Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Моделирование абдоминопластики с использованием больших деформаций
Статья научная
В работе рассмотрена операция абдоминопластики. Предложена модель, позволяющая описать вязкоупругое поведение кожи. Записаны определяющие соотношения для трехмерного напряженно-деформированного состояния. Разработана процедура идентификации интегрального оператора модели и определены параметры модели. Полученные результаты могут быть использованы для предоперационного планирования.
Бесплатно
Статья научная
Кинетическая схема взаимодействия миозиновых поперечных мостиков с актином, АТФ и продуктами ее гидролиза, АДФ и неорганическим фосфатом состоит из нескольких присоединенных к актину и отсоединенных от него состояний миозиновой головки и функций перехода из одного состояния в другое. Соответствующая математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений первого порядка в частных производных для плотностей распределения концентраций мостиков в каждом из состояний. Цель работы состояла в создании программного продукта для расчета различных кинетических моделей мышечного сокращения, а также в разработке конкретной кинетической модели, воспроизводящей результаты экспериментальных исследований стационарных сокращений мышцы при различных значениях температуры и концентраций АТФ, АДФ и неорганического фосфата. Реализован программный модуль, позволяющий рассчитать микро- и макроскопические характеристики мышечного волокна при изометрическом сокращении в условиях полной активации и в ходе стационарного укорочения с постоянной скоростью. Разработана модель, включающая в себя семь присоединенных и три отсоединенных состояния миозинового мостика, которая представляет собой обобщение модели Ferenczi et al. (2005), предложенной ранее для описания структурных изменений в сокращающихся мышечных клетках. Расчеты воспроизводят экспериментальные зависимости динамической жесткости волокна, развиваемой им силы и скорости потребления АТФ от скорости деформации (укорочения) волокна, температуры и концентраций субстрата и продуктов гидролиза АТФ.
Бесплатно
Моделирование виллизиевого круга человека в норме и при патологии
Статья научная
Целью работы является разработка рекомендаций по выбору типа лечения аневризм артерий головного мозга. Сформулирована краевая задача, описывающая течение крови в артериях головного мозга с упругими стенками. С помощью специализированных программных пакетов Mimics и Solid Works построены реалистичные геометрические модели артерий виллизиевого круга в норме и при наличии аневризм. При этом дано описание методики и основных этапов построения таких моделей, а также проведена оценка их пригодности для конечно-элементных расчетов. Далее проведен анализ ультразвуковых исследований артерий виллизиевого круга, сонных и позвоночных артерий, необходимый для получения параметров кровотока и постановки граничных условий. Кроме того, исследованы механические свойства образцов артерий виллизиевого круга, получены константы функции энергии деформации Муни–Ривлина.
Бесплатно
Моделирование влияния формы кровеносного капилляра на фильтрационно-реабсорбционные процессы
Статья научная
В данной работе представлен ряд усовершенствований известной модели фильтрационно-реабсорбционных процессов в кровеносном капилляре, позволяющих учитывать геометрию и особенности строения реального капилляра. Рассмотрены случаи капилляра с переменным радиусом пор в его стенке, конического капилляра и капилляра с локальным сужением стенок.
Бесплатно
Моделирование движения активного экзоскелета с пятью управляемыми электроприводами звеньями
Статья научная
Представлено моделирование движений антропоидной модели мехатронного механизма типа экзоскелета, содержащего пять стержней, соединенных между собой цилиндрическими шарнирами. Экзоскелет представляет собой систему звеньев, которые подвергаются относительным поворотам вокруг осей координат под воздействием соответствующих звеньев опорно-двигательного аппарата пользователя, на которого надет экзоскелет, силы тяжести, реакций опоры и внутренних управляющих усилий, реализуемых электроприводами. Для описания движения каждого звена применяются углы между звеньями и вводятся локальные системы координат, которые позволяют определять их положение в пространстве. Управление изменением углов между звеньями осуществляется при помощи электрических приводов. Моделирование проводится для близкой к спортивной ходьбе человека походки, при которой происходит мгновенное чередование одноопорных фаз. Биомеханическое моделирование экзоскелета с пятью подвижными управляемыми звеньями позволяет выделить задачи, которые необходимо решить: синтез траектории движения, определение управляющих моментов, подбор электроприводов, и разработку системы импульсного управления движением. Для задания антропоморфного движения экзоскелета вводятся периодические функции, задающие изменения углов между звеньями. Составлена система дифференциальных уравнений. Численно решается задача Коши. Результаты численного решения сравниваются с исходным движением, делается вывод о неустойчивости системы и проводится обсуждение возможных путей стабилизации неустойчивого движения. Проведены оценки влияния наличия электроприводов на динамику всего экзоскелета.
