Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 882
Математическое моделирование трехплоскостной деформации позвоночного столба человека
Статья научная
Предлагается математическое описание образования трехплоскостной деформации в двухколонной модели, приближенной к реальному позвоночному столбу человека. Данная деформация рассматривается как итоговый результат двух самостоятельных процессов: при первом излишки длины одной из колонн «поглощаются» введенными в модель сагиттальными изгибами, а при втором при исчерпании этого резерва начинается развитие уже трехплоскостной («сколиозоподобной») деформации. Каждый из этих процессов описан соответствующим уравнением. Поэтапное решение этих уравнений позволяет определить динамику изменений конфигурации позвоночного комплекса. Представленное математическое описание процесса трехплоскостного деформирования двухколонной модели позвоночного столба позволяет рассмотреть ключевые звенья патогенеза и «мишени», воздействие на которые может привести к успеху в противостоянии сколиозу.
Бесплатно
Математическое моделирование ударного воздействия на голову при черепно-мозговых травмах
Статья научная
Проведен обзор известных математических моделей головы человека, используемых в задачах контактной биомеханики. Построена конечно-элементная модель из объемных данных, состоящая из трех основных материалов: мягкая ткань, череп и мозг, созданных на основе компьютерной томографии с использованием разработанного авторами алгоритма. Для решения динамической задачи предложен итерационный метод декомпозиции Шварца для двух контактирующих трехмерных тел, позволяющий рассматривать решение задачи напряженно-деформируемого состояния в стандартной постановке для каждого из контактирующих тел. В соответствии с предложенным алгоритмом на каждой итерации выполняется два шага, где поочередно удовлетворяются условия сопряжения по перемещениям и напряжениям для узлов, расположенных на контактной поверхности. Проведен ряд вычислительных экспериментов по установлению критических величин контактной силы, приводящих к тяжелым последствиям. При значениях силы удара в диапазонах 4000-6000 Н можно говорить о получении травмы средней и серьезной тяжести, а величины силы выше 7000 Н расцениваются как удары, влекущие тяжелые последствия с длительной потерей сознания; при силе, равной 10000 Н, с большой долей вероятности наступит смерть потерпевшего.
Бесплатно
Статья научная
Согласно последним исследованиям, рак является развивающейся во времени и пространстве сложной биосистемой. Это означает, что раковые клетки отличны друг от друга по функциям в опухоли. Они вовлечены в различные по природе взаимодействия с их микроокружением и конкурируют за доступные питательные вещества для размножения и выживания. Идентификация конкретного структурного типа при росте злокачественного образования является на сегодня одной из основных проблем в области онкологии. Другой, не менее важной проблемой в онкологии является неоднородность злокачественного образования. В этой работе предложена хемомеханическая модель структурообразования малых групп раковых клеток инвазивной карциномы неспецифического типа (ИКНТ). Модель предполагает, что карцинома представляет собой гетерогенное образование, состоящее из клеток разных фенотипов, которые выполняют разные функции в опухоли. Каждая клетка представлена упругим многоугольником, меняющим свою форму и размер по мере развития ткани. Численное моделирование реализует различные подтипы структур ИКНТ. Паттерны сравниваются с морфологическими структурами, выявленными ранее в клинических исследованиях.
Бесплатно
Статья научная
Выполнено математическое моделирование развития сферически симметричных структур в клеточном агрегате, окруженном вязким внеклеточным матриксом. Постановка задачи использует разработанную нами ранее многофазную модель биологической сплошной среды, образованной двумя активно взаимодействующими твердыми фазами и жидкостью. Одна из твердых фаз образована клетками, другая – внеклеточным матриксом. Изменение радиуса сферической поверхности, ограничивающей агрегат, определяется условиями, которые учитывают перераспределение нагрузки между клеточной фазой и фазой матрикса по разные стороны от границы агрегата. Исследовано влияние активных взаимодействий клеток как между собой, так и с матриксом, а также начального состава клеточного агрегата на процесс перераспределения объемных концентраций клеток и матрикса. Процессы, связанные с делением клеток и выработкой протеолитических ферментов, не рассматриваются. Численные расчеты показали, что в случае доминирования межклеточных активных механических взаимодействий над перекрестными между клетками и матриксом происходит только уплотнение как рыхлых, так и плотных агрегатов – неинвазивное развитие. В случае доминирования перекрестных активных взаимодействий над межклеточными сценарий развития клеточных структур зависит от начальной объемной концентрации клеток. В рыхлых агрегатах формируется неоднородность распределения клеточной фазы, которая при определенных условиях может развиться в полую клеточную структуру. В плотных агрегатах происходит формирование плотного ядра и отрыв части клеточной фазы от основной массы.
