Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
О влиянии реологических и миогенных факторов на кровоток в резистивном сосуде
Статья научная
Рассмотрено квазиодномерное течение крови в одиночном сосуде с учетом эффектов Фареуса–Линдквиста, Фареуса и реакций сосудистой стенки на механические стимулы. В стенке сосуда рассматриваются три слоя: эндотелиальный, гладкомышечный и адвентиция. Предполагается, что диаметр сосуда регулируется двумя параметрами: концентрацией свободных ионов кальция и концентрацией оксида азота (NO) в гладкомышечном слое. Первый из них зависит от среднего окружного напряжения в стенке сосуда, NO продуцируется эндотелием под действием касательных напряжений на стенке. Для описания реологических факторов используется решение задачи о двухслойном течении в цилиндрической трубке. Исследован вклад реологических факторов в изменения кровотока при варьировании входного давления в пассивном сосуде, сосуде с реакцией Бейлисса и сосуде, обладающем чувствительностью как к реакции Бейлисса, так и касательному напряжению на стенке. При расчетах использовались данные публикаций, описывающих результаты экспериментов на мелких церебральных артериях крыс. Для сосудов этого типа показано, что при одинаковых условиях на концах сосуда радиус и кровоток в активном сосуде на десятки процентов меньше, чем в пассивном сосуде во всем исследованном диапазоне давлений, причем это различие монотонно увеличивается с ростом входного давления. Расход при давлении выше 60 мм рт. ст. снижается почти на 90%. Реологические факторы на эти различия практически не влияют. Рост кровотока за счет NO-зависимой реакции в активном сосуде может превысить 12%, эта величина зависит от давления и определяется уровнем сосудистого тонуса. Вклад реологических эффектов также зависит от давления, их влияние на кровоток в пассивном и активном сосудах относительно мало и находится в пределах нескольких процентов. Реологические факторы уменьшают снижение кровотока в «бейлиссовском» сосуде по сравнению с пассивным и повышают его в сосуде с двумя реакциями по сравнению с «бейлиссовским».
Бесплатно
Статья научная
Обоснована математическим моделированием возможность использования в офтальмологической практике показателей, характеризующих упругие свойства корнеосклеральной оболочки при первичной открытоугольной глаукоме и базирующихся на применяемых в клинике тонометрических исследованиях. В качестве теоретической основы моделирования используется модель глазного яблока, разработанная авторами ранее. Предложенные механические критерии, коррелирующие с тяжестью заболевания, верифицированы клиническими измерениями с использованием тонометров Маклакова и Шиотца. Результаты проведенного исследования свидетельствуют в пользу современной гипотезы о корреляции между тяжестью первичной открытоугольной глаукомы и степенью отклонения от нормы упругих свойств корнеосклеральной оболочки глаза. Показано, что развитие заболевания сопровождается ростом коэффициента эластоподъема по Шиотцу и падением коэффициента эластоподъема по Маклакову. Наряду с этим, информативным показателем оказалось возрастание отношения этих коэффициентов. Как следует из расчетов авторов, такие изменения соответствуют увеличению склеральной жесткости при более значительном возрастании жесткости роговицы.
Бесплатно
О возможностях биомеханического сопровождения процесса ортодонтического лечения зубов
Статья научная
На основе предложенной автором методики определения величины сил, действующих на зубы при ортодонтическом лечении, рассмотрена возможность биомеханического сопровождения процесса лечения на примере конкретного клинического случая. Особенностью и достоинством предлагаемой методики является ее ориентация на достигнутое положение брекетов. Исходной базой для расчета является взаимная ориентация в пространстве пазов соседних брекетов. У практикующих ортодонтов появляется новая количественная база данных, которую можно использовать для прогнозирования как ближайших, так и отдаленных результатов лечения.
Бесплатно
О движении деформируемого твердого тела в вязкой несжимаемой жидкости
Статья научная
Рассматривается движение тела, вызванное деформациями его поверхности, что моделирует движение рыб, змей и других живых существ, обитающих в жидкой среде. Искомые функции представляются в виде суммы стационарной и нестационарной частей. При больших частотных числах Рейнольдса в квазистационарном приближении методом сращиваемых асимптотических разложений приводится решение для эллипсоида вращения, поверхность которого деформируется в виде бегущей волны с переменной амплитудой. Результаты сравниваются с решением задачи о движении бесконечного кругового цилиндра. Показывается, что при удлинении эллипсоида скорость его движения стремится к скорости цилиндра.
