Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Оптимизация бесцементной артропластики тазобедренного сустава на основе акустического анализа
Статья научная
Установка эндопротезов тазобедренного сустава бесцементной фиксации должна обеспечиваться высокой механической стабильностью, которую можно получить путем создания плотного контакта между материалом имплантата и костной тканью. С другой стороны, при этом возникает риск повреждения костной ткани во время имплантации. Следовательно, существует необходимость объективного интерактивного контроля процесса позиционирования компонентов эндопротеза. С этой целью в ряде источников предлагается использовать акустической анализ сигналов, записанных с помощью микрофона. Изучение звуковых колебаний при обработке костномозгового канала бедра рашпилями и во время установки компонентов эндопротеза выявило характерные закономерности изменения спектра сигналов - пошаговое снижение частоты и повышение амплитуды в низкочастотной области, что частично отмечалось в цитируемой литературе. Кроме того, установлено постепенное понижение средневзвешенной частоты сигналов широкого спектра, что не было ранее известно авторам. Показаны ограничения микрофонного способа записи в случае низкого качества костной ткани, например, при выраженном остеопорозе. В дополнение к этому получены экспериментальные результаты исследований сигналов акустической эмиссии в ультразвуковом диапазоне, которые позволяют зафиксировать начало и развитие деформации и разрушения костной ткани, в том числе на микроуровне. Определены характерные параметры сигналов-предикторов перелома кости, указывающие на достижение предельно допустимых напряжений в костной ткани. Это особенно важно для артропластики у пациентов с высоким риском возникновения интраоперационных переломов. Наибольшая эффективность исследованных акустических методов достигается при совместной регистрации сигналов в звуковом и ультразвуковом диапазонах. Такой метод позволяет достоверно оптимизировать позиционирование компонентов эндопротеза.
Бесплатно
Статья научная
К настоящему времени установлено, что грудное молоко имеет значительные преимущества для развития и здоровья ребенка. При грудном вскармливании в ряде случаев женщина по разным причинам в течение некоторого времени не может кормить ребенка и, чтобы не прекратилась лактация, молоко должно сцеживаться. В настоящее время применяются два типа аппаратов. В первом типе молоко выводится только за счет импульсов вакуума, во втором - используются одновременно стимулы вакуума и сжатия. Работа этого аппарата в большей степени моделирует биомеханику выведения молока ребенком. Клинические испытания, а также многолетнее использование их в практике грудного вскармливания показали высокую стимулирующую способность этого типа аппаратов и более эффективное выведение молока по сравнению с вакуумными аппаратами. Однако временные характеристики стимулов, с помощью которых выводится молоко, и в частности вакуумных стимулов, остаются неоптимизированными. Была разработана методика, позволяющая сравнить количество молока, выведенного с помощью серии 0,5-секундных импульсов вакуума, с количеством молока, выведенного сериями вакуумных стимулов длительностью 0,3; 1 и 2 с, а также сравнивалось количество молока, выведенного серией импульсов 0,7 с, с количеством молока, выведенного серией импульсов вакуума длительностью 1 с. Молоко выводилось в течение одной сессии попеременно сериями импульсов различной длительности в различные емкости у одной и той же женщины. Для того чтобы влияние разницы в рефлекторном повышении давления в протоковой системе железы на выведение молока было минимально, периодически следующие друг за другом серии импульсов вакуума с различной длительностью стимулов имели продолжительность несколько секунд. Было обнаружено, что вакуумные стимулы длительностью 0,7 с и частотой 1 имп/с являются оптимальными для выведения молока из молочной железы женщины.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены математические модели линейного и нелинейного изгиба упругого элемента протеза стопы, представляющего собой двухлистовую рессору с зазором между листами. На основе этих моделей конструкция упругого элемента оптимизирована: найдены толщины листов и длина верхнего листа, обеспечивающие минимальную напряженность упругого элемента при заданных размере и податливости. Проведено сравнение моделей.
