Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 830
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
О приложении теории перестройки трабекулярной костной ткани
Статья научная
Приведены определяющие соотношения, позволяющие описать напряжённо-деформированное состояние губчатой костной ткани с учётом её структуры, и эволюционные соотношения, описывающие адаптационные процессы, происходящие в кости. С учётом ранее поставленной авторами начально-краевой задачи, включающей в себя определяющие и эволюционные соотношения ( S.C. Cowin ), разработан алгоритм решения и на ряде примеров показана эволюция трабекулярной костной ткани при изменении напряжённо-деформированного состояния. Для определения коэффициентов, входящих в эволюционные уравнения, проведён вычислительный эксперимент, в котором учитывалось, что адаптация костной ткани должна происходить за 160 дней. Результаты показывают различный характер влияния изменения нагрузки на процесс формирования структуры и не противоречат закону Ю. Вольфа.
Бесплатно
О применении теории вязкоупругости в эстетической хирургии
Статья научная
Рассмотрена операция по полному лифтингу кожи. Для оптимизации режима натяжения построены определяющие соотношения кожного покрова человека. Произведено обобщение соотношений для случая трехмерного напряженного состояния. Для обоснования выбранной модели проведен эксперимент по одноосному рашстяжению кожного лоскута и составлена программа для расчета напряжений. Эксперимент ставился на растяжение с постоянной скоростью и с последующей релаксацией. Исходя из анализа экспериментальных данных определены некоторые параметры выбранной модели.
Бесплатно
О природе "восточного меридиана"
Статья научная
Не оставляет сомнений тот факт, что механическое воздействие на так называемые биоактивные точки и зоны иногда очень эффективно приводит к излечению от разнообразных недугов. Существование и польза рефлексотерапии совершенно бесспорны. Действительно, с глубокой древности до настоящего времени в недрах восточной медицины накоплены уникальный опыт и эмпирические знания о меридианах, связывающих точки воздействия и кожные покровы со всеми системами организма. До сих пор физическая природа меридианов неизвестна и никем не объяснена, в результате рефлексотерапия стоит особняком от стандартной медицины и практикуется как полузаконное занятие, несмотря на очевидную пользу и эффективность. В данной работе сделана попытка вскрыть физическую природу меридианов и тем самым легализовать эту древнюю и чрезвычайно нужную дисциплину. Авторы предлагают стройную гипотезу, суть которой заключается в том, что с помощью болевого воздействия на определенные точки на коже в нервной системе образуется сигнал о необходимости увеличения притока крови к образовавшейся ранке, т.е. появляется некий «адрес», куда и устремляется усиленный поток крови, вызывая заживление. Механизм перераспределения кровотока заключается в том, что возникает определенная низкочастотная модуляция сердечного ритма, которая и приводит к локальному увеличению кровотока, так как зоне воздействия свойственны определенные сокращения в такт с модуляциями. Аналогичным «адресом» (т.е. определенной частотой) обладает и соответствующий орган в организме, и поэтому туда тоже устремляется усиленный поток крови, оказывая и на этот орган животворное воздействие. Орган, получая поддержку, более эффективно борется с недугом. Таков вкратце механизм выздоровления, заложенный природой в случае наличия модуляций сердечного ритма, которые можно сделать управляемыми. Естественно, что насытив кровь препаратами воздействия, мы получим увеличение их эффективности за счет локального попадания конкретно в болезненную зону.
Бесплатно
О природе внутрибрюшного давления
Статья научная
Исследованию влияния внутрибрюшного давления на различные органы и системы человеческого организма посвящено множество научных работ. Вместе с тем до сих пор остается нераскрытым вопрос о природе внутрибрюшного давления. В научной литературе встречаются некоторые объяснения физического смысла внутрибрюшного давления, однако единой концепции, позволяющей объяснить наличие давления в полости живота, не существует. В соответствии с этим целью представленной работы является анализ результатов различных исследований, направленных на изучение причин возникновения давления в брюшной полости. На основе экспериментальных данных, приведенных в литературных источниках, описывается существование градиента внутрибрюшного давления, обусловленного действием гравитации. Рассматривается простейшая модель стенки брюшной полости, позволяющая оценить взаимозависимость между внутрибрюшным давлением и напряжениями в брюшной стенке, вызванными сокращением ее мышц. Анализируется влияние изменения объема брюшного содержимого на давление в полости живота. Кроме того, исследуется вопрос о закономерностях распределения давления в брюшной полости. По результатам проведенного анализа формулируется вывод о том, что существование внутрибрюшного давления объясняется действием силы тяжести на брюшное содержимое, а также напряжениями в тканях брюшной стенки. При этом брюшную полость можно рассматривать как наполненный жидкостью контейнер с эластичной оболочкой, способной изменять свою форму.
