Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 830
Модель нефтеотмывания загрязненного почвогрунта под действием Rhodococcus-биосурфактанта
Статья научная
Добыча и транспорт нефти неизбежно связаны с загрязнением окружающей среды. В последние годы большое значение приобретают способы биологической очистки (биоремедиации) нефтезагрязненных земель как экологически безопасные. В лаборатории алканотрофных микроорганизмов Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН получены высокоактивные и экологически безопасные биогенные сурфактанты, продуцируемые штаммами алканотрофных родококков, выделенных из природных источников нефтепромысловых районов Пермского края. Полученные Rhodococcus- биосурфактанты успешно применяются в технологиях ex/in situ биоремедиации нефтезагрязненных почв и грунтов. Для отображения комплексных процессов биоремедиации необходимо создание математических моделей, адекватно отражающих реальные процессы, протекающие в нефтезагрязненной почве под влиянием биосурфактантов. В данной работе предложена математическая модель стационарного процесса нефтеотмывания загрязненного почвогрунта под действием Rhodococcus-биосурфактанта. Разработанная модель позволяет на основании экспериментальных данных по фильтрации биосурфактанта в модельной почвенной колонке теоретически оценить условия и эффективность проведения нефтеотмывания в полевых условиях. Полученная теоретическая оценка исследуемых параметров процесса нефтеотмывания качественно совпадает с известными экспериментальными оценками.
Бесплатно
Модель отклонения медицинской иглы при движении в тканях человека
Статья научная
Представлена математическая модель, описывающая отклонение медицинской стальной инъекционной иглы при ее движении в фантоме мягких тканей (имитация тканей человека). Данная модель необходима для обеспечения корректировки роботы роботизированной системы при проведении операций брахитерапии или схожих операций, где требуется высокоточное позиционирование кончика иглы. Поскольку кончик иглы является асимметричным, то при движении в тканях игла будет деформироваться, что приведет к ее отклонению от прямолинейного движения. Таким образом, внедряя и поворачивая иглу вокруг своей оси, можно провести кончик иглы по заданной траектории. Разрабатываемая модель необходима для корректировки движения иглы в тканях человека или для прогнозирования оптимальных мест прокола. В работе рассмотрена общая постановка задачи и решена одна из подзадач, а именно расчет отклонения кончика иглы при поступательном движении в однородном материале. Приведены результаты моделирования для различной плотности материала и различного угла острия иглы. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами, полученными при расчете с помощью разработанной модели.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена задача трехмерной теории упругости о деформации трансверсально-изотропного сферического слоя, находящегося под действием внутреннего давления. Получена зависимость, характеризующая изменение внутреннего давления в оболочке глаза в зависимости от введенного объема несжимаемой жидкости, а также получено изменение толщины слоя склеры под действием давления.
Бесплатно
Может ли индекс коллатерального потока влиять на динамику развития рестеноза?
Статья научная
Коллатеральные кровеносные сосуды по статистике связаны с более высокой вероятностью повторного стеноза, но этот вывод не является окончательным. Поэтому целью данного исследования являлось изучение гидродинамики при стенозах коронарных артерий для двух сценариев: при отсутствии коллатералей и при наличии коллатералей с разными индексами коллатерального потока. Для этого в этом исследовании мы использовали аналитическую модель и численную модель. Сначала мы выполнили аналитический расчет для бифуркации артерии со стенозом и коллатеральным сосудом. Затем провели численный расчет с использованием существующей числовой модели для той же топологии. Таким образом, мы получили данные, характеризующие зависимость сдвигового напряжения от степени стеноза для различных случаев Y-образной топологии (без коллатералей и с разными индексами коллатерального потока). Затем на основе численной модели мы рассчитали зависимость сдвигового напряжения от степени стеноза для реальной топологии левой коронарной артерии (без коллатералей и с разными индексами коллатерального потока). Более того, чтобы выбрать место стеноза в модели для исследования, мы использовали статистику частоты установки стентов, основанную на данных, накопленных в клинической практике. В результате анализ полученных данных показал, что для исследованных в данной работе структур индекс коллатерального потока не влияет на динамику рестеноза. Таким образом, маловероятно, что наличие коллатеральных сосудов влияет на динамику развития рестеноза, а связь этих двух вещей, вероятно, является чисто статистической или имеет другой, не гидродинамический механизм.
