Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Применение искусственных нейронных сетей для анализа патологий в кровеносных сосудах
Статья научная
Целью работы является исследование возможности применения искусственных нейронных сетей для выявления и характеристик патологий в кровеносных сосудах. Исследования проводились для анализа результатов ультразвуковой допплерографии артерий нижних конечностей и для нахождения положения и характеристик атеросклеротических бляшек в продольном срезе сонной артерии. В результате исследования были спроектированы модели нейронных сетей, способные решать поставленные задачи с погрешностью не более 9%.
Бесплатно
Статья научная
Кровеносная и лимфатическая системы доставляют питательные вещества к органам и тканям тела человека или животных и удаляют от них продукты метаболизма. Обмен жидкости, содержащей питательные вещества или продукты обмена, происходит на уровне микроциркуляции и состоит из нескольких взаимосвязанных процессов. Моделирование микроциркуляции помогает определить причины возникновения различных заболеваний и предложить пути их лечения. В данной работе результаты, полученные с помощью математической модели микроциркуляции, сравниваются с экспериментальными данными.
Бесплатно
Статья научная
Проблема смертности детей с врожденным пороком сердца актуальна как в России, так и во всем мире. Одним из хирургических методов лечения врожденных патологий сердца является шунтирование с помощью установки модифицированного шунта Blalock - Taussig . Данную операцию применяют у новорожденных и грудных детей при врожденных пороках сердца для увеличения легочного кровотока. Это позволит увеличить содержание кислорода в крови, привести его в норму и обеспечить равномерность развития правого и левого легкого. Для повышения эффективности принятия решений в хирургической практике могут быть использованы результаты персонализированной модели кровотока. В данной статье представлена концептуальная 0 D -схема системного кровотока, в которой участки аорты и легочной артерии заменены 3 D -моделью. Разработана математическая 0 D -постановка задачи моделирования системного кровообращения, которая содержит 13 дифференциальных уравнений и несколько десятков алгебраических соотношений. Параметры модели в первом приближении получены на основе реальных данных обследований и анализа литературных источников. Выполнена численная реализация для решения соотношений модели с использованием методов Рунге-Кутты 4-го порядка точности. Результаты моделирования позволяют определять параметры давления и кровотока в зависимости от времени в любом участке расчетной схемы, а также поток крови, проходящий через шунт в зависимости от его сопротивления. Возможные пути дальнейшего развития модели заключаются в разработке итерационного алгоритма сопряжения 0 D - и 3 D -моделей, разработке алгоритма идентификации параметров модели на основе данных индивидуальных замеров, описании процессов кислородного обмена, формулировке критериев на основе полученных гемодинамических характеристик для принятия решений в хирургической практике.
Бесплатно
Применение материалов с эффектом памяти формы при лечении заболеваний зубочелюстной системы
Статья научная
Фиксаторы, изготовленные из сплава с памятью формы, применяются в челюстно-лицевой хирургии для остеосинтеза переломов нижней челюсти. Однако при установке фиксатора необходимо учесть влияние усилий, создаваемых имплантатом при контакте с костной тканью. Чрезмерные напряжения в области контакта могут привести к некрозу ткани. В работе исследуется напряженно- деформированное состояние костной ткани при взаимодействии с ножкой имплантата из сплава с памятью формы. Анализ выполняется с применением метода конечных элементов. Также в работе определена зависимость между силой, которую прикладывают к фиксатору из никелида титана во время операции, и усилием, создаваемым им в костной ткани в результате фазовых превращений.
Бесплатно
Применение металлополимерных фиксирующих систем для интрамедуллярного остеосинтеза
Статья научная
Приведено обоснование, возможности применения и особенности конструкций металлополимерных фиксаторов для интрамедуллярного остеосинтеза длинных костей. Фиксаторы позволяют осуществлять статический, динамический и детензионный варианты блокирующего остеосинтеза. Приведены примеры результатов лечения с помощью металлополимерных интрамедуллярных фиксаторов.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются возможности применения метода деревьев классификации в прогнозировании показателя двигательного развития у больных детским церебральным параличом (ДЦП). Построены диаграммы, отражающие иерархические взаимосвязи и закономерности, существующие в системе медико- биологических параметров, описывающих различные аспекты состояния больного с нарушениями двигательных функций. Определено множество параметров, оказывающих наиболее значимое влияние на развитие двигательных навыков у больных ДЦП. Получены диапазоны изменения параметров, соответствующие наиболее высокому уровню развития моторики больных с двигательными нарушениями. Проведено сравнение полученных закономерностей с результатами медицинских исследований. При расчетах использовался пакет программ SPSS.
