Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
Новый метод обработки видеозаписей движения спортсменов и спортивных снарядов
Статья научная
Предлагаемый метод обработки видеозаписей основан на решении краевых задач спортивных движений. Он позволяет сохранить ту точность, которая имела место при проведении эксперимента. Применение указанного метода проиллюстрировано на примере сложного движения мяча. Показано, что его аэродинамические коэффициенты можно определить путем решения краевой задачи с обыкновенными дифференцированными уравнениями. Это существенно повышает точность обработки результатов видеозаписи спортивных движений по сравнению с прежними методами определения аэродинамических коэффициентов.
Бесплатно
Новый неинвазивный метод оценки коэффициента микроциркуляции
Статья научная
Резистивные артерии кровеносной системы являются предметом диагностических исследований для опосредованного исследования микроциркуляционного русла. При неизмененном уровне общего артериального и венозного давлений скорость кровотока, измеряемого в резистивных артериях, зависит именно от состояния соответствующих резистивных артерий, образующихся при их ветвлениях. Автор использовал ультразвуковой прибор « Dop 8/4»(Германия) с четырьмя входами для зондов со встроенным самописцем. По динамике изменения скорости кровотока в лучевой и в подколенной артериях во всех отведениях после стандартной ишемии во время развития постишемической гиперемии можно судить о состоянии ветвлений резистивных артерий и о кровенаполнении микроциркуляционного русла. Для описания реакций резистивных артерий во всех отведениях, которые контролируют периферическое сопротивление и микроциркуляцию нами был введен коэффициент микроциркуляции k, который является отношением общего постишемического кровотока к среднему значению объемного фонового кровотока. Физический смысл коэффициента микроциркуляции - это отношение постгиперемического кровотока в четырех отведениях одновременно к усредненному фоновому кровотоку в единицу времени. Необходимость оценки периферической системы диктуется активным участием микроциркуляции в развитии заболеваний сердечно-сосудистой системы, нервно-гуморальных, эндокринных изменений, ангиологических патологий, заболеваний опорно-двигательной системы, при реконструктивных операциях, при постоперационном периоде и многих других патологических ситуациях. Прямые неинвазивные методы исследования микроциркуляции способствуют усовершенствованию тактики лечения болезней и их осложнений, в особенности при гипертонии, диабетической стопе, реконструктивных операциях, переломах, варикозном расширении вен, атеросклеротических явлениях, при аллергиях, при болезни Рейно и др.
Бесплатно
Новый подход к определению понятия и выявлению «мертвой зоны» в жиме штанги лежа
Статья научная
Жим штанги лежа - отдельный вид спорта, а также одно из трех соревновательных упражнений в пауэрлифтинге. При выполнении жима штанги лежа в фазе подъема штанги от груди имеет место «мертвая зона» - определенный временной промежуток, на котором снижается скорость движения штанги. Имеются различия в том, как исследователи техники жима штанги лежа и тренеры выявляют «мертвую зону». Тренеры выявляют «мертвую зону» эмпирически и субъективно, а исследователи используют объективные методы. В результате возникает расхождение в понимании «мертвой зоны» тренерами и исследователями, что затрудняет использование данных научных исследований в тренировочном процессе. Цель исследования - разработка нового определения понятия «мертвая зона» в жиме штанги лежа и нового подхода к выявлению «мертвой зоны». Методы исследования: видеосъемка жима штанги лежа в сагиттальной плоскости и расчет скорости и ускорения центра тяжести штанги на основе видеоданных. Организация исследования: десять квалифицированных пауэрлифтеров (кандидатов в мастера спорта и мастеров спорта) выполняли жим штанги лежа с отягощением 100% от максимума (одно повторение) по соревновательным правилам без экипировки. Значение 100%-ного отягощения определялось посредством последовательного увеличения нагрузки до возникновения неудачной попытки. Отягощение, предшествовавшее неудачной попытке, считалось максимальным. Результаты исследования: понятие «мертвая зона» разделено на понятия: «мертвая зона» и «неблагоприятная зона». «Мертвая зона» - снижение скорости штанги ниже порогового значения 0,1 м/с, при достижении которого движение штанги воспринимается как слишком медленное. «Неблагоприятная зона» - участок кривой «время-сила», на котором сила, приложенная к штанге, меньше веса штанги в фазе подъема штанги от груди. Возможно наличие двух «мертвых зон» - одной в начале фазы подъема штанги и одной в конце. Также возможно наличие «неблагоприятной зоны» и отсутствие «мертвой зоны». «Неблагоприятная зона» всегда предшествует «мертвой зоне». Неудачные попытки всегда происходят в «мертвой зоне».
Бесплатно
О биомеханике нижней челюсти человека при протезировании несъемными протезами
Статья научная
Проведен биомеханический анализ нижней челюсти человека в норме, при одностороннем включенном дефекте и после протезирования несъемными конструкциями. Исследование проводилось на плоской модели зубного ряда, включающей зубы от клыка до третьего моляра. Область каждого зуба содержит следующие структурные составляющие: собственно зуб, включающий коронку (эмаль), шейку зуба и корень (дентин), периодонтальную щель, компактную пластинку и губчатое вещество зубной альвеолы. Получены рекомендации для планирования ортопедического лечения пациентов с односторонними включенными дефектами зубного ряда в боковом участке нижней челюсти несъемными конструкциями зубных протезов.
Бесплатно
О влиянии напряженного состояния артерии на скорость распространения пульсовой волны
Статья научная
В гемодинамике для определения степени упругости кровеносных сосудов важное значение имеет понятие скорости распространения пульсовой волны. В этом направлении проведены многочисленные исследования [1-5]. В [5] рассматривается вопрос распространения пульсовой волны в артериях с учетом влияния окружающей тканевой среды. Получены простые формулы и показано влияние окружающей среды на скорость распространения пульсовой волны. Целью настоящей работы является изучение влияния напряженного состояния артерии (оболочка) на скорость распространения пульсовой волны.
Бесплатно
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