Бесплатно
Статья научная
На крупнозернистой модели фосфолипидной молекулы, состоящей из двенадцати укрупненных виртуальных атомов, исследованы особенности строения, жесткость молекулы и вращательная подвижность. Моделирование поведения макромолекулы проводилось методом молекулярной динамики, реализованным в оригинальном программном продукте Ring. Впервые показано, что спиралевидная структура фосфолипидной молекулы может быть представлена как пружина, жесткость которой составляет 27,68 кН/м. Исследована вращательная подвижность фосфолипидной молекулы. Обнаружено, что макромолекула вращается вокруг оси, проходящей через один из атомов. Частота вращения зависит от температуры. При температуре 293 К она равна 0,9 ГГц, с увеличением температуры до 309 К частота повышается до 1,2 ГГц.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы является исследование метода определения местоположения пешехода в пространстве с использованием бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) на микроэлектронных механических сенсорах. Данный метод эффективен для применения в помещениях и в других местах, где отсутствует сигнал GPS. Координаты вычисляются интегрированием модельных уравнений БИНС. Основная проблема метода - «уход» координат из-за низкой точности используемых в БИНС микромеханических акселерометров и датчиков угловой скорости. Чтобы компенсировать накопление ошибок, метод интегрирования дополняется технологией коррекции по нулевой скорости ( zero velocity update ). Для этого БИНС крепится на стопе. Движение стопы можно разделить на две фазы: фаза опоры и фаза переноса. На фазе опоры, где БИНС считается неподвижной, можно уточнить координаты и ориентацию, используя информацию о равенстве нулю линейной скорости чувствительной массы БИНС. Особенностью данной работы является применение при коррекции «сигма-точечного» (« unscented ») варианта фильтра Калмана, что способствует повышению точности при выходе ошибок навигации из линейной зоны. Приведены результаты моделирования и обработки экспериментов. Траектория стопы в имитационной модели и в экспериментах представляет собой квадрат. В экспериментах используется блок инерциальных датчиков ADIS 16405 производства компании Analog Devices. Результаты можно оценить как обнадеживающие. Возможно, использование описанной технологии позволит строить кинограммы движения стопы человека без использования системы видеоанализа.
Бесплатно
Статья научная
Никель-титановые (NiTi) сплавы из-за их свойств сверхэластичности и эффекта памяти формы широко используются в ортодонтическом лечении. Их сверхэластичность позволяет ортодонту прикладывать почти непрерывную малую силу с большей активацией, что снижает травмирование тканей и дискомфорт пациента и, таким образом, способствует перемещению зубов. Производители обычно не предоставляют информацию о механических свойствах производимых дуг на упаковке или на веб-страницах, что затрудняет для стоматологов выбор наиболее подходящего материала с большей рентабельностью использования. В настоящей работе исследовались и сравнивались механические и физико-химические свойства неиспользованных и использованных в течение 6 и 9 недель силовых никель-титановых дуг, производимых American Orthodontics под торговой маркой TriTaniumTM , чтобы оценить, есть ли изменения в их свойствах при клиническом использовании. Механические свойства были исследованы с помощью наноиндентирования. Морфология поверхности и элементарный состав дуги были изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа соответственно. Сравнение механических свойств неиспользованных и использованных в течение 6 и 9 недель дуг TriTaniumTM показало, что их твердость при вдавливании и модуль упругости уменьшаются с увеличением времени использования. Существенных изменений элементного состава дуги после их клинического использования не наблюдалось.
Бесплатно
Статья научная
Проведено математическое моделирование процесса воздействия иглы атомно-силового микроскопа в виде однослойной углеродной нанотрубки на биомакромолекулу липопротеина высокой плотности. Численный эксперимент проведен с помощью крупнозернистой молекулярной динамики с использованием комбинации термостата Берендсена и коллизионного термостата для учета теплообмена с окружающей средой. Модель липопротеина высокой плотности была построена методом самосборки в водной среде при Т = 310 К из 300 крупнозернистых моделей фосфолипидных молекул типа DPPC ( Dipalmitoylphosphatidylcholine ) и двух поясов липопротеинов, каждый из которых составлен из 1100 укрупненных частиц (зерен) протеинов. Для процесса индентирования липопротеин размещался на подложке из графена. Проводилось индентирование нанотрубками диаметром суб- и нанометрового диапазонов. Установлено, что при приближении иглы биомакромолекула липопротеина высокой плотности деформируется на 10-50% в различных направлениях. При этом липопротеин высокой плотности разворачивается так, чтобы механическое воздействие нанотрубки было минимальным. При этом атомная структура липопротеина сохраняет свою целостность, и процесс разрушения молекулярной системы не наблюдается. Результаты численного эксперимента показали, что на каждом шаге индентирования наблюдается уменьшение энергии вандерваальсового взаимодействия, т.е. система перестраивается так, чтобы взаимодействие липопротеина с нанотрубкой стало более выгодным по энергии. C помощью крупнозернистого молекулярно-динамического моделирования авторами установлено, что при использовании нанотрубок диаметром 0,9 нм и более в качестве наноиндентора наблюдается процесс затягивания молекул - структурных элементов липопротеина высокой плотности - в нанопространство трубки. Полученные результаты позволяют рекомендовать углеродные нанотрубки в качестве капсул для транспортировки лекарств внутрь организма.
