Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
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
Об изменении деформации решетчатой пластинки диска зрительного нерва после декомпрессионных операций
Статья научная
Анализируется изменение деформации решетчатой пластинки диска зрительного нерва после декомпрессионных операций, связанных с рассечением стенки склерального канала. Строится модель декомпрессионной операции как срез слоя склеры в области сопряжения с решетчатой пластинкой. Исследуется влияние геометрических параметров среза на относительный и абсолютный прогибы решетчатой пластинки. Показано, что после декомпрессионной операции меняется не только прогиб решетчатой пластинки, но и прогиб склеры в области сопряжения оболочек. Форма прогиба решетчатой пластинки становится более пологой, ее относительное значение уменьшается в результате утончения склеры. Однако абсолютный прогиб решетчатой пластинки увеличивается.
Бесплатно
Об исследовании кинематики движений лыжников элитного уровня при использовании техники "Дабл полинг"
Статья научная
Высококвалифицированные лыжники-гонщики часто отдают предпочтение технике одновременного бесшажного классического хода («дабл полинг») в силу скорости и универсальности. Данная работа направлена на разработку биомеханической модели лыжника, применяющего технику «дабл полинг». На основе видеозаписи соревнований были проанализированы экспериментальные данные восьми спортсменов элитного уровня (четырёх мужчин и чётырёх женщин), которые применяли указанную технику во время прохождения дистанции. Анализ позволил определить зависимость углов движений в некоторых суставах от времени, а также оценить повторяемость движения «дабл полинг» от цикла к циклу. В результате были выявлены основные управляющие параметры, которыми лыжник регулирует темп своего перемещения по трассе и важные для моделирования геометрические характеристики. Показаны статистически значимые различия в технике для мужчин и женщин ( P
Бесплатно
Об одной задаче оптимизации формы в стоматологии
Статья научная
В работе рассматривается одна прикладная задача оптимизации упругой формы. Она возникает в ортопедической стоматологии и содержательно заключается в определении оптимальной формы цельнокерамической реставрации (микропротеза) при восстановлении депульпированного зуба без использования армирующих штифтов. Оптимальной считается та форма микропротеза, которая при заданной внешней статической нагрузке обеспечивает равномерное распределение значений напряжений, возникающих на контактной границе реставрации с зубными тканями. При этом допустимая форма микропротеза должна удовлетворять ряду естественных для этой задачи габаритных, изопериметрических и других ограничений. Основной целью работы является разработка подходов к определению формы микропротеза, близкой к оптимальной (субоптимальной формы). Для этого используются методы математического и численного моделирования. В предположении однородности и изотропности материалов неоднородной конструкции «зуб - микропротез» строится математическая модель задачи. Для определения субоптимальной формы применяется метод последовательных приближений. Задается допустимая начальная форма контактной границы. Затем строится последовательность форм, в которой каждая последующая форма получается из предыдущей при помощи специальной локальной вариации контактной границы. Такая вариация обеспечивает выполнение всех ограничений и уменьшает значение минимизируемого функционала на каждой последующей форме. В результате строится близкая к оптимальной форма контактной границы. Применимость предлагаемого подхода иллюстрируется для случая упрощенной двумерной постановки неоднородной задачи теории упругости, решение которой описывает напряженно-деформированное состояние трехмерной неоднородной конструкции в ее частном плоском сечении. Такая упрощенная постановка возникает в результате применения известного метода плоских сечений. Приводятся результаты математического и численного моделирования.
Бесплатно
Об одном методе идентификации свойств многослойных мягких биологических тканей
Статья научная
Рассмотрена обратная задача идентификации неоднородных свойств трехслойной вязкоупругой ткани, моделирующей кожный покров, на основе анализа акустического отклика на верхней границе слоя при возбуждении в нем сдвиговых колебаний. Кожный покров моделировался вязкоупругим слоем, в свою очередь, состоящим из трех вязкоупругих слоев, моделирующих подкожный жир, дерму и эпидермис. Сформулированы определяющие соотношения и граничные условия. На основе процедуры осреднения двумерную задачу удается свести к одномерной, для которой построены операторные соотношения для прямой и обратной задач. Представлен итерационный процесс, на каждом шаге сочетающий решение интегральных уравнений Фредгольма 1-го и 2-го рода, решающихся численно на основе метода коллокаций и регуляризационного метода Тихонова. Для построения итерационного процесса использован метод линеаризации. Приведен ряд вычислительных экспериментов по восстановлению комплексных характеристик исследуемого слоя, имеющих точки разрыва первого рода. Дополнительно исследовано влияние низкомодульного слоя, моделирующего подкожный жир, на общее качество идентификации характеристик на основе анализа амплитудно-частотных характеристик.