Бесплатно
Статья научная
Обсуждается задача восстановления утраченных показаний системы видеоанализа движений человека по измерениям двухкомпонентного акселерометра. Алгоритм использует математическую модель движения и состоит из двух этапов: идентификации неизвестных параметров и собственно этапа восстановления утраченной информации. Обе задачи сводятся к решению переопределенных систем линейных уравнений. Сравниваются два подхода к решению задачи восстановления. Первый использует традиционную нерекуррентную процедуру метода наименьших квадратов, а второй - процедуру субоптимального алгоритма сглаживания, основанного на фильтре Калмана. Алгоритмы применены для задачи восстановления утерянных значений угла, образованного голенью человека и вертикалью.
Бесплатно
О деформации многослойной решетчатой пластинки диска зрительного нерва
Статья научная
Известно, что при глаукоме дефекты поля зрения возникают из-за атрофии зрительно-нервных волокон, имеющих при выходе из полости глаза в полость зрительного нерва перегиб в области решетчатой мембраны [2]. Решетчатая мембрана состоит из нескольких параллельно расположенных листов плотной соединительной ткани, содержащей эластические волокна. В данной работе представлена модель решетчатой мембраны как многослойной оболочки вращения с упругими связями между слоями.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена задача о деформации сферической оболочки постоянной толщины, заполненной несжимаемой жидкостью, находящейся под давлением, при воздействии растягивающих или сжимающих сил, действующих по экватору. Исследовано изменение внутреннего давления при экваториальном растяжении или сжатии. Полученные результаты представляют интерес при оценке изменения давления внутри капсулы хрусталика глаза в процессе аккомодации, а также при оценке изменения внутриглазного давления при воздействии глазных мышц.
Бесплатно
О динамической модели кисти человека
Статья научная
Разработка искусственных систем, имитирующих движение человеческого тела, ставит ряд актуальных проблем, относящихся к их способности перемещать предметы. Решение этих проблем еще далеко до завершения, несмотря на то, что они были обстоятельно исследованы и к настоящему моменту уже получены положительные результаты. Существует огромное количество модификаций протезов кисти, многие из них используются на практике, имеются в продаже, но пока ни один протез не может в точности выполнять движения человеческой руки. Необходимо изучить поведение кисти и построить такую кинематическую модель, которая обеспечила бы простоту и надежность эксплуатации протеза, имела небольшой вес и привлекательный внешний вид. Моделирование динамического поведения кисти человека обусловлено тем, что физиологические движения кисти в норме предполагают динамику. Кисть человека имеет много степеней свободы, поэтому полученная при моделировании система дифференциальных уравнений предполагает численное решение. Такие модели являются основой для разработки протеза, удовлетворяющего всем требованиям. В работе представлена динамическая модель кисти человека и конструкция протеза на гидравлической основе, которая, по мнению авторов, является более простой, надежной и недорогой по сравнению с аналогами.
Бесплатно
Статья научная
Метод численной оценки экспериментальных данных о напряженно- деформированном состоянии, основанный на понятии энергии диссипации, феноменологически определенной для твердых материалов в [1], разработан Мазилу (Mazilu) и Конвеем (Conway) в работе [4]. В связи с этим в основу математической модели заложена теория непрерывных групп. Группа оставляет инвариантной энергию деформации, являясь линейной группой гомогенных трансформаций точек в плоскости экспериментальных напряжений и деформаций. Эта группа указывается ниже как специальная линейная (2 х 2) вещественная матрица или SL (2R). Основой этого исследования является второе начало термодинамики. Идея исследования заключается в том, что энергия диссипации связана с производством энтропии в эксперименте на нагружение. В этой работе показана связь с первым началом термодинамики посредством потенциала деформации. Затем устанавливается естественная зависимость между упомянутым потенциалом и инвариантными функциями группы SL (2R), что дает физический смысл для понимания энергетики процесса деформации.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются проблемы организации ходьбы активного экзоскелетона в режиме плоской регулярной ходьбы по ровной горизонтальной поверхности. Предполагается, что экзоскелетон снабжен двумя двигателями в коленных шарнирах, а взаимодействие с человеком осуществляется при помощи вязкоупругих лямок, соединяющих его и аппарат в некоторых точках тела. Рассматриваются два типа управляющих двигателей - идеальные моментные и гидравлические двигатели. На аппарате, кроме того, установлены датчики межзвенных углов и угловых скоростей. В работе построена система динамических уравнений, описывающих движение экзоскелетона в режиме одноопорной ходьбы при воздействии вязкоупругих сил за счет лямок и управляющих моментов. Режим ходьбы задается человеком-оператором, который поддерживает его за счет собственных мышечных усилий; информация об углах считывается датчиками, установленными в суставах. На основе полных уравнений динамики строится управление экзоскелетоном, обеспечивающее отслеживание желаемых движений в коленных шарнирах с требуемым качеством переходных процессов. В случае идеальных двигателей моделирование показало правильность построенных алгоритмов и высокую точность реализации задаваемой походки (в том числе и по угловому положению корпуса экзоскелетона), а также выявило существенное влияние коэффициентов демпфирования и упругости лямок. Исследование показало возможность подбора коэффициентов, позволяющих обеспечить комфортность движения для человека-оператора за счет резкого снижения вибраций в системе. Одновременно с этим наблюдается снижение энергозатрат человека, подсчитанных по критерию биомеханического функционала. Описана модель экзоскелетона, учитывающая динамические свойства гидроцилиндров и геометрию их расположения; они также устанавливаются в коленных шарнирах. Построено управление, которое позволяет одновременно реализовать с требуемым качеством как желаемые угловые перемещения в коленных шарнирах, так и необходимые усилия, развиваемые в гидроприводах. При моделировании была установлена существенная роль коэффициента усиления в алгоритме для обеспечения устойчивости вычислительного процесса.
