Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 814
Предоперационная диагностика модульной трансформации при чрескостном остеосинтезе бедренной кости
Статья научная
Для предоперационной диагностики модульной трансформации при чрескостном остеосинтезе бедренной кости используется компьютерное моделирование. Оно позволяет проводить исследования и вычисления, так как проведение реального эксперимента затруднено вследствие финансовых и физических препятствий. Построение компьютерных моделей и последующий анализ позволяют оценить допускаемые нагрузки во время чрескостного остеосинтеза бедренной кости при ходьбе, сгибании-разгибании бедра, одноопорном и двуопорном стоянии. Анализ моделей чрескостного остеосинтеза при различных переломах бедренной кости, построенных на основе рентгеновских снимков в программе SolidWorks, позволяет оценить влияние мышечных усилий и модульной трансформации на процесс регенерации кости.
Бесплатно
Статья научная
Для осуществления прогноза послеоперационных изменений механических свойств костной ткани на основе компьютерного моделирования адаптации кости к изменившимся нагрузкам необходимы данные о значениях физических характеристик кости пациента до операции. Принимается модель структуры губчатой костной ткани в виде однородного изотропного костного вещества и сферических пор, заполненных внутритканевой жидкостью. Параметрами структуры являются радиус и плотность пор. Излагается экспериментальная методика определения параметров структуры, плотности сырой кости и минеральной плотности по рентгенограммам проксимального отдела бедра в двух стандартных проекциях − прямой и боковой. Для определения величины среднего радиуса пор используется стереологический анализ плоского цифрового изображения поверхности образца, а для плотности пор получены аналитическое выражение через плотности сырой кости и внутритканевой жидкости и радиус пор. Приведены экспериментальные данные зависимостей радиуса пор, плотности сырой кости и минеральной плотности губчатой костной ткани от объёмной оптической плотности рентгенограмм и их линейные приближения. Установлено хорошее соответствие полученных значений минеральной плотности с данными Центрального научно-исследовательского института травматологии и ортопедии (ЦНИИТО).
Бесплатно
Применение биомеханики в судебно-медицинской экспертизе дорожно-транспортных происшествий
Статья научная
При дорожно-транспортных происшествиях с участием автомобилей и пешеходов травмы головы являются одним из наиболее распространенных повреждений. Известно, что самая распространенная причина смерти - удар пешехода головой о лобовое стекло автомобиля. В данной статье исследуются биомеханические аспекты при ударном взаимодействии автомобиля и пешехода, с целью анализа травм головного мозга и шейного отдела позвоночника. Для анализа нагрузок, при которых возникают переломы, использовались параметры прочности и жесткости костей лица и черепа, а также для определения скорости движения головы при ударе о лобовое стекло автомобиля применялся простой аналитический подход. Были проведены эксперименты для изучения дефектов на лобовом стекле, в результате столкновения с объектом, имитирующим голову человека с различной скоростью. Рассмотрены два варианта определения скорости удара головы пешехода при столкновении с автомобилем. Первый случай, предполагает, что центр тяжести манекена перемещается с той же скоростью, что и наезжающее транспортное средство, в результате чего скорость удара примерно вдвое превышает скорость автомобиля. Второй (более реалистичный сценарий) предусматривает перемещение тела с гораздо меньшей скоростью, что в результате дает большую в полтора раза угловую скорость головы, чем скорость автомобиля, при определенном угле наклона относительно оси x . Согласно расчетам, чем меньше угол наклона лобового стекла, тем меньше скорость удара головой при фиксированной скорости автомобиля. Признавая ограничения моделирования, в исследовании подчеркивается необходимость использования экспериментальных данных для более реалистичных результатов. Применение биомеханики в экспертизе дорожно-транспортных происшествий должно учитывать размеры повреждений лобового стекла в зависимости от скорости. Данное исследование способствует пониманию факторов, влияющих на травмы при дорожно-транспортных происшествиях, и подчеркивает важность эмпирических данных в судебно-медицинской экспертизе. Предлагаемый аналитический подход и результаты, полученные в ходе экспериментов, могут быть использованы для проверки корректности заключений при столкновении автомобиля с пешеходом.
Бесплатно
Применение бифуркации и рекомбинации микроканалов для микрофлюидных приложений: литературный обзор
Статья обзорная
Микрожидкостное смешивание используется в микромасштабных системах для быстрого, но тщательного объединения большого количества образцов. Эти устройства способствуют смешиванию проб прежде всего за счет улучшения результата диффузии между потоками нескольких видов. В общем, существует два типа методов микрожидкостного смешивания: активный (при котором используется внешняя силовая сила для возмущения образцов) и пассивный (при котором используются специально разработанные топологии микроканалов для увеличения площади контакта, а также периода контакта образцов). В этом обзорном исследовании используется всесторонний обзор микрофлюидных микросмесителей (активный и пассивный микросмесители). Наряду с изучением гибридных активных и пассивных микросмесителей также тщательно изучается использование жидкостей. Основываясь на этом анализе, мы смогли сравнить индексы смешивания активных и пассивных смесителей, причем максимальный индекс смешивания для активных и пассивных смесителей составляет 0,73, а для пассивных - 0,97. Целью этого обзора является знакомство читателей с микрофлюидикой и ее приложениях.
