Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 830
Механизм возникновения «мертвой точки» при приседании со штангой в пауэрлифтинге
Статья научная
Цель исследования заключалась в изучении механизма динамических перегрузок опорно-двигательного аппарата атлета и механизма возникновения «мертвой точки» в пауэрлифтинге с позиций биомеханики. Проведен эксперимент с участием четырех пауэрлифтеров высокой квалификации. Они выполняли приседание со штангой на плечах массой 60 и 80% от максимума. Движения регистрировались с помощью видеокамеры в сагиттальной плоскости с частотой 60 кадров в секунду. Центры суставов нижних конечностей были отмечены контрастными маркерами. Координаты маркеров оцифровывались автоматически. Были рассчитаны углы в суставах, угловые скорости и ускорения звеньев нижних конечностей, а также скорость и ускорение центра тяжести штанги. Активное разгибание тазобедренного сустава начинается спустя 0,15–0,25 с после нижней точки приседания. Ускорение общего центра тяжести штанги при вставании из нижней точки изменяется в пределах от 2 до 6 м/с 2. На основании данных об ускорении общего центра тяжести штанги были рассчитаны динамические перегрузки на опорно-двигательный аппарат спортсмена во время преодоления «мертвой точки». При массе штанги 160 кг (80% от максимума) и ускорении 2 м/с 2 динамическая нагрузка составила 1920 Н, при ускорении 6 м/с 2 – 2560 Н. Таким образом, пиковые динамические перегрузки опорно-двигательного аппарата при максимальных значениях ускорения ощущаются атлетом как «мертвая точка». Они наблюдаются в диапазоне углов от 28 до 31° между бедром и горизонтальной плоскостью. Исключить мертвую точку нельзя, но возможно уменьшить динамические перегрузки за счет более равномерного вставания из нижней точки приседа.
Бесплатно
Механика горных лыж: поворот с боковым проскальзыванием и вибрацией на карвинговых лыжах
Статья научная
В опубликованных к настоящему времени работах, рассматривающих вопрос о математическом моделировании горнолыжного скользящего поворота, не учитывается параметры характерного для конструкции современных горных лыж бокового выреза определенного радиуса. Наличие такого выреза является одним из главных факторов поведения лыжи при выполнения любого поворота, включая поворот с боковым скольжением. Представленная работа посвящена созданию численной модели движения механической системы "лыжник-лыжник" при выполнении поворота на карвинговых лыжах с боковым проскальзыванием и вибрацией. При этом рассматривается поворот в условиях относительного равновесия в системе отсчета, связанной с движущимся центром масс и с учетом управляемой лыжником ангуляции. В качестве основного допущения модели принимается предположение, что движение в скользящем повороте можно разложить на ортогональные направления: боковое скольжение и движение вдоль лыж по алгоритму, соответствующему чистому резаному повороту (карвингу). В модели производится учет сил сопротивления движению - силы трения скольжения и силы аэродинамического сопротивления. Для большей общности и универсальности разработанная численная модель реализована для безразмерных параметров движения, а именно для описания безразмерных кинематических характеристик движения центра масс рассматриваемой механической системы. Получена система интегральных уравнений, с помощью которой можно найти скорость, время и траекторию движения центра масс, а также оценить углы, характеризующие положение тела лыжника и его лыж относительно склона при различных, задаваемых спортсменом стилевых ангуляциях. Созданная модель проиллюстрирована решением задачи для различных управляемых лыжником зависимостей угла скольжения.
Бесплатно
Механика жидкости в периваскулярном пространстве
Статья научная
Периваскулярное пространство в мозге является важным транспортным путем для доставки интерстициальной жидкости и растворов. Течения жидкостей в периваскулярном пространстве, которые играют важную роль в физиологии, могут влиять на эти транспортные процессы. В данной работе был проведен теоретический анализ для исследований биомеханики жидкости в периваскулярном пространстве. При некоторых допущениях и аппроксимациях было получено аналитическое решение проблемы. Был выявлен физический смысл решения и, в частности, изучены последствия индуцированного потока жидкости в рамках метода конвекционно-усиленной доставки лекарств (convection enhanced delivery). Было обнаружено, что перистальтическое движение стенок кровеносных сосудов может обеспечивать транспортировку жидкостей и растворов в периваскулярном пространстве.
