной системы. Результаты теоретико-экспериментальных исследований свидетельствуют, что резонансные частоты дыхательной системы у людей, кроликов и овец близки между собой, а резонансные частоты дыхательной системы крыс и человека существенно отличаются. Это позволяет использовать кроликов и овец в качестве адекватной биологической модели при экстраполяции результатов воздействия экстремальных факторов с животных на человека в части состояния дыхательной системы. Экстраполяцию аналогичных результатов с крыс на человека необходимо проводить с учетом соотношения импедансных характеристик дыхательных систем.
Бесплатно
Анализ кинематики разбега в соревновании по прыжкам в длину у спортсменов мужской команды Иордании
Статья научная
Целью исследования было изучение кинематических переменных на этапах разбега и отталкивания вверх, а в дальнейшем исследование взаимосвязи между этими кинематическими переменными у спортсменов иорданской мужской команды в соревнованиях по прыжкам в длину. Для этого было выбрано четыре элитных прыгуна мужского пола из иорданской мужской команды (возраст (18 ± 0,6) лет; рост (180 ± 2) см; масса (72 ± 2) кг; длина ноги (87 ± 1) см; тренировочный стаж (4 ± 0,58) лет). Испытуемых снимали цифровыми видеокамерами ( Nikon D 3400, 60 кадров в секунду). Первая камера была размещена на расстоянии 20 м в сторону от центра пробега для захвата шагов, вертикальная высота камеры составляла 1,2 м. Вторая камера была расположена для захвата последних двух шагов и фазы отталкивания вверх, эта камера была размещена на расстоянии 8 м в сторону от последних двух шагов для захвата других переменных исследования, вертикальная высота камеры составляла 1 м. Видеоданные были получены с помощью программы Kinovea (версия 0.8.27 × 64), где анализировалась лучшая попытка. Это исследование включало 15 кинематических переменных. По полученным результатам можно сделать вывод, что испытуемые демонстрируют асимметричные результаты по большинству исследуемых переменных, за исключением переменной «время приземления». Кроме того, один интересный вывод состоит в том, что высота центра масс при отталкивании вверх является единственной переменной, которая имеет статистически значимую связь с дальностью достижения ( r = 0,949). В итоге рекомендуется создание кинетического файла для каждого прыгуна в длину.
Бесплатно
Статья научная
В работе проведен кинематический анализ движений при выполнении соревновательного упражнения «подъем по штурмовой лестнице на четвертый этаж учебной башни». Упражнение состоит из четырех этапов, на каждом из которых измерялись параметры соревновательного бега (время, скорость, количество беговых шагов, их длина и частота). Характеристики были найдены на основе видеоанализа соревнований, в которых участвовали ведущие спортсмены. Полученные данные позволяют оценить эффективность выполнения упражнений и являются основой для построения биомеханических моделей в дальнейшем.
Бесплатно
Статья научная
Исследования связаны с разработкой видеотактильного датчика (сенсора), предназначенного для пальпации тканей во время проведения малоинвазивных хирургических операций. Датчик состоит из микровидеокамеры, источника света, системы фокусирующих линз и чувствительного элемента (головки), изготовленного из упругого прозрачного материала. Целью выполненного исследования является построение алгоритмов обработки информации, получаемой в процессе контактного взаимодействия головки датчика с исследуемой тканью, и проведение сравнительного анализа влияния формы и материала головки на снимаемую при индентировании информацию. Разработана математическая модель контактного взаимодействия чувствительной головки сенсора с мягкой биологической тканью, позволяющая оценить характеристики напряженно-деформированного состояния внедряемой головки и исследуемой ткани, включая контактные характеристики, которые доступны измерению при индентировании, такие как радиальные перемещения точек поверхности головки сенсора, размер области контакта, распределение контактных напряжений. Рассмотрено два типа головки сенсора: в форме сплошного и полого сферических сегментов. Методом конечных элементов выполнена серия расчетов по изучению напряженно-деформированного состояния взаимодействующих тел вблизи области контакта. Для сплошной головки в области малых упругих деформаций полученное численное решение сопоставлено с классическим решением задачи Герца. Построено распределение радиальных компонент перемещений по внешнему контуру головки сенсора при различных соотношениях модулей упругости сенсоров и мягкой биологической ткани. По результатам расчетов определено, что наиболее чувствительным к величине перемещений рисок, нанесенных на внешней поверхности головки, является индентор в форме оболочки. На основании проведенных исследований даны рекомендации по выбору формы и материала головки искусственного тактильного сенсора.
