Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 898
Оптимизация переноса груза при помощи колебательной системы
Статья научная
Целью работы является определение требований, предъявляемых к системе подвеса рюкзака, которая значительно бы облегчила перенос груза человеком. На основе исследований других авторов выявлено, что задача минимизации энергии, затрачиваемой на перенос груза, может быть решена при помощи снижения амплитуды колебаний рюкзака при ходьбе человека. Следовательно, идеальной характеристикой системы подвеса груза является такая зависимость результирующей силы, действующей на рюкзак при его перемещении, при которой рюкзак «зависает» на одном уровне над землей. В работе показано, что при учете возможности генерации электрической энергии при относительном движении груза вдоль спины человека форма зависимости такой силы от вертикальных колебаний центра масс человека будет являться эллипсоидной. Близкую к данной идеальной характеристике можно воспроизвести при помощи колебательной системы, состоящей из четырех пружин, каждая из которых действует на контейнер рюкзака в заданный промежуток времени. Четырехпружинный подвес позволяет уменьшить амплитуду колебаний рюкзака над поверхностью земли до 0,02 мм, то есть свести энергетические затраты на перенос груза практически до нуля. Практическая реализация такой системы остается весьма сложной задачей: используемые пружины должны обладать ярко выраженной нелинейной характеристикой, то есть иметь жесткую характеристику, чтобы удерживать весьма массивный груз на весу, но при этом быть мягкими, чтобы груз мог колебаться в своём относительном движении вдоль спины человека, также необходимо разработать механизм, в нужный момент включающий ту или иную пружину. В дальнейших исследованиях поставлена задача определения условий работы системы подвеса при изменениях скорости движения и походки пользователя.
Бесплатно
Оптимизация роста ткани, культивируемой в биореакторе
Статья научная
Данная статья рассматривает оптимизацию процесса развития основанной на биореакторе линии для производства соединительной ткани. Для производства терапевтических веществ (например, факторов роста) и диагностических веществ (например, антител), содержащих суспенционные культуры, были созданы сложный биореактор и некоторые ноу-хау. Но биореакторные сосуды для создания тканей неподвижных культур млекопитающих до сих пор широко не использовались. Целью данной работы является применение существующего опыта в области биореакторных технологий к описанию нового метода, что позволит производить искусственные ткани, удовлетворяющие существующим требованиям не только качественно, но и количественно. Научная часть представленной статьи должна способствовать развитию отмеченного выше процесса посредством предоставления данных о характеристиках течения в средах культивирования с использованием компьютерной оптимизации. В перфузионной неподвижной биореакторной системе генерация соединительной ткани будет сильно зависеть от оптимизированого снабжения питанием и кислородом, а также удаления метаболитов. Клетки ткани растут на клеточном каркасе в биореакторе и перфузируются питательной жидкостью и другими биологически допустимыми средами с несущими кислород фторуглеводородами.
Бесплатно
Оптимизация слаломной траектории на криволинейном склоне
Статья научная
Рассматривается задача оптимизации слаломной траектории при спуске горнолыжника по модельной трассе на криволинейном склоне. Из сопоставления экспериментальных и расчетных данных найдены гидродинамические силы и силы сопротивления движения лыж при их врезании в снег на поворотах. Построена кусочно-полиномиальная траектория с двумя варьируемыми параметрами. Найдены значения угла входа в поворот и радиуса кривизны траектории при обходе шеста, минимизирующие время спуска при заданном периоде траектории. Исследовано влияние на оптимальное значение параметров траектории отклонения ворот от осевой линии наибольшего ската.
Бесплатно
Оптимизация слаломной траектории с учетом наклона лыжника
Статья научная
Рассматривается модель горнолыжника в виде материальной точки, жестко связанной с невесомым стержнем, длина которого равна расстоянию от центра масс системы лыжник-лыжи до лыж. При определении времени спуска по трассе специального слалома учтен наклон лыжника в сторону вогнутости траектории при обходе шеста. При заданных значениях аэродинамического коэффициента сопротивления и коэффициента трения скольжения найдена оптимальная траектория лыж, минимизирующая время спуска по трассе специального слалома.