Бесплатно
Об оптимизации упругого элемента протеза стопы
Статья научная
Приведен обзор новых результатов по оптимизации конструкции упругого элемента (УЭ) протеза стопы. Протез моделируется в виде консольно закрепленной многолистовой рессоры. Между листами имеет место контакт с возможным отставанием; задача изгиба поэтому относится к контактным задачам теории балок. Найдена переменная толщина равнонапряженного однолистового УЭ при сильном изгибе. Показано, что такой УЭ имеет эллиптический профиль. Найдены переменные толщины листов равнонапряженного двухлистового УЭ при слабом изгибе для некоторых значений отношения длин листов. Показано, что при неравных длинах листов более длинный лист такого УЭ имеет внутренний шарнир. Доказано, что при дополнительных слабых ограничениях равнонапряженный УЭ может не существовать. Рассмотрен коэффициент использования материала УЭ. Сопоставлены задачи максимизации этого коэффициента и минимизации массы УЭ и выяснено, что связь этих задач не является простой. Обе задачи могут не иметь решений; первая задача может иметь решения, а вторая - не иметь; первая задача может иметь много решений, одно из которых является единственным решением второй.
Бесплатно
Об оптимизации элементов конструкций зубных протезов
Статья научная
Рассматривается задача оптимизации значений упругих параметров материала и формы одного из элементов шинирующего дугового протеза. Эта конструкция применяется в ортопедической стоматологии для восстановления зубного ряда. Ее оптимизируемым элементом является мягкая подкладка между базисом протеза и подлежащей слизистой оболочкой, предназначенная для уменьшения негативного воздействия жевательной нагрузки на ткани протезного ложа. В работе основное внимание уделяется вопросу определения распределения материала подкладочного слоя, которое бы минимизировало воздействие жевательной нагрузки на подлежащие ткани. Для этого используются методы математического моделирования. Предлагается распределение материала подкладочного слоя описывать с помощью скалярной функции, значения которой задают его толщину в соответствующей точке. Искомая функция определяется как предел специальной функциональной последовательности, на элементах которой последовательно уменьшаются значения ряда оптимизируемых критериев. Применимость предлагаемого подхода иллюстрируется на упрощенном модельном примере, в основу которого положена двумерная неоднородная задача упругости. Приводятся результаты численных экспериментов.
Бесплатно
Об оценке величины оттока жидкости из глаза с помощью модифицированного метода тонографии
Статья научная
Описана модификация метода тонографии, использующегося для оценки гидравлических параметров глаза человека в клинических условиях. Модификация метода заключается в дополнении тонографии измерением внутриглазного давления в течение продолжительного времени после снятия груза. При анализе тонографии использовался предложенный авторами ранее способ обработки результатов тонографического исследования, отличающийся от стандартного тем, что он позволяет использовать полную зависимость внутриглазного давления от времени и получать дополнительные сведения о гидравлической системе глаза. Модифицированный метод тонографии дает возможность сравнивать параметры, характеризующие приток и отток в системе, при нагружении глаза плунжером тонографа и в отсутствие груза. Эксперименты, проведенные в клинических условиях как на здоровых испытуемых, так и на пациентах, страдающих глаукомой, продемонстрировали, что характерные времена установления давления под нагрузкой и его восстановления после снятия груза существенно различаются: как правило, второе время в несколько раз больше. Это можно истолковать как следствие значительного возрастания коэффициента легкости оттока под нагрузкой. Стационарное значение давления в глазу, находящемся под действием груза, практически у всех обследованных выше аналогичного значения в ненагруженном состоянии. Причиной такого возрастания может быть увеличение выходного давления (обычно интерпретируемого как давление в эписклеральных венах).
Бесплатно
