Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 814
Сравнение параметров неимплантированных и отработанных поверхностей ножек эндопротеза веллера
Статья научная
В данной статье представлен анализ изменения параметров геометрического строения поверхности отработанных ножек эндопротеза Веллера, удалённых по причине асептического изнашивания полиэтиленовых чашечек тазобедренного сустава человека. С учётом времени эксплуатации эндопротезов исследуемый материал был разделен на четыре группы: группа I (5 ножек, от 1 до 3 лет), группа II (12 ножек, от 5 до 8 лет), группа III (10 ножек, от 10 до 12 лет) и группа IV (12 ножек, от 17 до 20 лет). Для сравнения были изучены четыре неимплантированных ножки эндопротеза Веллера, принятые в качестве группы 0 и рассматриваемые в качестве стандартных. В данном исследовании использовался прибор Rank Taylor Hobson - модель Talyskan 150. Площадь поверхности просмотренных ножек составила 1,0 × 4,0 мм2 под фланцем ножки. Исследуется зависимость амплитудных параметров St и Sz и пространственного параметра Sds от времени эксплуатации эндопротеза Веллера, также исследуется интенсивность уменьшения параметров в течение времени эксплуатации. Полученные значения для четырёх неимплантированных ножек составляют от 52,742 до 59,651 мкм (x = 56,537; σ = 3,281) для St, от 44,454 до 52,59 мкм (x = 49,471; σ = 3,694) для Sz и от 1268,9 до 543,9 точек / мм2 (x = 1411,0; σ = 121,920) для Sds. Полученные значения для 39 отработанных в течение 1-20 лет ножек составляют от 7,35 до 35,21 мкм для St, от 6,29 до 28,32 мкм для Sz, и от 313,0 до 1059,49 точек / мм2 для Sds. Имеет место значительное влияние времени эксплуатации на уменьшение значений исследуемых параметров. Это наиболее выражено в течение первых трёх лет эксплуатации. Представленные результаты отмечают практическую важность применения поверхностных параметров геометрического строения поверхности при исследовании процессов износа ножки эндопротеза тазобедренного сустава.
Бесплатно
Сравнение подходов численного моделирования пористых костных имплантатов из Ti6Al4V
Статья научная
Аддитивные технологии позволили сделать значительный прорыв в разработке и изготовлении персонализированных пористых имплантатов, которые имеют явные преимущества перед монолитными предшественниками. Вместе с тем перед инженерами возникает ряд новых задач, одной из которых является корректное и эффективное численное моделирование пористо-сетчатых имплантатов в процессе решения задач оптимизации. В исследовании проводится сравнение подходов численного моделирования пористого титана для костных имплантатов с учетом различий механических параметров материала и геометрии моделей. Рассматривается детальная геометрия структуры 9 моделей, для которых задаются два варианта параметров материала: чистого сплава Ti6Al4V и экспериментальные, полученные для образцов, напечатанных из порошка Ti6Al4V . В качестве предложенного подхода гомогенизации структуры рассматривается континуальная модель цилиндра, для которого задаются экспериментальные свойства материала образцов. Полученные численно значения модулей Юнга для каждого подхода сравниваются с полученным в эксперименте. Установлено, что при задании свойств чистого сплава расчетный модуль Юнга превышает экспериментальный на 83-92 %. Наиболее близким к эксперименту является детальное моделирование геометрии с заданием экспериментальных свойств структуры материала, при этом расчетный модуль Юнга не превышает экспериментальный более чем на 10%. Однако в этом случае расчет занимает от 2 до 8 ч. В случае континуального моделирования расчетные модули Юнга превышают расчетные модули при детальном моделировании не более чем на 11 %, при этом расчет длится не более 1 мин. Исходя из этого, предлагается использовать континуальный подход к моделированию имплантатов в процессе расчета оптимизации их формы, в качестве первичной итерации перед детальным моделированием структуры. В качестве свойств материала необходимо использовать механические параметры структур, предварительно полученные из экспериментов на одноосное сжатие. Использование свойств чистого сплава при расчете пористой структуры приведет к результатам, значительно превышающим фактические.