Бесплатно
Оптимизация техники толкания ядра
Статья научная
Цель данной работы состоит в изучении техники толкания ядра и в поиске некоторых путей, способствующих победе на соревнованиях в большом спорте. Основная идея метода исследований заключается в расчете оптимальных значений характеристик, описывающих толкание ядра. Сравнивая оптимальные значения с измеренными [1], можно увидеть, насколько близок толчок к оптимальному. Также можно утверждать, что толчок ногой должен происходить прямо вверх при максимальной жесткости, сопровождаемый вращением тела. Координация толчков рукой и ногой должна быть такой, чтобы они составляли так называемую кинетическую цепь. Это означает, что для поддержания непрерывности движения завершение толчка ногой должно происходить одновременно с началом толчка рукой. Изучение движения свободной руки привело к многообещающим результатам. Так, расчеты показали, что возможно достижение намного лучшей техники толчка по сравнению с той, что используется сейчас. Идея состоит в том, чтобы использовать кинетическую энергию свободной руки для ускорения ядра во время толчка рукой. Колебательные движения свободной руки обычно происходят так, что ее раскачивание заканчивается как раз перед началом толчка рукой. Новый вариант техники позволяет эффективно использовать кинетическую энергию свободной руки для ускорения ядра. В этом случае результат выступления значительно улучшается.
Бесплатно
Оптимизация траектории теннисного шарика
Статья научная
При игре в настольный теннис важную роль играет вращение шарика, которое создает подъемную силу (эффект Магнуса). Зависимость аэродинамических сил от скорости поступательного движения и угловой скорости вращения шара исследовалась ранее экспериментально [1,2]. В настоящей статье показано, что в настольном теннисе параметры движения шарика согласуются с диапазоном исследуемых параметров в [1,2], что позволило найти аэродинамические силы, действующие на теннисный шарик. Составлены дифференциальные уравнения движения центра масс теннисного шарика, которые решались численно методом пошагового интегрирования. Исследованы траектории движения шарика после его приема в ближней и дальней зонах при прямом центральном ударе по шару, а также приеме накатом (верхнее вращение). Найдены оптимальные способы приема шарика и оптимальные траектории, которые обеспечивают попадание шарика на сторону стола соперника с максимальной скоростью.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается спуск горнолыжника по варьируемым траекториям на модельных горнолыжных трассах, расположенных на плоских склонах. Определены оптимальные углы входа горнолыжника в поворот. Показано, что расчетные результаты мало отличаются от результатов, полученных при спуске горнолыжника по реальному криволинейному склону. Исследована зависимость оптимальных значений угла входа в поворот и радиуса кривизны траектории при обходе шеста от величины смещения ворот от осевой линии.
Бесплатно
Опухоль кости, физические упражнения и интегративная передача информации в кости: новая точка зрения
Статья научная
Предыдущие статьи авторов об интегративной передаче информации в кости были посвящены этому физиологическому процессу и также важны для понимания перестройки кости и для разработки одного из способов сохранения структуры в случае нарушения целостности кости. Рак - болезнь, связанная с генетической нестабильностью, это - патология клеточной передачи информации. Остеосаркома является одной из наиболее тяжелых форм рака. Существуют исследования (K. Kourneya, et al.) о возможности примененять физические упражнения в случаях заболеваний пациентов с онкогенетической патологией. Целью настоящей статьи является попытка исследовать, как гипотеза об интегративной передаче информации в кости может помочь в понимании этой проблемы.