Бесплатно
Механика формирования зоны роста в корнях растений
Статья научная
Предложена одномерная модель роста корня в зоне растяжения. Рост рассматривается как необратимая деформация твердой фазы (клеточных стенок), которая управляется механическими напряжениями в этой фазе, формирующимися в результате взаимодействия давления в жидкой фазе (внутриклеточного) и внешней сжимающей нагрузки. Ростовая вязкость твердой фазы считается зависящей от внутреннего параметра (плотности химических связей), изменение которого описывается кинетическим уравнением, определяющим скорость формирования и распада связей. Модель позволяет описать конечность длины зоны роста растяжением, ее зависимость от внешних нагрузок и влияние нагрузок на среднюю длину клеток.
Бесплатно
Механико-математическая модель интрастромальной коррекции формы роговицы глаза при кератоконусе
Статья научная
Предложена механико-математическая модель коррекции кератоконуса роговицы глаза, которая позволяет численно моделировать деформацию и изменение формы роговицы при внедрении гибкого кольцевого импланта в заранее подготовленный для него микроканал. Импланты представляют собой два кольцевых сегмента с радиусом большим, чем радиус подготовленных каналов. Материал имплантов - полиметилметакрилат. С помощью этой хирургической операции возможно разглаживание дефекта роговицы (кератоконуса). В механико-математической модели коррекции кератоконуса решается задача совместного контактного деформирования гибких кольцевых сегментов и роговицы глаза. Для создания геометрической 3 D -модели роговицы использовались данные измерений, сделанных до и после операции коррекции кератоконуса у пациентов клиники микрохирургии глаза. Координаты реальных поверхностей роговицы были представлены в виде полиномов Цернике. На основе этой модели разработан программный комплекс, позволяющий рассчитывать изменение формы роговицы после внедрения имплантов. Предложенный метод моделирования операции коррекции кератоконуса дает возможность проводить численную оценку и оптимизацию механических свойств и геометрических параметров кольцевого импланта для достижения желаемого эффекта - исправления дефекта роговицы глаза.
Бесплатно
Механическая прочность фиксации имплантатов передней крестообразной связки
Статья научная
Разрывы передней крестообразной связки являются самым распространенным повреждением среди изолированных травм связочных структур коленного сустава, которое требует раннего оперативного вмешательства, особенно у молодых трудоспособных пациентов. Существует большое количество способов восстановления передней крестообразной связки, при которых формируют каналы в бедренной и большеберцовой костях, а трансплантат фиксируют при помощи канюлированных интерферентных винтов. Особый интерес представляют операции, когда в качестве трансплантата используются синтетические протезы на основе полиэтилентетрафталата. Задачей данного исследования явилось изучение жёсткости фиксации имплантата передней крестообразной связки при различных видах его фиксации интерферентными винтами. На примерах экспериментальной модели «имплантат - кость» было показано, что применение искусственных протезов передней крестообразной связки на основе полиэтилентетрафталата позволяет достичь изначальной жёсткости фиксации, которая даст возможность ранней полной нагрузки на коленный сустав. Наибольшей прочностью обладает система, когда имплантат фиксирован четырьмя интерферентными винтами. При фиксации имплантата двумя интерферентными винтами происходит его проскальзывание в большеберцовом канале, что несёт потенциальную опасность для больного в случае начала ранней реабилитации.