Бесплатно
Статья научная
Цель исследования - разработка методики объективной оценки степени полиморфизма ядер клеток злокачественных новообразований для использования в практической онкоморфологии. Предложена компьютерная методика дифференциальной диагностики на основе статистических параметров площади ядер. Исследовано влияние вейвлет-фильтрации на диагностический критерий и проведена оценка погрешности вычислений.
Бесплатно
Применение вибрационных неразрушающих методов диагностики в ортопедии
Статья научная
Статья представляет обзор исследований в области вибрационной биомеханики опорно-двигательного аппарата человека, проводимых на протяжении длительного времени в межвузовской лаборатории «Биомеханика» г. Иваново. Авторами были разработаны оригинальные метод и оборудование для резонансной вибрационной диагностики механических повреждений мягких и твердых тканей голени человека - ахиллова сухожилия и большеберцовой кости. Предлагаемый подход к определению физиологического состояния мягких и твердых тканей человека основан на анализе динамического отклика биомеханического объекта на гармоническое возбуждение с частотой, плавно меняющейся в заданных пределах. Экспериментальное оборудование позволяет записывать амплитудно-частотные характеристики тканей голени человека автоматически для различных видов вибрационного возбуждения и различных позиций стопы. Вид и числовые параметры резонансных кривых зависят от физико-механических параметров исследуемого объекта, обусловленных действительным состоянием тканей в зоне повреждения. Исследования на разработанном оборудовании проводились в госпитале ветеранов войн г. Иваново врачами Ивановской государственной медицинской академии. Было проанализировано более ста амплитудно-частотных характеристик, в результате чего экспериментально обнаружены динамические реакции сухожильно-мышечного комплекса голени и большеберцовой кости на локальное вибрационное возбуждение. Статистическая обработка экспериментальных данных показала, что основная резонансная частота и амплитуда колебаний сухожильно-мышечного комплекса толчковой конечности равны 45,1. 1,12 Гц и 12,63. 0,16 м/с2, соответственно. Резонанс колебаний большеберцовой кости, находящейся в естественных физиологических условиях, составляет 125,5 ± 2,61 Гц с амплитудой 0,87 ± 0,03 м/с2. В результате проведенных клинических исследований было установлено, что имеется достоверное различие между амплитудно-частотными характеристиками здоровой голени и голени с поврежденными внутренними тканями. Это позволило разработать систему диагностических признаков механических повреждений основных элементов опорно-двигательного аппарата нижней конечности человека. В результате предложенный метод и аппаратура для локальной низкочастотной вибрационной диагностики функционального состояния мягких и твердых тканей могут быть применены в клинической практике при лечении травм опорно-двигательной системы человека.
Бесплатно
Статья научная
Сердечная недостаточность остается одной из самых распространенных причин смерти во всем мире, особенно среди людей старше 60 лет. Чтобы разработать и подобрать подходящие материалы для замены тканей сердца с целью эффективного лечения, необходимо понять биомеханику сердца при нагрузке. В работе исследуется механический отклик пассивного миокарда овцы, полученного из трех разных областей сердца. Так как стоимость модели сердца живого животного высока, а проведение экспериментальных исследований требует прохождения строгой этической экспертизы, авторы оценивают соответствие шести различных гиперупругих моделей по механическим испытаниям ткани пассивного миокарда. Использованы образцы сердечной ткани 10 овец, которые в течение 3 часов после смерти были доставлены в лабораторию для биомеханических испытаний. Верхние области сердца над короткой осью были аккуратно изъяты. Образцы тканей были взяты из центральных областей левого и правого желудочков, межжелудочковой перегородки. Затем эпикард и эндокард осторожно срезали, чтобы выделить миокард. Были получены, обработаны и дискретизированы кривые «напряжения-деформации». Результаты показывают, что модели Чои-Вито и Фанга наилучшим образом подходят для левого желудочка, а модели Хольцапфеля (2000), Хольцапфеля (2005), полиномиальная (анизотропная) и four-fiber family - для правого желудочка.
Бесплатно
Применение задач сопротивления материалов к решению проблем биомеханики
Статья научная
Для решения разнообразных задач биомеханики предлагается использовать задачи курса «Сопротивление материалов». Анализируются области изменения параметров биоконструкций, формулируются критерии прочности для тканей биоконструкций. Отмечаются ограничения применения модельных задач.
Бесплатно
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