Бесплатно
Организация прямого двигательного управления при наклонах корпуса человека
Статья научная
Исследуется организация двигательного управления при наклонах корпуса человека. Используется двухсуставная биомеханическая модель тела. Анализ проводится в терминах движения вдоль собственных векторов динамического уравнения («собственных», или «естественных», синергий). По доминирующему суставу в каждой из естественных синергий они названы Н- и А-синергиями (Н - Hip, тазобедренный, А - Ankle, голеностопный). Обсуждаются две точки зрения на организацию двигательного управления в живых системах: 1) теория равновесной точки, подразумевающая «статическое» управление, т.е. управление равновесным положением биомеханической системы; 2) теория внутренних нейронных моделей, подразумевающая «динамическое» управление, т.е. непосредственный контроль силами мышц, которые рассчитываются с учетом геометрических и инерционных характеристик системы путем решения обратной задачи динамики. Результаты исследования показывают, что при выполнении наклона корпуса в сагиттальной плоскости у человека наблюдаются оба типа организации двигательного управления. При этом управление по Н-синергии организовано по первому типу, а управление по А-синергии - по второму.
Бесплатно
Статья научная
Состояние кожных покровов нижних конечностей оценивали по показателю упругости, который определяли с помощью оригинального механического устройства в положении «лежа» и в позе «стоя». У больных с постинфарктным кардиосклерозом и сопутствующим облитерирующим артеросклерозом нижних конечностей (12 чел.) показатели упругости кожных покровов выше, чем у больных с постинфарктным кардиосклерозом без нарушения проходимости артерий конечностей (9) и у здоровых обследуемых контрольной группы (10). Особенностью реакции кожных покровов на переход в позу стоя при облитерирующем атеросклерозе является существенный прирост упругости кожных покровов бедра и отсутствие прироста на стопе, что обусловлено затруднением артериального притока к дистальным отделам конечностей.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается осесимметричная математическая модель динамики клеточной ткани. В первой части дается описание исходной модели, основные положения и постановка задачи в цилиндрических координатах. Во второй части итоговая система приводится к безразмерному виду, исследуется численно и приводятся результаты моделирования. Постулируется, что клеточная ткань есть трехфазная среда, которая состоит из твердого скелета (представляющего собой внеклеточный матрикс), клеток и внеклеточной жидкости. Дополнительно учитывается наличие питательных веществ в ткани. В основу модели положены уравнения сохранения массы с учетом обмена масс, уравнения сохранения импульса для каждой фазы, а также уравнение диффузии для питательных веществ. В уравнении, описывающем клеточную фазу, также учитывается слагаемое, описывающее химическое воздействие на ткань, которое называется хемотаксисом – движением клеток, вызванным градиентом концентрации химических веществ. Исходная система уравнений сводится к системе трех уравнений для нахождения пористости, насыщенности клеток и концентрации питательных веществ. Данные уравнения дополняются начальными и краевыми условиями. В области моделирования учитывается наличие сосуда определенного радиуса, который моделируется как источник питательных веществ, а также поток концентрации клеток на границе сосуда равен нулю. В начальный момент времени рассматриваются два типа условий: первое – условие постоянной концентрации клеточной фазы, второе – наличие очаговых областей повышенной концентрации клеточной фазы. В обоих случаях условия для матрикса и внеклеточной жидкости одинаковы. В результате моделирования выявлено, что хемотаксис оказывает значительное влияние на рост ткани. При отсутствии хемотаксиса зона уплотнения распространяется на всю область моделирования, но при увеличении влияния хемотаксиса на ткань образуется область деградации, в которой концентрация клеток становится ниже начальной.