Бесплатно
Статья научная
Изучается механический отклик глаза на нагружение роговицы широкими плоскими штампами разного веса (эластотонометрия по Маклакову) в случае сильной искусственно вызванной неоднородности упругих свойств роговицы, формирующейся в результате операций по коррекции зрения. Рассматривается ослабление роговицы в области апекса либо в периферической кольцевой зоне, лежащей вблизи склеры, но не прилегающей к последней. Первый случай соответствует хирургической коррекции миопии, второй - гиперметропии. Роговица моделируется безмоментной линейно упругой поверхностью, а склеральная область - упругим резервуаром, откликающимся изменением объема на изменение давления. При таком представлении механические свойства роговицы характеризуются эффективной жесткостью - параметром, содержащим в себе как упругие свойства материала роговицы, так и ее толщину. Показано, что при умеренной жесткости роговицы зависимость тонометрического давления от веса тонометра остается, как и в случае однородной роговицы, близкой к линейной, что позволяет вводить коэффициент эластоподъема как наклон соответствующей прямой. Изучена зависимость этого коэффициента от параметров, характеризующих распределение упругих свойств роговицы при различных значениях истинного давления и склеральной жесткости. Влияние неоднородности роговицы оказалось качественно различным для апикального и периферийного ее ослабления, однако незначительным, причем в последнем случае оно слабее и вообще практически незаметно. Таким образом, к прооперированным глазам с умеренно жесткой роговицей можно применять разработанные ранее методики клинической оценки результатов эластотонометрии.
Бесплатно
Статья научная
Моделирование появления и развития заболеваний опухолевой природы является одним из актуальных направлений современной биомеханики. Понимание закономерностей физиологии развития опухолей с точек зрения биомеханики и механобиологии может явиться основой для развития новых методов диагностики и лечения онкологических заболеваний. Определенную роль подходы биомеханики играют в разработке методов клинической оценки состояния и свойств тканей. Для дифференциации здоровых и патологических тканей организма актуальны методы нанобиомеханики, измеряющие механические свойства клеток, ультразвуковые методы и различные тепловые методы, например инфракрасная термография. Количественный анализ сигналов и изображений является сложнейшей, до конца не изученной задачей, решение которой позволит определить объективные критерии нормы и патологии. Работа посвящена мультифрактальному анализу динамики поверхностной температуры молочных желез при их обследовании методом инфракрасной термографии. Установлены достоверные различия в температурных сигналах здоровых и пораженных раком молочных желез. Состояние здоровья молочной железы характеризуется наличием мультифрактального скейлинга. В противоположность этому температурные сигналы молочных желез со злокачественной опухолью отличает однородность и монофрактальность статистики флуктуаций температуры. Найденные объективные дифференцирующие диагностические критерии здоровой и пораженной раком молочных желез существенно повышают диагностический потенциал динамической инфракрасной термографии как метода скрининга онкопатологии молочных желез.
Бесплатно
Статья научная
Обсуждается задача восстановления утраченных показаний системы видеоанализа движений человека по измерениям нормальной реакции опоры с помощью силовой платформы. Предложен алгоритм восстановления утерянных значений углов антропоморфного многозвенника, основанный на использовании математической модели движения. Математическая модель включает описание погрешностей измерительной информации. Алгоритм состоит из двух этапов: идентификации неизвестных параметров и собственно этапа восстановления утраченной информации. Обе задачи сводятся к решению систем линейных уравнений. В качестве меры оцениваемости при решении этих задач используется числа обусловленности обращаемых матриц. Использование технологии мер оцениваемости позволяет повысить эффективность алгоритма и судить об успешности его применения в процессе обработки данных. Алгоритм применен для задачи восстановления утерянных значений углов в суставах человека при приседаниях.
