Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 830
Статья научная
Технологии аддитивного производства позволяют изготавливать пористые имплантаты с механическими свойствами, эквивалентными таковым естественной кости. Вместе с тем возникает ряд новых задач, в том числе определение механических свойств таких структур. Исследование направлено на получение механических параметров пористого титанового сплава для костных имплантатов, в том числе в условиях их взаимодействия с биологическими жидкостями. Механические свойства были получены для девяти видов структур: по три вида пористости для каждого из трех видов направленности структуры. Рассмотренная пористость структур от 41-52 % лежит в диапазоне пористости губчатой кости. В результате экспериментов на одноосное сжатие был получен модуль Юнга от 10 до 22 ГПа и коэффициент Пуассона от 0,136 до 0,337. Модули Юнга стандартной 47%-ной пористости наиболее близки к модулям кортикальной кости 15-16 ГПа. Конфигурацию структуры с наименьшим модулем Юнга рекомендуется применять для изготовления имплантатов пациентам с высокой пористостью костных тканей. Также в экспериментах рассматривалось взаимодействие пористых структур с биологическими жидкостями. При одноосном сжатии до 5000 Н пороупругие эффекты не обнаружены для структур с заполнением порового пространства коллагеном. Для трёх видов пористости при ортогональной направленности структуры были проведены эксперименты на определение коэффициента проницаемости. Коэффициент проницаемости варьировался от 0,99∙10-10 до 3,6∙10-10 м2 для водного раствора глицерина, моделирующего кровь, и от 1,4∙10-10 до 2∙10-10 м2 для желатина, моделирующего формирование коллагена при первичной остеоинтеграции. Полученные результаты будут полезны при разработке новых подходов к моделированию пористых имплантатов в биомеханике.
Бесплатно
Определение механических свойств артерий виллизиевого многоугольника
Статья научная
Проведены эксперименты на одноосное растяжение образцов артерий виллизиевого многоугольника в продольном и окружном направлениях. Данные экспериментов проанализированы с учетом полового диморфизма, возрастной и индивидуальной изменчивости. Выявлены существенные половые и возрастные различия деформативных и прочностных характеристик артерий. Получены параметры некоторых гиперупругих материалов, применяемых при моделировании стенок артерий.
Бесплатно
Статья научная
Моделирование элементов негомогенных сред является актуальным направлением при изучении композитных материалов и объектов биомеханики. Необходимость проведения исследований определяется недостаточной разработанностью методик описания механических параметров с учётом анизотропии материалов. В этом случае одним из направлений выступает применение цифрового прототипирования и методов численного моделирования. В области биомеханики применимость подходов к численному моделированию на основе данных с изображений коррелирует с клинической практикой, что обусловливается особенностями методов неразрушающего контроля и позволяет получать результаты, оказывающие влияние на качество проводимого лечения. В работе рассматривается метод восстановления механических свойств костной ткани на основе вычислительных и натурных экспериментов. Моделирование базировалось на методе конечных элементов и предполагало применение данных цифрового прототипа, полученного проведением компьютерной томографии. Восстановление расчётной области выполнялось фильтрацией исходной сетки относительно доли содержания материала. Представленный метод позволяет восстанавливать значения модуля упругости и касательных модулей ткани на основе линейности тензора упругих констант относительно модуля Юнга. В ходе работы было проведено моделирование костных органов свиней. Содержание животных и экспериментальные процедуры осуществлялись с соблюдением биоэтических норм. Физические испытания и численное моделирование выполнялось в условиях действия изгиба. Валидация полученного распределения значений напряжённо-деформированного состояния выполнялась по данным натурных экспериментов. Представленное решение показало слабую зависимость результатов (менее 1 %) относительно степени дискретизации расчётной области, что позволило проводить вычисления с применением меньшего количества конечных элементов, избегая применения ресурсоёмких методов восстановления геометрии образца. Полученные в рамках работы результаты соответствуют литературным данным и определяют истинные значения упругих констант костной ткани, применение которых в расчётах позволяет проводить оценку прочности элементов негомогенной структуры в условиях действия внешних нагрузок с учётом пространственного распределения материала.
Бесплатно
Статья научная
Ранее авторами в рамках линейной модели были даны оценки модулей упругости при различных стадиях атеросклероза, проанализированы особенности напряженно-деформированного состояния стенки сосуда в окрестности атероматозной бляшки. Был сделан вывод о необходимости изучения данного вопроса в нелинейной постановке с учетом конечных деформаций. В данной статье на основе аналитического решения, предложенного А.И. Лурье, для цилиндра из полулинейного материала Джона представлена методика определения параметров потенциала нелинейно сжимаемого материала, получены конкретные значения параметров потенциала для сонной артерии человека при различных стадиях атеросклероза.
Бесплатно
Определение параметров усилия при специальной силовой подготовке на тренажерах
Статья научная
Рассматривается характер изменения усилия в системе «спортсмен - тренажер» при ступенчатом изменении внешнего отягощения (перемещаемой массы). Получены зависимости «отягощение - усилие», определены граничные значения отягощения и граничное количество повторений при специальной силовой подготовке, эти данные позволили получить характеристические кривые «усилие - отягощение» для разных видов спорта.