Бесплатно
Статья научная
Случаи расцементировки искусственных коронок на дентальных имплантатах в клинической практике возможны. Для изучения причин нарушения прочности цементной фиксации коронок целесообразно использование математического конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния всех элементов протезной конструкции при функциональных нагрузках. Проведено трехмерное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния имплантата и протезной конструкции при цементной фиксации коронки к абатменту. Изучены параметры напряженно-деформированного состояния в искусственной коронке, имплантате и фиксирующем цементе при вертикальной и наклонной функциональной нагрузках 150 Н. Выявлены оптимальные параметры напряженно-деформированного состояния при вертикальной нагрузке и деформационные изменения цемента при смещении нагрузки на 45 °. Рекомендовано оптимальное положение имплантата относительно покрывающей искусственной коронки для профилактики ее трасцементировки при функциональной нагрузке.
Бесплатно
Статья научная
Целью исследования явилось трехмерное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния кортикальной костной ткани нижней челюсти при функциональных нагрузках 150 Н несъемного протеза на имплантатах при полном отсутствии зубов. Использовался метод конечно-элементного анализа. Анализировались области и величина максимальных напряжений в следующих вариантах моделирования: нагрузка бокового или фронтального отделов протеза; наличие 3, 4 и 6 внутрикостных имплантатов; разная длина имплантатов - 8,0; 12,5 и 15,0 мм; разный диаметр имплантатов - 3,5; 3,9; 4,3 и 5,0 мм; установка параллельных имплантатов или по технологии «Все на четырех». Картины распределения напряжений показывают их концентрацию в зоне контакта с имплантатами. Исходя из пределов прочности кортикальной костной ткани - 130 МПа, функциональная нагрузка несъемных протезов на имплантатах в фронтальном отделе нижней челюсти не вызывает в ней предельных напряжений, однако при наличии тонкой и недостаточно плотной кортикальной костной ткани установка имплантатов по технологии «Все на четырех» и « Branemark Novum » в качестве опоры несъемного протеза при полном отсутствии зубов может способствовать функциональной перегрузке периимплантатной костной ткани. Боковая нагрузка протеза в указанных ситуациях вызывает в костной ткани вокруг крайних имплантатов напряжения 39,00 и 32,12 МПа соответственно. Напряжения снижаются при увеличении числа, длины и диаметра имплантатов, а также при межкортикальной и бикортикальной установке имплантатов. Полученные биомеханические закономерности могут быть полезны при выборе методов установки имплантатов, их количества и размерных параметров для несъемного протезирования при полном отсутствии зубов.
Бесплатно
Статья научная
Решается задача о напряженно-деформированном состоянии сопряженных ортотропных сферических оболочек, находящихся под действием внутреннего давления. Такая задача может моделировать поведение корнеосклеральной оболочки глаза при увеличении внутриглазного давления. Моделирование производится с использованием теории оболочек, учитывающей влияние поперечного сдвига, деформирования в направлении нормали к серединной поверхности и поперечных нормальных напряжений. Задача решается в перемещениях. В результате преобразования основных соотношений получена система дифференциальных уравнений шестнадцатого порядка с шестнадцатью граничными условиями. При решении с использованием метода конечных разностей получена общая картина деформации оболочек при различных соотношениях модулей упругости.
Бесплатно
Напряженное состояние пародонта в области пластинчатого имплантата при окклюзионной нагрузке
Статья научная
С позиции биомеханики рассматривается напряженное состояние пародонта в области пластинчатого имплантата. Математическая модель напряженного состояния представляет контактную задачу теории упругости для имплантата и тела челюсти. Контактные граничные условия между деформируемыми телами моделируются с помощью метода штрафных функций. Приближенное численное решение для напряженного состояния пародонта при окклюзионной нагрузке на имплантат получено с помощью метода конечных элементов. Контактные граничные условия моделируются с помощью метода фиктивных областей, представляющего реализацию метода штрафных функций. Выполнены исследования напряженного состояния для двух типов имплантатов: с гладкой боковой поверхностью и имплантата с пористыми вставками из титана. Показано, что применение пористых вставок существенно снижает напряжения в костной ткани при действии на имплантат боковых окклюзионных нагрузок. На основе анализа напряженного состояния предложена статически определимая модель сил, действующих на пластинчатый имплантат.
