Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
Биологические напряжения в живых тканях. Вопросы моделирования и управления
Статья научная
Авторы данной работы выдвигают тезис о единообразности математического описания температурных, остаточных и ростовых напряжений, имеющих место в различных процессах в живой ткани. Обоснованием такого предположения служит формализация в виде общей математической модели. Модель предполагает существование упругих деформаций, а также неупругих: ростовых, температурных и других деформаций. Предлагаются две постановки задачи: в перемещениях и в напряжениях. В работе проведен теоретический анализ постановки задачи определения напряженно-деформированного состояния, позволивший выделить ряд основных свойств решения поставленной задачи, в частности, единственность классического и обобщенного решений. К основным результатам данной работы следует отнести формулировки и доказательства теорем. В первой теореме определяются необходимые и достаточные условия создания в теле заранее заданных биологических напряжений, причем результат не требует решения самой задачи об определении напряжений в теле. Второй важный результат позволил связать неупругие (ростовые) деформации, не создающие напряжений в теле, и силы. Оказалось, что в самой общей постановке и в дифференциальной в частности такие деформации равны некоторым силовым деформациям, созданным распределением объемных и поверхностных сил. Этот результат позволяет говорить о совместности деформации в задачах, где нет достаточного уровня производных.
Бесплатно
Статья научная
На сегодняшний день основной причиной смертности в мире остаются заболевания сердечно-сосудистой системы. При этом сочетанная патология артерий шеи и головы, при которой атеросклерозом поражены сонные артерии, а также наблюдается изменение кровотока в позвоночных артериях или в виллизиевом круге (ВК) в силу аплазии соединительной артерии, существенно повышает риск образования аневризм и их последующего разрыва. Оценка степени риска возникновения осложнений при таком типе патологического состояния может позволить врачу своевременно приступить к профилактическим мерам в конкретных клинических случаях. В работе представлены результаты моделирования различных вариантов сочетанных патологий в артериях шеи и головы. Рассматриваемый сегмент включает участки общих сонных, наружных и внутренних сонных артерий (ВСА), а также сосуды виллизиева круга и базилярную артерию. Основной идеей исследования было создание прогнозной модели, позволяющей оценить риски развития аневризм в виллизиевом круге и отрыва атеросклеротических бляшек в сонных артериях. Такая система может быть полезна врачам в рутинной практике при планировании тактики лечения у пациентов с сочетанными патологиями артериального русла. На основе анализа литературы выявлен ряд патологий артериальной системы шеи и головы, наиболее часто встречающихся в различных комбинациях: с точки зрения геометрических особенностей рассматривались стенозы ВСА 30 и 70 % и аплазия (отсутствие) одной из соединительных артерий. Кроме того, учитывается характер кровотока в базилярной артерии, который при синдроме позвоночно-подключичного обкрадывания может менять направление. На основе анализа массовых кровотоков и касательных напряжений выделяли две степени риска образования аневризм. Высокий риск соответствует случаям, для которых обе этих величины статистически значимо отличались от нормы. Средний риск соответствует случаям, для которых статистически значимо от нормы отличалась только одна из величин. Для моделей, содержащих атеросклеротические бляшки, были сведены в таблицы данные о касательных и нормальных напряжениях на поверхностях атеросклеротических бляшек. На основе анализа выборок для каждого случая был определен риск отрыва бляшки с каждой стороны, выявлено 11 сочетаний патологических состояний с повышенным риском.
Бесплатно
Биомеханика взаимоотношений внутричерепного давления и периферического артериального давления
Статья научная
В данной статье рассматриваются вопросы биомеханики внутричерепных процессов с учетом физиологии кровообращения головного мозга и роли цереброспинальной жидкости (ликвора), в частности, механизм формирования внутричерепного давления и его соотношения с давлением артериальным - центральным и периферическим. Неинвазивные исследования с помощью программно-аппаратного комплекса "Микромоторика" позволили кратко описать полученные сведения и представить их в виде формул и диаграмм.
Бесплатно
Биомеханика вскармливания детей раннего возраста
Статья научная
Приводится литературный обзор и анализируется современное состояние проблемы вскармливания детей раннего возраста. Описывается влияние акта сосания на формирование челюстно-лицевой области. Выявляется зависимость функции сосания от вида вскармливания. Рассмотренные литературные данные свидетельствуют о том, что процесс искусственного вскармливания лишает ребенка такого уникального продукта, как материнское молоко, которое в оптимальных количествах содержит необходимые для его роста и развития биологические и химические продукты. Помимо этого, наряду с широким спектром иммунологической защиты, кормление ребенка грудью - это не только процесс пищевого обеспечения, это телесный психофизический контакт, это «материализованная нежность матери», сохраняющаяся в течение всей жизни. Чрезвычайно важно также отметить, что искусственное вскармливание дает недостаточную нагрузку на костно-мышечный аппарат зубочелюстной системы у детей раннего возраста, что способствует развитию различных зубочелюстных аномалий.
Бесплатно
Статья научная
Цель статьи состоит в выяснении биомеханических особенностей функционирования симметричных органов человека – правой и левой рук. Устанавливается основная причина отклонений от симметрии – различное артериальное давление в артериях, обеспечивающих кровью руки. Рассматриваются биомеханические возможности появления особенностей развития типа левши, когда у человека левая рука оказывается сильнее и ловчее правой, в отличие от остальных людей. Такой вариант вполне возможен, если поток крови через левую подключичную артерию при меньшем артериальном давлении на её входе по сравнению с артериальным давлением на входе в правую руку будет больше, чем в правой руке. Описываются экспериментальные результаты, подтверждающие выводы работы. Делаются медицинские рекомендации по выполнению одной из основных клинических процедур – измерению артериального давления.
Бесплатно
Биомеханика мозга: мониторинг биомеханических свойств краниоспинальной системы человека
Статья научная
Существующие способы оценки биомеханических свойств краниоспинальной системы человека сводятся к исследованию динамики изменения внутричерепного давления при дозированном увеличении внутричерепного объема посредством введения внутрь черепного пространства определенного объема жидкости. Эти исследования дискретные, травматичные. Посредством ретроспективного анализа 1732 исследований биомеханических свойств краниоспинальной системы (комплайнс, давление-объем-соотношение, упругость мозга) в период 1988-2014 годы в разных нейрохирургических клиниках с целью установления диагноза или уточнения тактики хирургического лечения установлена взаимосвязь между амплитудой колебания внутричерепного давления на частоте пульса, внутричерепного давления и комплайнсом краниоспинальной системы. При однократном проведении классического теста с введением болюса небольшого объема жидкости определяется изменение внутричерепного объема во время пульсовой волны по известной формуле А. Маrmаrои (1976), численно оцениваются показатели биомеханических свойств краниоспинальной системы. Допускается, что между двумя пульсовыми волнами (в секундном диапазоне) эти показатели существенно не меняются, т.е. фактически речь идет о мониторинге биомеханических свойств краниоспинальной системы. Предложена математическая модель, формализирующая взаимосвязь между биомеханическими свойствами краниоспинальной системы и динамикой колебания внутричерепного давления на частоте пульса. Сопоставление результатов оценки основных биомеханических показателей по классической методике и предложенным способом позволило установить их высокую корреляцию. На основании этого предложен алгоритм, который может быть использован для создания оригинального монитора биомеханических свойств краниоспинальной системы и внутричерепного давления.
Бесплатно
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
