Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Биомеханика остеосинтеза накостными пластинами четырехфрагментарного перелома плечевой кости
Статья научная
Проведено исследование биомеханического состояния систем фиксации четырехфрагментарного перелома проксимального отдела плечевой кости пластинами АО (ассоциации остеосинтеза) AO/ASIF, с угловой стабильностью, Воронкевича и с шипом. Цель исследования состояла в компьютерном моделировании систем фиксации перелома, сравнении их жесткости и выборе наилучшего варианта фиксации. Модель кости была построена по срезам томограммы. Выполнены компьютерные остеотомии кости и созданы компьютерные модели системы фиксации четырехфрагментарного перелома. Определены силы, действующие на плечевую кость. Каждая модель фиксации нагружалась в четырех позах собственным весом звеньев руки. При построении моделей фиксации и исследовании полей напряжений и перемещений использовался современный программный продукт SolidWorks 2009 с интегрированным в него решателем Simulation. Решения поставленных задач получены с помощью универсального метода конечных элементов с использованием тетраэдральных параболических элементов в пакете Simulation.
Бесплатно
Биомеханика разгрузки нижних конечностей при ортезировании
Статья научная
Изучается биомеханика одного типа современных ортезов нижних конечностей - ортопедических аппаратов, дающих возможность гибкой подстройки под конкретного пациента в течение всего периода лечения, что позволяет обеспечить лучшую фиксацию и разгрузку проблемной зоны, уменьшить сроки и улучшить качество лечения. Поскольку перегрузка поврежденного участка чревата осложениями, а его недогрузка приводит к ослаблению и атрофии костно-мышечного аппарата и удлинению сроков реабилитации, важное значение имеет исследование разгрузки конечности при ортезировании, что и составляет главную цель работы. Развивается комбинированный расчетно-экспериментальный подход к изучению биомеханики системы нога-тутор. В эксперименте in vivo продемонстрирован эффект возникновения разгрузки нижней конечности при ее ортезировании для ортезов двух типов. Вводится количественная характеристика разгрузки - коэффициент разгрузки, рассчитываемый как отношение максимальной нагрузки на неортезированную конечность к максимальной нагрузке на конечность в ортезе. Описаны прямые экспериментальные измерения коэффициента разгрузки in vivo с помощью программно-аппаратного комплекса «ДиаСлед» для двух видов ортезов и при разной степени бокового обжатия (оцениваемого на качественном уровне). Для коэффициента разгрузки получены значения от 1 до примерно 2,3 в зависимости от конкретных условий. На основе сравнительных оценок жесткости отдельных элементов системы нога-ортез предложена минимальная базовая биомеханическая модель разгрузки конечности в ортезе и получено соответствующее ей выражение для коэффициента разгрузки. Модель дает для коэффициента разгрузки оценку порядка 1,6…2,1 при отсутствии боковой компрессии (в зависимости от условий контакта конечности с ортезом) и постоянство либо линейное падение нагрузки на конечность с ростом обжатия.
Бесплатно
Статья научная
Исследование посвящено изучению биомеханики сердца и малого круга кровообращения посредством компьютерной апекскардиографии (метода исследования механической активности миокарда) и реографии (метода исследования сопротивления / электропроводности тканей организма человека) легочной артерии у лиц с основными факторами риска возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. В ходе исследования оценивали скоростные и силовые показатели изменения внутрижелудочкового давления, сопротивления сосудов бассейна легочной артерии и продолжительности фаз сердечного цикла и малого круга кровообращения. У курильщиков отмечены минимальные изменения биомеханики сердца, у пациентов с артериальной гипертензией выявлена систолическая гиперфункция, у пациентов с сахарным диабетом I типа отмечены систолическая гиперфункция и диастолическая дисфункция миокарда. Наиболее значимые нарушения пропульсивной (биомеханической активности артериальной стенки, способствующей проталкиванию крови в нижележащие отделы сосудистого русла, доказывающей существование «периферического сердца») активности сосудов бассейна легочной артерии отмечаются в группе курящих.
Бесплатно
Биомеханическая интерпретация данных миометрии скелетных мышц спортсменов
Статья научная
В работе усовершенствована ранее предложенная авторами методика определения вязкоупругих характеристик мышечной ткани по результатам динамического индентирования на основе идентификации модели мышцы как трехкомпонентной системы. Основная компонента характеризует материал мышечной ткани в пассивном состоянии; вторая компонента относится к функционированию актомиозиновых мостиков в стадии сокращения мышцы; третья компонента учитывает образование и накопление веществ, препятствующих актомиозиновому взаимодействию в процессе утомления мышцы. Модель использована для описания кинетики миометрических показателей мышцы (при переходе из пассивного состояния в напряженное), а также процесса усталости при многократном выполнении однотипных упражнений спортсменов-гребцов.