Бесплатно
Оптимизация ортодонтического перемещения зубов
Статья научная
Предметом исследования является перемещение зуба в процессе ортодонтического лечения зубочелюстной аномалии. Одной из главных задач ортодонтии является определение места приложения и величины системы сил для обеспечения запланированного перемещения. В клинической практике имеют место случаи, когда в процессе лечения зуб совершает нежелательное перемещение, травмируются ткани пародонта или же сам процесс затягивается. В целях сокращения количества нежелательных явлений, управления процессом, прогнозирования лечения указывается на необходимость сотрудничества специалистов из области медицины вместе с биомеханиками. С точки зрения авторов, удобными понятиями для исследования ортодонтического перемещения зубов являются понятия «центр сопротивления зуба» и «область сопротивления зуба», свойства которых приводятся. С использованием предложенных объектов задача ортодонтии может быть поставлена как задача теории оптимизации. Критерий оптимизации выбирается из соображений минимизации разницы между запланированным перемещением и тем, которое возможно осуществить в конкретной ситуации. Решение задачи демонстрируется на примере трех клинических ситуаций: лечение диастемы, исправление экструзии, исправление наклона зуба. Результаты в виде значений силовых величин получены и сравнены с известными из литературы экспериментальными значениями.
Бесплатно
Оптимизация переноса груза при помощи колебательной системы
Статья научная
Целью работы является определение требований, предъявляемых к системе подвеса рюкзака, которая значительно бы облегчила перенос груза человеком. На основе исследований других авторов выявлено, что задача минимизации энергии, затрачиваемой на перенос груза, может быть решена при помощи снижения амплитуды колебаний рюкзака при ходьбе человека. Следовательно, идеальной характеристикой системы подвеса груза является такая зависимость результирующей силы, действующей на рюкзак при его перемещении, при которой рюкзак «зависает» на одном уровне над землей. В работе показано, что при учете возможности генерации электрической энергии при относительном движении груза вдоль спины человека форма зависимости такой силы от вертикальных колебаний центра масс человека будет являться эллипсоидной. Близкую к данной идеальной характеристике можно воспроизвести при помощи колебательной системы, состоящей из четырех пружин, каждая из которых действует на контейнер рюкзака в заданный промежуток времени. Четырехпружинный подвес позволяет уменьшить амплитуду колебаний рюкзака над поверхностью земли до 0,02 мм, то есть свести энергетические затраты на перенос груза практически до нуля. Практическая реализация такой системы остается весьма сложной задачей: используемые пружины должны обладать ярко выраженной нелинейной характеристикой, то есть иметь жесткую характеристику, чтобы удерживать весьма массивный груз на весу, но при этом быть мягкими, чтобы груз мог колебаться в своём относительном движении вдоль спины человека, также необходимо разработать механизм, в нужный момент включающий ту или иную пружину. В дальнейших исследованиях поставлена задача определения условий работы системы подвеса при изменениях скорости движения и походки пользователя.
Бесплатно
Оптимизация роста ткани, культивируемой в биореакторе
Статья научная
Данная статья рассматривает оптимизацию процесса развития основанной на биореакторе линии для производства соединительной ткани. Для производства терапевтических веществ (например, факторов роста) и диагностических веществ (например, антител), содержащих суспенционные культуры, были созданы сложный биореактор и некоторые ноу-хау. Но биореакторные сосуды для создания тканей неподвижных культур млекопитающих до сих пор широко не использовались. Целью данной работы является применение существующего опыта в области биореакторных технологий к описанию нового метода, что позволит производить искусственные ткани, удовлетворяющие существующим требованиям не только качественно, но и количественно. Научная часть представленной статьи должна способствовать развитию отмеченного выше процесса посредством предоставления данных о характеристиках течения в средах культивирования с использованием компьютерной оптимизации. В перфузионной неподвижной биореакторной системе генерация соединительной ткани будет сильно зависеть от оптимизированого снабжения питанием и кислородом, а также удаления метаболитов. Клетки ткани растут на клеточном каркасе в биореакторе и перфузируются питательной жидкостью и другими биологически допустимыми средами с несущими кислород фторуглеводородами.