Бесплатно
Статья научная
Определены морфометрические и фрактальные характеристики нативных и апоптотических клеток MCF-7 на основе анализа фазово-контрастных изображений, полученных с использованием лазерной интерференционной микроскопии. Клетки MCF-7 культивировались в стандартных условиях. Фазовые изображения клеток получены с использованием лазерного интерференционного микроскопа МИМ-340 на базе Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук. Исследовано 30 нативных и 30 апоптотически измененных под действием доксорубицина клеток MCF-7. В результате обработки полученных фазовых изображений выделен контур клеток, по которому определены морфометрические показатели и фрактальная размерность контура фазового изображения клеток. В качестве геометрических характеристик фазового изображения клетки выбраны максимальный и минимальный диаметры, периметр и объем фазового изображения клетки. Вычислена фрактальная размерность контура фазового изображения как масштабно инвариантный показатель, характеризующий изрезанность контура клетки. Сравнительный анализ морфологии нативных и апоптотических клеток MCF-7 позволил дифференцировать исследуемые клетки с использованием двухвыборочного непараметрического теста Уилкоксона-Манна-Уитни.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе при различных условиях нагружения анализируется напряженно-деформированное состояние в проксимальном эпифизе бедра, пораженного болезнью Легга-Кальве-Пертеса. Построены и использованы три численных конечно-элементных модели нормального, варусного и вальгусного проксимального эпифиза. В моделях учитываются гетерогенность ткани и различные углы между шейкой и диафизом бедра. В результате обнаружено, что положение головки бедра в вертлужной впадине тазобедренного сустава и условие нагружения оказывают влияние на распределения и значения напряжений и деформаций в бедре.
Бесплатно
Статья научная
Вентральные декомпрессивно-стабилизирующие оперативные вмешательства являются наиболее распостраненными и наименее травматичными в хирургии шейного отдела позвоночника. Имплантация телозамещающих конструкций - важный этап при реализации задач, стоящих перед хирургом. Наряду с неоспоримыми преимуществами использования конструкций различных модификаций имеется определенный риск их миграции ввиду несовершенства методов крепления к телам позвонков. Целью работы явился анализ напряженно-деформированного состояния модели шейного отдела позвоночника с замещенным С5 позвонком телескопическим телозамещающим протезом. Рассмотрены варианты крепления протеза одним и двумя монокортикальными винтами. Получены критические величины напряжений в системе «фиксирующий элемент - тело позвонка» при различных физиологических положениях шейного отдела позвоночника: осевая нагрузка, сгибание, разгибание, ротация. Проведен анализ влияния способа фиксации на распределение нагрузки на основные опорные элементы позвоночно-двигательного сегмента. Полученные данные могут использоваться при оптимизации конструктивных особенностей телозамещающих имплантатов с целью минимизации послеоперационных осложнений.
Бесплатно
Анализ основных причин несращений и способов остеосинтеза переломов шейки бедра
Статья научная
Число несращений и других осложнений при остеосинтезе переломов шейки бедра по-прежнему остается на высоком уровне и достигает 10-30% от общего числа оперативных вмешательств. Снижение числа осложнений, в первую очередь несращений отломков, является актуальной проблемой, что стимулирует исследования по данной тематике. Целью настоящей работы является критический анализ научной информации о причинах несращений и клинического опыта применения различных способов остеосинтеза как основы создания биомеханических моделей, необходимых для совершенствования методики хирургического лечения переломов шейки бедра. В представленном обзоре рассматриваются публикации за полувековой период (1965-2015-е годы). В большинстве работ этого периода исследуется остеосинтез резьбовыми фиксаторами с диафизарными накладными пластинами и без них, который обеспечивает различную жесткость системы «фиксатор-кость». Существуют различные мнения о причинах несращений. Среди них наиболее обоснованными являются: 1) недостаточное кровоснабжение отломков при идеальной или близкой к ней репозиции; 2) нестабильность фиксации отломков, возникающая вследствие перенапряжения и резорбции кости под витками резьбы при чрезмерном закручивании фиксаторов. В публикациях, посвященных способам остеосинтеза, рассматриваются в основном два вида существующих оперативных вмешательств, различающихся сроками осевой нагрузки на оперированную конечность. Согласно методике 1 система «фиксаторы-кость» подвергается нагрузкам, приближающимся к физиологическим. Методика 2 предполагает движение больного в течение всего периода сращения без опоры на оперированную конечность. При этом наблюдаются лучшие условия сращения.