Бесплатно
О регулярной ходьбе экзоскелетона нижних конечностей при дефиците управляющих воздействий
Статья научная
Рассматривается ходьба человека-оператора с надетым на него экзоскелетоном нижних конечностей, нагруженного дополнительным весом. Предполагается, что экзоскелетон снабжен четырьмя движителями - в коленных и тазобедренных суставах. В стопах установлены крутильные пружины с известными упругими свойствами, которые также оказывают воздействие на данную человеко-машинную систему. В статье рассмотрены режимы плоской комфортабельной ходьбы. Сначала рассмотрен режим одноопорной ходьбы. С учетом выбранного типа движения синтезированы в аналитической форме алгоритмы управления, обеспечивающие желаемое качество движения. Показано, что существует широкий диапазон жесткостей пружин в стопах, который позволяет достичь высокой точности исполнения условий периодичности походки при разных дополнительных нагрузках на экзоскелетон. Причем при изменении веса дополнительной нагрузки требуется незначительная корректировка средних значений пружин. Далее рассматривается совместный режим одноопоры и двуопоры. Как известно, исследование двуопорной фазы сопряжено с неоднозначностью определения сил реакций и моментов в сочленениях при решении обратной задачи динамики. Предложены дополнительные соотношения, устраняющие эту неопределенность на основе задания линейных по времени функций распределения реакций в стопах обеих ног. Исследовано влияние желаемого угла наклона корпуса на точность построения периодического решения при формировании алгоритма управления. Для обеспечения периодичности режима ходьбы, сочетающего одно- и двуопорные фазы, исследовались два подхода: первый основан на линеаризации динамических уравнений и предположении о невесомости ног. В итоге был сформулирован первый вид желаемого закона изменения угла наклона корпуса, при этом были получены практически приемлемые по точности результаты. Далее было проведено исследование, направленное на улучшение достигнутой точности периодического движения; в рамках нелинейных уравнений был найден другой закон угла наклона корпуса, обеспечивающий большую точность движения. Результатом работы является аналитический синтез законов управления, обеспечивающий естественные локомоции человека и не требующий от него значительных мышечных усилий, кроме как на поддержание равновесия.
Бесплатно
О реконструкции нижней челюсти, основанной на численном моделировании и обработке изображений
Статья научная
Данная статья представляет исследование механического поведения нижней челюсти при нормальной окклюзии и восстановлении челюсти на основе численного моделирования и обработки изображений. Анализ механического поведения нижней челюсти был осуществлен при помощи двумерной модели и метода конечных элементов. Использованная модель является результатом обработки томограмм. Применение численного метода дает распределение напряжений при совместном действии жевательной, крыловидной и височной мышц. Был исследован пациент с дефектом нижней челюсти для того, чтобы хирургическим путем дополнить отсутствующую часть челюсти титановым имплантатом. Специальный протез из Ti 99,99% был изготовлен и прикреплен к остальной челюсти пациента. Разработка протеза была основана на томографических снимках, снятых в последовательном и винтовом режимах. Данные двумерные изображения были преобразованы в трехмерную модель с помощью программы VC10C и возможностей томографа Siemens SOMATOM PLUS 4.
Бесплатно
О соотношении понятий «центр сопротивления зуба» и «центр жесткости сечения балки»
Статья научная
Рассмотрена взаимосвязь понятий центра сопротивления зуба и центра жесткости сечения балки, применяемых соответственно в стоматологической биомеханике и в теории сопротивления материалов. Установлено, что эти понятия являются качественно родственными, однако простой и точной аналогии между ними провести не удается. Кроме того, понятие центра жесткости является математически гораздо менее строгим, чем понятие центра сопротивления.
Бесплатно
О точности определения положения общего центра масс тела спортсмена
Статья научная
Работа относится к области биомеханики спорта и посвящена методике определения положения общего центра масс тела спортсмена. Найдена погрешность определения координат общего центра масс, полученных расчетным методом. Для вычисления массы и положения центров масс звеньев использованы регрессионные уравнения, основанные на измерении веса и длины тела, а также наиболее прогностических антропометрических признаков. Предложена методика измерений, позволяющая снизить данную погрешность при анализе позы спортсмена. Показано, что наибольший вклад в погрешность определения координат общего центра масс вносит погрешность значений массы верхнего, среднего и нижнего отделов туловища и бедер.
Бесплатно