Бесплатно
Механические аспекты шинирования зубного ряда
Статья научная
В данной работе авторы обращаются к общепринятым в медицинской практике принципам, которыми руководствуются при выполнении операции шинирования зубов. Авторы делают попытку рассмотреть накопленный в стоматологии опыт, сведенный к ряду утверждений. В результате потребовался количественный анализ шинирующего и арочного эффектов методами биомеханики. Считая, что зубы передают кинематические условия нагружения на шинирующую проволоку, удалось получить постановку задачи по определению оптимальных параметров шинирующего материала с целью минимизации подвижности шинированного зубного ряда.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена проблема количественной оценки деформационно- прочностных характеристик эластомеров биологического происхождения на примере кожи человека. Проведены статические механические испытания, на основе которых получены диаграммы растяжения и релаксации образцов кожи из области живота. Представлена разработанная авторами математическая модель нелинейного вязкоупругого деформирования кожи, основанная на использовании упругого потенциала и экспоненциального ядра релаксации. Вместо обычно применяемого упругого потенциала Трелоара использован потенциал Огдена. Предложена методика идентификации параметров разработанной модели. Проведено сопоставление результатов моделирования с экспериментальными диаграммами растяжения и релаксации, а также с результатами известной расчетной методики.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена проблема количественной оценки деформационно-прочностных характеристик эластомеров биологического происхождения на примере кожи человека. В частности, определены упругие характеристики кожи, взятой из эпи- и гипогастральной зон области живота для лиц различного пола и возраста. Установлено, что в пределах названных зон упругие характеристики кожи существенно изменяются, что затрудняет их биомеханическое исследование путем проведения стандартных испытаний на статическое растяжение. Анализируется возможность установления корреляции растяжимости и сократимости кожи.
Бесплатно
Механические модели аппланационной тонометрии с учетом многослойности роговицы
Статья научная
В программном пакете Ansys моделируется измерение внутриглазного давления аппланационными тонометрами Гольдмана и Маклакова (грузом 10 г). Оценивается влияние многослойности роговицы на показания измерений. Корнеосклеральная оболочка глаза представляется сопряженными сферическими оболочками с разными диаметрами и разными упругими свойствами, при этом роговица разбивается на четыре сферических слоя.
Бесплатно
Механические модели в стабилометрии
Статья научная
Приводится описание упрощенных моделей стабилометрических измерений. Для описания движений человека приняты традиционные модели. Движение в сагиттальной плоскости описывается моделью перевернутого маятника. Движение во фронтальной плоскости описывается упрощенной моделью трехзвенника, два звена которого параллельны и опираются на пол. Эти звенья моделируют ноги, а третье звено моделирует туловище, руки и голову, которые не меняют взаимного расположения. Звенья соединены шарнирно в тазобедренных суставах. Предполагается, что плита стабилоанализатора (стабилографа) представляет собой недеформируемое твердое тело. Эти модели используются для выражения показаний стабилоанализатора через углы наклона тела и моменты в голеностопном и тазобедренном суставах. Их приближенный анализ показывает, что изменения сагиттальной и фронтальной координат центра давления в наибольшей степени характеризуют изменение моментов в голеностопном и тазобедренном суставах соответственно. Полученная оценка справедлива для произвольных по темпу движений человека и позволяет объяснить «ухудшение устойчивости» у некоторых больных в процессе реабилитации. Предполагается, что такой эффект связан с тем, что в начале реабилитационного периода у указанных пациентов ослаблена мышечный система, и нервная система осуществляет стабилизацию вертикальной позы меньшими усилиями. В ходе реабилитации мышечная система восстанавливается, и пациент может затрачивать большие усилия на стабилизацию вертикальной позы.
Бесплатно
Статья научная
В программном пакете ANSYS моделируется измерение внутриглазного давления аппланационными тонометрами Гольдмана и Маклакова (грузом 10 г) после операций по коррекции зрения с учетом многослойной структуры роговицы. Проводится сравнение показателей внутриглазного давления, получаемых после операций ЛАЗИК (LASIK) и ФРК (PRK). Роговица и склера представляются сопряженными трансверсально-изотропными оболочками с различными биомеханическими свойствами, при этом роговица разбивается на несколько слоев, различных по толщине и упругим свойствам.