Бесплатно
Определение силовых факторов, развиваемых ортодонтическим аппаратом для расширения верхней челюсти
Статья научная
В работе представлены результаты расчета силовых факторов, действующих на зуб со стороны стержня ортодонтического аппарата, предназначенного для расширения верхней челюсти. Выполнен численный расчет реактивных сил и моментов сил для двух случаев расположения стержня аппарата в различных плоскостях. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании конструкций ортодонтических аппаратов с учетом индивидуальных особенностей пациентов, а также для вычислений перемещений корня зуба и напряжений в периодонте и костной ткани, возникающих в ходе ортодонтического лечения.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлены результаты работы, направленной на разработку средств автоматизированной оценки схемы построения протезов голени и бедра. Даны таблицы характеристик основной стойки инвалидов с ампутационными дефектами нижних конечностей, которые могут применяться для контроля результатов протезирования на протезно-ортопедических предприятиях.
Бесплатно
Определение твердости хрусталика
Статья научная
При планировании лечения катаракты с использованием современных способов хирургического вмешательства важное значение приобретает информация о механических свойствах хрусталика. В данной работе проведен поиск in vivo наиболее информативного способа дооперационной оценки твердости ядра хрусталика. Исследовано 30 ядер катарактальных хрусталиков. Для обработки полученной информации использовался непараметрический статистический анализ. Перед операцией in vivo механические свойства ядра хрусталика (твёрдость) оценивались тремя различными косвенными методами: цвет, зрелость катаракты и относительная ультразвуковая плотность. После изъятия хрусталика оперативным путём твердость in vitro определялась механическим методом при помощи оригинального устройства. При этом твёрдость оценивалась по величине нагрузки (мН), вызывающей одинаковое погружение сферического тела в объект исследования без остаточной деформации. При сравнении косвенных данных и данных, полученных в результате прямых измерений, было обнаружено наличие умеренной отрицательной корреляционной связи твёрдости и зрелости катаракты (Spermen rank R = -0,4 (p R = 0,3 (p 0,05)) и умеренной отрицательной корреляции твёрдости и ультразвуковой плотности (Spermen rank R = -0,6 (р 0,05). Таким образом, исследования показали, что в силу различных причин при катарактогенезе изменения оптических свойств или зрелости катаракты не всегда сопровождаются соответствующими изменениями механических свойств хрусталика. При этом ультразвуковой метод оказался более надёжным при дооперационной оценке твёрдости ядра хрусталика.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается состояние равновесия нижней конечности в положении пациента лежа на спине. Конечность нагружена весом сегментов и дополнительными отягощениями и расположена горизонтально. Методом перемещений, применяемым в строительной механике для исследования статически неопределимых систем с односторонними связями и распространенным на проблемы биомеханики Г.Н. Колесниковым, определяются усилия в четырнадцати мышцах, участвующих в актах сгибания и разгибания бедра и голени, а также реакции суставных хрящей и коленной чашечки. Установлены величины мышечных сокращений и деформаций сжатия хрящей. Приводится оценка точности найденных мышечных усилий.
Бесплатно
Определение усилий, возникающих в жевательной системе человека
Статья научная
В работе представлена математическая модель, позволяющая определить силовые факторы, действующие на нижнюю челюсть человека при различных жевательных усилиях. Модель позволяет раскрыть статическую неопределённость жевательной системы человека при помощи методов оптимизации. В качестве критерия оптимизации предложена нелинейная (минимаксная) целевая функция. Нелинейная задача оптимизации сведена к последовательному итерационному решению линейных задач симплекс-методом. В результате получены зависимости мышечных сил и сопутствующих суставных реакций от силы кусания. Сопоставления результатов с аналогичными данными, полученными из ряда других работ, подтвердили надёжность предложенной модели. Также был проведён анализ чувствительности, который показал устойчивость модели к входным данным. В дальнейшем представленная модель могла бы быть использована при описании напряжённо-деформированного состояния нижней челюсти и в области протезирования.
Бесплатно
Статья научная
Изложены результаты теоретических и прикладных исследований, посвященных актуальной проблеме разработки высокоэффективных аналитико-экспериментальных методов для оценки физико-механических свойств биоматериалов и биоструктур на основе технологий наноиндентирования и атомно-силовой микроскопии. Представлен анализ реализации ряда механико-математических моделей, построенных для решения таких сложных проблем, как задача выбора/построения механико-математической модели, максимально приближенной к описанию естественного состояния рассматриваемой гетерогенной среды, задача, связанная с определением момента непосредственного контакта внедряемого индентора в объект и учет в методиках оценки физико-механических свойств биоструктур сил, проявляющихся на наномасштабном уровне (сил адгезии и др.). Предложены различные модификации упругих решений контактной механики, включая модели, построенные на основе интегродифференцирования дробного порядка. Результаты клинических испытаний содержат результаты исследования гемореологических модификаций, вызванных изменением физико-механических характеристик эритроцитов под влиянием ишемической болезни сердца, острого коронарного синдрома, и эффективности включения в комплексную терапию пациентов с острым коронарным синдромом ультрафиолетовой модификации крови и экстракорпоральной аутогемомагнитотерапии в основе технологий наноиндентирования и методологии обработки данных, полученных в данной работе.
