Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
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
Статья научная
Рассматриваются результаты работ, посвященных современным материалам для имплантации в стоматологии, а также подходы к оценке работоспособности зубных имплантатов как при одиночном размещении, так и при полной реставрации всей челюсти несъемным протезом. В связи с тем что в сфере дентальной имплантологии разрабатываются новые формы имплантатов, применяются новые материалы, а также методы имплантации, всё чаще специалисты в области протезирования обращаются к механикам для оценки несущей способности биомеханических конструкций. Возникающие задачи не относятся к числу формализуемых задач, которые могут быть решены аналитически, и требуют описания в трёхмерном виде, поэтому для их решения необходимо использовать численные методы. Наиболее удобным и часто применимым является метод конечных элементов, поэтому наблюдается рост числа публикаций, посвященных определению напряженно-деформированного состояния как самих протезов, так и костной ткани в области их крепления. Приведен обзор современных статей и книг, посвященных текущим исследованиям и тенденциям в области дентальной биомеханики.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассмотрены вопросы проектирования и исследования перспективной конструкции ножки эндопротеза тазобедренного сустава. Бедренный компонент эндопротеза разрабатывается на основе метаматериала, производимого методами аддитивных технологий и представляющего собой периодическую пористую структуру переменной топологии. Ключевой задачей проектирования являлось численное определение переменной в пространстве эффективной плотности решетчатой структуры в пределах объема имплантата путем решения задачи оптимизации. Первый этап разработки представлял собой конечно-элементное моделирование системы с установленным сплошным имплантатом - пространством оптимизации - для семи различных сценариев нагружения. Данные сценарии сформированы для репрезентации наиболее характерных случаев двигательной активности человека. Вторым шагом являлось определение оптимального распределения эффективной плотности решетчатой структуры в объеме имплантата, получаемое в результате решения задачи топологической оптимизации с представленным нагружением. В результате решения задачи оптимизации получено распределение эффективной плотности решетчатой структуры, на основе которого построена геометрическая модель имплантата, обладающая градиентной пористой структурой. Полученный результат позволяет достичь оптимального соотношения жесткости и массовых свойств в условиях заданного нагружения. Для верификации подхода проведено прямое конечно-элементное моделирование построенной решетчатой геометрии имплантата при заданных сценариях нагружения. В результате проведенного анализа полей напряжений в объеме эндопротеза делается вывод об отсутствии в разработанной конструкции зон критического состояния материала и корректности примененного подхода к разработке эндопротеза на основе метаматериала.
Бесплатно
Разработка и апробация мобильного стенда по исследованию механических свойств биологических тканей
Статья научная
Вопрос определения механических свойств стенок сосудов и атеросклеротических бляшек постоянно возникает при численном моделировании участков сосудистого русла. Испытательные машины, как правило, стоят в специальных лабораториях вне медицинских учреждений, и транспортировка образцов из клиники связана с определенными трудностями. Таким образом, актуальной является задача разработки мобильных испытательных устройств, которые могут быть установлены непосредственно в клинике для проведения испытаний сразу после операции. Представлены результаты разработки и апробации мобильного испытательного стенда для осуществления механических экспериментов по одноосному сжатию и растяжению биологических тканей. Назначение стенда - проведение механических испытаний в клинике со свежими тканями с целью избегания их транспортировки в лабораторию и/или заморозки. В качестве управляющего элемента в стенде используется аппаратная платформа Arduino UNO , которая осуществляет контроль за основными элементами стенда (двигатель, тензодатчик), а также запись данных на SD -карту и вывод информации об эксперименте на экран компьютера. Конструкционно стенд представляет собой аналог двухколонной испытательной машины. Все механизмы скомпонованы в переносном чемодане, управляющий модуль выполнен в виде выносного пластикового бокса. Верификация стенда осуществлялась на основе универсальной машины Instron 3342 с нагрузочной ячейкой 500 Н. С использованием стенда в общей сложности был проведен 121 эксперимент на мягких тканях (включая стенки артерий и атеросклеротические бляшки). Полученные модули Юнга и предельные значения прочности сведены в таблицу. Средний модуль Юнга для стенки внутренней сонной артерии составил 0,32 ± 0,24 МПа, для мягкой бляшки 0,30 ± 0,17 МПа, для твердой бляшки 0,85 ± 0,39 МПа; для твердых бляшек в сонных артериях также был определен предел прочности 1,12 ± 0,67 МПа. В результате была составлена уникальная база данных о модулях Юнга, полученных из свежесобранного материала. Методика и ее реализация на мобильном стенде показывают хорошее соответствие литературным данным для всех типов исследованных материалов.
Бесплатно
Статья научная
Двумерная конечно-элементная модель височно-нижнечелюстного сустава создана на основе сагиттальных срезов магнитно-резонасной томографии (МРТ) правого сустава добровольца, который не имел патологий суставов. Движения открывания нижней челюсти моделировались с помощью перемещений относительно черепа. Эти перемещения, реализованные добровольцем, были заранее измерены при помощи трехмерной системы анализа движений. Срезы МРТ при различных расстояниях между резцами челюстей также вначале выполнялись для верификации результатов. Целью данной статьи является описание различных этапов метода: разработка геометрической модели, выбор свойств материалов и граничных условий, проверка конечно-элементной модели. Срезы МРТ при различных расстояниях между резцами челюстей дают возможность подтвердить положение диска при различных этапах моделирования. Первые результаты показывают, что конечно-элементная модель позволяет оценить распределение напряжений в суставе. Наибольшие напряжения по Мизесу были обнаружены в средней части диска.
Бесплатно
Разработка испытательной машины для двухосного тестирования мягких тканей и биоматериалов
Статья научная
Планирование операций в кардио- и эндоваскулярной хирургии, травматологии и ортопедии, нейрохирургии, разработка тканеинженерных конструктов требуют знания механических свойств мягких тканей и биоматериалов, которые можно получить только в условиях натурного эксперимента. Поэтому механический эксперимент формирует фундамент систем поддержки принятия врачебных решений, невозможных без адекватных математических моделей вовлеченных процессов. На базе НТУ «Сириус» реализуется проект «Экспериментальное исследование и математическое моделирование механического поведения биоматериалов», целью которого является создание инфраструктуры для экспериментального исследования механики мягких тканей и биоматериалов. На данном этапе разработана и введена в опытную эксплуатацию машина для двухосного испытания мягких тканей и биоматериалов. Разработанная машина учитывает особенности работы с мягкими тканями: малый размер образцов, поддержание определенных условий окружающей среды для сохранения образца, различные виды закрепления образца для минимизации краевых эффектов и исключения проскальзывания, бесконтактные методы оценки полей перемещений и деформаций, вариативность в протоколах нагружения образца. Результатом испытания является набор данных, включающий протокол испытаний и синхронизированные показания тензометрических, температурных, оптоэлектронных датчиков с изображениями высокого разрешения. На разработанной машине проведены одноосные верификационные испытания акриловых лент VHB4910 . Результаты сравнивались с данными, полученными на коммерческом динамическом механическом анализаторе RSA - G2 ( TA Instruments ) для аналогичных материалов при тех же условиях испытаний. Проведен ряд двухосных циклических экспериментов для перикарда крупного рогатого скота, сердечно-сосудистой заплатки Экофолон ПС04/ПС01 (АО «НПК «Экофлон», Санкт-Петербург, Россия), сосудистого трансплантата GoreTex ( W.L. Gore and Associates , США).
Бесплатно