Бесплатно
Оптимизация слаломной траектории на криволинейном склоне
Статья научная
Рассматривается задача оптимизации слаломной траектории при спуске горнолыжника по модельной трассе на криволинейном склоне. Из сопоставления экспериментальных и расчетных данных найдены гидродинамические силы и силы сопротивления движения лыж при их врезании в снег на поворотах. Построена кусочно-полиномиальная траектория с двумя варьируемыми параметрами. Найдены значения угла входа в поворот и радиуса кривизны траектории при обходе шеста, минимизирующие время спуска при заданном периоде траектории. Исследовано влияние на оптимальное значение параметров траектории отклонения ворот от осевой линии наибольшего ската.
Бесплатно
Оптимизация слаломной траектории с учетом наклона лыжника
Статья научная
Рассматривается модель горнолыжника в виде материальной точки, жестко связанной с невесомым стержнем, длина которого равна расстоянию от центра масс системы лыжник-лыжи до лыж. При определении времени спуска по трассе специального слалома учтен наклон лыжника в сторону вогнутости траектории при обходе шеста. При заданных значениях аэродинамического коэффициента сопротивления и коэффициента трения скольжения найдена оптимальная траектория лыж, минимизирующая время спуска по трассе специального слалома.
Бесплатно
Оптимизация техники толкания ядра
Статья научная
Цель данной работы состоит в изучении техники толкания ядра и в поиске некоторых путей, способствующих победе на соревнованиях в большом спорте. Основная идея метода исследований заключается в расчете оптимальных значений характеристик, описывающих толкание ядра. Сравнивая оптимальные значения с измеренными [1], можно увидеть, насколько близок толчок к оптимальному. Также можно утверждать, что толчок ногой должен происходить прямо вверх при максимальной жесткости, сопровождаемый вращением тела. Координация толчков рукой и ногой должна быть такой, чтобы они составляли так называемую кинетическую цепь. Это означает, что для поддержания непрерывности движения завершение толчка ногой должно происходить одновременно с началом толчка рукой. Изучение движения свободной руки привело к многообещающим результатам. Так, расчеты показали, что возможно достижение намного лучшей техники толчка по сравнению с той, что используется сейчас. Идея состоит в том, чтобы использовать кинетическую энергию свободной руки для ускорения ядра во время толчка рукой. Колебательные движения свободной руки обычно происходят так, что ее раскачивание заканчивается как раз перед началом толчка рукой. Новый вариант техники позволяет эффективно использовать кинетическую энергию свободной руки для ускорения ядра. В этом случае результат выступления значительно улучшается.
Бесплатно
Оптимизация траектории теннисного шарика
Статья научная
При игре в настольный теннис важную роль играет вращение шарика, которое создает подъемную силу (эффект Магнуса). Зависимость аэродинамических сил от скорости поступательного движения и угловой скорости вращения шара исследовалась ранее экспериментально [1,2]. В настоящей статье показано, что в настольном теннисе параметры движения шарика согласуются с диапазоном исследуемых параметров в [1,2], что позволило найти аэродинамические силы, действующие на теннисный шарик. Составлены дифференциальные уравнения движения центра масс теннисного шарика, которые решались численно методом пошагового интегрирования. Исследованы траектории движения шарика после его приема в ближней и дальней зонах при прямом центральном ударе по шару, а также приеме накатом (верхнее вращение). Найдены оптимальные способы приема шарика и оптимальные траектории, которые обеспечивают попадание шарика на сторону стола соперника с максимальной скоростью.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается спуск горнолыжника по варьируемым траекториям на модельных горнолыжных трассах, расположенных на плоских склонах. Определены оптимальные углы входа горнолыжника в поворот. Показано, что расчетные результаты мало отличаются от результатов, полученных при спуске горнолыжника по реальному криволинейному склону. Исследована зависимость оптимальных значений угла входа в поворот и радиуса кривизны траектории при обходе шеста от величины смещения ворот от осевой линии.