Бесплатно
Сравнение эффективности двух выбранных методов для снижения тонуса мышц: пилотное исследование
Статья научная
Объектом исследования является тонус мышц, который может быть повышенным даже у здоровых людей. В качестве сравнения были выбраны два общепринятых метода: саунатерапия (которая используется большинством людей) и иглоукалывание, использующееся терапевтами для уменьшения мышечного тонуса и облегчения боли. Для измерений вязкоупругих свойств мягких тканей был сконструирован прибор миотонометр. Производилась оценка влияния сауны на напряжения в мышце, возникающие после краткосрочной максимальной анаэробной нагрузки в сравнении с пассивным отдыхом. Также исследовалось влияние иглоукалывания на тонус мышц. После короткой максимальной анаэробной нагрузки ожидался повышенный мышечный тонус, однако по результатам было выявлено, что тонус мышц, наоборот, мог уменьшаться. Величины мышечного тонуса после нагрузки были отличны от ожидаемых и, следовательно, влияли на измерения после саунатерапии. Ранее было предположено, что значительно увеличенный мышечный тонус после упражнений будет уменьшаться быстрее при использовании саунатерапии, чем при пассивном отдыхе. Данная гипотеза не может быть подтверждена, поскольку значения мышечного тонуса у волонтеров с триггерными точкам показывали уменьшение после иглоукалывания в большинстве случаев.
Бесплатно
Статья научная
Целью исследования является численный анализ распределения функциональных нагружений, развивающихся в эмали зубов, с учетом использования различных типов персонализированных спортивных зубных шин. В ходе эксперимента проведен сравнительный биомеханический анализ, определяющий уровень функциональных нагружений в эмали зубов, без использования защитных конструкций и при применении традиционной спортивной зубной шины, выполненной из этиленвинлацетата, а также новой конструкции с введенным дополнительно амортизирующим силиконовым слоем. Анализ результатов напряженно-деформированного состояния в построенной конечно-элементной модели с граничными условиями с помощью программы ANSYS показал, что при использовании конструкции спортивной зубной шины из этиленвинлацетата интенсивность напряжений на поверхности эмали зуба при действии максимальной нагрузки силой 400 Н составляет 97 МПа, а с предложенной спортивной зубной шиной с силиконовым слоем - 82 МПа. Таким образом, уровень функциональных напряжений в эмали зубов снижается на 15 % при использовании зубной шины с силиконовым слоем в сравнении с защитной конструкцией без дополнительных слоев.
Бесплатно
Статья научная
Анализируются данные микроскопических ислледований трабекулярной костной ткани человека. Различия в деформационном поведении обусловлены морфологическими особенностями органического и минерального компонентов экстрацеллюлярного матрикса на всех структурных уровнях иерархической организации костной ткани. Целью работы было определение наиболее информативного метода микроскопического исследования для аттестации деформированной микроструктуры трабекулярной костной ткани в аспекте механизма формирования импрессионного перелома на микроуровне. Исходя из топики возникновения импрессионных переломов, для исследования забиралась костная ткань латерального мыщелка большеберцовой кости. Все образцы были разделены на две группы: основная (N = 20, 50,0%), в которой каждый образец подвергался одноосному сжатию на разрывной машине; контрольная группа образцов (N = 20, 50,0%) была интактна к методам исследования деформационного поведения. Для аттестации остеоархитектоники применены современные методы визуализации: растровая электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия. Приводится подробное описание деформационного поведения трабекулярной кости при одноосном сжатии как структурная основа импрессионных дефектов. Представлены микрофотографии морфологических изменений при одноосном сжатии на макроскопическом, промежуточном и микроскопическом уровнях организации экстрацеллюлярного матрикса костной ткани. Установлено, что трабекулярная костная ткань представляет пластичный материал на всех уровнях организации экстрацеллюлярного матрикса. Определен морфологический субстрат микроперелома на каждом структурном уровне: макроскопический (100-200 мкм) уровень - поперечные, продольные и фрагментированные переломы трабекул; мезоскопический (10-50 мкм) - у трабекулы отмечаются интерламеллярные трещины; микроскопический (5-10 мкм) - у ламеллы происходит дезорганизация коллагеновых фибрилл, уменьшение интерфибриллярных промежутков, нарушение укладки кристаллов гидроксиапатита и разрушение их связей с коллагеном. Каждый вид исследования уточняет данные других видов микроскопии, ни один из них не может полностью заменить другие.