Бесплатно
Метод описания течения и определения реологических констант вязкопластических биоматериалов. Часть 1
Статья научная
Получены определяющие уравнения и выполнена идентификация моделей биотканей, демонстрирующих вязкопластические свойства при наличии существенной нелинейности скоростной чувствительности. В качестве примера рассматривается определение реологических констант крови в условиях течения Куэтта и Пуазейля. Развивается приближенный метод расчета характеристик течения на основе предположения об «эквивалентной вязкости». Дана оценка устойчивости алгоритма при наличии погрешности исходных данных.
Бесплатно
Метод описания течения и определения реологических констант вязкопластических биоматериалов. Часть 2
Статья научная
Экспериментально изучено гемодинамическое сопротивление мелких вен и артерий с использованием имитатора кровеносного сосуда в виде полимерного капилляра. Показана возможность описания пуазейлевского течения крови при помощи модели вязкопластической среды типа Бингама. Определены реологические константы крови - пластическая вязкость, предельное напряжение сдвига, параметр скоростной чувствительности. Полученные результаты могут быть использованы для анализа динамических явлений в сердечно-сосудистой системе, диагностики заболеваний крови и при создании протезов сосудов.
Бесплатно
Метод определения in vivo вязкоупругих характеристик скелетных мышц
Статья научная
Разработан новый неинвазивный метод определения модуля Юнга и параметров релаксации мышечной ткани, основанный на динамическом индентировании и использовании соотношений контактной механики вязкоупругой среды. Принято, что мышечная ткань в пассивном состоянии является изотропным материалом и описывается экспоненциальным ядром релаксации. Активное состояние исследуемой биоткани моделируется приложением силы натяжения, равной максимальной силе, генерируемой мышцей при изометрическом возбуждении. Метод использован для характеризации биомеханических показателей двуглавой мышцы плеча (m. biceps brachii). Показана возможность быстрого и неинвазивного исследования деформационных свойств мышечной ткани для последующей объективной оценки опорно-двигательного аппарата и оптимизации тренировочных режимов спортсменов.
Бесплатно
Статья научная
Определение механических параметров выступает одним из актуальных направлений при расчёте элементов негомогенных сред. Необходимость построения численных моделей в первую очередь обусловливается развитием современных подходов к воссозданию материалов различной композитной структуры. Применение расчётных моделей в клинической практике также позволяет исследовать прочностные показатели объектов биологического происхождения, к особенностям которых можно отнести уникальность структурного распределения материала. Наибольшее распространение в этом случае получили подходы, основанные на применении данных с изображений. В рамках данной работы представлен метод построения матрицы упругих постоянных на основе данных цифрового двойника. В ходе работы выполняется построение изображений с заданной структурой материала, а также извлечение данных из снимков компьютерной томографии натурных образцов. Усреднение механических показателей выполнялось на основе метода конечных элементов для области квадратной или кубической геометрии, определяющей элементарную ячейку. Проведение расчётов предложенным методом показало сходимость метода с данными аналитического расчёта на примере решения тестовых задач, а также определило качественное соответствие результатов особенностям структурного распределения материала в натурных образцах. Представленный метод гомогенизации позволяет определять упругие характеристики элемента среды с учётом неоднородных свойств образующего материалаx.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье изложен метод управления напряжениями в приложении к проблеме разработки оптимальной конструкции эндопротеза бедра в области тазобедренного сустава. В прежних работах авторов для моделей, основанных на теории упругости, была развита и обоснована теория управления напряжениями и деформациями. Согласно ей решается проблема достижения заданных по объему тела значений напряжений с помощью варьирования температурного поля либо механических свойств. В результате был построен и доведен до алгоритма метод. На данном этапе рассмотрена частная задача обеспечения заданных напряжений в области протезирования тазобедренного сустава за счет подбора механических свойств в области ножки эндопротеза. Впервые разработанный метод оптимального проектирования применен на конечно-элементной модели рассматриваемой области. К целям оптимального проектирования отнесены равные напряжения по границе контакта между протезом и стенками кости, а также равномерность напряжений по объему ножки протеза. Теоретически показана возможность разработки оптимального протеза при иных критериях оптимального управления.