Бесплатно
Статья научная
Нормальное функционирование желудка, двенадцатиперстной кишки и других участков пищеварительного тракта важно для качественного переваривания пищи. Преимущество математических моделей для исследования пищеварительных процессов заключается в возможности прогнозирования характеристик течения пищи в тракте в зависимости от различных условий (свойств пищи, индивидуальных особенностей строения тракта, наличия функциональных нарушений и пр.). Однако для получения адекватных результатов моделирования необходимо определять с требуемой точностью значения параметров модели. Идентификация параметров математических моделей осуществляется, как правило, с использованием экспериментальных данных. Целью данной работы являлась идентификация биомеханических параметров моторной и эвакуаторной функции желудка с помощью натурного эксперимента для последующего использования полученных значений в математической модели. В статье описан порядок проведения экспериментальных исследований для получения индивидуальных параметров методами ультразвукового исследования и биохимических исследований крови. Проведено 10 экспериментальных серий ультразвуковых исследований после приема завтраков, которые существенно отличались по составу и калорийности, включали в себя как сбалансированные рационы (по белкам, жирам, углеводам), так и с преимущественным содержанием жиров, белков или углеводов. В результатах приводятся данные о периоде полувыведения пищи из желудка, параметрах перистальтических волн в антруме (амплитуда, период, скорость), периоде открытия и диаметре пилорического сфинктера. Приведены коэффициенты корреляции, характеризующие связи между составом принятой пищи и параметрами моторно-эвакуаторной функции желудка. Полученные данные в дальнейшем предполагается использовать для построения геометрии индивидуальной формы желудка с переменными во времени параметрами формы и моторики, проведения вычислительных экспериментов с различным составом пищи. В последующих публикациях планируется подробный анализ взаимосвязей результатов биохимических исследований крови с параметрами моторики желудка и составом принятой пищи.
Бесплатно
Статья научная
Представлен разработанный авторами научно-методологический подход к утилизации некачественных лекарственных средств на основе использования микроорганизмов и математического моделирования, обеспечивающий возможность превращения опасных фармацевтических отходов в безопасные для окружающей природной среды. На примере парацетамола предложен алгоритм биодеструкции лекарственных средств, содержащих фенольную гидроксильную группу, актинобактериями рода Rhodococcus. Алгоритм предусматривает использование математической модели, представляющей собой систему кинетических уравнений, адекватно описывающих процесс биодеструкции свободными и иммобилизованными клетками родококков. Модель позволяет прогнозировать поведение исходных лекарственных средств и продуктов их разложения по установленным схемам реакций и найденным константам скоростей, а также окончание процесса биодеструкции и осуществлять переход к проведению его в полупромышленных и промышленных условиях.
Бесплатно
Статья научная
Анализ походки позволяет поставить точный диагноз, зафиксировать прогресс реабилитации, а также правильно адаптировать протез к пациенту. Исследование посвящено изучению различий между выбранным здоровым человеком (OZ) и выбранным человеком после ампутации (OPA) с энуклеацией в коленном суставе при подъеме по лестнице (подъем и спуск). В исследовании приняли участие два добровольца мужского пола примерно одинакового возраста (20-22 года) и роста (180-185 см). Биомеханический анализ проводился с использованием трех протезов, различающихся коленными суставами (1. Blatchford Mercury, 2. Guardian, 3. Ottobock 3R80) и протезами стопы (1. Össur Vari-Flex XC Rotate, 2. SACH, 3. Blatchford Elite 2). Лестница состояла из четырех ступеней (высота 170 мм, ширина 320 мм). Во время эксперимента использовались оптоэлектронная система захвата движения и силовая пластина. Полученные результаты показали ограниченную эффективность подъема и спуска по лестнице с помощью OPA по сравнению с OZ. Наиболее важное различие между здоровым человеком и инвалидом - это их походка, шаг через шаг и шаг за шагом соответственно. Значение вертикальной составляющей силы реакции опоры при подъеме по лестнице у обоих испытуемых одинаково. Анализируемые параметры различаются в зависимости от протезного набора, используемого OPA. Во время спуска OPA может реализовать схему «шаг через шаг», но только с использованием набора протезов 1 (повседневное использование). Тогда силы, действующие на здоровую конечность во время фазы стойки, намного выше, чем для случая OZ, что создает возможность перегрузки данной конечности. Проведенный биомеханический анализ обращает внимание на важность правильного выбора протеза для пациента.