Бесплатно
Статья научная
Одним из загрязняющих факторов окружающей среды являются нефть и нефтепродукты, ежегодные мировые выбросы которых составляют десятки тысяч тонн. Проблема нефтезагрязнения водных ресурсов важна вследствие ведущейся шельфовой добычи нефти и перевозок нефтепродуктов морским и речным транспортом. Эффективным способом ликвидации нефтяных загрязнений водной среды является биоремедиация с помощью углеводородокисляющих микроорганизмов, в частности актинобактерий рода Rhodococcus . В работе исследована динамика адсорбции клеток Rhodococcus ruber ИЭГМ 231 на границе, разделяющей бактериальную суспензию и жидкий углеводород ( н -гексадекан либо н -додекан), и выполнено математическое моделирование образования биопленки на основе описания процессов формирования и разрушения клеточных кластеров. Разработана феноменологическая биомеханическая модель изменения поверхностного натяжения; она описывает соответствующие экспериментальные зависимости, полученные с помощью высокоточной тензиометрии при разной оптической плотности бактериальной суспензии. Разработана также микроуровневая модель, основанная на теории насыщения слоя бактерий на поверхности раздела фаз и образования единой биопленки на этой поверхности. В этой модели предложено теоретическое объяснение скачкообразной динамики межфазного натяжения, обусловленной прохождением измерительного кольца через формирующуюся биопленку и случайным характером формирования-разрушения клеточных кластеров до достижения стабильного состояния системы.
Бесплатно
Статья научная
Цель исследования – применение методов динамического анализа в задачах биомеханики зубочелюстного аппарата на примере мостовидного зубного протеза из полиметилметакрилата. Задача решена в плоско-деформированной постановке. Проведена экспериментальная верификация на основании данных эксперимента для керамического протеза идентичной конфигурации. На основании результатов модального анализа определены собственные частоты и константы для модели пропорционального демпфирования Рэлея. Исследовано влияние длительности действия силы на напряженно-деформированное состояние биомеханической системы. Определены области наибольших эквивалентных (по Мизесу) напряжений. Установлено, что при стремлении длительности действия возбуждающей силы к периоду собственных колебаний системы амплитудные значения напряжений на окклюзионной поверхности протеза могут превышать предел текучести материала. При увеличении длительности действия возбуждающей силы значения динамических и статических напряжений не различаются. Показано, что влияние пульпы на результаты статического расчета незначительно, в то время как учет пульпы приводит к более интенсивному поглощению энергии, затуханию колебаний и снижению амплитудных значений перемещений и напряжений.
Бесплатно
Моделирование и характеристика мягкой ткани склеры овцы при двухосном нагружении
Статья научная
Воздействие окружающей среды, травмы головы, тремор глаз приводят к повреждению и нарушению зрения. Только в Соединенных Штатах Америки около 30 000 человек ежегодно теряют зрение на один глаз в результате травмы. Мягкие ткани склеры играют жизненно важную роль в защите, поддержании формы глаза и регуляции внутриглазного давления. Возникновение глаукомы тесно связано с изменениями в склере. Целью исследования является изучение и сравнение механического ответа мягких тканей склеры овец при двухосном растяжении, поскольку данных таких исследований недостаточно. Константы материала, описывающие механическое поведение, были определены с помощью моделей Фанга и Чой-Вито. Для эксперимента использовались глаза овец. Их транспортировали к месту проведения испытаний в замороженном виде, а затем проводили испытание в солевом растворе при температуре 37 °C. Образцы подвергались испытанию в течение 4-6 часов после убоя. Было обнаружено, что ткань склеры овец является нелинейной со средним значением анизотропии A, равным 0,69 и 0,74 в моделях Фанга и Чои-Вито соответственно. Коэффициенты корреляции R 2 между экспериментальной и гиперупругими моделями были равны 0,98 и 0,95, при этом модель Фанга лучше соответствовала эксперементальным данным и демонстрировала более анизотропное поведение, чем модель Чой-Вито.
