Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 830
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
Моделирование процессов фильтрации растворов солей тяжелых металлов и биосурфактанта в почве
Статья научная
Моделируется процесс проникновения в почву растворов солей тяжелых металлов и Rhodococcus-биосурфактанта. С помощью разработанной модели исследуется процесс очистки почвы от тяжелых металлов использованием биосурфактанта, анализируется эффективность данного метода. На основании экспериментальных данных определены константы моделирования: пористость почвы и коэффициент сопротивления в случаях фильтрации растворов солей тяжелых металлов (молибдена и никеля), биосурфактанта и воды в почве. Сопоставлены экспериментальные данные с результатами, полученными помощью теоретической модели. Сделан вывод об эффективности использования биосурфактанта в технологиях очистки почвы, загрязненной тяжелыми металлами.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена методике моделирования разрушения костного органа методом конечных элементов с учетом данных компьютерной рентгеновской томографии. Для оценки модели приведены результаты моделирования для бедренной кости. Актуальность исследования определена необходимостью учитывать в расчетах распределение механических свойств по объему органа, такой подход позволяет индивидуализировать моделирование. Численные исследования выполнены с помощью метода конечных элементов, был использован восьмиузловой конечный элемент с линейной аппроксимацией. В работе рассматривалась линейная постановка для негомогенного упругого тела. Для определения модуля Юнга и предельных напряжений использовались степенные функции, зависящие от оптической плотности, которая в свою очередь определялась по линейным соотношениям в зависимости от чисел Хаунсфилда. Для конечно-элементной дискретизации производилось распределение механических свойств материала по каждому элементу согласно данным томографии. После решения задачи напряженно-деформированного состояния в каждом узле определялся коэффициент запаса с учетом свойств материала по данным томографии. На основе рассчитанного коэффициента запаса и принимается решение или о сгущении сетки, или об удалении конечного элемента. В работе приведены результаты расчетов для двух задач в приведенной постановке для негомогенного тела и для осредненных механических свойств. Численные результаты в данных задачах наглядно иллюстрируют значимые различия в результатах напряженно-деформированного состояния органа и позволяют судить о характере разрушения органа.
Бесплатно
Статья научная
Статистическими методами решается задача оценки рефракционных результатов у Про- блема оптимизации рефракционно-лазерных операций для коррекции гиперметропии оста- ется актуальной, поскольку современные методы кераторефракционной хирургии гипермет- ропии уступают по предсказуемости, эффективности и стабильности результатам коррек- ции миопии. В нерандомизированное ретроспективное исследование включены результаты 161 пациента, которым проведена лазерная коррекция методом ФемтоЛАЗИК в Чебоксар- ском филиале ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза». Средний возраст пациентов составил 41,9 лет. Оценка проводилась до операции и на третий день после нее с исполь- зованием стандартных методов обследования, включая определение некорригированной и максимально корригированной остроты зрения, рефрактометрию, бесконтактную тономет- рию, биомикроскопию, кератотопографию, обследование на анализаторе переднего сег- мента глаза, осмотр глазного дна и другие показатели. С помощью кластерного и дискрими- нантного анализов среди пациентов выделена «группа риска», в которой после операции была получена наименьшая точность послеоперационного сфероэквивалента и наиболее низкие показатели остроты зрения. Построено правило, согласно которому можно отнести тот или иной глаз к одной из полученных групп. Наилучшие рефракционные результаты по- лучены в группе с гиперметропией слабой степени, к «группе риска» отнесли пациентов с гиперметропией высокой степени без или в сочетании с астигматизмом. Попарные сравне- ния показали, что случаи из «группы риска» чаще оказываются в группах с наибольшим (по модулю) цилиндрическим компонентом рефракции и наименьшим сфероэквивалентом по- сле операции, что объясняет низкие показатели некорригированной и максимально корри- гированной остроты зрения. Высокая степень гиперметропии требует большего времени ла- зерной абляции, что может приводить к высушиванию роговицы и неравномерности абля- ции, а также к индуцированию аберраций высшего порядка и формированию астигматизма. Аккомодационные нарушения у пациентов с гиперметропией могут приводить к длительной миопической рефракции после операции. Коррекция гиперметропии слабой и средней сте- пени методом ФемтоЛАЗИК демонстрирует более точные результаты по сравнению с кор- рекцией высокой степени. Для улучшения результатов необходимо учитывать степень ги- перметропии, возраст, тонус аккомодационного аппарата глаза, наличие оптической коррек- ции, характер бинокулярного взаимодействия и угол Каппа при планировании операции и послеоперационном ведении. Эти меры могут привести к более предсказуемым и стабиль- ным результатам, уменьшить риск осложнений и повысить удовлетворенность пациентов проведенным лечением.