Бесплатно
Статья научная
Хирургическое лечение переломов проксимального отдела бедренной кости представляет собой проблему, обусловленную отсутствием единой тактики лечения. Особую важность приобретает анализ процессов, происходящих в костной ткани в ходе заживления переломов в динамических условиях, особенно анализ механических напряжений. Метод конечных элементов - эффективный метод математического моделирования сложных объектов и описания напряженно-деформированных состояний этих объектов. С целью улучшения результатов лечения переломов проксимального отдела бедренной кости и костей таза было проведено математическое моделировани с применением метода конечных элементов чрезвертельного перелома бедренной кости в условиях фиксации динамическим штифтом и перелома таза в различных условиях его погружной фиксации. Параметры расчетов основаны на данных литературы и оптимальном соотношении заданной точности результата и времени расчета системы «кость -имплантат» пакетом программ. Модели были построены с учетом различных свойств кортикальной и губчатой костей, а также металлофиксатора. К моделям прикладывалась виртуальная нагрузка веса тела человека 80 кг. Произведена оценка смещений системы «кость - имплантат» и напряжений по Мизесу. Таким образом, результаты математического моделирования с использованием метода конечных элементов позволяют прогнозировать перемещение костных фрагментов сломанного сегмента скелета, правильно выбрать метод остеосинтеза отломков и оценить последствия этого остеосинтеза. Применение методов математического моделирования расширяет возможности научно обоснованного и персонифицированного подхода к хирургическому лечению заболеваний опорно-двигательного аппарата.
Бесплатно
Применение методики определения давления в запястном канале: сравнение двух случаев
Статья научная
Синдром запястного канала или карпальный туннельный синдром (КТС) - заболевание периферической нервной системы, связанное с пережатием срединного нерва окружающими тканями в области запястного канала кисти человека. КТС часто может наблюдаться на фоне ряда других заболеваний. Однако оказанное давление на срединный нерв в любом случае является первичной причиной неврологических осложнений. При этом не существует методик, позволяющих неинвазивно измерить давление внутри запястного канала, а инвазивная технология является спорной, травмирующей и не рекомендуется в медицинской практике. Также известно, что КТС может возникать не только фоне других болезней, а в связи с длительными механическими нагрузками на кисть. При этом экспериментальное измерение давления внутри запястного канала при таких нагрузках затруднительно. В данной статье рассматривается разработка и применение методики определения давления в запястном канале на основе биомеханического моделирования. Методика состоит из нескольких связанных между собой этапов (компьютерная томография, сегментация, захват движения, создание расчетной модели и модерирование различных движений кисти). В основу разработки методики был положен принцип персонализации. Показано применение данной методики для двух пациентов. Внутризапястное давление одного пациента, полученное на основании расчетов, оказалось почти в три раза выше, чем у другого, однако значения, полученные обеими моделями, находятся в допустимом диапазоне и соответствуют экспериментальным данным.
Бесплатно
Статья научная
Успех применения металлических материалов в ортопедии и травматологии во многом зависит от характера взаимодействия имплантата с живой костной тканью организма. На основе литературных данных определено, что шероховатая поверхность медицинских имплантатов оказывает благоприятное влияние на остеоинтеграционные процессы. Наилучшие результаты отмечаются для поверхностей с регламентированной пористостью. Но шероховатость и пористость поверхности отрицательно влияют на усталостную прочность при циклических нагрузках. Исследования разрушенных имплантатов, предоставленных практикующими травматологами-ортопедами, показали, что во всех случаях разрушения носят усталостный характер. Неровности на поверхности имплантатов играют роль концентраторов напряжений и стимулируют образование усталостных трещин. Следовательно, для устранения противоречий между требованиями остеоинтеграции и усталостной прочностью необходимо получить оптимальную структуру поверхности. Методом математического моделирования проведена оценка концентрации напряжений для различных форм шероховатости поверхности и определена структура поверхности титановых имплантатов, наименее предрасположенная к зарождению усталостных трещин. В результате предложен метод получения такой поверхности, заключающийся в вакуумном диффузионном спекании порошков с гладкой поверхностью основания имплантата. Подробно рассмотрено влияние температуры и времени спекания на получение пористой поверхности. Более того, экспериментально получены данные о положительном влиянии водорода, содержащегося в порошке, на процесс спекания. Исходя из литературных данных о прочности соединения имплантата с костной тканью, в работе проведен расчет необходимой относительной площади, занятой перешейками между частицами порошка и основанием имплантата. Выявлены температурно-временные режимы, способствующие формированию регламентированной структуры поверхности.