Бесплатно
Опухоль кости, физические упражнения и интегративная передача информации в кости: новая точка зрения
Статья научная
Предыдущие статьи авторов об интегративной передаче информации в кости были посвящены этому физиологическому процессу и также важны для понимания перестройки кости и для разработки одного из способов сохранения структуры в случае нарушения целостности кости. Рак - болезнь, связанная с генетической нестабильностью, это - патология клеточной передачи информации. Остеосаркома является одной из наиболее тяжелых форм рака. Существуют исследования (K. Kourneya, et al.) о возможности примененять физические упражнения в случаях заболеваний пациентов с онкогенетической патологией. Целью настоящей статьи является попытка исследовать, как гипотеза об интегративной передаче информации в кости может помочь в понимании этой проблемы.
Бесплатно
Организация прямого двигательного управления при наклонах корпуса человека
Статья научная
Исследуется организация двигательного управления при наклонах корпуса человека. Используется двухсуставная биомеханическая модель тела. Анализ проводится в терминах движения вдоль собственных векторов динамического уравнения («собственных», или «естественных», синергий). По доминирующему суставу в каждой из естественных синергий они названы Н- и А-синергиями (Н - Hip, тазобедренный, А - Ankle, голеностопный). Обсуждаются две точки зрения на организацию двигательного управления в живых системах: 1) теория равновесной точки, подразумевающая «статическое» управление, т.е. управление равновесным положением биомеханической системы; 2) теория внутренних нейронных моделей, подразумевающая «динамическое» управление, т.е. непосредственный контроль силами мышц, которые рассчитываются с учетом геометрических и инерционных характеристик системы путем решения обратной задачи динамики. Результаты исследования показывают, что при выполнении наклона корпуса в сагиттальной плоскости у человека наблюдаются оба типа организации двигательного управления. При этом управление по Н-синергии организовано по первому типу, а управление по А-синергии - по второму.
Бесплатно
Статья научная
Состояние кожных покровов нижних конечностей оценивали по показателю упругости, который определяли с помощью оригинального механического устройства в положении «лежа» и в позе «стоя». У больных с постинфарктным кардиосклерозом и сопутствующим облитерирующим артеросклерозом нижних конечностей (12 чел.) показатели упругости кожных покровов выше, чем у больных с постинфарктным кардиосклерозом без нарушения проходимости артерий конечностей (9) и у здоровых обследуемых контрольной группы (10). Особенностью реакции кожных покровов на переход в позу стоя при облитерирующем атеросклерозе является существенный прирост упругости кожных покровов бедра и отсутствие прироста на стопе, что обусловлено затруднением артериального притока к дистальным отделам конечностей.
Бесплатно
Основы геометрического моделирования несъемных временных зубных протезов-прототипов
Статья научная
Необходимость совершенствования конструкций зубных протезов для замещения включенных дефектов зубных рядов связана с индивидуальными особенностями строения костных тканей и персонифицированными геометрическими характеристиками конструкции протеза. Современное компьютерное проектирование позволяет создавать геометрические модели опорные зубы – протез – челюсть непосредственно по томограмме пациента. Моделирование процесса установки временных протезов необходимо для предварительного планирования протезирования и оценики нагрузки на протез. Цель работы – сравнение функционального нагружения классического протеза с вертикальной фиксацией коронки и конструкции с горизонтальным способом фиксации. Рассмотрены протезы небольшой протяженности с одной фасеткой и закреплением на двух опорных коренных зубах. Рассчитаны основные типы нагружения для конструкции и максимальные выдерживаемые протезом нагрузки исходя из оценки прочности по критерию Мизеса. Расчеты выполнены с использованием программных комплексов Mimics, SolidWorks, Nastran, Patran. На трехмерной модели проведено исследование напряженно-деформированного состояния структурной составляющей биологического организма на примере дефекта зубного ряда с искусственными включениями на основе метода конечных элементов. Полученная с помощью компьютерной томографии пространственная растровая модель не может быть непосредственно использована для проведения численного анализа. Прикладные программы позволяют перейти от срезов к трехмерным объектам с возможностью структурного анализа системы в зависимости от плотности тканевой структуры. Предложен комплексный подход геометрической реконструкции биомеханического объекта по данным компьютерной томографии, подразумевающий создание дискретных фасеточных моделей поверхностей зубов и челюсти и восстановление по ним твердотельной CAD-модели.