Бесплатно
Биомеханическая модель глаза человека как основа для изучения его аккомодационной способности
Статья научная
Построена деформационная биомеханическая модель глаза, включающая в себя роговицу, склеру, лимб, глазодвигательные мышцы (в том числе сухожилия), содержимое хрусталика по слоям (включая ядро и капсулу), цилиарное тело, цилиарную мышцу, зонулярные волокна, радужку, глазной нерв, стекловидное тело, сосудистую оболочку, сетчатку. В рамках данной модели выполнена серия расчетов, моделирующих процессы аккомодации и вращения глазного яблока в глазнице при различных физико-механических параметрах тканей глаза, определены факторы, оказывающие наибольшее влияние на аккомодационную способность. Выявлен диапазон свойств тканей, при котором возможны деформации хрусталика с несколькими точками изменения кривизны передней и задней поверхности, смещение центра хрусталика относительно центра роговицы, отклонение оптической оси, провисание зонулярных волокон. Проанализированы различные теории аккомодации и определен диапазон механических свойств, при которых та или иная теория наиболее достоверно описывает процесс аккомодации.
Бесплатно
Биомеханическая модель определения усилий мышц и связок в зубочелюстной системе человека
Статья научная
Задачи биомеханического моделирования требуют определения усилий мышц, связок и сухожилий. Это позволяет находить внешние усилия для постановки и решения задач моделирования, а также имеет самостоятельное значение. В работе предложены общие методы определения усилий для различных отделов скелета человека. Подробно рассмотрена зубочелюстная система человека. На основе литературных данных о строении, физиологии и поведении под нагрузкой определено, что связки при небольшом удлинении подчиняются закону Гука. В свою очередь, мышцы, на краях которых находятся сухожилия, являются активными элементами, управляемыми центральной нервной системой, и их механическое поведение описать только с помощью законов механики невозможно. Предложенный в работе подход для решения статически неопределенной задачи вычисления усилий мышц и связок включает два этапа. Сначала методами механики с помощью принципов механики усилия в связках могут быть представлены как линейные функции внешних нагрузок и остальных неизвестных реакций и усилий мышц. Такие зависимости являются следствиями уравнений равновесия. Второй этап раскрытия статической неопределенности связан с постановкой и решением задачи оптимизации. Подробно рассмотрены различные критерии оптимальности, применяемые для нахождения усилий в мышцах. Анализ литературы показал, что для зубочелюстной системы наиболее подходящим способом решения является поиск минимума усилия в наиболее напряженной мышце. Разработана постановка такой задачи, решение которой сводится к решению задачи линейного программирования. На примере, моделирующем мышечно-связочный аппарат, расположенный в области голеностопного сустава, найдено решение с помощью предложенного подхода для различных критериев оптимизации. Показана работоспособность метода и сделан вывод о его применимости для определения усилий в мышечно-связочном аппарате.
Бесплатно
Статья научная
Для построения биомеханических моделей скелетно-мышечных систем произвольного вида разработан подход, который не требует применения субъективно выбираемых критериев оптимальности при решении проблемы статической неопределимости. Предложена замкнутая система уравнений в виде соотношений конечных величин (внутренних и внешних сил, деформаций податливых компонентов и перемещений жестких звеньев). Рассмотрен пример. Применение разработанного подхода позволяет повысить эффективность биомеханических моделей в вычислительном отношении.