Бесплатно
О количественной оценке реакции резистивного сосуда на изменения напряжения сдвига
Статья научная
Рассматривается течение крови в сосуде, тонус которого регулируется механическими стимулами, трансмуральным давлением и напряжением сдвига на сосудистой стенке. Ранее с помощью математической модели оценки вклада каждого из этих стимулов в изменения радиуса и объемной скорости кровотока проводились исследования для сосуда со слабовыраженной чувствительностью к изменениям концентрации оксида азота, вазодилататора, продуцируемого эндотелием при сдвиговой деформации. Цель представленной работы состояла в оценке вклада реакции на сдвиг в регуляцию просвета сосуда и скорости кровотока при большей чувствительности сосудистой стенки к оксиду азота (NO). Поскольку реакция на сдвиг зависит от таких реологических факторов, как ширина пристеночного слоя плазмы, эффекты Фареуса и Фареуса-Линдквиста, оценивалось также влияние реологических факторов на величину рассматриваемой реакции. Оценки показали, что увеличение чувствительности стенки к изменениям концентрации оксида азота приводит к повышению роли реакции на сдвиг в регуляции сосудистого тонуса и кровотока. Из полученных результатов следует, что вклад реакции на сдвиг зависит от трансмурального давления в сосуде. При давлении, характерном для рассматриваемого сосуда, изменения скорости кровотока, вызванные NO-зависимой реакцией, превышают 16%, радиус увеличивается на 4%. Эти оценки соответствуют прижизненным наблюдениям за изменениями диаметра мозговых сосудов крыс. Показано также, что с ростом чувствительности сосудистой стенки к оксиду азота повышается роль реологических факторов, связанных с образованием пристеночного слоя плазмы, в регуляции скорости кровотока. Реакция на сдвиг приводит к усилению зависимости диаметра сосуда и скорости кровотока от показателя гематокрита. В наибольшей степени увеличение зависимости проявляется при низком гематокрите, что подчеркивает важность реакции на изменения касательного напряжения при анемии.
Бесплатно
Статья научная
За последние годы в отечественной и зарубежной литературе появились сообщения о возможном влиянии стоматологических заболеваний и особенно потери зубов на состояние очень важной сосудистой магистрали - сонной артерии на шее, образование в ней атеросклеротических бляшек и даже развитие ишемического инсульта и ишемической болезни сердца. Эти заболевания в настоящее время являются самыми частыми причинами глубокой инвалидизации и преждевременной (нередко скоропостижной) смерти людей. К сожалению, при объяснении механизма влияния различных стоматологических факторов на повреждение жизненно важной сосудистой магистрали, соединяющей и объединяющей работу мозга и сердца, наметились расхождения и противоречия. Эти расхождения и противоречия могут быть устранены после разработки биомеханической модели повреждения височно-нижнечелюстного сустава и внутренней сонной артерии на основе проведения современного безопасного (неинвазивного) магнитно-резонансного исследования и сравнения двух групп людей (основной и контрольной).