Бесплатно
Особенности биомеханических параметров ходьбы у спортсменов различной специализации
Статья научная
С целью изучения влияния занятий легкой атлетикой и борьбой на опорную и опорно-динамическую функции нижних конечностей у спортсменов разной квалификации проведено определение максимального момента силы мышц бедра и голени (стенды разработаны в Федеральном государственном учреждении науки «Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" им. акад. Г.А. Илизарова») и показателей опорной и опорно-динамической функций нижних конечностей на аппаратно-программном комплексе «ДиаСлед-Скан» (г. Санкт-Петербург). Обнаружено, что спортсмены, занимающиеся борьбой, при равных с легкоатлетами размерах тела имеют более высокие показатели силы мышц бедра (на 22%) и мышц голени (на 45%). В статике у борцов преобладала величина среднего функционального нагружения заднего отдела стопы относительно переднего на 17%, а у легкоатлетов - преобладала величина среднего функционального нагружения переднего отдела стопы относительно заднего на 53%. При ходьбе, наоборот, у борцов преобладает прирост нагрузки на передний отдел стопы, а у легкоатлетов - на задний отдел стопы.
Бесплатно
Статья научная
Цель работы - определение биомеханических показателей норм стояния и ходьбы на экзопротезе нижней конечности. Обследовано 26 пациентов, пользующихся протезами бедра с подвижным коленным модулем. Моноцентрический (одноосный) коленный модуль предназначается для пациентов массой от 100 до 125 кг низкой и средней активности, четырехосный коленный модуль предназначается для пациентов со средней активностью массой до 100 кг. Для сравнения биомеханических показателей статики и ходьбы на экзопротезе с показателями нормы было привлечено 100 здоровых лиц. Протокол биомеханического обследования обеих групп был одинаковым и включал регистрацию ряда параметров ходьбы и стояния. В методы исследования входили подография, стабилометрия и определение опороспособности. На первом этапе выявлялась оптимальная скорость ходьбы на протезе с одноосным и четырехосным модулем коленного сустава. На втором этапе проводилось сравнение ходьбы и стабилограмм у пациентов с протезами и у здоровых лиц, рассчитывался коридор условной нормы полученных показателей. С целью определения повторяемости показателей (тест ретестовой надежности) каждый протезированный пациент был обследован 10 раз с интервалами 1-2 мин для отдыха. Представленные данные могут быть использованы для оценки и настройки вновь разрабатываемых протезов конечностей или их составных модулей.
Бесплатно
Особенности биомеханической и иннервационной структуры ходьбы у здоровых детей раннего возраста
Статья научная
В настоящее время одной из наиболее важных проблем медицины является восстановление функции передвижения. Эта проблема становится особенно актуальной, когда речь идет o детях, которые не могут передвигаться с самого рождения. Именно к таким детям применяется термин абилитация, что подразумевает не переобучение детей правильному навыку ходьбы, а первоначальное формирование этого навыка и его дальнейшее адекватное развитие. В настоящее время все большее количество специалистов, занимающихся абилитацией детей раннего возраста с различными заболеваниями опорно-двигательной и нервной систем, осознают необходимость инструментальной оценки функции передвижения. Это связано с тем, что в отличие от балльной системы оценок, инструментальная оценка функции передвижения является максимально конкретной и точной, а комплексное исследование биомеханической и иннервационной структуры ходьбы дает полное представление о двигательных нарушениях у ребенка. В данной статье авторы исследовали биомеханическую и иннервационную структуру ходьбы у четырех детей 2-2,5 лет. На основании этого исследования авторы выяснили, что для ходьбы детей 2 лет характерны следующие особенности: резкое снижение средней скорости передвижения, увеличение темпа наряду с укорочением длины шага, значительная трансформация временной структуры ходьбы (увеличение длительности опорной и двуопорной фаз и уменьшение продолжительности переносной фазы), сгибательная позиция нижних конечностей, сдвиг всех экстремальных значений угловых перемещений вправо по временной оси, резкое увеличение длительности максимумов активности, отсутствие второго максимума активности у ряда мышц. Полученные данные полезны прежде всего как эталонные, так как ходьбу больных двухлетних детей необходимо сопоставлять с ходьбой здоровых детей соответствующего возраста.
