Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 898
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
Статья научная
Остеопороз характеризуется снижением качества и минеральной плотности губчатой костной ткани. Минеральная плотность кости может быть определена на основе единиц Хаунсфилда (HU), рассчитанным по данным количественной компьютерной томографии (КТ). КТ также используется для неинвазивного определения механических свойств губчатой кости. Исходные данные КТ, как правило, содержат несколько серий снимков, полученных с помощью различных сверточных ядер. Исследуется влияние сверточных ядер КТ на результаты оценки механических свойств и напряженно-деформированное состояние губчатой кости поясничных позвонков. Для этого были проанализированы две анонимизированные серии КТ-снимков пояснично-крестцового сегмента позвоночника. По каждой серии снимков было определено два набора механических свойств губчатой кости тел позвонков и было построено две соответствующие им биомеханические модели пояснично-крестцового сегмента позвоночника вместе с системой фиксации на уровне позвонков L4–L5. Моделирование напряженно-деформированного состояния обеих моделей под действием типовых статических нагрузок выполнено с использованием метода конечных элементов. Наибольшая абсолютная разница в соответствующих HU составила 52,2 единицы для L5 позвонка, а в модулях упругости – 47 МПа. Моделирование выявило, что различия в максимальных эквивалентных напряжениях в губчатой кости тел позвонков составили 35 %. Показано, что при анализе результатов моделирования может возникнуть проблема, связанная с корректностью оценки риска повреждения губчатой кости, основанной на сравнении возникающих в кости напряжений и ее прочностных характеристик. Результаты исследования подчеркивают важность учета параметров обработки КТ-изображений при проведении биомеханического анализа, особенно в контексте планирования ортопедических операций и прогнозирования долговечности имплантатов. Работа также указывает на необходимость стандартизации неинвазивных методов оценки механических свойств костной ткани для повышения точности и надежности пациенториентированного моделирования.
Бесплатно
Статья научная
Моделируется процесс иммобилизации бактерий рода Rhodococcus на твердом носителе, представляющем собой гидрофобизованные хвойные опилки, в жидкой среде при различных гидродинамических условиях. Теоретически описана форма свободной поверхности жидкой среды, зависящая от значения круговой частоты движения платформы орбитального шейкера. С учетом полученного уравнения поверхности жидкости модифицирована разработанная ранее кинетическая модель иммобилизационного процесса. Произведено уточненное теоретическое вычисление вероятности иммобилизации свободной бактериальной клетки при столкновении с частицей носителя.
Бесплатно
Об эффективности применения шинирования зубов жгутом из титановой нити при заболеваниях пародонта
Статья научная
В данной работе представлен механический анализ работы группы зубов с оголенным корнем в результате заболевания пародонта, скрепленных однорядным и односторонним шинированием. Рассмотрена фронтальная группа зубов (4 резца и 2 клыка) нижней челюсти. Шина выполнена с оральной стороны в виде скрученной проволоки из титана. В процессе анализа с помощью метода конечных элементов рассчитываются основные параметры напряженно- деформированного состояния, которые сравниваются со значениями при отсутствии шины. Показано, что применение шины эффективно с точки зрения ограничения подвижности зубов. Но напряжения существенно возрастают за счет значений в области самой шины.
Бесплатно
Области сопротивления для модели однокоренного зуба: различные случаи симметрии
Статья научная
В работе представлены результаты нахождения областей сопротивления и положения прямых поступательного воздейcтвия для корня зуба в форме составного параболоида на основании подхода, предложенного А.Л. Дубининым, Ю.И. Няшиным и М.А. Осипенко. Жесткость периодонтальной связки получена в результате решения задачи о равновесии упруго закрепленного твердого тела при действии сосредоточенной нагрузки. Периодонтальная связка является линейно упругой и почти несжимаемой; ее толщина постоянна по нормали к внешней поверхности. Использовано представление для малых перемещений корня зуба через комбинацию поступательных перемещений и углов поворота. Предполагается, что полная деформация тканей периодонта по нормали к поверхности корня совпадает с шириной периодонтальной щели в этом направлении. Внешняя поверхность корня зуба и периодонтальной связки описываются уравнениями параболоидов. Выведены уравнения для областей сопротивления асимметричного корня зуба, корня зуба с одной плоскостью симметрии, симметричного корня зуба с эллиптическим и круговым поперечными сечениями. Показано, что для асимметричного корня зуба областью сопротивления является горловой эллипс однополостного гиперболоида; для корня зуба с одной плоскостью симметрии и симметричного корня зуба с эллиптическим поперечным сечением область сопротивления - две точки; для симметричного корня зуба с круговым сечением существует единый центр сопротивления. Проведен расчет положений областей сопротивления для асимметричных и симметричных корней зубов с различными геометрическими размерами. Выполнена визуализация областей сопротивления, а также прямых поступательного воздействия для корня зуба с одной плоскостью симметрии и асимметричного корня зуба. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования областей приложения и направления нагрузки для поступательного перемещения корня зуба.