Бесплатно
Сравнительное исследование вязкоупругого поведения сеток для грыжи
Статья научная
Зависимое от времени механическое поведение сеток для грыжи может влиять на качество герниопластики. Было исследовано вязкоупругое поведение сеток, широко используемых в хирургической практике в Болгарии. Девять сеток (стандартные и облегченные), отличающиеся друг от друга по составу и весу, были подвергнуты релаксационным испытаниям ex vivo при приложенных номинальных деформациях в 5 %. Явления релаксации напряжений отслеживались в течение 1800 с. Экспериментальные результаты наглядно демонстрируют ортотропию всех сеток для грыжи. Изменения в снижении напряжения составили 19-100 % через полчаса. Среднее значение снижения напряжения в процессе релаксации Δ T для стандартных сеток составляет 66,84 ± 23,98 %, а Δ T для облегченных сеток - 51,48 ± 34,55 %. Есть четыре сетки, для которых напряжение падает до 0 МПа. Все параметры легких сеток изменяются в более широких интервалах, чем у стандартных сеток, и имеют более высокие значения. Для легких сеток снижение напряжения уменьшается при увеличении плотности, в то время как для стандартных сеток наблюдается обратная тенденция. Параметры полипропиленовых сеток изменяются в более широких интервалах, чем параметры композитных и полиэтилентерефталатных сеток. Полученные нами результаты об уровне снижения напряжения могут быть использованы в качестве ориентира для совершенствования сеток для грыжи
Бесплатно
Статья научная
Все составляющие микроциркуляции ориентированы на поддержание гомеостаза организма в целом. Поэтому во избежание дисбаланса необходимо изучать строение и функции микроциркуляторного русла. Математическое моделирование позволяет выявить причины нарушения функций микроциркуляции и помочь предотвратить развитие многих заболеваний, начав их лечение на ранней стадии. В данной работе представлены результаты математического моделирования процесса микроциркуляции, а также сравнение этих результатов с экспериментальными данными, полученными методом компьютерной капилляроскопии.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается плоское движение экзоскелета с пятью звеньями переменной длины. Предполагается, что внутри экзоскелета находится человек, при этом экзоскелет оснащен сенсорами, которые считывают показатели мышечной активности человека, преобразуют их в управляющие сигналы для электрических приводов и мгновенно реализуют их в экзоскелете. Новизна исследования обусловлена моделью изменения длин участков звеньев экзоскелета. Актуальность исследования состоит в возможности восстановления и усиления при помощи экзоскелета двигательных функций организма человека и замене людей антропоморфными механизмами на вредном и опасном для здоровья производстве, не имеющем возможности использования колесных, гусеничных и других типов роботов. В модели конкретизирована конструкция звеньев переменной длины. Каждое звено включает в себя невесомый участок с изменяющейся длиной, находящийся между двумя абсолютно твердыми весомыми участками. Проведено численно-аналитическое моделирование на основе решения обратной задачи динамики для рассматриваемого механизма. Разработан способ управления предложенной мехатронной робототехнической системой в виде человека в экзоскелете на основе задания программного движения и определения управляющих моментов, локализованных в крупных шарнирах-суставах и продольных сил, определяющих изменения длин звеньев механизма. Проведено сравнение с моделью, содержащей абсолютно твердые звенья, рассмотренной ранее. Установлены проблемы, возникающие при учете изменения длин звеньев. Предложена модель функционирования биомехатронной системы «человек - экзоскелет»
Бесплатно
Стабилометрическая оценка влияния выдвижения вперед нижней челюсти на общую осанку человека
Статья научная
Цель данной работы заключается в исследовании изменений походки при ношении межчелюстной шины. Изучено три случая: без наложения шины (БШ), с шиной толщиной 2,5 мм, которая не вызывает продвижения челюсти вперед (Ш0), с шиной толщиной 2,5 мм, которая обеспечивает 90% от необходимого смещения нижней челюсти (Ш90). При помощи стабилометрической платформы, проведен анализ осанки: записывались колебания центра давления стоп в течение заданного промежутка времени (40 минут). В результате выявлено, что в случае Ш0 после 10 минут ношения шины область, в которой находится центр давления стоп, значительно увеличивается. Это уменьшает точность контроля осанки, в частности, в передне-заднем направлении. Смещение центра давления вперед также вызвано изменением осанки. Но этот эффект наблюдается только после 10 минут, а затем уменьшается. Для случая Ш90 наблюдаемые изменения центра давления аналогичны, но амплитуда передне-заднего и поперечного колебаний центра давления увеличивается. Опыты показали, что центр масс смещается, чтобы восстановить ортостатическое равновесие. Модификация осанки сопровождается смещением центра давления кзади, что не исправляется к концу теста. Коррегирующая шина оказывает существенное влияние на общую осанку человека, что необходимо учитывать в медицинской терапии.
