В работе рассматривается один из возможных численных подходов к описанию процессов деформирования гетерогенных сред под действием внешних нагрузок, основанный на моделировании структуры расчетной области с учетом данных ее компьютерной томографии. Предлагаемый подход позволяет моделировать поведение пористой среды с учетом ее структурных свойств на основе методов неразрушающего контроля. На первом этапе исследования методом компьютерной томографии проводится сканирование расчетного образца, далее полученные данные оцифровываются, после чего цифровой прототип структуры образца с соответствующими весами вносится в конечно-элементный алгоритм расчета на этапе формирования локальных матриц жесткости расчетной области, интегрирование которых проводится методом центральных прямоугольников. В работе проведена оценка влияния данных томографического исследования на сходимость предложенной численной методики, решены тестовые задачи. Приведены результаты решения модельной задачи для участка диафиза бедренной кости. Полученные численные результаты отображают влияние точности аппроксимации геометрии образца, а также иллюстрируют зависимость поля перемещений от структуры материала.

Бесплатно

Построение негомогенной конечно-элементной модели по данным компьютерной томографии

Саченков О.А., Герасимов О.В., Королева Е.В., Мухин Д.А., Яикова В.В., Ахтямов И.Ф., Шакирова Ф.В., Коробейникова Д.А., Хань Х.Ч.

Статья научная

Целью исследования является создание методики построения расчетной конечно-элементной модели по данным томографии. Для оценки модели проводились расчеты бедренной кости. Актуальность данного исследования продиктована необходимостью считывать в расчетах распределение механических свойств костного органа по объему, что позволяет индивидуализировать подход к моделированию. Численные исследования выполнены с помощью метода конечных элементов в пакете Ansys , обработка данных компьютерной томографии проводилась в пакете Avizo . В работе рассматривалась задача линейного негомогенного упругого тела. Для определения модуля Юнга и предельного напряжения использовались степенные функции от оптической плотности, в свою очередь оптическая плотность определялась по линейным соотношениям в зависимости от чисел Хаунсфилда. Для конечно-элементной дискретизации производилось распределение механических свойств материала по каждому элементу согласно данным томографии. После решения задачи напряженно-деформированного состояния в каждом узле определялся коэффициент запаса с учетом свойств материала по данным томографии. В работе для рассматриваемого образца были проведены расчеты трех модельных задач в приведенной постановке и для осредненных значений механических параметров. Численные результаты в данных задачах наглядно иллюстрируют значимые различия в результатах напряженно-деформированного состояния органа и позволяют судить о локальной прочности костной ткани.

Бесплатно

Построение четырехкамерного геометрического образа сердца человека на основе рентгеновской томографии

Шардаков И.Н., Шестаков А.П.

Статья научная

Моделирование отдельных органов человека и организма в целом открывает дополнительные возможности в выявлении патологий, назначении оптимальных медицинских воздействий и прогнозировании их последствий. Для реализации этого подхода необходим геометрический образ органа. Преимущественно он представляет собой конечно-элементную сетку, поскольку реализация моделей, описывающих физико-механические процессы, протекающие в органе, осуществляется численно и в большинстве случаев методом конечных элементов. В настоящей работе рассматривается построение конечно-элементного образа сердца человека. Процесс построения основан на результатах мультисрезовой рентгеновской томографии, полученных in vivo. Исходная томограмма обрабатывается специально разработанным морфологическим фильтром, который позволяет сглаживать границу органа, устранять шумовой сигнал томографа и исключать элементы органа заданного масштаба. С помощью этого алгоритма выполнена фильтрация внешней границы сердца и его полостей. На основе обработанного томографического образа с помощью алгоритма роста создан трехмерный четырехкамерный геометрический образ сердца. Для этого образа построена граница в виде поверхностной сетки и проведены ее обработка с целью устранения дефектов в виде самокасаний, а также сглаживание, которое позволило устранить ломаный характер поверхности. Эти поверхности экспортированы в блок генерации сеток ANSYS ICEM CFD, в котором осуществлено построение конечно-элементного аналога сердца человека. Разработанный алгоритм обладает высокой универсальностью и может быть использован для построения геометрических образов других органов человека, единственным ограничением является обеспечение достаточного контраста томографического сигнала между восстанавливаемым органом и окружающей средой.

Бесплатно

Постуральный баланс у легкоатлетов-бегунов на средние дистанции

Епишев В.В., Рябина К.Е., Исаев А.П., Эрлих В.В.

Статья научная

Целью работы является анализ особенностей постурального баланса у легкоатлетов высокой спортивной квалификации. В работе представлены результаты исследования состояния позвоночника (МБН «3Д сканер») и вертикальной устойчивости (МБН «Стабило») у профессиональных легкоатлетов ( n = 18, звание кандидат в мастера спорта и мастер спорта), бегунов на средние дистанции (1500 м, 3000 м). Исследование позвоночника включало регистрацию параметров деформации позвоночника методом оптического маркирования костных ориентиров. Исследование вертикальной устойчивости проводилось в положении стоя на стабилометрической платформе в привычном для спортсмена положении стоп с открытыми и закрытыми глазами в течение 30 с каждой пробы. Статистическим, разведочными факторным и кластерным анализом выявлены особенности пространственного положения позвоночника, определяющие стратегию поддержания постурального баланса. Приведено математическое моделирование и математическое подтверждение специфики постурального контроля. Выявлено, что у легкоатлетов наблюдаются изменения в состоянии шейного лордоза и грудного кифоза, оказывающие значительное влияние на параметры вертикальной устойчивости: скорость перемещения общего центра давления, площадь статокинезиограммы и динамический компонент равновесия в пробе с закрытыми глазами. Выдвинута гипотеза, что данные изменения могут являться следствием адаптационно-компенсаторных реакций организма спортсменов к тренировочному процессу. Предполагается, что имеются специфические маркеры состояния опорно-двигательного аппарата, характеризующие перенапряжение мышц нижних конечностей и свидетельствующие о существовании доклинических признаков травм и повреждений мышц, сухожилий и суставов