Бесплатно
Статья научная
В середине XX века в медицинскую практику стали бурно внедряться методы ангиографии, получившие во многих медицинских дисциплинах название «золотого стандарта исследования» и дающие новые возможности для установления взаимосвязи стоматологических и общих заболеваний на базе взаимодействия биомеханических и гемодинамических факторов. Так, в случаях коллатерального (добавочного) кровообращения в головном мозге установлен конкретный механизм развития атрофических, болевых и других синдромов зубочелюстной системы, так называемого синдрома обкрадывания луночковых артерий. Проблема взаимодействия биомеханических и гемодинамических факторов нуждается в особом внимании ученых педиатров-неонатологов. Биомеханическое влияние сосательных движений плода во время беременности и дислокация (смещение) беззубой нижней челюсти вместе с височно- нижнечелюстным суставом под влиянием мощных родовых схваток могут быть причиной врожденного повреждения внутренней сонной артерии, включая ее полное исчезновение.
Бесплатно
О механических свойствах кожи человека
Статья научная
В работе исследованы механические свойства кожи как материала, проявляющего вязкоупругие свойства. Проведены гистологические исследования, показавшие, что при деформировании происходят изменения структуры кожи (переориентация волокон коллагена и эластина, распутывание волокон, разрыв волокон), обуславливающие ее вязкоупругое поведение. Предложена модель, позволяющая описать вязкоупругое поведение кожи, и определены параметры модели путем экспериментов на одноосное растяжение кожных лоскутов. Количественно оценены возрастные изменения механических свойств кожи. Показано влияние пола человека на механические свойства кожи. Записаны определяющие соотношения для трехмерного напряженно-деформированного состояния.
Бесплатно
О моделировании пястно-запястного сустава большого пальца руки
Статья научная
Актуальность исследования суставов большого пальца руки определяется той важной ролью, которую этот палец играет в нормальном функционировании всей кисти. Совместной российско-тайваньской группой ученых исследуется пястно-запястный сустав с целью создания адекватной математической модели этого сустава. Такой механико-математический аппарат необходим для дальнейшего практического приложения – создания искусственного сустава. Специалистами факультета прикладной биомедицины Национального университета Чен Кун (Тайвань) с помощью компьютерной томографии проведены серии экспериментов, в которых регистрировались ( in vitro ) относительные положения костей, составляющих этот сустав: первой пястно-запястной кости и кости-трапеции. В то же время в Научно-исследовательском институте механики Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова построена кинематическая модель сустава в виде двух цилиндрических шарниров, оси которых представляют собой произвольно расположенные скрещивающиеся прямые. Подобный подход в современной научной литературе считается одним из самых перспективных. Авторами предложена методика и построен алгоритм идентификации индивидуальных параметров рассмотренной модели по экспериментальным данным. По результатам численного счета показано, что предложенная методика позволяет в несколько раз снизить максимальное абсолютное расхождение расчетных и экспериментальных характеристик сустава по сравнению с соответствующими значениями, представленными в литературе. Тем не менее максимальная относительная невязка по длине измеренного и расчетного вектора, соединяющего опорные точки двух костей, достигла 55%. В связи с этим в модель были добавлены дополнительные степени свободы, соответствующие перемещению центров шарниров вдоль некоторых прямых, жестко связанных с костями сустава. Таким образом, модель содержит 14 параметров. После их идентификации удалось снизить максимальную невязку по длине измеренного и расчетного векторов до 9%, а разницу по расчетным и измеренным углам ориентации – до 5%.
Бесплатно
О нахождении параметров определяющих соотношений в гиперупругой модели для мягкой ткани
Статья научная
Цель данной статьи - изучение модели гиперупругих материалов и ее применение в механике мягких тканей. В частности, сначала определяется неограниченная область конститутивных параметров модели, заменяя гладкую функцию энергии деформации поливыпуклой и потому удовлетворяющей условию Лежандра - Адамара ( Legendre - Hadamard ). Далее физически разумное поведение материала описывается данной моделью с этими параметрами и многие ткани могут быть рассмотрены. Затем локализуются ограниченные подмножества конститутивных параметров в физически фиксированных и очень общих границах, и затем вводим семейство дискретных кривых наряжения-деформации. Затем характеризуются различные классы тканей. Предложенный авторами общий подход основан на детальном аналитическом изучении первого тензора напряжения Пиолы - Кирхгофа через его зависимость от инвариантов и от конститутивных параметров. Единственность параметров для данной ткани обсуждается, вводится понятие многообразия конститутивных параметров, которые локально представляются, возможно, различными физическими величинами. Достоинством предлагаемого подхода является то, что авторы показывают возможный способ улучшить обычные подходы, известные в литературе, которые преимущественно основаны на минимизации целевой функции разности между экспериментальными и модельными результатами.