Бесплатно
Основы геометрического моделирования несъемных временных зубных протезов-прототипов
Статья научная
Необходимость совершенствования конструкций зубных протезов для замещения включенных дефектов зубных рядов связана с индивидуальными особенностями строения костных тканей и персонифицированными геометрическими характеристиками конструкции протеза. Современное компьютерное проектирование позволяет создавать геометрические модели опорные зубы – протез – челюсть непосредственно по томограмме пациента. Моделирование процесса установки временных протезов необходимо для предварительного планирования протезирования и оценики нагрузки на протез. Цель работы – сравнение функционального нагружения классического протеза с вертикальной фиксацией коронки и конструкции с горизонтальным способом фиксации. Рассмотрены протезы небольшой протяженности с одной фасеткой и закреплением на двух опорных коренных зубах. Рассчитаны основные типы нагружения для конструкции и максимальные выдерживаемые протезом нагрузки исходя из оценки прочности по критерию Мизеса. Расчеты выполнены с использованием программных комплексов Mimics, SolidWorks, Nastran, Patran. На трехмерной модели проведено исследование напряженно-деформированного состояния структурной составляющей биологического организма на примере дефекта зубного ряда с искусственными включениями на основе метода конечных элементов. Полученная с помощью компьютерной томографии пространственная растровая модель не может быть непосредственно использована для проведения численного анализа. Прикладные программы позволяют перейти от срезов к трехмерным объектам с возможностью структурного анализа системы в зависимости от плотности тканевой структуры. Предложен комплексный подход геометрической реконструкции биомеханического объекта по данным компьютерной томографии, подразумевающий создание дискретных фасеточных моделей поверхностей зубов и челюсти и восстановление по ним твердотельной CAD-модели.
Бесплатно
Особенности биомеханических параметров ходьбы у спортсменов различной специализации
Статья научная
С целью изучения влияния занятий легкой атлетикой и борьбой на опорную и опорно-динамическую функции нижних конечностей у спортсменов разной квалификации проведено определение максимального момента силы мышц бедра и голени (стенды разработаны в Федеральном государственном учреждении науки «Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" им. акад. Г.А. Илизарова») и показателей опорной и опорно-динамической функций нижних конечностей на аппаратно-программном комплексе «ДиаСлед-Скан» (г. Санкт-Петербург). Обнаружено, что спортсмены, занимающиеся борьбой, при равных с легкоатлетами размерах тела имеют более высокие показатели силы мышц бедра (на 22%) и мышц голени (на 45%). В статике у борцов преобладала величина среднего функционального нагружения заднего отдела стопы относительно переднего на 17%, а у легкоатлетов - преобладала величина среднего функционального нагружения переднего отдела стопы относительно заднего на 53%. При ходьбе, наоборот, у борцов преобладает прирост нагрузки на передний отдел стопы, а у легкоатлетов - на задний отдел стопы.
Бесплатно
Статья научная
Цель работы - определение биомеханических показателей норм стояния и ходьбы на экзопротезе нижней конечности. Обследовано 26 пациентов, пользующихся протезами бедра с подвижным коленным модулем. Моноцентрический (одноосный) коленный модуль предназначается для пациентов массой от 100 до 125 кг низкой и средней активности, четырехосный коленный модуль предназначается для пациентов со средней активностью массой до 100 кг. Для сравнения биомеханических показателей статики и ходьбы на экзопротезе с показателями нормы было привлечено 100 здоровых лиц. Протокол биомеханического обследования обеих групп был одинаковым и включал регистрацию ряда параметров ходьбы и стояния. В методы исследования входили подография, стабилометрия и определение опороспособности. На первом этапе выявлялась оптимальная скорость ходьбы на протезе с одноосным и четырехосным модулем коленного сустава. На втором этапе проводилось сравнение ходьбы и стабилограмм у пациентов с протезами и у здоровых лиц, рассчитывался коридор условной нормы полученных показателей. С целью определения повторяемости показателей (тест ретестовой надежности) каждый протезированный пациент был обследован 10 раз с интервалами 1-2 мин для отдыха. Представленные данные могут быть использованы для оценки и настройки вновь разрабатываемых протезов конечностей или их составных модулей.