Бесплатно
Статья научная
В рамках данной работы разработаны методика и прототип испытательного стенда для проведения экспериментов на сжатие образцов биологических тканей. Испытательный стенд для реализации методики состоит из высокоточных весов (точность измерений до 0.01 г, максимальная масса - 5 кг), электронного штангенциркуля (точность измерения до 0.01 мм) с изготовленными на 3D-принтере площадками, которые крепятся на захваты, а также видеокамеры. Благодаря такому мобильному стенду удалось провести серию экспериментов (в общей сложности 99 испытаний) по определению модуля Юнга атеросклеротических бляшек и участков сосудистых стенок, изъятых из организма не позднее нескольких часов. Это позволило набрать базу данных о максимально приближенных к реальным свофствам механических характеристиках бляшек. Кроме того, построены регрессионные зависимости между числами Хаунсфилда, соответствующим плотным атеросклеротическим отложениям, различимым на компьютерной томограмме, и модулями Юнга, полученными в ходе экспериментов. Такие зависимости в дальнейшем позволят определять механические свойства бляшек in vivo на основе данных компьютерной томографии. Методика была верифицирована посредством механических экспериментов на универсальной испытательной машине Instron 3342 и на мобильном испытательном стенде на образцах из твердых (с явно выраженным кальцинозом) и мягких бляшек. Для образцов каждого типа было проведено по 7 экспериментов. Результаты отличались не более чем на 4.3% для мягких бляшек и не более чем на 9.5% для твердых бляшек. Для проверки межэкспертной надежности методики был проведен ряд экспериментов с привлечением двух независимых участников. Каждый из трех операторов мобильного стенда выполнил по 5 испытаний на образцах из мягкой резины. Исследование межэкспертной надежности позволило показать независимость методики от навыков и квалификации оператора.
Бесплатно
Статья научная
Создание биосовместимых протезов трахеи для замещения дефектов данного органа, возникающих при злокачественных новообразованиях и травмах, является актуальной и нерешенной задачей медицины. Перспективным направлением служит создание тканеинженерных конструкций биопротезов трахеи на основе синтетических материалов. Как было показано ранее, матрикс трахеи, сконструированный с использованием метода 3 D -прототипирования на основе ультраволокнистного полимерного нетканого материала, армированного полиуретановыми полукольцами, обладал механическими свойствами, приближающимися к нативной трахее. Цель настоящего исследования - сравнительная характеристика механических свойств синтетического матрикса трахеи и полученной на его основе биоинженерной конструкции (биоимплантата) после заселения мезенхимальными мультипотентными (стволовыми) клетками (МСК) собак-реципиентов. Синтетические матриксы трахеи перед имплантацией экспериментальным собакам породы бигль заселяли МСК, полученными из костного мозга собак-реципиентов, которым в последующем имплантировали биоимплантаты в межмышечное пространство. Через один месяц биоимплантаты извлекали и оценивали их прочностные характеристики и показатели упругости с использованием универсальной испытательной машины «Инстрон 5965» с компьютерной системой анализа данных. Показано, что тканеинженерная конструкция на основе синтетического матрикса через один месяц после имплантации экспериментальным животным по своим механическим свойствам достоверно не отличалась от исходного синтетического матрикса трахеи на основе ультраволокнистого полимерного материала. Полученные результаты позволяют заключить, что процесс заселения синтетического матрикса трахеи клетками реципиента в условиях in vitro и при воздействии внутренней среды организма при имплантации собакам существенно не изменяет механических свойств биоимплантата, что свидетельствует о целесообразности проведения дальнейших доклинических исследований с целью оценки перспективности использования биопротеза для замещения дефектов трахеи у онкологических больных и пациентов с травмами трахеи.