Бесплатно
Анализ основных элементов фиксации аппарата для внешнего остеосинтеза
Статья научная
В целях определения степени стабильности остеосинтеза выделены четыре основные системы фиксации, которые основываются на взаимодействии фиксатора и отломков: 1) фиксатор - кость, та часть элемента, которая в непосредственном контакте с костью; 2) промежуточное звено, это пространство между костью и несущей частью фиксатора; 3) фиксатор - фиксатор, взаимосвязь отдельных деталей и узлов фиксатора; 4) кость - кость через фиксатор. В настоящей работе рассматриваются основные методы и подходы сопротивления материалов для первого звена фиксатор - кость, которые могут быть использованы для выбора компонентов конструкции аппарата внешней фиксации, обеспечивающей требуемые жесткость и прочность. Приведены расчетные схемы и определяющие соотношения для расчета элементов аппарата, обеспечивающие его прикрепление к кости. На основании проведенных расчетов построены графики и таблицы для подбора элементов внешнего фиксатора, а также определены перемещения элемента аппарата в зависимости от нагрузки на него.
Бесплатно
Анализ причин возникновения воспалительных заболеваний сосудистого тракта глаза
Статья научная
Исследуется связь между причиной возникновения увеита и результатами комплексного обследования пациентов. Приведена методика определения причины возникновения увеита у обследуемого пациента, которая основывается на использовании элементов теории нечетких множеств и заключается в построении нечеткого отношения между результатами обследования некоторой выборки пациентов и причинами возникновения у них увеита. Преимуществом применения методики, основаной на использовании элементов теории нечетких множеств, является возможность построения связи, которую достаточно сложно описать аналитически с приемлемой точностью. Данная методика отличается от известных тем, что рассматривает достаточно широкий спектр причин возникновения увеита, а также дает возможность определить его причину с достаточной точностью при относительно небольшом количестве исследуемых пациентов. Методика была применена на выборке из 70 пациентов с односторонним увеитом, для каждого из которых известны результаты комплексного клинико-лабораторного обследования и определены 117 наиболее значимых показателей. Для определения связи между результатами комплексного обследования пациента и причиной возникновения увеита были использованы данные 65 из 70 больных, а остальные 5 пациентов отобраны для проверки получаемой точности определения причин возникновения увеита. Дополнительная верификация приведенной методики проводилась на основании данных шести пациентов с двухсторонним процессом. Для реализации разработанной методики был создан программный комплекс.
Бесплатно
Анализ прочности большой подкожной вены человека как материала для протезирования артерий
Статья научная
Проведены механические испытания образцов большой подкожной вены человека на статическое растяжение. Установлено, что значимыми факторами, влияющими на предел прочности венозной ткани, являются наличие варикозной трансформации ( p = 0,00123) и толщина сосудистой стенки ( p
Бесплатно
Анализ развития понятия «центр сопротивления зуба»
Статья научная
Целью данной статьи является обзор научных публикаций, посвященных исследованию ортодонтического перемещения зубов с помощью центра сопротивления зуба, и анализ накопившихся знаний для привлечения интереса к данной теме. Авторы постарались охватить весь период функционирования данного понятия в науке, начиная со статьи, в которой оно встречается впервые, включая период наибольшего развития в 80-х гг. и заканчивая современными и новейшими исследованиями. Практически все работы по этой тематике были опубликованы в иностранных научных журналах, однако имеется часть и русскоязычных статей. Обзор включает в себя различные трактовки понятия «центр сопротивления зуба», предложенные рядом авторов, исследовавших его свойства, упоминаются некоторые похожие (центр вращения, центр жесткости) и альтернативные приемы (область сопротивления, центр упругости, оси сопротивления) исследования перемещения зубов, их общие черты и отличия от понятия «центр сопротивления», его условия существования, зависимость положения данного центра от каких-либо факторов. Статья может быть интересна как практикующим врачам и ученым-ортодонтам, так и биомеханикам, так как при подготовке обзора внимание было уделено не только медицинским аспектам исследования центра сопротивления (свойства элементов зубочелюстной системы, подвижность зубов), но и теоретическим (необходимые и достаточные условия существования, математические модели).
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваемая модель описывает регуляцию тестостерона с помощью распределенного контроля обратной связи. Он предназначен для поддержания концентрации тестостерона на соответствующем уровне. Предлагается управление распределенной обратной связью с интегральным членом. Это приводит нас к анализу интегродифференциальной системы, которая описывает связь между концентрацией гормонов GnRH и LH и концентрацией тестостерона. Предлагается контроль в виде интегрального оператора, т.е. распределяется обратная связь, которая позволяет поддерживать подходящий уровень тестостерона без потери стабильности биологической системы.