Бесплатно
Статья научная
Дано комплексное обоснование принципов восстановительной хирургии одномоментно поврежденных эластических структур и показано значение фактора биомеханического натяжения для алгоритма и оперативно-технических приемов проведения микрохирургических операций. В работе на основе опыта реплантации крупных сегментов конечностей у 153 пациентов излагается подход, позволяющий уменьшить количество неудовлетворительных исходов при выполнении восстановительных операций. Математическое моделирование, использованное при решении этой задачи, потребовало определенной перемены логики выполнения операции. Это вызвано необходимостью проведения некоторых ранее не выполнявшихся замеров и определенных компьютерных вычислений, результаты которых использовались при определении длины трансплантата и ряда других характеристик восстанавливаемых эластичных структур. Из полученных формул и хирургической практики следует, что при проведении операций по укорочению конечностей иногда необходимо резецировать концы костей и эластичных структур. Успех проведенных восстановительных операций обусловлен также организационными и хирургическими действиями: оперирование двумя бригадами хирургов с целью сокращения сроков включения отсеченного сегмента в кровоток; проведение «провизорного остеосинтеза», с заменой его в раннем послеоперационном периоде или в конце операции на окончательный вариант остеосинтеза, чаще всего аппаратный. Промывание кровью больного во время включения в кровоток отсеченного сегмента позволило избежать «синдрома включения». Большой психологический эффект имела также ранняя психофизиологическая реабилитация. Отдаленные результаты изучены у 131 пациента: 19 отличных, 77 хороших (больные вернулись к прежней трудовой деятельности), 35 неудовлетворительных.
Бесплатно
О некоторых особенностях расчета нижней челюсти на прочность при функциональной нагрузке
Статья научная
Рассмотрены основные принципы и параметры, необходимые для построения расчетной схемы нижней челюсти человека. Предложенная расчетная схема позволяет проводить предварительную оценку прочности нижней челюсти с использованием соотношений теоретической механики и сопротивления материалов.
Бесплатно
О необходимости винтового движения крови
Статья научная
В работе показаны новые представления о биомеханике кровообращения, развитые на основе научных открытий авторов в этой области знания. В гидродинамических исследованиях системы кровообращения использованы физические законы сохранения с применением локального динамического подхода для воронкообразных каналов, какими представляются полости сердца и артериальные кровеносные сосуды. Найдены неизвестные ранее явления, законы и свойства в биомеханике кровообращения. Обнаружены: явление образования винтового потока крови в сердечно-сосудистой системе, универсальное явление образования закрученного потока биологических сред в транспортных каналах организма, свойство закрученного потока жидкости создавать силу тяги в воронкообразных каналах. Установлен закон гемодинамики в артериальном русле. Раскрыты физические механизмы транспортной функции сердечно-сосудистой системы. Выдвинута концепция «распределенного сердца» по ходу артерий, обоснованная активной деятельностью артерий в поддержании винтового потока крови. Расшифрована природа артериального диастолического давления. Рассмотрена последовательность процессов в сердечно-сосудистой системе за период одного сердечного цикла с позиций новой концепции биомеханики кровообращения. Экспериментальные факты хорошо согласуются с теоретическими исследованиями, что позволило авторам создать новое направление в биомеханике кровообращения. Полученные фундаментальные результаты представляют ценность для научной и практической медицины.
Бесплатно
О приложении теории оболочек к некоторым задачам офтальмологии
Статья научная
В работе исследуется снижение коэффициента запаса прочности роговицы после эксимерных лазерных операций (лазерного кератомилеза in situ и фоторефрактивной кератэктомии) и по поводу миопии и миопического астигматизма. Ранее при решении подобной задачи склера рассматривалась как значительно более жесткая оболочка, чем роговица, и поэтому роговица рассматривалась как жестко защемленная пологая оболочка. В данной работе задача о последствиях операций рефракционной хирургии рассматривается в более реалистичной постановке как задача о напряженно-деформированном состоянии двух сферических изотропных оболочек, сопряженных по окружности и находящихся под действием равномерно распределенного внутриглазного давления. Склера представляется незамкнутой однородной цилиндрической оболочкой. Напряженно-деформированное состояние оболочки находится на основе решения, полученного методом асимптотического интегрирования комплексных уравнений В. Новожилова. Сопряженная со склерой роговица рассматривается как изотропная пологая оболочка другого радиуса. Напряженно- деформированное состояние роговицы найдено с помощью решения комплексных уравнений пологих оболочек, полученных А. Назаровым. Приводится анализ характеристик роговицы при повышенном внутриглазном давлении до и после операции. Рассматривается влияние склеральной оболочки на прогиб решетчатой пластинки глаза при глаукоме. Решение показывает, что влияние склеры приводит к изменению максимальных прогибов на 4-5 %.
Бесплатно