Бесплатно
Методика количественной оценки степени произвольности движений руки
Статья научная
В статье представлен метод количественной оценки степени произвольности движений руки человека. Привычные для человека действия, выполняемые произвольно, содержат непроизвольную компоненту. Даже простые действия, например движение пальцем руки, невозможно выполнить, полностью контролируя такие параметры движения, как амплитуда или частота колебаний. При многократном повторении эксперимента двигательный паттерн всегда будет разным. Это так называемый эффект повторения без повторения, описанный Н.А. Бернштейном. Однако наблюдение этого эффекта не дает главных ответов на вопросы: что является причиной в каждом конкретном случае этой вариабельности и как количественно оценить долю произвольной и непроизвольной компоненты при выполнении движений? Человеческое самосознание, ошибочно принимающее мысль за причину поступка, как указывал И.М. Сеченов, иллюзорно: первоначальная причина всякого поступка лежит всегда во внешнем чувственном возбуждении, потому что без него никакая мысль невозможна. Зачастую неосознаваемые человеком сенсорные стимулы могут оказывать влияние на его поведение. Это имеет большое значение в ситуациях, связанных с проблемой выбора в политической, социально-бытовой сфере. Активно развивающаяся нейроэкономика является прикладным направлением, в основе которого лежат результаты нейробиологических исследований, полученных с использованием современных методов. Для количественной оценки степени произвольности движений нами предложен метод, заключающийся в статистическом сравнении всех возможных пар получаемых выборок и подсчете числа совпадений, т.е. отсутствия статистически значимых различий при сравнении данной пары выборок - k. Полученные результаты свидетельствуют о вариабельности выходных показателей двигательных функций в зависимости от степени и вида (модальности) афферентных влияний. Наибольшее число пар совпадений выборок наблюдается при произвольном управлении движением - 11,6 % от общего их количества, а наименьшее - в состоянии покоя - 3,2 %, при изменении афферентации в условиях статической нагрузки - 7,1 %.
Бесплатно
Статья научная
Представлена методика комплексного оценивания эксплуатационной долговечности конструкции кость - имплантат при эндопротезировании тазобедренного сустава с учетом персональных параметров пациента (возраст, геометрия сустава, индивидуальные функциональные нагрузки, механические и адаптационные свойства костной ткани). Под термином «функциональный материал» понимается не просто материал, а некоторая конструкция, включающая несколько материалов (подконструкций), взаимодействующих между собой и обеспечивающих заданный набор эксплуатационных характеристик. Система кость - эндопротез является примером такого «функционального материала». Решение задачи комплексного оценивания в условиях неопределенности, связанной с учетом возраста пациента, осуществляется путем построения обобщенного критерия оптимальности, представленного совокупностью частных критериев различной важности (степень развития адаптационного остеопороза и площадь травматизации костного ложа). Клиническая значимость выбранных биомеханических критериев для пациентов различных возрастных групп оценена по шкале важности от 0 до 10. Индивидуальные численные значения биомеханических критериев рассчитаны с помощью пространственной анизотропной линейно-упругой математической модели тазобедренного сустава. Для проведения сравнительного анализа эксплуатационной долговечности различных типов эндопротезов выбраны три различных конструкции имплантата с цементным и бесцементным способом фиксации. Клинические рекомендации по выбору типа эндопротеза в зависимости от возраста пациента оценены также по шкале от 0 до 10. Эксплуатационная долговечность конкретного типа эндопротеза рассматривается как специальное нечеткое множество значений всех частных критериев с соответствующими величинами их важности для различных возрастных групп. Решение задачи многокритериального выбора конструкции эндопротеза в условиях неопределенности, связанной с учетом возраста пациента, осуществляется с помощью введения специальной функции, называемой индексом ранжирования. Предложенный подход позволяет выбрать наилучшую конструкцию имплантата как для первичного, так и для ревизионного эндопротезирования с учетом клинических и биомеханических параметров пациента. Демонстрационный пример решения задачи многокритериального выбора наилучшего варианта конструкции эндопротеза с учетом возраста пациента будет представлен в Сообщении 2.