Бесплатно
Анализ статических положений при выполнении упражнений в гиревом спорте
Статья научная
Соревновательные упражнения гиревого спорта имеют в своем составе как динамические действия, так и статические положения. В толчке гирь по длинному циклу к таким положениям относятся исходное положение перед выталкиванием и фиксация гирь сверху, занимающие более четверти общего времени выполнения упражнения. От величины мышечных усилий, необходимых для удержании позы и сохранения равновесия в статических положениях, зависят экономия энергии и условия для восстановления в каждом цикле движения. Цель работы состоит в сравнительном анализе характеристик статических положений, включающих моменты силы тяжести относительно осей суставов нижних конечностей и углы устойчивости системы «спортсмен - снаряд» в переднем и заднем направлениях при выполнении соревновательного и специальных упражнений. Рассмотрены следующие специальные упражнения, направленные на развитие силовой выносливости: толчок по длинному циклу с гирями весом меньше и больше соревновательного; жим двух и одной гирь; заброс двух и одной гирь; становая тяга штанги; полуприсед с двумя гирями на плечах; полуприсед со штангой на груди; пружинящий полуприсед с подъемом на носки со штангой на плечах. Определена достоверность различий характеристик статических положений при выполнении соревновательного и специальных упражнений десятью высококвалифицированными спортсменами. Показано, что соревновательному упражнению наиболее соответствуют толчок по длинному циклу гирь весом 34 кг, заброс двух гирь 34 кг и одной гири 32 и 34 кг. Данные упражнения оказывают необходимое силовое воздействие и в то же время способствуют сохранению сложившегося у спортсменов двигательного стереотипа, не нарушая оптимальной техники движений. Устойчивость системы «спортсмен - снаряд» остается достаточно высокой при выполнении всех рассмотренных упражнений. Углы устойчивости в переднем направлении находятся в диапазоне 5,8±0,4 - 10,6±0,5°, в заднем направлении - 5,2±0,3 - 8,4±0,4°.
Бесплатно
Антропоморфная мехатроника для спорта и медицины
Статья научная
Описаны перспективы развития и внедрения в практику спорта и медицины антропоморфной мехатроники. Главными объектами исследования выступили спортивные и медицинские экзоскелеты. Основная функция спортивного экзоскелета - это создание благоприятных искусственных условий для формирования и повышения эффективности спортивной техники. Технология предлагает совершенно новый подход к передаче «спортивных» знаний, формированию умений и навыков. В отличие от привычной работы тренера по аудиовизуальным каналам спортивный экзоскелет существенный объем информации передает через проприоцептивные каналы (ощущения) при выполнении реального, а не идеомоторного упражнения. Таким образом, контроль при управлении собственными сегментами тела спортсмена осуществляется самостоятельно на основе полученных данных от своего тела, а не вследствие образной обратной связи от тренера. В этом и заключается основной эффект воздействия на спортсмена, за счет которого можно существенно повысить скорость передачи обучающей информации и как следствие скорость освоения эффективной техники. Применение экзоскелетов в восстановительной медицине прежде всего обусловлено необходимостью комплексного решения в реабилитации больных с нарушением или утратой двигательной функции вследствие перенесенных заболеваний различной этиологии. При этом экзоскелет выполняет функцию механизма, задающего движение выбранного сегмента тела. Управление таким экзоскелетом осуществляется посредством специального интерфейса «мозг-компьютер». Задача подготовки медицинского персонала с применением роботизированных комплексов в целом совпадает со спортивными задачами, связанными с формированием устойчивого двигательного навыка и совершенствованием техники двигательного действия. Медицинский экзоскелет в таких случаях выполняет роль тренажера для отработки структуры и заданных характеристик движения при выполнении соответствующих операций.
Бесплатно
Асимптотическое исследование транспортных процессов в корне растения
Статья научная
На основе континуальной математической модели проведено асимптотическое исследование одномерной стационарной задачи о радиальном транспорте воды и растворенного в ней химического компонента в корне. Модель основана на представлении растительной ткани в виде твердого каркаса, заполненного двухфазной жидкостью (внеклеточной и внутриклеточной). Обе фазы содержат растворенное вещество. Рассматривается случай отсутствия барьера для перемещения внеклеточной жидкой фазы. Продемонстрирована высокая степень совпадения численного и асимптотического решений, что подтверждает пригодность используемого численного метода для рассматриваемой задачи.