Бесплатно
Становление и развитие классической теории описания структуры костной ткани
Статья научная
Одной из основных задач современной биомеханики зубочелюстной системы является учёт структурных особенностей для различных её отделов. Неоднородность пористой структуры может быть описана методами количественной стереологии; при этом структурные особенности костной ткани описываются посредством тензора структуры (fabric tensor).. В работе рассмотрена измерительная процедура, позволяющая проводить стереологические исследования. Отдельно рассмотрены исторические аспекты развития закона Вольфа (Wolff's law). Сделан вывод о необходимости формулирования кинетического уравнения для тензора Н при постановке краевых задач биомеханики зубочелюстной системы.
Бесплатно
Статья научная
Проводится статистический анализ измерений тонометрического внутриглазного давления двумя различными тонометрами - тонометром Маклакова и бесконтактным пневмотонометром. Исследуется зависимость тонометрического внутриглазного давления от ряда характеристик глазного яблока. Проведенные расчеты позволяют сделать вывод о том, что на тонометрическое внутриглазное давление, измеренное пневмотонометром, сильное влияние оказывает центральная толщина роговицы. Значения тонометрического внутриглазного давления, полученные с помощью тонометра Маклакова, в меньшей степени зависят от показателей центральной толщины роговицы, но они более подвержены влиянию радиуса кривизны роговицы и длины передне-задней оси глаза, которые практически не влияют на результаты тонометрии, полученные с помощью пневмотонометра.
Бесплатно
Статистический и численный анализ влияния толщины роговицы на показатели внутриглазного давления
Статья научная
Величина внутриглазного давления имеет большое значение в диагностике различных форм глаукомы. В связи с этим очень важным является определение нормальных и патологических показателей внутриглазного давления, изучение влияния различных параметров глаза на величину внутриглазного давления. Анализ расчетных и экспериментальных данных, проведенный в статье, показывает, что значения внутриглазного давления, измеренные аппланационным тонометром Гольдмана, увеличиваются по мере увеличения толщины роговицы. Увеличение срединной толщины роговой оболочки на 10 мкм вызывает повышение измеряемого внутриглазного давления на 0,63 мм рт. ст.
Бесплатно
Статья научная
Проведен статистический анализ зависимости уровня аберраций высших порядков от сферического компонента рефракции. 385 глаз пациентов были разделены на 7 групп в зависимости от клинической рефракции: глаза с миопией слабой степени (77 глаз), средней степени (123 глаза) и высокой степени (58 глаз), глаза с нормальным зрением (22 глаза), глаза с гиперметропией слабой, средней и высокой степени (19, 28 и 31 глаз соответственно). Для каждого глаза с помощью аберрометра WASCA системы Хартманна-Шека были получены показатели суммарного уровня низших и высших аберраций глаза, аберраций высшего порядка и сферического компонента рефракции. Расчеты показали, что зависимость между сферическим компонентом рефракции и аберрациями высших порядков является статистически значимой для объединенной группы глаз ( r = -0,26). При попарном сравнении групп по уровню аберраций высшего порядка выявлены различия между четырьмя группами глаз: глаза с миопией средней степени и гиперметропией высокой степени; миопией высокой степени и эмметропией; миопией высокой степени и гиперметропией высокой степени; миопией средней степени и эмметропией. Проведенные расчеты позволяют сделать вывод о том, что аберрации высших порядков присущи глазам и с эмметропией (нормальным зрением), и с аметропиями (близорукостью и дальнозоркостью). При этом в случае миопии средней и высокой степени аберрации высших порядков возрастают.