Бесплатно
Моделирование контактного взаимодействия захватывающего инструмента с биологической тканью
Статья научная
Захватывающие инструменты используют для временного сдавливания биологических тканей. Чтобы оценить значения контактных напряжений, возникающих в биологической ткани, и оптимизировать прилагаемые нагрузки, в данной работе была решена контактная задача о взаимодействии зажимного устройства с биологической тканью. Рассмотрен дискретный контакт с биологической тканью. Изучено контактное взаимодействие зажимного инструмента, имеющего на контактирующей поверхности несколько выступов вытянутой формы, с биологической тканью, для описания механических свойств которой используется модель линейно упругого материала. Разработана модель для исследования распределения нагрузок между выступами медицинского инструмента, используемого для захвата мягких биологических тканей. Модель также позволяет произвести анализ зависимости силы, приложенной к зажиму, от его внедрения при разных расположениях выступов. На основании проведенного анализа установлено, что нагрузка на выступы распределена неравномерно, степень неравномерности зависит от расстояния между выступами. Рассмотрены случаи расположения выступов, при которых нагрузка на некоторые выступы стремится к нулевым значениям. Установлено, что разница между нагрузками на выступы возрастает с уменьшением отношения длины выступов к их ширине. Предложен алгоритм расчета высотного распределения выступов, которое обеспечивает их равномерную нагруженность. Используемая в работе форма выступа в виде узкого прямоугольного в плане штампа хоть и является упрощенной моделью, но позволяет на основании полученных аналитических зависимостей дать рекомендации относительно расположения выступов и их геометрических размеров с целью обеспечения их равной нагруженности, а также уменьшения общей прикладываемой силы для достижения нужной величины внедрения (захвата ткани).
Бесплатно
Моделирование механизма снижения плотности минерализации эмали в окрестности вершины Фиссуры
Статья научная
Отличительной особенностью поверхности эмали моляров и премоляров является наличие определённого количества фиссур - клиновидных (V-образных) выемок, вершины которых являются естественными концентраторами напряжений в эмали коронки зуба. Для определения степени концентрации механических напряжений в окрестности вершины фиссуры рассматривается задача о напряжённо-деформированном состоянии эмали в виде упругого клина, имитирующего фиссуру. Сила прикуса, воздействуя на пищу, расклинивает фиссуру и вызывает напряжённо-деформированное состояние в окрестности её вершины. Полученные формулы позволили оценить напряжённо-деформированное состояние в окрестности вершины фиссуры в зависимости от угла раствора фиссуры, диаметра пищи и относительной деформации боковой поверхности фиссуры.
Бесплатно
Моделирование морфологии и жесткости мембраны эритроцитов после фемтосекундного лазерного облучения
Статья научная
Ставилась цель проведения расчета морфологии эритроцита в рамках простой механической модели и сравнения расчетных данных с экспериментальными данными, полученными при помощи атомно-силовой микроскопии, в том числе для клеток крови после фемтосекундного лазерного облучения. Предложена модель эритроцита, которая представляет эритроцит в виде однородного упругого тела с упругостью, зависящей от расстояния до центра эритроцита. В основу модели положены данные атомно-силовой микроскопии различных авторов, в частности данные по зависимости ригидности мембраны от положения точки измерения на поверхности. В разработанной модели упругость мембраны изменялась в зависимости от расстояния до центра в пределах 1–1,6 кПа. Расчет упругих свойств выполнен методом конечных элементов, что позволило получить зависимость морфологии эритроцита от давления на мембрану, которое менялось в диапазоне 0,5–2 кПа. Хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных подтверждает состоятельность модели и позволяет заключить, что морфология эритроцита во многом определяется упругими характеристиками мембраны. Кроме этого, разработанная модель позволила провести моделирование изменения жесткости мембраны эритроцитов после фемтосекундного лазерного облучения, которое выступает как фактор, разрушающий мембрану. Моделирование упругих свойств основывалось на статистическом анализе количественных данных содержания дискоцитов, эхиноцитов, сфероцитов и стоматоцитов, а также на предположении, что жесткость каждой формы есть величина постоянная. Коэффициенты ригидности для различных форм были подобраны методом наименьших квадратов и оказались равны соответственно для дискоцитов, для эхиноцитов, для сфероцитов и для стоматоцитов.