Бесплатно
Биомеханическая модель течения желчи в билиарной системе
Статья научная
Желчевыделительная система (билиарная система), предназначенная для транспорта желчи в двенадцатиперстную кишку для переваривания жиров, играет важную роль в пищеварении. Нарушения обмена веществ и холединамики (течения желчи) приводят к возникновению желчнокаменной болезни (холелитиаз). В России патология билиарной системы находится на третьем месте по числу пациентов. Методом хирургического лечения холелитиаза является удаление желчного пузыря (холецистэктомия). Однако процент послеоперационных осложнений достаточно высок. Одной из причин является отсутствие объективных методик: хирурги не всегда могут оценить последствия оперативного вмешательства. Тем не менее работ, посвященных численному моделированию процессов, связанных с течением желчи, крайне мало. Полной персонализированной модели, которая могла бы использоваться в медицинской практике, не разработано до недавних пор. В данной работе представлена новая модель течения желчи в билиарной системе. Предложен подход, согласно которому билиарная система рассматривается как совокупность трех составляющих (желчный пузырь, внепеченочные желчные протоки, большой дуоденальный сосочек). Для моделирования течения желчи в желчном пузыре использовалась модель Франка. При описании течения желчи во внепеченочных желчных протоках решалась связанная задача взаимодействия жидкости и твердого тела. Течение желчи в большом дуоденальном сосочке рассматривалось как перистальтический транспорт в трубке с сужающимися стенками конечной длины. Комплексная модель билиарной системы позволила оценить холединамику в норме и при патологии, а также осуществить численную оценку течений желчи после холецистэктомии для прогнозирования и профилактики осложнений. Применение моделирования перистальтического течения в большом дуоденальном сосочке позволило определить количественные критерии возникновения патологических рефлюксов, что дало возможность обеспечить их профилактику. Также модель может использоваться для анализа хирургических вмешательств при лечении холелитиаза и его осложнений (стентирование, закрытие передней брюшной стенки), что позволяет провести математический анализ данных вмешательств. Например, математическая модель установки стента с памятью формы позволяет снизить число осложнений (перфорацию мягких тканей). Численная модель накопления частиц на поверхности пластикового стента позволила спрогнозировать сроки замены данного стента для конкретного пациента и повысить его качество жизни. Биомеханический анализ применения шовных материалов позволил обеспечить дифференцированный подход к их применению и снизить количество специфических послеоперационных осложнений. Показано, что разработанная модель может быть использована при создании программного продукта для поддержки принятия решений при лечении и профилактике холелитиаза и его осложнений.
Бесплатно
Статья научная
Травма шейного отдела спинного мозга сопровождается выраженными функциональными нарушениями верхних конечностей, причем нарушение функции кисти является превалирующим. Прогноз восстановления функции, оценка в динамике силовых, пространственных координаторных и других параметров для оценки адекватности проводимого лечения требует обязательного применения современных достоверных инструментальных методов. Наиболее информативными у данной категории больных являются методы биомеханики, использование которых должно быть общепринятым. В обзоре отражен современный подход к изучению функции кисти с использованием методов биомеханики. Приведены данные о применении биомеханических методов при изучении функции кисти у пациентов с травмой шейного отдела спинного мозга с учетом структуры двигательных нарушений кисти.
Бесплатно
Биомеханическая оценка исходов лечения пациентов с травмой таза
Статья научная
С помощью многокритериального биомеханического исследования проведена сравнительная оценка функциональных исходов хирургического и консервативного лечения 50 пациентов с повреждениями костей таза. Исследование включало следующие методики: определение опороспособности нижних конечностей, подографию, гониографию, определение опорных реакций стоп, осциллографию угловых отклонений таза и плечевого пояса в сагиттальной и фронтальной плоскостях. Сроки исследования составили 6 месяцев, 1 год и 2 года после проведенного лечения. Выполненное биомеханическое исследование выявило объективные признаки более полного восстановления функциональных возможностей опорно-двигательного аппарата пациентов с повреждениями костей таза в сроки 6-12 месяцев после чрескостного остеосинтеза. У пациентов со стабильными переломами костей таза, пролеченных консервативно, достигается нестойкое улучшение основных биомеханических показателей, характеризующих локомоторный акт передвижения лишь в срок 12 месяцев после лечения. При консервативном лечении больных с нестабильными переломами костей таза функция ходьбы не восстанавливается.
Бесплатно
Биомеханическая устойчивость структур головного мозга к повышению внутричерепного давления
Статья научная
Представлен результат сравнительного анализа биомеханической устойчивости различных структур головного мозга в сопоставлении с витальными функциями и клинической значимостью соответствующих отделов мозга при патологии. Исследования проведены на основе метода микромоторной диагностики в сочетании с инструментальными методами доказательной медицины.
