Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 898
Статья научная
Исследовано влияние биологического процесса остеоинтеграции на изменение упругих модулей материала ножки эндопротеза тазобедренного сустава (углерод-углеродного композиционного материала) в областях с повреждениями кристаллитов пироуглерода. Повреждения возникают в результате предельных нагрузок, совершаемых человеком, что приводит к снижению несущей способности ножки эндопротеза. В результате повреждений пироуглеродная матрица становится аналогичной сыпучей гранулированной среде, что существенно снижает упругие свойства материала в целом. Положительное изменение упругих модулей материала ножки эндопротеза в процессе остеоинтеграции может привести к блокировке распространения областей повреждения и к увеличению несущей способности эндопротеза. Прогнозирование упругих модулей в поврежденных областях эндопротеза производится в два этапа. На первом этапе вычисляются упругие свойства новой матрицы в поврежденных областях, которая представляет собой сочетание остеобластов и пироуглеродной матрицы углерод-углеродного композиционного материала. На следующем этапе вычисляются эффективные свойства однонаправленного углерод - углеродного композиционного материала с модифицированной матрицей. При прогнозировании упругих модулей используется прямой метод гомогенизации, реализованный в модуле Ansys Material Designer . Прогнозирование эффективных свойств трехмерно-армированного углерод-углеродного композиционного материала, в поры которого внедрены остеобласты, производится по модели Тарнопольского. При моделировании нагружения используются пространственные модели костей человека, полученные при помощи компьютерной томографии и преобразованные в твердотельные модели. Величина нагрузки на биомеханическую систему определяется несущей способностью ножки эндопротеза при повреждениях в 4 областях без учета внедрения остеобластов. В исследовании приведены результаты расчетов полей напряжений и деформаций для конструкции эндопротеза тазобедренного сустава, представлена диаграмма деформирования ножки эндопротеза в координатах «нагрузка - перемещение», показывающая измененную несущую способность эндопротеза. Численные результаты наглядно демонстрируют влияние биологического процесса остеоинтеграции на изменение несущей способности эндопротеза и упругих свойств в поврежденных областях материала.
Бесплатно
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
Исследование посвящено актуальной проблеме оценки вторичной стабильности, связанной с прогнозированием регенерации костной ткани у пациентов с различной исходной плотностью кости, что имеет особое значение для успешной реабилитации после травм и оперативных вмешательств. В работе рассмотрена модель Картера–Хейса, реализованная в программном пакете FEBio, с вариацией параметра удельной энергии деформации φ0, выше которого происходит рост, а ниже деградация. Параметр φ0 рассматривался для диапазона плотностей трабекулярной кости 300–850 кг/м³ для двух типов граничных условий представительного элемента: всестороннего сжатия и частично свободной границы. Граничные условия влияют на интерпретацию процессов взаимодействия костной ткани с различными вариантами фиксации имплантатов: жесткой и подвижной. Полученные результаты демонстрируют нелинейную зависимость φ0 от плотности кости с критическим переходом при 500 кг/м³, что позволяет дифференцированно подходить к прогнозированию процессов регенерации. Результаты моделирования демонстрируют, что зоны с повышенной механической нагрузкой характеризуются активным формированием трабекулярных структур, что полностью согласуется с классическим законом Вольфа о функциональной адаптации костной ткани. Практическая значимость работы заключается в возможности точного подбора параметра φ0 для конкретного пациента на основании данных о его исходной плотности костной ткани, что открывает новые перспективы для разработки персонализированных реабилитационных программ и совершенствования методов предоперационного планирования с учетом типа фиксации имплантата. Полученные данные создают основу для дальнейших исследований, направленных на интеграцию механических и биологических аспектов ремоделирования костной ткани.
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
Статья научная
Костная пластика – это хирургическая процедура, при которой недостающая кость замещается материалом из собственного тела пациента, искусственным или натуральным заменителем. Костная пластика возможна потому, что костная ткань обладает способностью к полной регенерации, если ей предоставить пространство, в котором она должна расти. По мере роста естественной кости она, как правило, полностью замещает материал трансплантата, в результате чего образуется полностью интегрированный участок новой кости. Целью данного исследования было проанализировать и сравнить распределение напряжений и деформаций между винтами с полной и неполной резьбой при фиксации костного трансплантата. В рамках данного исследования поле напряжений оценивалось численно методом трехмерных конечных элементов с использованием расчетного кода Abaqus. Аутогенный костный трансплантат применялся в области, где объем кости был недостаточен для обеспечения хорошей фиксации имплантата в челюстной кости. Этот костный блок стягивается винтами с разной длиной резьбы. Воздействие имитирует механический удар, оказываемый на костный трансплантат и на кость после удара или несчастного случая с пациентом. В этом заключается оригинальность данной работы. Различные способы костной пластики могут быть предложены для увеличения высоты доступной кости или ее ширины в одном или нескольких секторах для установки зубных имплантатов. Костный трансплантат фиксируется винтами различной формы в случае блоков. Наибольшие эквивалентные напряжения обусловлены ударом снаряда под углом + 30 °, а также формой винта. Максимальная интенсивность напряжений в винте с полной резьбой остается относительно низкой, по сравнению с винтом с неполной резьбой – 77 %. Такое снижение напряжений, вероятно, связано с уменьшением количества витков резьбы в винте. Наибольшее напряжение приходится на середину первого винта, что, вероятно, связано с изгибом последнего под действием косых и горизонтальных нагрузок. Два винта 2 и 3, ведут себя практически одинаково, они находятся в состоянии сжатия, а максимальные напряжения расположены на уровне первой резьбы винта.
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 одиночного сокращения скелетной мышцы
Статья научная
Обсуждается модель сокращения скелетной мышцы для описания ее одиночного «импульсного» сокращения. Использован подход, основанный на методах разделения движений, позволяющий построить на основе модели сокращения саркомера упрощенные модели сокращения скелетной мышцы. Данный подход позволяет построить набор упрощенных моделей, каждая из которых описывает сократительные процессы в мышце на различных временах движения. Также они отличаются погрешностью описания быстрых переходных процессов. Базовая модель сокращения саркомера представляет собой си-стему нелинейных дифференциальных уравнений 7-го порядка. Интегрирование получен-ной системы позволило остановиться на упрощенной модели 2-го порядка, описывающей поведение ансамбля активных двигательных единиц. Большим достоинством предложен-ной модели является хорошая обоснованность ее различных параметров, в том числе отражающих процессы, протекающие на клеточном уровне. Это достоинство обусловлено выбором базовой модели сокращения саркомера, в которой параметры клеточного сокращения должным образом верифицированы. Входным сигналом для упрощенных моделей является средняя скорость притока ионов кальция в мышце, которая предполагается линейно связанной с потенциалом действия, возникающем на мотонейронах. Для описания сокращения рассматриваются два режима сокращения – изометрический и изотонический. В применении к этим режимам сокращения с помощью упрощенных моделей численно рассчитывается реакция (мышечное усилие) на одиночный импульс (спайк) продолжи-тельностью 5 мс, который описывает одиночное мышечное сокращение. Для полученных реакций вычислены оценки времени сокращения, времени затухания процесса сокращения и характерные значения концентрации ионов кальция в мышце. Для параметров портняжной мышцы лягушки данные характеристики, рассчитанные численно, оказываются близки к тем, которые наблюдаются в экспериментах. Таким образом, показано, что предложенные упрощенные модели позволяют описывать сокращение скелетной мышцы при возбуждении одним импульсным воздействием со стороны мотонейронов.
Бесплатно