Бесплатно
Статья научная
Настоящая работа посвящена анализу трехмерных данных атомно-силовой микроскопии по исследованию морфологии эритроцитов. Атомно-силовая микроскопия позволяет анализировать биомеханические свойства мембраны - эластичность, мобильность поверхностных слоев, адгезию, молекулярное связывание и электростатичность. Построена биомеханическая модель эритроцита, которая позволила провести расчет внутриклеточного давления эритроцитов на основе данных атомно-силовой микроскопии. В модели упругие свойства эритроцита определяются ригидностью его мембраны и взаимодействием с гемоглобином, при этом внутреннее содержимое эритроцита принималось за однородное тело. Расчет проводился в два этапа: сначала для подвижного содержимого эритроцита с использованием уравнений Навье-Стокса, где содержимое эритроцита представлялось в виде жидкости с параметризацией начального давления и формированием геометрии под действием внутренних и внешних сил, а затем расчет проводился повторно методом конечных элементов, при этом внутреннее содержимое эритроцита предполагалось твердым, что исключало движение внутри эритроцита, но позволяло определить внутреннее давление, которое устанавливается в равновесии. В результате была получена зависимость внутриклеточного давления от морфологии эритроцита. Предложен способ оценки внутриклеточного давления эритроцитов на основе численного моделирования и данных атомно-силовой микроскопии скана эритроцитов, который предполагает сравнение экспериментальных данных с результатами численного расчета. Способ применен к данным атомно-силовой микроскопии эритроцитов экспериментальных животных - карликовых домашних свиней при разной степени механической желтухи и в норме. Показано, что с ростом степени заболевания и концентрации билирубина в крови происходит нарушение мембраны эритроцитов, в среднем увеличение их объема и существенное изменение внутриклеточного давления по отношению к показателю в норме.
Бесплатно
Статья научная
Исследование направлено на оценку первичной стабильности несъёмного протеза на 8 имплантатах верхней адентичной челюсти. Рассмотрены случаи неприживления отдельных имплантатов и разная минерализация кости. Модель верхней челюсти была построена в соответствии с трёхмерным томографическим снимком. Моделирование случаев неприживления имплантатов проводилось при различных вариантах нагружения. Материал кости принят изотропным, при этом рассмотрена нормальная и критическая минерализация кости. Задачи решались с помощью метода конечных элементов. Для оценки первичной стабильности имплантатов использовался критерий Кулона - Мора. На основании критерия указаны критические сценарии протезирования в зависимости от конфигурации неприживления имплантатов и степени минерализации кости. При односторонней жевательной нагрузке наиболее опасные случаи неприживления имплантатов в дистальной области для любого типа минерализации. Рассмотренная конфигурация протеза на 8 имплантатах увеличивает риск повреждения кортикального слоя кости с возрастом, даже в случае приживления всех имплантатов.
Бесплатно
Моделирование нормальной функции лактации человека
Статья научная
Представлена модель нормальной функции лактации человека, которая полностью описывает процесс естественного вскармливания младенца. В работе определены податливость крупных молочных протоков и цистерн, а также гидравлическое сопротивление в соске. Проведена оценка полученных результатов.
Бесплатно
Моделирование охлаждения в ледяной воде
Статья научная
В статье обсуждены результаты математического моделирования процесса охлаждения людей в ледяной воде. В модели используется нестационарное уравнение теплопроводности с внутренними источниками тепла. С помощью модели стало возможным объяснить значительную часть результатов, полученных в результате нахождения пловцов ("моржей") в ледяной воде в течение 15 минут, а также показать роль различных параметров пловцов и условий обогрева в сауне.
Бесплатно
Моделирование перестройки трабекулярной костной ткани в ветви нижней челюсти человека
Статья научная
Структура трабекулярной костной ткани в различных участках скелета неодинакова и стремится стать оптимальной для действующей на соответствующую кость нагрузки, перестраивая себя посредством механизмов костеобразования и резорбции. Одной из наиболее подверженных изменению структур кости является челюсть. Помимо нормальных изменений, связанных с заменой молочных зубов постоянными, часто приходится сталкиваться с патологическими изменениями во внутренней архитектуре кости, вызванными недогрузкой отдельных участков костной ткани вследствие потери зубов, травм челюсти, неправильного прикуса. Среди патологий зубочелюстной системы можно назвать, например, синдром Попова - Годона, выражающийся в аномальных зубных сдвигах, спровоцированных потерей зуба-антагониста или соседнего зуба, и сопровождающийся перестройкой окружающих костных тканей. Полагая, что механическая нагрузка является фактором, который приводит к адаптационным процессам в кости, в работе рассматривается численный алгоритм, моделирующий перестройку трабекулярной кости на мезоуровне посредством кинетических уравнений, включающих в себя девиатор тензора структуры. Результаты приведены для геометрии нижней челюсти, для упрощения полностью состоящей из трабекулярной костной ткани и нагруженной усилиями от жевательных мышц и реакцией височно-нижнечелюстного сустава. В качестве критической нагрузки выступает сосредоточенная сила, приложенная к моляру нижней челюсти. Целью численного анализа является получение картины распределения интенсивности напряжений и пористости в ветви нижней челюсти на каждом дискретном этапе эволюции под нагрузкой и сравнение результатов с ранее опубликованными данными других авторов [1, 7, 10].