Бесплатно
Статья научная
Разработан пакет прикладных программ, позволяющий решать следующие задачи биомеханики: вычисление времени отмывания биогенным поверхностно-активным веществом (биосурфактантом) загрязненной нефтью почвы, находящейся в накопительном резервуаре, вычисление коэффициента сопротивления при фильтрации биосурфактанта в почве, загрязненной солями тяжелых металлов, прогнозирование эффективности биологической очистки (биоремедиации) почвы. Описываются основные блоки, составляющие пакет прикладных программ, а также кратко формулируются биомеханические и математические модели, на основе которых производятся расчеты в данном пакете.
Бесплатно
Статья научная
Операция по замещению передней крестообразной связки при её повреждениях на сегодняшний день является одной из самых частых в спортивной травматологии. Существует немало оперативных методов её выполнения, но одним из самых частых вопросов является выбор трансплантата для её замещения. Учитывая, что трансплантат должен выдерживать нагрузки, сравнимые с интактной связкой, необходимо выбрать наиболее подходящую для этих целей ткань человека. В данной статье рассматриваются биомеханические характеристики сухожилия длинной малоберцовой мышцы в качестве трансплантата для передней крестообразной связки. Полученные результаты позволили оценить механические свойства полученного из сухожилия длинной малоберцовой мышцы трансплантата, сопоставить полученные данные с имеющимися в литературе данными, описывающими механические свойства применяемых трансплантатов, и показать, что выбранный авторами для оценки в настоящем исследовании трансплантат не уступает по своим свойствам уже применяемым. Наличие корреляционной взаимосвязи между диаметром трансплантата и полом пациентов дает возможность предположить, что дальнейший подробный статистический анализ позволит определить возможность точного прогноза диаметра трансплантата для качественного предоперационного планирования.
Бесплатно
Применение фазового пространства для анализа мышечной активности при беге
Статья научная
Метод фазового пространства является методом исследования различных, в том числе биологических, систем. Целью работы является анализ мышечной активности квалифицированных бегунов на средние дистанции посредством построения фазовых траекторий следующих мышц: m. rectus femoris, m. biceps femoris, m. gastrocnemius в координатах «относительная длина - скорость сокращения мышцы», а также регистрации электрической активности мышц и кинематических характеристик движений при беге со скоростью 6,7 м/с. Обнаружено, что на протяжении цикла движения m. rectus femoris активна в течение двух периодов, первый из которых наступает перед началом фазы опоры, а второй соответствует фазе переноса. В обоих периодах мышца работает в эксцентрическом режиме. Средняя амплитуда электромиограммы, косвенно характеризующая развиваемое мышцей усилие, в первом периоде выше, чем во втором. M. biceps femoris также активна в течение двух периодов, первый из которых соответствует окончанию фазы переноса ноги, а второй начинается с постановки ноги на опору. Бóльшую часть первого периода мышца работает в эксцентрическом режиме, а во втором - в концентрическом. Средняя амплитуда электромиограммы в первом периоде значительно выше, чем во втором, что свидетельствует о его значении в структуре движения. M. gastrocnemius активна на протяжении одного периода, который начинается при опускании ноги перед ее постановкой на опору. Примерно половину периода мышца работает в эксцентрическом режиме, вторую половину - в концентрическом, что создает благоприятные условия для рекуперации энергии упругой деформации. Поскольку кроме условий и режимов работы мышц фазовые траектории позволяют оценить активность двигательного анализатора, это открывает возможность для сравнения величины и структуры сенсорного притока от работающих мышц при выполнении соревновательного и специальных упражнений и тем самым создает предпосылки для их оптимального выбора.