Бесплатно
Статья научная
Исследованы механические свойства и фазовый состав биосовместимых покрытий для ортопедических имплантатов, состоящих из подслоя титана с развитой морфологией поверхности, на которую нанесено стеклоуглеродное покрытие с целью повышения его биосовместимости. Подслой титана толщиной 250 мкм наносили с помощью установки микроплазменного напыления МПН-004. Напыление проводили на подложки размером 10×20×2 мм из титанового сплава Grade 5 (90 % титана, 6 % алюминия, 4 % ванадия). Осаждение стеклоуглеродного покрытия осуществлялось погружением образцов в 10 % раствор стеклоуглерода в толуоле с последующей сушкой и термообработкой при 920 °С в аргоне. Процесс повторяли не менее 5-7 раз и более до получения стеклоуглеродного слоя толщиной 19-50 мкм. С помощью экспериментов по наноиндентированию были исследованы механические свойства умеренно шероховатых (около 10 мкм) и сильно шероховатых (более 100 мкм) образцов с нанесенным стеклоуглеродным покрытием и без него с последующим сравнением. Также был проведен рентгеноструктурный анализ образцов. Установлено, что нанесение стеклоуглеродного покрытия повышает не только биосовместимость исследуемого материала, но и приводит к улучшению его механических свойств.
Бесплатно
Механические свойства силиконовых маммапротезов
Статья научная
Увеличение молочных желез с помощью силиконовых имплантатов относится к одним из наиболее часто выполняемых эстетических операций. Основной причиной повторных операций и удаления имплантатов является его разрыв. Целью исследования является изучение изменения прочности и деформативности оболочки имплантатов молочных желез, приводящих к их разрыву в зависимости от условий механического воздействия на них. В работе применялись методы, используемые в механике сплошных сред при исследовании эластомеров. Проведены эксперименты на циклическое растяжение и на циклическое растяжение с нарастающей амплитудой оболочки имплантата. Испытания проводились на оболочке силиконовых грудных протезов производства Eurosilicone, Mentor и Motiva. Начальные участки кривых растяжения до 200 % показаны для оболочек имплантатов Mentor спустя 8 лет использования в организме, Eurosilicone – 8 лет и Motiva – 2 года. Все эксперименты сравнивались с кривой растяжения оболочки не использованного (контрольного) имплантата. Циклическое растяжение показало, что после первого растяжения до заданной деформации оболочка имплантата размягчается, и следующая кривая растяжения проходит гораздо ниже кривой первого растяжения. При деформации, большей предыдущего растяжения, кривая растяжения вновь выходит на начальную кривую нерастянутого образца. При наличии микроповреждений оболочки грудных протезов размягчаются (эффект Маллинза), и кривые проходят ниже кривой контрольного испытания. Показано, что прочность протеза падает со временем из-за накопления микроповреждений при систематической циклической деформации в процессе его использования в пределах 100–150 %. При больших деформациях оболочек силиконовых имплантатов прочность протезов существенно снижается, и разрыв может произойти гораздо раньше их срока годности.
Бесплатно
Механические свойства систем кость-имплантат в условиях различных способов фиксации
Статья научная
Переломы диафизов костей голени составляют до 45 % случаев от всех переломов длинных костей скелета человека и являются самыми распространенными повреждениями костей сегментов конечностей, лечение которых сопровождается большим числом осложнений, поэтому проблема улучшения результатов лечения пациентов с указанной травмой по-прежнему актуальна для современной травматологии и ортопедии. Использование компрессионно-дистракционных аппаратов, систем интрамедуллярного и накостного остеосинтеза позволяет обеспечить стабильно-функциональный остеосинтез и исключить необходимость в дополнительной гипсовой иммобилизации сегмента или конечности в послеоперационном периоде. Биомеханические взаимоотношения в системе кость-имплантат являются значимым фактором, позволяющим объективизировать режим двигательной реабилитации в раннем послеоперационном периоде. В данной работе изучены результаты стендовых испытаний групп биоманекенов большеберцовой кости в условиях экспериментального повреждения типа 42 А 1.1 (по универсальной классификации переломов АО/ASIF ), синтезированных различными видами имплантатов: системой расширяющейся фиксации Fixion , аппаратом наружной фиксации, пластинами для накостного остеосинтеза LC-DCP и системой блокируемого интрамедуллярного остеосинтеза (БИОС). Каждая исследуемая система кость-имплантат была подвергнута осевому сжатию на универсальной электромеханической разрывной машине INSTRON 1185. В результате проведенного сравнительного анализа резистентности осевому сжатию было выявлено, что любой вид фиксации повышает прочность систем в дипазоне 22-81 % по сравнению с интактными образцами. Наибольшую прочность демонстрировали системы внутрикостной фиксации, что отражает наиболее оптимальные биомеханические взаимоотношения в системе кость-имплантат.