Бесплатно
Атомно-силовая микроскопия структурно-механических свойств мембран эритроцитов
Статья научная
Проведен анализ морфологии и упругих свойств клеток крови методом атомно-силовой микроскопии. Выполнены количественные оценки модуля упругости клеточной мембраны в режиме силовой спектроскопии. Установлены значения модуля упругости эритроцитов в зависимости от локализации области индентирования и времени воздействия зондом на поверхность мембраны. Показана существенная зависимость результатов оценки модуля упругости от скорости воздействия индентором на клеточную мембрану. Обсуждается необходимость регламентирования условий измерений для получения сопоставимых количественных оценок.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассмотрено биомеханическое давление, определяющее развитие и функционирование всех структур и функций жевательного аппарата, включая проводящую систему и систему кровообращения. Показано влияние дефектов зубного ряда на зубочелюстную систему, носящее характер атрофического синдрома.
Бесплатно
Биологические напряжения в живых тканях. Вопросы моделирования и управления
Статья научная
Авторы данной работы выдвигают тезис о единообразности математического описания температурных, остаточных и ростовых напряжений, имеющих место в различных процессах в живой ткани. Обоснованием такого предположения служит формализация в виде общей математической модели. Модель предполагает существование упругих деформаций, а также неупругих: ростовых, температурных и других деформаций. Предлагаются две постановки задачи: в перемещениях и в напряжениях. В работе проведен теоретический анализ постановки задачи определения напряженно-деформированного состояния, позволивший выделить ряд основных свойств решения поставленной задачи, в частности, единственность классического и обобщенного решений. К основным результатам данной работы следует отнести формулировки и доказательства теорем. В первой теореме определяются необходимые и достаточные условия создания в теле заранее заданных биологических напряжений, причем результат не требует решения самой задачи об определении напряжений в теле. Второй важный результат позволил связать неупругие (ростовые) деформации, не создающие напряжений в теле, и силы. Оказалось, что в самой общей постановке и в дифференциальной в частности такие деформации равны некоторым силовым деформациям, созданным распределением объемных и поверхностных сил. Этот результат позволяет говорить о совместности деформации в задачах, где нет достаточного уровня производных.
Бесплатно
Статья научная
На сегодняшний день основной причиной смертности в мире остаются заболевания сердечно-сосудистой системы. При этом сочетанная патология артерий шеи и головы, при которой атеросклерозом поражены сонные артерии, а также наблюдается изменение кровотока в позвоночных артериях или в виллизиевом круге (ВК) в силу аплазии соединительной артерии, существенно повышает риск образования аневризм и их последующего разрыва. Оценка степени риска возникновения осложнений при таком типе патологического состояния может позволить врачу своевременно приступить к профилактическим мерам в конкретных клинических случаях. В работе представлены результаты моделирования различных вариантов сочетанных патологий в артериях шеи и головы. Рассматриваемый сегмент включает участки общих сонных, наружных и внутренних сонных артерий (ВСА), а также сосуды виллизиева круга и базилярную артерию. Основной идеей исследования было создание прогнозной модели, позволяющей оценить риски развития аневризм в виллизиевом круге и отрыва атеросклеротических бляшек в сонных артериях. Такая система может быть полезна врачам в рутинной практике при планировании тактики лечения у пациентов с сочетанными патологиями артериального русла. На основе анализа литературы выявлен ряд патологий артериальной системы шеи и головы, наиболее часто встречающихся в различных комбинациях: с точки зрения геометрических особенностей рассматривались стенозы ВСА 30 и 70 % и аплазия (отсутствие) одной из соединительных артерий. Кроме того, учитывается характер кровотока в базилярной артерии, который при синдроме позвоночно-подключичного обкрадывания может менять направление. На основе анализа массовых кровотоков и касательных напряжений выделяли две степени риска образования аневризм. Высокий риск соответствует случаям, для которых обе этих величины статистически значимо отличались от нормы. Средний риск соответствует случаям, для которых статистически значимо от нормы отличалась только одна из величин. Для моделей, содержащих атеросклеротические бляшки, были сведены в таблицы данные о касательных и нормальных напряжениях на поверхностях атеросклеротических бляшек. На основе анализа выборок для каждого случая был определен риск отрыва бляшки с каждой стороны, выявлено 11 сочетаний патологических состояний с повышенным риском.
Бесплатно