Бесплатно
Применение цифровых технологий при биомеханическом моделировании ортодонтического перемещения зубов
Статья научная
Зубочелюстные аномалии (неправильный прикус, кривостоящие зубы и пр.) являются распространенной проблемой. Ввиду их наличия возможны нарушения эстетики лица, кровоснабжения мозга, дыхания, осанки, мимики, произношения слов, пищеварения и пр. Исправление зубочелюстных аномалий заключается в перемещении зубов в новое положение, соответствующее физиологической норме, под действием ортодонтической нагрузки (брекет-система, эластопозиционер и пр.). Важным вопросом при ортодонтическом лечении является определение такой нагрузки (величина, направление, место приложения). Данная работа продолжает серию публикаций авторов, посвященных решению этого вопроса. Ранее было введено и определено понятие «центр сопротивления зуба», с помощью которого можно исследовать начальное движение зуба в рамках костной лунки. В соответствии с введенными условиями существования данной точки выяснилось, что «центр сопротивления зуба» существует не всегда. Поэтому авторами предложено новое понятие «область сопротивления зуба», определяемое наборами прямых поступательного воздействия и осей поворота парой. В работе исследованы условия существования этих прямых, взаимное расположение и на основе этого продемонстрирована классификация видов области сопротивления зуба.
Бесплатно
Принципы формирования аналога желудка из петли тонкой кишки после гастрэктомии
Статья научная
При формировании образования, аналогичного желудку, после гастрэктомии необходимо удовлетворять таким противоречащим требованиям, как высокая надежность исполнения и полноценная реабилитация больных. Предполагается, что такого сочетания требований можно добиться, если в ходе операции воссоздаются существенные геометрические параметры как желудка, так и двух переходных зон: пищеводно-желудочной и желудочно-двенадцатиперстной. Как показали предварительные результаты клинических испытаний, при проведении операций по предлагаемой методике вновь создаваемое образование в значительной степени восстанавливает резервуарную и моторно-эвакуаторную функции желудка. Ставится вопрос о создании компьютерной биомеханической модели транспортировки пищи по рассматриваемому участку желудочно-кишечного тракта с целью определения существенности тех или иных геометрических параметров восстанавливаемых структур, сокращения числа клинических испытаний и прогноза последствий операции.
Бесплатно
Статья научная
Грунтовые воды - жизненно важный природный ресурс для бытового использования, в том числе и для питья, а также в сельском хозяйстве и промышленном секторе. Качество и количество грунтовых вод сильно меняется с течением времени и зависит от географической локации. Индекс качества воды зависит от множества параметров и остается главным индикатором качества воды, приводящим к эффективному управлению водными ресурсами. Автоматизированная система для прогнозирования качества воды позволила бы улучшить жизнь населения с точки зрения государственного управления. Основной целью исследования является разработка модели для прогнозирования качества воды в разных районах штата Тамилнад в Индии с помощью методов машинного обучения (МО). Базовые данные включают в себя физические и химические показатели грунтовых вод, такие как pH, электропроводность, жесткость воды, содержание Ca2+, Mg2+, Na+, HCO -, NO -, SO 2- и 3 3 4 Cl- наряду с их пригодностью для орошения и питьевых целей. В этом исследовании проведено сравнение нескольких алгоритмов машинного обучения. Результаты этого исследования могут быть усилены путем сравнения производительности различных моделей с учетом множества входных гидрохимических параметров.
Бесплатно
Прогнозирование повреждений в мягких тканях стопы человека при действии экстремальных нагрузок
Статья научная
В работе рассматриваются методика прогнозирования накопления повреждений в мягких тканях стопы спортсмена при приземлении на жесткую поверхность. Гимнаст, в том числе его стопа, моделируется многозвенной стержневой системой с учетом упругих межзвенных связей. Задача динамики движения позволяет найти внешние и внутренние усилия. По найденным нагрузкам, действующим на стопу, определяются напряжения в составляющих ее элементах и исследуется повреждаемость биоструктуры связок и сухожилий.
Бесплатно
Статья научная
Объектом исследования являются эндопротезы головки бедренной кости из углерод-углеродного композиционного материала на основе ткани «Урал ТМ/4-22», разработанные и изготовляемые в Институте термохимии Уральского научно-исследовательского института композиционных материалов. В пакете ANSYS 5.5 моделируется напряженно-деформированное состояние эндопротеза при статических испытаниях, проводимых в соответствии со стандартом ISO 7206-5 и прогнозируется предельная нагрузка в этих испытаниях для эндопротезов различных размеров. Исследовано влияние условий нагружения и закрепления эндопротеза на напряженно-деформированное состояние и статическую прочность конструкции в испытаниях. Обоснована упрощенная методика расчета предельной нагрузки в испытаниях.