Бесплатно
Методика компьютерного исследования жесткости спице-стержневых фиксирующих устройств
Статья научная
В данной работе рассматривается методика компьютерного исследования жесткости спице-стержневых фиксирующих устройств, позволяющая определить возможность использования устройства в травматологии. Рассмотрены конструкции модулей фиксирующих устройств. В работе представлены геометрические и физические параметры модулей, граничные условия, смещающие нагрузки. Выбран метод решения задачи - метод конечных элементов.
Бесплатно
Методика механических испытаний при консольном нагружении плюсневых костей стопы
Статья научная
Актуальными вопросами современной ортопедии являются разработка и внедрение методов количественной оценки биомеханических параметров остеотомий. Анализ характеристик разных видов остеотомий имеет важное значение, так как может способствовать снижению частоты осложнений и улучшению способов хирургического лечения стопы. Для проведения экспериментов на кости с неизменными механическими свойствами была разработана и апробирована новая методика закрепления образцов кости, позволяющая проводить механические испытания на консольный изгиб и/или осевое сжатие в день изъятия костного материала, что ранее было невозможно из-за ряда проблем. В ходе работы было изготовлено универсальное стальное устройство, позволяющее закреплять образец консольно под углом 15 градусов к горизонту. Универсальность устройства заключается в том, что трубу, в которой крепится образец, можно отсоединить и затем установить на неподвижной траверсе испытательной машины, что обеспечит осевое сжатие образца под углом 15 градусов к вертикальной оси. Также проведен сравнительный анализ клеевых составов трех типов для закрепления материала в устройстве. Было выявлено, что смесь цианоакрилатного клея и пищевой соды позволяет проводить эксперименты без потери механических свойств костной ткани. Таким образом, разработанная и описанная авторами статьи методика позволяет в короткие сроки готовить образцы плюсневой кости для испытаний при консольном нагружении, что исключает изменение свойств костных тканей в связи с длительным перерывом между изъятием и экспериментом, а также в связи с заморозкой кости.
Бесплатно
Методика определения ортотропных свойств костного органа по данным компьютерной томографии
Статья научная
Актуальной задачей современной биомеханики костной ткани является анализ ее упругих свойств. Развитие компьютерной томографии вместе с численными методами позволяет использовать численные эксперименты для определения механических характеристик биологических объектов. В работе представлена методика, основанная на гипотезе, что анизотропия костной ткани вызвана неравномерностью распределения пор по объему. В предлагаемом подходе исследуемый орган предлагается разбить на набор репрезентативных объёмов, для каждого из них проводятся численные эксперименты, которые позволяют определить компоненты тензора упругих характеристик, направление осей ортотропии. Описанная методика применена для определения характеристик диафиза бедренной костной крысы. Показано, что получаемые упругие константы можно считать постоянными в органе, а тело - трансверсально изотропным.
Бесплатно
Статья научная
Искусственное вскармливание не обеспечивает ребенку функциональной нагрузки, необходимой для правильного формирования челюстно-лицевой области. В работе представлены результаты биомеханического моделирования искусственного вскармливания с целью приблизить механические условия последнего к условиям функционирования зубочелюстной системы при естественном вскармливании. На основе модели разработана методика назначения режимов искусственного вскармливания.
Бесплатно
Методика определения прочности на срез губчатой кости головки бедра пациента
Статья научная
Аннотация. При планировании операции остеосинтеза шейки бедра необходимо знать прочностные свойства кости в верхней части головки, где костная ткань механически взаимодействует с резьбой фиксаторов, поскольку при повышенной пористости и пониженной минерализации кости возможно её разрушение (срез) вершинами гребней резьбы как непосредственно в процессе затяжки фиксаторов, так и в ближайшие нескольких часов после операции. Известно, что прочность костной ткани на срез характеризуется уровнем касательных напряжений разрушения. В работе представлена методика определения приближенной к in vivo величины этих напряжений по двум стандартным рентгенологическим проекциям (прямой и аксиальной) проксимального отдела бедра. По данным рентгенограммам с помощью калибровочного клина известной плотности определяется оптическая плотность кости в верхней части головки. Затем по линейной зависимости экспериментально полученной в данной работе, вычисляется величина касательных напряжений разрушения.
Бесплатно