Бесплатно
Область сопротивления зуба: определение и свойства
Статья научная
Рассматривается малое мгновенное перемещение зуба под действием системы сил. Прямая линия называется прямой поступательного воздействия, если при нагружении зуба одной силой, расположенной на этой прямой, он перемещается поступательно. Центром сопротивления зуба называется точка, имеющая следующие свойства: всякая прямая поступательного воздействия проходит через эту точку и всякая прямая, проходящая через эту точку, является прямой поступательного воздействия. Центр сопротивления существует лишь в исключительном случае. Вводится понятие области сопротивления зуба, обобщающее понятие центра сопротивления. Такой областью называется область минимального диаметра, имеющая следующие свойства: всякая прямая поступательного воздействия проходит через эту область и через всякую точку этой области проходит прямая поступательного воздействия. Показано, что область сопротивления существует в ряде случаев отсутствия центра сопротивления и может быть эллипсом, двумя точками и одной точкой. Проведена классификация зубов по виду множества прямых поступательного воздействия. Введено понятие оси поворота парой; так называется прямая, если существует пара сил, при нагружении зуба которой он поворачивается вокруг этой прямой. Исследованы множества таких осей для различных типов зубов. Установлено, что существует тесная связь между множествами прямых поступательного воздействия и осей поворота парой. Введено понятие центра сопротивления зуба в плоскости.
Бесплатно
Обобщение зависимостей между геометрическими параметрами сагиттального баланса
Статья научная
Сагиттальный баланс позвоночника характеризует его физиологическое выравнивание мышечными усилиями наиболее эффективным образом. Оптимальные позвоночно-тазовые взаимоотношения формируют биомеханически эффективный и оптимальный сагиттальный профиль позвоночника, что снижает расход энергии на поддержание равновесного состояния и уменьшает риски дегенеративных повреждений межпозвонковых дисков. Сагиттальный баланс описывается с помощью основных угловых параметров: тазового индекса, поясничного лордоза, наклона таза и наклона крестца. При выполнении хирургического лечения врачи пытаются сформировать оптимальные позвоночно-тазовые взаимоотношения, для чего на этапе предоперационного планирования измеряют актуальные параметры баланса конкретного пациента и с помощью эмпирических формул рассчитывают их теоретические значения. Для расчета оптимальных параметров сагиттального баланса конкретного пациента различными научными группами разработан ряд эмпирических зависимостей. Однако в научном сообществе нет единого мнения, какими конкретно формулами пользоваться при планировании лечения. В данной работе предпринята попытка обобщить имеющиеся в научной литературе данные о параметрах сагиттального баланса и разработать новые, единые для всех этих данных регрессионные зависимости, позволяющие связать между собой его параметры. Для этого из литературных мсточников были взяты исходные данные для построения таких зависимостей. Также были использованы собственные данные - результаты измерений параметров сагиттального баланса пациентов Национального медицинского исследовательского центра травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова Саратовского государственного медицинского университета. Из найденных статей были выбраны исходные числовые данные, связывающие между собой основные параметры сагиттального баланса. Данные были оцифрованы и обработаны при помощи методов статистики. Были получены регрессионные зависимости, позволяющие рассчитать поясничный лордоз, наклон таза и наклон крестца через тазовый индекс конкретного пациента. Полученные зависимости обобщают известные на сегодняшний день данные измерений, проведенных исследователями нескольких стран у пациентов различного возраста, позволяют рассчитывать оптимальные параметры сагиттального баланса и могут быть применены при предоперационном планировании хирургического лечения последствий заболеваний и повреждений позвоночно-тазового комплекса. Обобщающие зависимости позволяют систематизировать накопленный в литературе клинический опыт и были использованы при разработке первой в мире системы предоперационного планирования хирургического лечения последствий и заболеваний позвоночно-тазового комплекса с биомеханической поддержкой решения врача.
Бесплатно
Обоснование способа односторонней хейлоринопластики с учетом биомеханики больших хрящей крыльев носа
Статья
Бесплатно
Обучение движениям: противоречия и пути решения
Статья научная
Рассматриваются основные противоречия при обучении движениям традиционными педагогическими методами. Разрешение этих противоречий видится автору в создании искусственной предметной среды, в которой выход на более высокие двигательные режимы обеспечиваются посредством различных по конструкции упругих рекуператоров энергии, воздействующих на биомеханические параметры движений, энергетические и функциональные системы организма. Показывается, что указанные биомеханические тренировочные приспособления позволяют усиливать прежде всего процессы рекуперации энергии в двигательных действиях спортсменов. Этим обеспечивается энергетический ресурс интенсификации двигательных режимов. Показано, что при таких средствах воздействия на спортсмена можно достигать рекордной для них результативности, что является конечной целью процесса спортивной подготовки.