Бесплатно
Статья научная
Целью исследования является прогнозирование изменения тонуса крыловидных мышц при различных видах сагиттальных и трансверсальных аномалий окклюзии, ассоциированных с дисфункцией височно-нижнечелюстного сустава. Проведен механический анализ деформаций упрощенного каркаса жевательных мышц челюстно-лицевой области, фиксированного на 3D-модели «эталонного» черепа. На первом этапе деформации имитировали дистальную, мезиальную окклюзию и латеропозицию нижней челюсти. Выявлено, что при дистальной окклюзии зубных рядов наблюдается общее снижение тонуса жевательных мышц за исключением задних пучков височной мышцы. При мезиальной окклюзии - тенденция к снижению тонуса собственно жевательной мышцы, задних пучков височной и медиальной крыловидной мышцы, тенденция к повышению тонуса - у латеральной крыловидной мышцы. Трансверсальные аномалии окклюзии имеют сложную картину изменения тонуса: на стороне смещения нижней челюсти отмечается повышенный тонус собственно жевательной и медиальной крыловидной мышц, гипотонический тренд отмечен у задних пучков височной мышцы. На втором этапе проведено изменение упрощенного каркаса жевательной мускулатуры согласно степени асимметрии функциональной активности собственно жевательной мышцы и определено прогнозируемое изменение тонуса крыловидных мышц. Выявлено, что при дисфункции височно-нижнечелюстного сустава вне зависимости от ведущей аномалии окклюзии на стороне нарушения функции сустава определяется гипотоническое состояние крыловидных мышц, в большей степени в 2,0-3,5 раза более выраженное у латеральной крыловидной мышцы по сравнению с медиальной. На противоположной стороне - увеличение тонуса крыловидных мышц, причем тонус латеральной крыловидной мышцы увеличен в среднем в 3,5-6,0 раз по сравнению с медиальной.
Бесплатно
Прочность и долговечность временных несъемных зубных протезов
Статья научная
Целью исследования является сравнение прочности и долговечности временных конструкций, изготовленных из материала «Синма М» («Стома», Украина) двумя различными способами: по традиционной технологии (методом «силиконового ключа») и методом компьютерного фрезерования ( CAD / CAM -технология) из блоков, полученных в лабораторных условиях. Особую актуальность вопросы прочности и долговечности приобрели в последнее время, так как многими врачами-ортопедами временные конструкции стали рассматриваться как лечебные, а желательный срок их надежного функционирования, особенно при использовании дентальных имплантатов, увеличился по меньшей мере до полугода. Следовательно, существенно повысились требования к прочности протезов. Более того, появилась необходимость надежной оценки их долговечности. Все эти вопросы обсуждаются в статье. Например, предложена методика оценки долговечности, в основе которой лежат испытания мостовидных протезов на статическую и усталостную прочность при изгибе, а также определение нагрузок на резцах и молярах при пережевывании пищи различной твердости из предполагаемого рациона питания. В результате проведенных исследований показано, что в отличие от конструкций, изготовленных из керамических блоков промышленного производства, лабораторный способ получения блоков для фрезерования не гарантирует высокую прочность изготовленных из них изделий. В данном случае она оказалась примерно в два раза ниже, чем у конструкций, изготовленных из того же материала традиционным способом.
Бесплатно
Прыжки с шестом: сравнение двух динамических конечно-элементных моделей
Статья научная
Моделирование динамического поведения шеста является трудной задачей. Однако ее решение позволит улучшить конструкцию шеста и адаптировать его наилучшим образом для конкретного спортсмена. Целью работы является сравнение двух динамических моделей с использованием метода конечных элементов, а также реальных локальных характеристик современного шеста. В первом случае моделирование производится при наложении системы сил на верхний конец шеста. Во втором случае задается перемещение в самом верхнем узле конечно-элементной модели. Необходимые экспериментальные данные получены в условиях соревнований [9]. Анализ результатов позволяет выявить ограниченность первой модели и преимущества второй. Сравнение смоделированных и измеренных усилий в упоре верифицированы во второй модели, где задаются перемещения (модель с заданными перемещениями). Также в работе проведено исследование переноса энергии от спортсмена-шестовика к снаряду и наоборот в различных фазах прыжка.
Бесплатно