Бесплатно
Моделирование ростовых деформаций в живых системах
Статья научная
В работе использован метод декомпозиции собственной деформации в линейно-упругом теле, позволяющий разложить собственную деформацию на две части: первая часть не вызывает напряжений в системе, а вторая часть не вызывает деформаций системы. Показано применение данного подхода в решении задач независимого управления собственными деформациями, дана постановка задачи моделирования систем с собственными деформациями. Под собственной деформацией понимается неупругая деформация любой природы, например температурная деформация, деформация фазовых переходов, деформация роста и перестройки живой ткани, пьезоэлектрическая деформация и т.д. Предложенный подход применен для моделирования ростовых деформаций при лечении врожденной расщелины твердого нёба. Данная патология при неудачном лечении может приводить к серьезным косметическим дефектам, а также к отставанию умственного развития ребенка. Получено определяющее соотношение для ростовой деформации, проведен его анализ и показано, что при определенных граничных условиях рост не будет вызывать напряжений в системе, что существенно упрощает процедуру решения задачи о накоплении ростовой деформации с течением времени. Этот результат важен для планирования оптимального ортопедического лечения данной патологии, которое приводит к задаче независимого управления деформациями системы посредством ростовых деформаций. Определяющее соотношение получено для изотропного однородного тела, так как костная ткань ребенка не имеет сформированной структуры и изотропна. Использование свойств изотропии дает возможность задействовать в определяющем соотношении для ростовых деформаций только два скалярных параметра. Это позволяет учесть основные особенности роста и провести эксперименты по определению этих параметров.
Бесплатно
Моделирование свободных колебаний звукопроводящей системы реконструированного среднего уха
Статья научная
В работе предлагается простейшая математико-механическая модель реконструированной колебательной системы среднего уха человека. Восстановленная колебательная система состоит из круглой пластинки, изготовленной из хряща, и двух шарнирно-соединенных между собой стержней. Первый стержень, жестко скрепленный с искусственной барабанной перепонкой, моделирует Т-типа протез, замещающий цепь косточек «молоточек-наковальня», а второй - стременную косточку. Выводится система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая свободные радиально несимметричные колебания механической системы среднего уха. Для случая малых колебаний выведено трансцендентное уравнение относительно собственных частот системы. Исследуется влияние механических и физических характеристик вводимого протеза на нижний спектр собственных частот. Приводится сравнение частот реконструируемой колебательной системы с собственными частотами среднего уха в норме, найденными другими авторами на основе конечно- элементного моделирования.
Бесплатно
Моделирование сократительной активности мышечной ткани
Статья научная
Предложена модифицированная феноменологическая модель мышцы, учитывающая инерционные и деформационные свойства нитей саркомера и устраняющая ряд несоответствий и неточностей, присущих ранее предложенным описаниям. Разработана методика расчета параметров деформирования мышечной ткани в активном состоянии (фазе сокращения), основанная на предложенной модели и известных соотношениях теории «скользящих нитей». Проведена идентификация модели по известным экспериментальным данным, соответствующим деформированию портняжной мышцы лягушки в изотоническом и изометрическом режимах.
Бесплатно
Моделирование спиральных волн в аорте
Статья научная
В работе рассчитаны два типа спиральных волн, распространяющихся в аорте – короткие спиральные волны и квазистационарные моды. Исследование проведено на основе системы Навье−Стокса и динамических уравнений тонкой упругой оболочки. Аорта моделируется круговым цилиндром, ограниченным изотропной оболочкой. Показано, что короткие спиральные волны заполняют все поперечное сечение цилиндра в отличие от длинных спиральных волн, которые локализованы в пограничном слое вблизи оболочки. Упругие свойства оболочки оказывают слабое влияние на короткие волны. Часть спиральных мод локализуется в критическом слое вблизи оси цилиндра. Механизмом переноса как коротких спиральных волн, так и квазистационарных мод является стационарный поток.