Бесплатно
Стохастический анализ повторяемости процесса биологической деструкции дротаверина гидрохлорида
Статья научная
Процесс биологической деструкции имеет биомеханический характер, так как подвод питательных субстратов колониям иммобилизованных актинобактерий осуществляется механическим путем при интенсивном перемешивании культуральной жидкости в орбитальном шейкере. В силу множества факторов, влияющих на результат течения, и в силу невозможности количественного описания взаимосвязи факторов –результата течения как функций времени процесс биологической деструкции можно назвать нестационарным случайным. В результате имеется реальная проблема стохастического анализа повторяемости процессов биологической деструкции в лабораторных, межлабораторных и тем более в промышленных условиях. Рассмотренные ( in vitro ) результаты экспериментов на повторяемость процесса биологической деструкции дротаверина гидрохлорида с применением актинобактерий в качестве нестационарного случайного процесса входят в класс кинетически моделируемых биомеханических случайных процессов. Особенностью класса является определенная монотонность при возрастании или убыли определяющего процесс параметра и наличие современных методов его регистрации, что позволяет произвести кинетическое моделирование реализаций случайного процесса. В результате нестационарный случайный процесс сводится к неслучайной функции системы двух случайных величин. Реализации случайного процесса биологической деструкции дротаверина гидрохлорида с применением актинобактерий моделируются кинетическими уравнениями первого порядка с линейно изменяющейся константой реакции. Для экспериментов на повторяемость процесса биологической деструкции получены аналитические зависимости математического ожидания, дисперсии и среднего квадратичного отклонения от времени, а также при гипотезе нормального закона распределения системы случайных величин в каждом сечении процесса определены области реализаций при повторении, в которых с определенной вероятностью можно прогнозировать течение процесса во времени.
Бесплатно
Стохастическое описание смазки в искусственном и естественном тазобедренном суставе после ушиба
Статья научная
После ушиба шероховатые и притертые поверхности искусственного тазобедренного сустава и хрящевые поверхности естественного тазобедренного сустава человека резко изменяют свои смазочные параметры. Стохастические изменения шероховатости поверхностей головки бедра и стохастические изменения нагрузки предполагают случайные изменения высоты щели. Следовательно, распределение давления и нагрузка, а также силы и коэффициенты трения коренным образом изменяют свои значения в течение нескольких микросекунд после травмы. Эти изменения очень трудно измерить, поэтому надлежащие численные исследования в этой области очень важны. Для получения правильных численных результатов следует производить вычисления с использованием стохастического описания вариаций неровностей, встречающихся на поверхностях сустава.
Бесплатно
Стратегия поддержания равновесия человека при наклоне корпуса вперед на узкой опоре
Статья научная
Две поведенческие цели одновременно решаются при наклоне корпуса человеком: наклон как таковой и поддержание равновесия. С помощью биомеханической модели исследуется, как эти цели достигаются. Исследование основано на разложении движения по собственным векторам динамического уравнения. Теоретически найдена координация между позой и движением, при которой наклон корпуса может быть осуществлен на бесконечно узкой опоре («оптимальный наклон» без перемещения центра давления). Оптимальное движение сравнивается с экспериментально наблюдаемым. Предлагается гипотеза, что движения вдоль собственных векторов являются независимо управляемыми, но координируемыми основной и позной компонентами движения. Основная компонента обеспечивает наклон как таковой, а позная - упреждающим образом компенсирует возмущение равновесия, вызванное основной компонентой. Результаты моделирования позволяют объяснить модель электромиографической активности, наблюдаемую при наклонах корпуса вперед.