Бесплатно
Статья научная
Исследуются особенности биомеханических характеристик околосуставных мышц у спортсменов игровых видов спорта, перенесших травмы коленных суставов. В исследовании приняло участие 98 спортсменов игровых видов спорта различной спортивной квалификации с травмами коленных суставов в анамнезе. Все спортсмены прошли комплексное обследование: опрос с заполнением анкеты KOOS ( Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score - шкала исхода травмы и остеоартроза коленного сустава); клинический осмотр; ультразвуковое исследование коленных суставов. С целью объективной оценки функционального состояния коленных суставов применяли метод изокинетической динамометрии мышц сгибателей и разгибателей голени с применением системы Biodex System 4 Pro (США). В результате проведенного комплексного обследования у 60 спортсменов выявлены посттравматические изменения суставного гиалинового хряща травмированного коленного сустава и установлен диагноз «посттравматическая хондропатия коленного сустава». Спортсмены с посттравматической хондропатией коленных суставов вошли в первую группу исследования, спортсмены без посттравматических изменений вошли во вторую группу. При изокинетическом тестировании околосуставных мышц коленных суставов у спортсменов первой группы выявлены меньшие силовые возможности мышц сгибателей и разгибателей травмированного коленного сустава по сравнению с интактной конечностью на всех тестируемых угловых скоростях, при этом дефицит силы разгибателей на угловых скоростях 60 и 180 º/с и сгибателей на угловой скорости 60 º/с оценивается как умеренный. У спортсменов без посттравматических изменений коленных суставов значимых различий силовых возможностей околосуставных мышц не выявлено.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается применение методов биомеханики для анализа индивидуальных особенностей походки и осанки. Описывается проведенная авторами биомеханическая экспертиза, которая может быть полезной при идентификации личности. Отмечается, что подобный биомеханический подход может представлять практический интерес как для сотрудников правоохранительных органов, так и специалистов по клинической биомеханике в ситуациях, требующих особого подхода в поисках и оценке судебных доказательств.
Бесплатно
Биомеханические аспекты вторичной деформации зубов
Статья научная
Данная статья посвящена проблеме вторичной деформации зубов, происходящей вследствие образования вакансий в зубном ряду. Авторами рассматриваются развитые в медицине ключевые положения, лежащие в основе объяснения образования вторичной деформации. Далее проводится оценка сложившихся представлений с позиций биомеханики. Анализ начинается с самого понятия вторичной деформации и заканчивается ее рассмотрением на уровне зубочелюстной системы. В результате авторами выявлены и обоснованы с точки зрения биомеханики недостатки приятой в медицине теории о причинах движения зубов в результате потери зуба-антагониста или соседнего зуба. Вследствие чего предлагается новый подход к объяснению явления вторичной деформации, а также развиваются элементы математической модели для последующего численного анализа.
Бесплатно
Биомеханические аспекты замещения дефекта нижней челюсти человека имплантатом
Статья научная
В результате патологии или травмы возможны дефекты в виде полного или частичного разрушения поперечного сечения нижней челюсти человека. Для восстановления нормального функционирования необходимо фиксирование разрозненных частей челюсти или замещение частичного дефекта тем или иным имплантатом. В работе произведен пространственный численный анализ упругого состояния нижней челюсти при основных функциональных нагрузках в здоровом состоянии и при наличии частичного дефекта. Получена оценка влияния положения дефекта на напряженно-деформированное состояние нижнечелюстной кости. Методами статики определены усилия, действующие на кость и имплантат в областях фиксирования последнего с помощью винтов. В предположении о плосконапряженном состоянии исследовано напряженно-деформированное состояние имплантата из углеродного композиционного материала в областях фиксации шурупами.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена возможность создания условий для динамического остеосинтеза с помощью Z-образных и волнообразных накостных малоконтактных пластин при поперечных и косых диафизарных переломах длинных костей. Предложена расчётная методика для определения взаимных перемещений отломков поврежденной кости при использовании предложенных конструкций. Показано, что применение пластин с волнообразным демпфером является более предпочтительным вследствие бoльшего приближения деформативности такой биотехнической системы к деформационным параметрам целой неповрежденной кости.
Бесплатно
Статья научная
Исследуется процесс объемной стерилизации с помощью гамма-облучения композиционного ячеистого материала, активно используемого для замещения костных дефектов в медицине. Целью настоящего исследования является обоснование необходимых доз гамма-облучения при стерилизации высокопористого углеродного материала «Углекон-МЯ» без снижения его механических характеристик. Описывается методика объемной стерилизации исследуемого материала и проверки его на микробиологическую стерильность. Приводятся результаты механических испытаний образцов до и после гамма-облучения. Даются рекомендации по выбору доз ионизирующего излучения, обеспечивающие микробицидный эффект без снижения прочностных свойств при сжатии исследуемого материала.