Бесплатно
Определение функциональной зрелости контактного и дистракционного регенератакостей голени и плеча
Статья научная
Оценка зрелости костного регенерата производилась по темпу снижения скорости его кровоснабжения при функциональной нагрузке на конечность и по величине этой нагрузки, при которой происходилоускорение кровотока, связанное с достижением в тканях среднединамического давленияпросвета артерии. При лечении по методу Илизарова взрослых пациентов с закрытымипереломами костей плеча ( n = 20) микроподвижность отломков при аксиальной нагрузке на конечность10 кгссоставила 219±39 мкм, припереломах костей голени ( n = 30) - 71±18 мкм, после удлинения голени ( n =15) - 54±14 мкм. В процессе фиксации переносимость больными нагрузки на плечо возрастала с 5 до 15 кгс. В течение последующих периодов лечения микроподвижность костных фрагментов уменьшалась при уплотнении костной перестройки. Уровень уплотнения был выше на плечевой кости и ниже после удлинения конечностей у взрослых пациентов первой группы.Порог переносимости нагрузки определялсяв соответствии с появлением чувства дискомфорта у пациента и увеличением скорости кровотока. У пациентов с переломом большеберцовых костей порог переносимостивозрастал во время леченияс 20 до 40 кгс.В конце периода фиксации после удлинения конечности микроподвижность возрастала с 10 до 30-40 кгс. Выявлены принципиальные различия в динамике микроподвижности отломков кости и переносимости функциональной нагрузки при повреждениях плеча и голени.
Бесплатно
Статья научная
Грудное молоко является уникальным питанием для здоровья и развития новорожденных. Вместе с тем 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 для сцеживания молока широкое распространение получили молоковыводящие аппараты различных конструкций. Однако параметры вакуумных стимулов, с помощью которых выводится молоко, остаются неоптимизированными. Был разработан метод, позволяющий сравнить количество молока, выведенного с помощью импульсов вакуума различной амплитуды. Молоко сцеживалось в течение одной сессии попеременно сериями импульсов вакуума различной амплитуды в два молокосборника у одной и той же женщины. Для того чтобы влияние рефлекторного повышения давления в протоковой системе железы на выведение молока было минимально, стимулы вакуума сгруппированы в следующие друг за другом две серии из 4 вакуумных импульсов с продолжительностью серии 4 с. Кроме того, для увеличения точности измерений, по окончании каждой серии импульсов вакуума был введен дополнительный импульс вакуума, с помощью которого создавался поток воздуха в направлении молокосборников, способствующий выведению остатков молока из подводящих путей в молокосборники. Было обнаружено, что для большинства кормящих женщин оптимальной амплитудой вакуума является значение около 190 мм рт. ст.
Бесплатно
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
Оптимизация биологического протеза клапана сердца "Юнилайн": новые инструменты улучшения функции
Статья научная
По различным оценкам, за 2020 г. на территории Российской Федерации в специализированных медицинских центрах было проведено более 9000 имплантаций искусственных клапанов сердца, причем 19,1 % из них - на основе тканей животных. Такие устройства обладают высокой биосовместимостью, но через 10-15 лет от трети до половины требуют репротезирования ввиду развития различных дисфункций. Несмотря на преимущества биологических протезов клапанов сердца и распространенность их применения в клинике, существует потребность в их оптимизации и доработке для улучшения постоперационной гемодинамики и увеличения срока службы. В данной работе мы применяли улучшенный метод для создания геометрии створчатого аппарата и его оценки к коммерческому протезу «ЮниЛайн» (г. Кемерово, ЗАО «НеоКор») 23-го типоразмера. Продемонстрирован подход, включающий в себя скрининговое исследование большого количества геометрий ( N = 6766) и детальное моделирование ( N = 4) отобранных дизайнов в составе конечного изделия с учетом взаимодействия с композитным каркасом. Полученные результаты демонстрируют способность предложенного метода к оптимизации существующих коммерческих моделей протезов клапанов сердца. Расширенный набор параметров построения позволил подобрать дизайн, c пиковыми максимальными принципиальными напряжениями в размере 1,89 и 0,68 МПа, а также обеспечивающий площадь в открытом состоянии в 233,08 и 267,34 мм2 при максимально возможном 314 мм2 для детального и скринингового исследования соответственно. При этом площадь просвета в диастолическую фазу в составе протеза не превышает 0,4 мм2 для примененных моделей. Представленные результаты показывают возможность метода создавать и оценивать «оптимальные» дизайны створчатых аппаратов по ряду критических для обеспечения лучшей гемо- и биомеханики метрик - возникающие во время сердечного цикла напряжений, наличие эффекта скручивания в диастолическую фазу, а также способность обеспечивать максимальный просвет и качество запирания.
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