Бесплатно
Структура двигательных нарушений и их динамика в процессе реабилитации больных с патологией кисти
Статья научная
В процессе реабилитации больных с различной патологией кисти необходимо выявить структуру двигательных нарушений, включая амплитуду движений, силу и выносливость, скоростные и координационные параметры кисти. Динамика изменений биомеханических показателей изучалась для определения адекватной направленности кинезитерапии для больных с переломами трубчатых костей кисти, травмами сухожилий разгибателей и сгибателей пальцев, тяжелыми сочетанными травмами, контрактурой Дюпюитрена.
Бесплатно
Структура и упругие свойства хряща на микро- и наноуровне
Статья научная
Представлены результаты исследования модуля упругости хрящевой ткани методом микро- и наноиндентирования, реализованным на базе атомно- силового микроскопа. В качестве объектов исследования использовались макросрезы свиного хряща в радиальном и латеральном направлениях соответственно, с ориентацией коллагеновых волокон в структуре исследуемой ткани. Методами сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии визуализирована топография поверхностных слоев цельного хряща и его срезов, которая коррелирует с особенностями ориентационного расположения коллагеновых волокон. Описана методика и проведены количественные оценки значений модуля упругости при использовании микроиндентора (радиус закругления 350 мкм, глубина индентирования до 600 нм) и наноиндентора (радиус закругления 30 нм, глубина индентирования до 120 нм). Обнаружен различный характер деформирования в зависимости от ориентации коллагеновых волокон по отношению к направлению деформирования, а также от масштаба локализации зоны контакта (нано- и микроуровень). Показана высокая стабильность поведения хряща под нагрузкой в том случае, когда в процессе деформирования участвует цельная композиционная структура хрящевой ткани.
Бесплатно
Структура компактной костной ткани
Статья научная
Костная ткань - это вид соединительной ткани, в которой большую часть пространства занимает внеклеточный матрикс, состоящий из коллагена. Матрикс насыщен гидроксоапатитом и другими минералами, что придает кости прочность и способность выдерживать нагрузки. Кроме химического состава, большое влияние на механические характеристики оказывает структура кости. Компактная костная ткань - это сложная и вызывающая интерес исследователей структура, которая образуется в ответ на механическую нагрузку. Основными структурными и функциональными единицами костной ткани являются плотно упакованные остеоны, из которых составлена кость. Каждый остеон состоит из тонких слоев - ламелл. Коллагеновые волокна лежат параллельно друг к другу в отдельной ламелле, но меняют ориентацию от одной ламеллы к другой. В работе будет показана зависимость между ориентацией коллагеновых волокон в смежных ламеллах и механическими свойствами костной ткани. Главная цель работы - представить сложную и комплексную структуру компактной костной ткани. Особое внимание будет уделено составу кости, появлению остеонов и ориентации коллагеновых волокон в отдельно взятой ламелле. Также в работе будут рассмотрены различные подходы к объяснению причин изменения ориентации коллагеновых волокон и выявлению их взаимосвязи с механическими свойствами кости.
Бесплатно
Статья научная
Проведено численное исследование структуры нестационарного трехмерного течения в построенной по обобщенным клиническим данным модели стенозированной общей сонной артерии с максимальной физиологической извитостью. Установлено, что максимальное значение интенсивности поперечного течения наблюдается на участке с продольными образованиями типа парных вихрей Дина, а не в областях закрученного (одновихревого) течения; это обстоятельство следует учитывать, в частности, при проведении клинических исследований. Максимальные напряжения вязкого трения на стенке, опасные в отношении возможных повреждений стенки артерии, наблюдаются на расстоянии 2-3 диаметров стенозированного сосуда за стенозом на внешней (по отношению к центру радиуса кривизны) стороне артерии и растут с увеличением степени стеноза. Минимальные напряжения, опасные с точки зрения развития атеросклероза, наблюдаются на внутренней стороне артерии, и с увеличением степени стеноза зона их расположения смещается в конец шейного отдела.
Бесплатно