Бесплатно
Биомеханические и электромиографические исследования ходьбы у лиц с установочным поведением
Статья научная
При обследовании 503 больных с целью выявления степени двигательных нарушений авторами была выявлена группа пациентов с установочным поведением. Выяснение особенностей ходьбы у таких лиц является сложной задачей по нескольким причинам. Прежде всего, имеется явное расхождение клинического диагноза и походки больных во время исследования. На основании инструментальных исследований авторы выявили, что у лиц с установочным поведением формируется уникальный тип походки, который, с одной стороны, не характерен ни для одного заболевания, а с другой стороны, вне зависимости от возраста и диагноза свойственен только пациентам с таким поведением. Для данного типа походки характерны следующие особенности: 1) резкое, неантропоморфное уменьшение длины двойного шага; 2) менее резкое снижение темпа передвижения; 3) несоответствие длины шага темпу передвижения при определенной скорости ходьбы; 4) значительное снижение амплитуды движений во всех суставах нижних конечностей; 5) неадекватная форма вертикальной составляющей опорной реакции и крайне низкая амплитуда продольной составляющей; 6) снижение, вплоть до нивелирования, максимумов электрической активности мышц наряду с увеличением минимальной (фоновой) активности. Полученные данные представляют интерес прежде всего с практической точки зрения, так как врачам-экспертам необходимы объективные инструментальные доказательства установочного поведения. Вероятной причиной различий ходьбы настоящих больных и лиц с установочным поведением является изменение соотношения темпа и длины шага при одной и той же скорости передвижения, что является еще одним доказательством ранее выявленной закономерности: ходьба в разном темпе и ходьба с разной длиной шага представляют собой две самостоятельные задачи. Возможность независимой фиксации темпа и длины шага и их различное влияние на параметры ходьбы свидетельствуют о том, что существуют отдельные механизмы для управления обеими переменными.
Бесплатно
Статья научная
В востановительном периоде инсульта пациент приобретает такой вид стереотипа ходьбы, который связан с работой сохранных двигательных единиц. При попытках пациента восстановить двигательную активность организм мобилизирует оставшиеся возможности, минимизирует энергетические затраты и изменяет естественные алгоритмы движений. Упрощение алгоритмов ходьбы связано в основном с тем, что минимизируется разновидность движений и количество вовлекаемых мышц в ходьбу. Так, нормальный стереотип ходьбы, связанный с работой голеностопного, коленного и тазобедренного суставов, сменяется патологическим, который характеризуется работой в основном только тазобедренного сустава. Работа тазобедренного сустава меняется с ротации вокруг оси, перпедикулярной сагиттальной плоскости, на вращение вокруг оси, которая направлена под углом к аксиальной плоскости. Авторы предполагают, что это связано с включением в процесс ходьбы мышц туловища, что обусловлено с большими амплитудами перемещения его центра масс. В статье рассмотрено изменение перераспределения реакций опор между здоровой и пораженной конечностью после инмульта. Изучение биомеханических принципов, влияющих на развитие патологического стереотипа ходьбы, благодаря которым можно понять, как можно повлиять на более быстрое восстановление правильного стереотипа, а также выбрать индивидуальные методики физической реабилитации и ортезирования, позволяющие привести патологический стереотип к норме.
Бесплатно
Биомеханические механизмы действия низкочастотных акустических колебаний на человека
Статья научная
Цель работы обосновать механизмы действия низкочастотных акустических колебаний на человека, обусловленных механическим взаимодействием акустических колебаний с анатомическими структурами тела. Одной из современных особенностей производственного шума является доминирование в шумовом спектре низкочастотного шума и инфразвука высокой интенсивности. Для характеристики этих диапазонов в научной литературе используется термин «низкочастотные акустические колебания», что обусловлено близкими физическими свойствами и биологическим действием на организм человека и животных. Доказано, что инфразвук оказывает неблагоприятное действие на многие органы (дыхание, слух, зрение и др.) и системы человека (центральная и вегетативная нервная и др.) и приводит к развитию заболеваний, в том числе профессиональных (нейросенсорная тугоухость, вестибулопатия, вегетативные нарушения). На основании этого инфразвук включен в перечень вредных производственных факторов. Ряд биологических эффектов формируется за счет прямого механического взаимодействия акустических колебаний с анатомическими структурами тела человека. Длина акустической волны и ее интенсивность являются определяющими параметрами при формировании ответной реакции в организме человека. Взаимодействие низкочастотных акустических колебаний с анатомическими структурами тела необходимо рассматривать как взаимодействие двух механических систем, что приводит к развитию различных физических эффектов в тканях и органах (дифракция, резонанс, упругие волны, кавитация и др.). Последние лежат в основе прямого действия акустических колебаний и приводят к анатомическим повреждениям тканей, конформационным нарушениям клеточных структур и макромолекул, активации рецепторов (механо-, проприо-, вестибулорецепторов и др.). Биомеханическое действие низкочастотных акустических колебаний должно учитываться при нормировании низких частот звукового диапазона и определении способов и средств защиты от низкочастотных акустических колебаний не только органа слуха и головы, но и внутренних органов.
Бесплатно