Бесплатно

Предварительное вычисление влияния геометрии трещины суставного хряща на течение в тазобедренном суставе

Семп Я., Куцаба-пенталь А., Цванек Я.

Статья научная

Статья представляет собой изучение влияния геометрии трещины суставного хряща на течение синовиальной жидкости в тазобедренном суставе. Численное вычисление проведено для упрощенной модели сустава, учитывая 12 различных геометрических вариантов трещины. Для решения уравнений течения использовался метод конечных элементов. Было найдено, что независимо от геометрических размеров трещина расклинивается синовиальной жидкостью, что приводит к увеличению ее размеров.

Бесплатно

Предварительный анализ нового полного протеза височно-нижнечелюстного сустава с помощью трехмерного метода конечных элементов

Шимода Т., Цуцуми С., Сумиоши С., Маеда А., Хонда Т.

Статья научная

Неудачные результаты хирургии височно-нижнечеслюстного сустава с последующей резорптивной патологией сустава влекут за собой необходимость использования безопасных полных протезов этого сустава. Для восстановления полностью искалеченного височно-нижнечелюстного сустава реализовать достаточно хорошо функционирующее аллопластическое замещение сустава не удается в сравнении с другими протезами коленного и тазобедренного сустава. Надлежащее проектирование протеза височно-нижнечелюстного сустава должно основываться на всестороннем кинематическом анализе протеза, выполняющего нормальные анатомические функции. По нашему мнению, результат такого кинематического анализа выражается в перемещениях точек мыщелка, расположенных спереди и внизу и около центра вращения мыщелка протеза. Само проектирование состоит в улучшении движения челюсти вперед, так же как и вращательного движения, в сравнении с обычными движениями, с помощью сопоставления точек суставной поверхности. Создать новый протез позволило также многостороннее изменение мыщелковых движений. Проект имплантата основан на результатах работ по обычной полной замене височно- нижнечелюстного сустава. Прототип полного протеза височно-нижнечелюстного сустава Fukuoka представляет собой результат следующего анализа. Для проведения биомеханического исследования с использованием метода конечных элементов был проведен ряд тестов устройств в трехмерных моделях человека. Модель человека была получена на основе двумерных данных компьютерной томографии человека с интервалом 3 мм. Соответствующее проектирование протеза осуществлялось в CAD-системе. Анализ конечно-элементной модели потребовал использования программного пакета COSMOS/WORKS версии 5.0. Количество элементов и узлов составило 81 718 и 16 796 соответственно. К нижней границе нижнечелюстной восходящей ветви была приложена сила величиной 50 Н. Максимальный порядок эквивалентных напряжений Мизеса сравнивался с пределом текучести для кажого материала. Следовательно, трехмерные конечно- элементные данные по эквивалентному напряжению Мизеса и напряжению текучести оказываются надежным иструментом при клиническом использовании полного протеза височно-нижнечелюстного сустава типа Fukuoka.

Бесплатно

Предоперационная диагностика модульной трансформации при чрескостном остеосинтезе бедренной кости

Измайлова З.Т.

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

Предоперационное определение индивидуальных физических характеристик губчатой костной ткани проксимального отдела бедра человека

Акулич Ю.В., Акулич А.Ю., Денисов А.С.

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

Веселый В., Вилимек М., Равник Д.

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

Павар С.А., Чоукси В.К.

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

Применение вейвлет-фильтрации для оценки выраженности полиморфизма ядер клеток инвазивной протоковой карциномы молочных желез

Патрикеев И.А., Крючков А.Н., Фрейнд Г.Г., Юрлов Р.А., Рец А.В.

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

Маслов Л.Б., Шапин В.И., Смирнов Д.С., Львов С.Е., Блескин Е.В.

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

Применение гиперупругих моделей для описания поведения разных областей овечьего сердца на основе двухосных механических испытаний

Немавхола Ф., Панделани Т., Нгвангва Г.

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

Демидова И.И.

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

Аравин О.И.

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

Применение математической модели микроциркуляторных процессов для диагностики функциональных расстройств микроциркуляции

Шабрыкина Н.С.

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

Применение математической модели системного кровообращения для определения параметров кровотока после операции шунтирования у новорожденных

Камалтдинов М.Р., Кучумов А.Г.

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

Лохов В.А., Няшин Ю.И., Кучумов А.Г., Менар М., Гачкевич А.Р., Будз С.Ф., Онышко А.Е.

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

Рубленик И.М., Билык С.В., Шайко-шайковский О.Г.

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

1
...
30
31
32
33
34
35
36
...
В конец

Журнал