Бесплатно
Моделирование течения запыленного воздуха в респираторном тракте
Статья научная
Статья посвящена исследованию нестационарного течения и оседания запыленного воздуха (многофазной смеси газов и твердых частиц) в крупных нижних дыхательных путях в рамках разработки математической модели дыхательной системы человека. Исследуется содержание во вдыхаемом воздухе взвешенных частиц PM 10 (диаметр частиц менее 10 мкм) оксида алюминия на уровне норматива предельно допустимых среднесуточных концентраций. Несущая фаза описывается моделью вязкой жидкости; твердые частицы являются отдельными включениями различного размера, для которых записываются отдельные уравнения; полагается, что твердые частицы имеют сферическую форму. Расчеты параметров течения были выполнены с использованием программного продукта ANSYS CFX . Получены параметры течения газовой смеси с твердыми частицами, приведены поля скоростей и траектории движения твердых частиц различных размеров во время вдоха в различные моменты времени. Результаты, полученные с помощью подмодели движения воздуха в крупных нижних воздухоносных путях человека, являются входной информацией для моделирования движения газовзвеси в легких человека. Кроме того, полученные результаты могут быть использованы для решения задач по оценке риска здоровью человека от действия взвешенных частиц, осевших в нижних воздухоносных путях человека. Дальнейшее развитие модели предполагает совместное решение задач газодинамики в дыхательных путях человека и распространения воздуха в упругодеформируемой насыщенной пористой среде легких человека.
Бесплатно
Моделирование управляемого движения двуногого антропоморфного механизма
Статья научная
С использованием лагранжева формализма и пакета «Mathematica 6.0.3» получена система дифференциальных уравнений, моделирующих двуногую ходьбу одиннадцатизвенного стержневого механизма с деформируемыми элементами структуры. С целью получения оценок управляющих моментов в приведенных уравнениях была разработана методика пиктографической визуализации движений человека при ходьбе с использованием современных методов и средств видеосъемки. Приближенное решение обратной задачи динамики позволяет искать решение задачи управляемого движения (прямой задачи), используя найденные оценки. С целью получения модели, более адекватной реальным системам, учитывается деформируемость звеньев, что позволит учитывать рекуперацию энергии при естественной ходьбе. Известно, что протезирование, например, только одной ступни снижает энергоэффективность на четверть. Упругостью опорно-двигательной системы человека обусловлена также конечность скорости передачи импульсов при ударном контакте опорной ноги с поверхностью. На основе экспериментального определения оценок управляющих усилий существует возможность описания управления движением антропоморфного механизма с учетом деформируемости звеньев.
Бесплатно
Статья научная
В середине 90-х годов прошлого века было анонсировано открытие винтового движения крови в артериальных сосудах. До этого большинство математических моделей учитывало продольную составляющую скорости в предположении, что движение частиц крови является поступательным вдоль оси сосуда. В настоящей работе на основе математической модели, в которой сосуд рассматривается как полубесконечная упругая оболочка с винтовой анизотропией, а кровь как вязкая несжимаемая жидкость, исследуется движение всей системы и напряженно-деформированное состояние стенки, порождаемые систолой. Динамические уравнения цилиндрической оболочки с винтовой анизотропией получены на основе гипотез Кирхгофа-Лява и учитывают наличие предварительного напряженного состояния, которое присуще многим сосудам. Движение крови описывается линейными уравнениями Навье-Стокса. На основании построенной модели проводился ряд численных экспериментов, сравнительный анализ результатов которых с экспериментальными данными показал, что она с достаточной степенью точности отражает поведение основных гидродинамических характеристик при развитии движения.
Бесплатно
Модель и анализ контактного взаимодействия с биотканями одномерных полимерных имплантатов
Статья научная
Рассматривается базовый этап процесса имплантации в виде протягивания одномерного протезирующего (фиксирующего, диагностирующего) элемента через отверстие в биоткани. Разработанная механико-математическая модель описывает взаимодействие данного имплантата с биотканями в условиях сцепления и проскальзывания контактирующих поверхностей. Получены расчетные зависимости для удлинения имплантата и максимального значения интенсивности тензора напряжений в прилегающих объемах материала, позволяющие получить теоретическую оценку фрикционно-механических характеристик одномерных имплантатов и определить их травмирующее воздействие.
Бесплатно