Бесплатно
Моделирование поведения кожи человека при больших деформациях
Статья научная
В работе исследованы механические свойства кожи человека в случае больших деформаций. Предложены модель и методика проведения эксперимента, позволяющие описать вязкоупругое поведение кожи. Записаны определяющие соотношения для трехмерного напряженно-деформированного состояния. Разработана процедура идентификации интегрального оператора модели. Определены параметры модели, которые идентифицированы для трёх типов кожи при удовлетворительном описании релаксации напряжений.
Бесплатно
Статья научная
Аналитические и численные модели височно-нижнечелюстного сустава человека полезны при проектировании и изготовлении соответствующих эндопротезов. Исследование биомеханики височно-нижнечелюстного сустава и геометрии головки нижней челюсти может помочь при проведении кондилэктомии. В настоящей работе выполнен аналитический расчет коэффициентов Ламе в эллипсоидальной системе координат, необходимых при моделировании височно- нижнечелюстного сустава, и проведен анализ частичной кондилэктомии головки нижней челюсти. Найденные коэффициенты Ламе могут быть использованы при постановке и решении задачи о гидродинамической смазке в височно- нижнечелюстном суставе. Знание геометрии головки нижней челюсти может быть полезно при выборе и уточнении плана операции в области височно- нижнечелюстного сустава.
Бесплатно
Моделирование поясничного позвоночно-двигательного сегмента человека: анализ научных исследований
Статья научная
Боль в поясничном отделе позвоночника - это заболевание, которое затрагивает значительную часть общества и оказывает существенное влияние на качество жизни и работоспособность населения планеты. Борьба с этой болезнью требует значительных денежных средств в большинстве развитых государств мира. Остеопороз, грыжа межпозвоночного диска, заболевания почек в большинстве случаев являются первой причиной развития боли в пояснице, и это еще не весь список. Общеизвестно, что межпозвоночный диск L 4- L 5 является слабым звеном поясничного отдела, поэтому необходимость и актуальность задачи моделирования поясничного позвоночно-двигательного сегмента очевидна. Выполнен комплексный анализ исследований за период с 2003 по 2019 год. Цель работы - рассмотреть большинство существующих подходов к моделированию поясничного позвоночно-двигательного сегмента, преимущества и недостатки моделей и возможные варианты обработки геометрической формы сегмента. В исследовании уделено внимание таким параметрам, как влияние возрастного и полового признаков на модель, выбор данных компьютерной или магнитно-резонансной томографий, варианты валидации модели, выбор определяющих соотношений, геометрическая форма всех частей модели. Детально представлена каждая из частей поясничного позвоночно-двигательного сегмента: позвонок, пульпозное ядро, фиброзное кольцо, хрящевая замыкательная пластинка и костная пластинка, фасеточный сустав и семь типов связок.
Бесплатно
Статья научная
Посвящено разработке математической модели пищеварительной системы с учетом функциональных нарушений органов и систем человеческого организма. Выполнена концептуальная постановка задачи, учитывающая современные знания о пищеварительных процессах в различных отделах тракта. Приведены основные соотношения для описания процессов в различных отделах пищеварительного тракта, краткое изложение структуры предлагаемой математической модели. На настоящий момент детально не рассматриваются физиология и подходы к моделированию нервных и гуморальных механизмов, частично учитывается функциональное состояние системы управления и ее элементов: центральной нервной системы, энтерической нервной системы и структур, секретирующих гормоны. Представлены результаты по распределению частиц пищи в процессе дробления в ротовой полости, полученные на основе модификации уравнения Розин–Раммлера с учетом функциональных нарушений зубочелюстной системы. По результатам проведенных ультразвуковых исследований выполнена оценка размеров желудка и реконструирована двумерная форма антрального отдела. Проведен расчет течения пищеварительной смеси в желудке с учетом распространения волн сокращения в антральном отделе и функциональных нарушений моторики желудка. Дальнейшее развитие модели включает в себя усложнение в сторону создания реальной трехмерной геометрии желудочно-кишечного тракта, добавление в модель процессов кишечного пищеварения.
Бесплатно