Бесплатно
Независимое управление напряжениями и деформациями в растущих живых тканях
Статья научная
В представленной статье рассматривается концепция независимого управления напряжениями и деформациями применительно к живым тканям, в которых проистекают ростовые процессы. Целенаправленное управление ростовыми деформациями может привести к изменению конфигурации рассматриваемой живой системы без влияния на её напряжённое состояние, что, в свою очередь, может быть полезным для исправления некоторых патологий развития у детей. Для решения подобных задач в данной работе предлагается численный алгоритм, основанный на результатах, полученных в механике сплошной среды. Кроме того, для учёта ограничений, налагаемых природой ростовых процессов, делается попытка математической формализации закономерностей распределения ростовых деформаций в живых тканях.
Бесплатно
Статья научная
Данная статья содержит аналитические и численные расчеты давления и нагрузки при гидродинамической смазке зазора в тазобедренном суставе человека в условиях неизотермического нестационарного периодического движения. Рассмотрена динамика колебаний с различными частотами и амплитудами головки бедра, вертлужной впадины и синовиальной жидкости. Принята во внимание шероховатость суставных поверхностей. Измерения поверхностей хрящей выполнены с помощью лазерного датчика. Предполагается, что сферическая головка бедра в тазобедренном суставе человека совершает движения в двух направлениях - окружном и меридиональном. Течение синовиальной жидкости описывается уравнениями сохранения импульса и уравнением непрерывности. Численные расчеты выполнены в пакете Mathcad 11 Professional Program с использованием метода конечных разностей. Этот метод обеспечивает устойчивость численного решения уравнений в частных производных и дает правильные значения давления и нагрузки в тазобедренном суставе человека.
Бесплатно
Некоторые случаи силовой нагрузки в тазобедренном суставе человека при периодическом движении
Статья научная
В статье описаны численные вычисления распределения давления и силовой нагруженности при гидродинамическом периодическом смазывании в тазобедренном суставе человека с использованием синовиальной жидкости с неньютоновскими свойствами, описываемыми моделью Ривлина-Эриксена. При численных вычислениях предполагается, что головка тазобедренного сустава совершает вращательное движение в окружном и меридиональном направлениях. Кроме того, головка сустава и вертлужная впадина также совершают колебания. Течение синовиальной жидкости в зазоре тазобедренного сустава описывается с помощью уравнений сохранения количества движения, уравнения неразрывности и энергетического соотношения. Численное вычисление гидродинамического давления и нагруженности проведены в программе MathLab 7.1 с помощью метода конечных разностей. Численный анализ показывает изменения в значениях нагруженности в тазобедренном суставе человека для различных частот возмущений и для различных значений коэффициента псевдовязкости.
Бесплатно
Некоторые философские аспекты современного развития медицины и физической культуры
Статья научная
Приводится обсуждение некоторых философских аспектов медицины и физической культуры в современных условиях. Отмечается, что физическая культура является специализированной формой.культуры человека. Описывается предмет нового научного направления - кинезиологии. Обсуждается связь кинезиологии с биомеханикой и кинезитерапией. Даны некоторые сведения об основоположнике научной биомеханики в России Н.А. Бернштейне.
Бесплатно
Статья научная
Исследовано динамическое поведение образцов сердечной мышцы в пассивном состоянии при периодической и ступенчатой нагрузке. При теоретическом описании использовалась часть из идентифицированных реологических двумерных моделей, предложенных нами ранее для анализа статических кривых «сила-деформация» миокарда. Вязкие свойства миокарда моделировали введением демпферов, включенных параллельно некоторым первичным элементам модели. Сравнение теоретических кривых с экспериментальными кривыми гистерезиса «сила-деформация», полученными нами на образцах миокарда морских свинок и кошек, позволило получить оценки не только упругих модулей составляющих элементов, как в статическом случае, но и соответствующих коэффициентов вязкости. Установлено, что по форме кривой гистерезиса можно сделать заключение о том, вязкость каких элементов преобладает в сердечном волокне. Впервые получены теоретические зависимости скорости релаксации первичных элементов, обладающих различной вязкостью, при заданной нагрузке в виде периодической или ступенчатой функции времени.
Бесплатно