Бесплатно
Особенности биомеханической и иннервационной структуры ходьбы у здоровых детей раннего возраста
Статья научная
В настоящее время одной из наиболее важных проблем медицины является восстановление функции передвижения. Эта проблема становится особенно актуальной, когда речь идет o детях, которые не могут передвигаться с самого рождения. Именно к таким детям применяется термин абилитация, что подразумевает не переобучение детей правильному навыку ходьбы, а первоначальное формирование этого навыка и его дальнейшее адекватное развитие. В настоящее время все большее количество специалистов, занимающихся абилитацией детей раннего возраста с различными заболеваниями опорно-двигательной и нервной систем, осознают необходимость инструментальной оценки функции передвижения. Это связано с тем, что в отличие от балльной системы оценок, инструментальная оценка функции передвижения является максимально конкретной и точной, а комплексное исследование биомеханической и иннервационной структуры ходьбы дает полное представление о двигательных нарушениях у ребенка. В данной статье авторы исследовали биомеханическую и иннервационную структуру ходьбы у четырех детей 2-2,5 лет. На основании этого исследования авторы выяснили, что для ходьбы детей 2 лет характерны следующие особенности: резкое снижение средней скорости передвижения, увеличение темпа наряду с укорочением длины шага, значительная трансформация временной структуры ходьбы (увеличение длительности опорной и двуопорной фаз и уменьшение продолжительности переносной фазы), сгибательная позиция нижних конечностей, сдвиг всех экстремальных значений угловых перемещений вправо по временной оси, резкое увеличение длительности максимумов активности, отсутствие второго максимума активности у ряда мышц. Полученные данные полезны прежде всего как эталонные, так как ходьбу больных двухлетних детей необходимо сопоставлять с ходьбой здоровых детей соответствующего возраста.
Бесплатно
Особенности биомеханической структуры ходьбы у здоровых детей разного возраста
Статья научная
Рассмотрена биомеханическая структура ходьбы здоровых детей трёх возрастных групп – от 7 до 13 лет. Закономерности изменений биомеханических параметров ходьбы были прослежены в возрастном аспекте с целью получения нормативных данных по локомоции детей, что необходимо прежде всего для дальнейшего сопоставления их ходьбы с ходьбой детей с патологией опорно-двигательного аппарата. Однако полученные данные представляют интерес не только для формирования базы данных по ходьбе здоровых детей разного возраста, но и для выяснения механизмов становления локомоторного навыка в процессе онтогенеза. Данная работа является лишь первым этапом анализа ходьбы здоровых детей. Цель последующих мероприятий – разработка методик для изучения ходьбы детей более раннего возраста. Необходимость данных исследований продиктована тем, что именно в этом возрасте возможно наиболее полноценное восстановление двигательных функций у детей с поражениями опорно-двигательного аппарата, а следовательно, становится чрезвычайно актуальным сопоставление их ходьбы с ходьбой здоровых детей соответствующего возраста.
Бесплатно
Статья научная
При лечении травм и заболеваний позвоночника возникает необходимость замещения тела позвонка или межпозвонкового диска имплантатом. Такой имплантат должен обеспечивать выполнение опорной функции позвоночника и способствовать формированию костного блока (слияния). Для этой цели наиболее эффективным можно считать пористый титан, удовлетворяющий требованиям по биосовместимости, прочностным характеристикам и жесткости. Рассмотрена возможность получения таких имплантатов диффузионной сваркой специальным образом скрученной проволоки из сплава ВТ1-0 и последующей термоводородной обработкой, включающей термодиффузионное насыщение заготовки имплантата водородом и его последующее удаление в процессе вакуумного отжига. Показано, что термоводородная обработка позволяет преобразовывать механические контакты проволоки после диффузионной сварки заготовки в физико-химические. Это повышает прочностные характеристики имплантата при высокой объемной пористости (до 60-70 %) и приближает его жесткость к жесткости позвонков. Проведена оптимизация режимов диффузионной сварки и термоводородной обработки для получения высокого комплекса прочностных и пластических характеристик имплантатов. Клинические исследования применения пористых имплантатов, полученных по предложенной технологии, показали их высокую эффективность при лечении травм и заболеваний на шейном, грудном и поясничном отделах позвоночника. Рассмотрены 247 клинических случаев применения «ячеистых» пористых имплантатов (54 пациента с травмами и 193 с дегенеративно-дистрофическими заболеваниями позвоночника). В 214 случаях отмечали улучшение состояния пациентов (86,6 %). Ухудшение наблюдали у 4 пациентов (1,6 %), что было связано с контузией и отеком спинного мозга после полученной травмы. Установлено, что в относительно короткий период (до 5-6 недель) происходит сквозное прорастание костной ткани через имплантат. При этом не наблюдается образования остеофитов на боковой поверхности имплантата, что снижает вероятность травмирования.