Бесплатно
Статья научная
Представлен трехмерный метод определения численных величин и анализ мышечных сил и усилий в суставах при нагружении нижней челюсти. Экспериментальный протокол, гипотезы, запись и затем решение системы уравнений для статического равновесия нижней челюсти описаны и использованы с помощью данных, полученных у четырех добровольцев. Был сконструирован датчик для моделирования и регистрации силы кусания между двумя зубами, затем он был применен последовательно для двух резцов, двух премоляров и затем двух моляров. Рассечения были проведены для определения контактов между мыщелками нижней челюсти и височной костью, а также для определения мест прикрепления мышц, закрывающих челюсти. Направления мышечных сил были затем определены в морфологической системе координат. Магнитно-резонансная диагностика и электромиография были далее применены in vivo для оценки величин шести мышечных сил на каждой стороне лица. Решение системы уравнений, полученной для вычисления сил, передаваемых через суставные контакты, было проведено с помощью компьютера. Для идентичного нагружения, примененного последовательно в положениях 31, 34 и 36, на основе 12 показаний результаты показывают, что сагиттальные компоненты суставных сил сильно зависят от межзубного расстояния. В положении 31 вертикальная компонента умножается на 1,65, когда межрезцовое расстояние увеличивается от 5 до 15 миллиметров. Величины суставных сил сильно зависят от величины открытия рта и от направлений результирующих мышечных сил.
Бесплатно
Опорная реакция стоп у больных ахондроплазией после увеличения длины сегментов нижних конечностей
Статья научная
Обследовано пятнадцать пациентов с ахондроплазией с помощью компьютерного комплекса оценки опорных реакций стоп при ходьбе («ДиаСлед- Скан», г. Санкт-Петербург). Подографическое исследование после двухэтапного перекрестного удлинения сегментов нижних конечностей выявило равномерное увеличение вариабельности шага на обеих конечностях, нарушение плавности по нисходящей кривой заднего толчка по типу дополнительной балансировочной активности пальцами. На участке демпферного провала регистрировалась дополнительная волна различной степени выраженности, что коррелировало с патологией тазобедренного сустава. При оценке подограмм следует учитывать биомеханическую специфику функции разных мышечных групп. Cнижение показателей динамометрии мышц-разгибателей, образующих силовую часть локомоторной синергии, приводило к бόльшим изменениям при ходьбе, чем снижение силы мышц-сгибателей, в основном корректирующих движения.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты исследований влияния переменного магнитного поля на упругие свойства сферической оболочки, заполненной несжимаемой жидкостью. Для исследования вязкоупругих свойств объекта анализировалось отношение прогиба участка оболочки к ускорению, вызванное пневмоимпульсом. Измерения проводились с помощью полупроводникового лазерного автодина. В качестве жидкости использовались дистиллированная вода и препарат «Искусственная слеза». Проведено две серии экспериментальных исследований, каждая из которых включала два этапа. На первом этапе измерение автодинного сигнала было осуществлено на моделях, которые не подвергались воздействию переменного магнитного поля. На втором этапе модели испытывали воздействие переменного магнитного поля требуемой частоты в течение 60 мин. Аналогичные измерения были проведены на частотах магнитного поля в диапазоне 2-12 Гц с периодом 2 Гц. Отношение величины отклонения для ускорения оболочки до и после облучения на переменном магнитном поле определяли по частоте автодинного сигнала. Во второй серии экспериментов используют модели, заполненные препаратом «Искусственная слеза». Показано, что максимальное изменение величины отношения прогиба макета к ускорению наблюдается при частоте магнитного поля 10 Гц.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлен численный анализ давления, нагружения и сжимающих напряжений в сферическом эндопротезе тазобедренного сустава человека, проведенный с учетом несимметричного стационарного движения синовиальной жидкости. В статье представлено упрощенное уравнение Рейнольдса для распределения давления в проблеме гидродинамической смазки для эндопротеза тазобедренного сустава. Новые элементы представленной статьи - это математические формулы для силы нагрузки и давления в сферической системе координат эндопротеза тазобедренного сустава. Данные параметры получены для переменной высоты зазора эндопротеза сустава и для переменной вязкости синовиальной жидкости. Наконец, получены сжимающие напряжения, возникающие между поверхностями сферического эндопротеза и тазобедренного сустава человека.
Бесплатно
Определение деформационно-прочностных свойств поддерживающего устройства желудочков сердца
Статья научная
Экспериментально изучены деформационно-прочностные свойства поддерживающего устройства желудочков сердца до и после стерилизации. Показана перспективность имплантата на основе трикотажа сетчатой структуры. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании имплантатов сердца для хирургического лечения аневризм желудочков.
Бесплатно