Бесплатно
Механический анализ штифтовой конструкции с ионно-плазменным напылением
Статья научная
В данной работе рассматривается плоская конечно-элементная модель системы «покрывная конструкция-искусственная культя зуба-штифт- корень зуба-периодонт-нижняя челюсть». Цель исследования заключается в сравнении двух типов штифтовых конструкций с позиции предотвращения послеоперационных осложнений. Также анализируется изменение прочности штифтовой конструкции после обработки поверхности штифта ионно-плазменным методом, образующим пористый поверхностный слой. В результате исследования было показано, что тип конструкции несущественно влияет на напряженно- деформированное состояние всей системы, однако обработка поверхности штифта должна восприниматься как необходимость при использовании для изготовления штифта таких твердых материалов, как титан и цирконий.
Бесплатно
Механический фактор развития и функционирования зубочелюстной системы человека
Статья научная
В работе рассмотрен фактор развития и функционирования зубочелюстной системы человека - биомеханическое давление. Термин «давление» понимается как механическое напряжение. Описано структурно- функциональное строение зубочелюстной системы в процессе ее фило- и онтогенеза. Показана роль биомеханического давления в этих процессах как основного фактора, обеспечивающего развитие и функционирование взаимосвязанных блоков зубочелюстной системы в норме и патологии. Такая точка зрения позволяет выделить круг задач биомеханики и определить подходы к их постановкам.
Бесплатно
Механическое давление как основа биомеханического моделирования зубочелюстной системы человека
Статья научная
Рассмотрен фактор развития и функционирования зубочелюстной системы человека - биомеханическое давление. Термин «давление» понимается как механическое напряжение. Описано структурно-функциональное строение зубочелюстной системы в процессе ее фило- и онтогенеза. Показана роль биомеханического давления в этих процессах как основного фактора, обеспечивающего развитие и функционирование взаимосвязанных блоков зубочелюстной системы в норме и при патологии. Отмечена идентичность факторов, генерирующих рост, развитие и формообразование основных каркасных блоков, сопряженность и взаимодействие их функций. Показана определяющая роль изменяющейся нагрузки в формировании и функционировании височно-нижнечелюстного сустава. Одним из механизмов перераспределения усилий в височно-нижнечелюстном суставе и во всей зубочелюстной системе является смещение суставного диска, приводящее к суставному дивертикулу, который может вызвать инсульт головного мозга. Функциональные изменения развиваются в результате перестройки и резорбции костной ткани. Степень таких изменений зависит, в основном, не от метаболизма кости или возраста индивидуума, а от функциональных и, следовательно, механических условий. Рассмотренные проблемы взаимосвязи между блоками зубочелюстной системы могут быть решены в рамках междисциплинарного подхода, что является особенностью биомеханического моделирования. Выделен круг задач биомеханического моделирования, постановка которых использует разработанный подход: определение усилий мышц и реакции височно-нижнечелюстного сустава, моделирование естественного и искусственного вскармливания детей, моделирование перестройки трабекулярной костной ткани, моделирование диска височно-нижнечелюстного сустава как пороупругого тела. Сделан вывод о возможности использования результатов работы в рамках концепции виртуального физиологического человека.
Бесплатно