Бесплатно
Статья научная
На основе экспериментальных данных по нагружению образцов артерий внутренним давлением определены параметры нелинейного потенциала Arruda-Boyce сосудистой стенки артерии. В рамках пространственной модели патологической извитости (петли) артерии с помощью вычислительного комплекса ANSYS 11.0 выявлены особенности напряженного состояния в зависимости от относительного радиуса петли.
Бесплатно
Особенности проявления асимметрии давления на сидении у байдарочников на гребном эргометре
Статья научная
Гребля на байдарке как вид спорта относится к деятельности с асимметричными движениями, которая требует высококоординированных и точных движений верхней и нижней части тела. Усилие передается через тело спортсмена в лодку через две точки соприкосновения: сиденье и подножку. В данном исследовании изучались особенности проявления асимметрии биомеханических показателей на сиденье у байдарочников во время работы на гребном эргометре. В нем участвовали гребцы-байдарочники (n = 9) различной спортивной квалификации. Использовался гребной эргометр с неподвижной кареткой, в которую была установлена конструкция с вмонтированной в нее подоплатформой Materialize. Выставлялась средняя мощность кручения барабана гребного эргометра при длительности теста 120 с. Анализ результатов проводился с использованием программы Balance Scientific®. Используемый инструментальный подход позволил по-новому взглянуть и изучить особенности распределения давления на сиденье гребца. Регистрировались, а затем анализировались показатели: пиковое усилие под каждой из ягодиц, время его достижения, длина траектории перемещения общего центра давления и центра давления под каждой из ягодиц, площади, создаваемые данными траекториями, угловое смещение центра давления, а также получена визуализация топографии распределения давления на сиденье. Анализ полученных данных обнаружил присутствие асимметрии у всех испытуемых вне зависимости от уровня подготовки. При отсутствии асимметрии в динамических показателях она может проявляться в кинематических характеристиках: длина траектории центра давления, создаваемая траекторией площадь и угол разворота таза. Для более квалифицированных спортсменов при наличии асимметрии в показателе пикового усилия под правой и левой ягодицами характерно отсутствие значимых отличий по показателю градиента силы.
Бесплатно
Особенности пульсовой волны при хронической артериальной недостаточности нижних конечностей
Статья научная
Широкое распространение атеросклеротического поражения магистральных артерий нижних конечностей с развитием хронической артериальной недостаточности и наносимый этим заболеванием урон требуют разработки простых информативных технологий оценки состояния артериального русла, пригодных для скрининговых исследований. Для решения поставленной задачи использована методика регистрации формы пульсовой волны в дистальных отделах нижних конечностей, регистрируемой при помощи просветной фотоплетизмографии на стандартном мониторе анестезиолога. Впервые для анализа формы пульсовой волны применен вейвлет-анализ и определен количественный показатель энергии отраженной волны. Исследование показало, что предложенный показатель имеет большую чувствительность, чем традиционный метод диагностики хронической артериальной недостаточности - определение лодыжечно-плечевого индекса. Наличие фотоплетизмографов при мониторинге пациентов, безболезненность, простота, универсальность предложенной методики, а также сходство полученных в работе результатов с другими признанными методами могут служить мотивацией для дальнейшего развития исследований в данном направлении и внедрения предложенной методики в диагностику хронической артериальной недостаточности нижних конечностей.
Бесплатно