Бесплатно
Особенности биомеханической структуры ходьбы у здоровых детей разного возраста
Статья научная
Рассмотрена биомеханическая структура ходьбы здоровых детей трёх возрастных групп – от 7 до 13 лет. Закономерности изменений биомеханических параметров ходьбы были прослежены в возрастном аспекте с целью получения нормативных данных по локомоции детей, что необходимо прежде всего для дальнейшего сопоставления их ходьбы с ходьбой детей с патологией опорно-двигательного аппарата. Однако полученные данные представляют интерес не только для формирования базы данных по ходьбе здоровых детей разного возраста, но и для выяснения механизмов становления локомоторного навыка в процессе онтогенеза. Данная работа является лишь первым этапом анализа ходьбы здоровых детей. Цель последующих мероприятий – разработка методик для изучения ходьбы детей более раннего возраста. Необходимость данных исследований продиктована тем, что именно в этом возрасте возможно наиболее полноценное восстановление двигательных функций у детей с поражениями опорно-двигательного аппарата, а следовательно, становится чрезвычайно актуальным сопоставление их ходьбы с ходьбой здоровых детей соответствующего возраста.
Бесплатно
Статья научная
При лечении травм и заболеваний позвоночника возникает необходимость замещения тела позвонка или межпозвонкового диска имплантатом. Такой имплантат должен обеспечивать выполнение опорной функции позвоночника и способствовать формированию костного блока (слияния). Для этой цели наиболее эффективным можно считать пористый титан, удовлетворяющий требованиям по биосовместимости, прочностным характеристикам и жесткости. Рассмотрена возможность получения таких имплантатов диффузионной сваркой специальным образом скрученной проволоки из сплава ВТ1-0 и последующей термоводородной обработкой, включающей термодиффузионное насыщение заготовки имплантата водородом и его последующее удаление в процессе вакуумного отжига. Показано, что термоводородная обработка позволяет преобразовывать механические контакты проволоки после диффузионной сварки заготовки в физико-химические. Это повышает прочностные характеристики имплантата при высокой объемной пористости (до 60-70 %) и приближает его жесткость к жесткости позвонков. Проведена оптимизация режимов диффузионной сварки и термоводородной обработки для получения высокого комплекса прочностных и пластических характеристик имплантатов. Клинические исследования применения пористых имплантатов, полученных по предложенной технологии, показали их высокую эффективность при лечении травм и заболеваний на шейном, грудном и поясничном отделах позвоночника. Рассмотрены 247 клинических случаев применения «ячеистых» пористых имплантатов (54 пациента с травмами и 193 с дегенеративно-дистрофическими заболеваниями позвоночника). В 214 случаях отмечали улучшение состояния пациентов (86,6 %). Ухудшение наблюдали у 4 пациентов (1,6 %), что было связано с контузией и отеком спинного мозга после полученной травмы. Установлено, что в относительно короткий период (до 5-6 недель) происходит сквозное прорастание костной ткани через имплантат. При этом не наблюдается образования остеофитов на боковой поверхности имплантата, что снижает вероятность травмирования.
Бесплатно
