Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Численное моделирование гемодинамики бескаркасного биопротеза клапана аорты
Статья научная
Настоящее исследование описывает комплексный подход к моделированию биомеханики протеза клапана сердца на основе анализа медицинских графических данных (мультиспиральная компьютерная томография), твердотельного моделирования (Abaqus/CAE) и численного анализа потоков крови (OpenFOAM). Объектом исследования стал клинический случай пациента Д. (56 лет), которому хирургическим способом был имплантирован бескаркасный протез клапана аорты «ТиАра». Проводили реконструкцию трехмерных компьютерных моделей функционирования протеза в течение 10 отрезков одного сердечного цикла с последующей постановкой численных экспериментов, воспроизводящих перемещение ключевых точек изделия - комиссуральных стоек, створок. Была показана высокая асимметричная подвижность элементов биопротеза в ходе деформаций сердечного цикла - одна из комиссуральных стоек значительно более подвижна, чем две другие (до 32% по перемещению). Твердотельное моделирование деформации протеза не выявило значимых дефектов функционирования и превышения напряженно-деформированного состояния компонентов: максимум напряжения по Мизесу достигал 0,8 МПа. Распределение показателей напряжения на эпюрах трехмерных моделей выявило основную концентрацию в куполе и комиссуральных стойках створчатого аппарата. Кроме того, качественно работа створчатого аппарата соответствовала условиям функционирования - динамике изменения давлений в структуре сердечного цикла «систола-диастола», созданию контакта створок, и упруго-деформативным свойствам материалов компонентов протеза. Анализ результатов моделирования потоков определил наличие нескольких участков с турбулентной структурой в области синусов Вальсальвы, которые тем не менее не демонстрировали критических количественных характеристик - пристеночных сдвиговых напряжений (до 74 МПа), скоростей тока (0,1-1,0 м/с).
Бесплатно
Численное моделирование процесса агрегации эритроцитов в эксперименте с микропипетками
Статья научная
Предложен способ моделирования процесса агрегации эритроцитов численным методом конечных элементов. Представлены результаты моделирования эксперимента, в котором для образования парного агрегата эритроцитов в среде декстрана с молекулярной массой 150 кДа были использованы гидравлические микропипетки. Путем сопоставления результатов, полученных экспериментально, и выполненного численного моделирования определены параметры агрегации эритроцитов: значение давления нормального к поверхности эритроцитов, которое их притягивает; размер зоны контакта, энергия деформации мембран эритроцитов. Математическое моделирование процесса агрегации эритроцитов выполнено с учетом сдвиговых касательных напряжений. Значения сдвиговых напряжений получены по модели Куэтта и сопоставлены с результатами экспериментов по разделению парных агрегатов эритроцитов.
Бесплатно
Численное моделирование течения жидкости в венозном клапане при пробе Вальсальвы
Статья научная
Работа посвящена численному исследованию течения жидкости в венозном клапане при пробе Вальсальвы. Данная проба является нагрузочной процедурой, а именно комплексом дыхательных действий, используемым врачами-флебологами для ультразвуковой диагностики клапанной несостоятельности. Измеряемая характеристика при пробе Вальсальвы - длительность обратного кровотока, возникающего во время закрытия клапана, по которой врач делает заключение о смыкаемости створок клапана. В работе построена численная модель венозного клапана подколенной вены на основе клинических данных. Решались нестационарные уравнения гидродинамики и движения упругой створки, при этом проба Вальсальвы моделировалась импульсным перепадом давления на входной границе участка вены с клапаном. Получены данные о поле скорости, продолжительности обратного течения, объеме утечек для разной упругости клапана, в том числе для здорового клапана и клапана с несостоятельностью. Для модели здорового клапана длительность обратного течения составила менее 1 с, а для несостоятельного клапана - более 1 с, что соответствует клиническим данным. Результаты расчетов могут быть использованы врачами-флебологами для уточнения процедуры диагностики клапанной несостоятельности.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе исследовано позднее клиническое расшатывание и последующее движение нецементированной вертлужной чаши на основе резорбционной перестройки костной ткани, вызванной высокими длительными сжимающими напряжениями после прямой полной артропластики тазобедренного сустава. Спрогнозировано влияние факторов биомеханического конструирования на резорбционную перестройку трабекулярной костной ткани, а также на величины напряжений и перемещений чаши. Составлены двумерные модели таза, содержащие и не содержащие вертлужную чашу, где использованы изотропные четырехузловые элементы. Предполагается, что когда относительные сжимающие напряжения в кости превышают некоторые определённые значения, то начинается резорбция губчатой костной ткани на границе между чашей и костной тканью. Увеличение толщины полиэтилена вследствие уменьшения размера головки бедра и металлизированной части были основными параметрами конструирования для снижения длительного расшатывания и последующего движения имплантата после установки. Кроме того, установлено, что критические углы нагрузок при повседневной активности так же как направления нагрузок являются важными факторами, влияющими на величины перемещения.
Бесплатно
Численное решение задачи оптимизации для определения параметров установки фиксаторов с памятью формы
Статья научная
Среди травм лицевого черепа переломы нижней челюсти возникают в 70-80% случаев. По мнению авторов, использование фиксаторов, изготовленных из сплавов с памятью формы, является наиболее предпочтительным. Однако в ходе операций перед хирургами встаёт проблема эффективного остеосинтеза. Использование субъективных способов решения данной задачи не всегда приводит к положительному результату (7-12% случаев осложнений) и не всегда учитывает индивидуальные особенности пациентов. С точки зрения биомеханики, при сращивании перелома важное значение имеет распределение напряжений, способствующих росту костной ткани. В работе представлено решение задачи оптимизации о нахождении позиций установки фиксаторов и усилий, создаваемых ими таким образом, чтобы напряжения на границе перелома были наиболее близки к оптимальным. В результате в работе получены значения параметров установки скобок для различных видов переломов нижней челюсти.
Бесплатно
Статья научная
Мягкие соединительные ткани являются оптимизированными композиционными материалами с механическими свойствами, зависящими от ориентации, так как они содержат также волокна, рационально распределенные в аморфной основной матрице. Неоднородные соотношения гиперупругости с укрепляющими волокнами применены для фиброзного кольца в диске. Формулировка, использумая в данной работе, позволяет дать соответствующее описание тканей диска и принять во внимание различный вклад основного материала и волокон. Несколько исследований было проделано, чтобы учесть переменные значения объемного содержания, распределения и наклоны волокон в области экспериментальных данных, имеющихся в литературе. Проведенное исследование доказывает специфический вклад коллагеновых волокон в механическое поведение межпозвоночного сегмента человека и подтверждает применимость настоящего приближения как точного инструмента для мягких тканей, усиленных волокнами.
Бесплатно
Эквивалентные электрические модели биологических объектов
Статья научная
Обсуждаются известные эквивалентные схемы замещения биологических объектов и предлагаются их модификации. Приводятся примеры анализа и описания спектров импедансов реальных биообъектов. Анализируются амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики различных схем. Отмечается информативность частотной характеристики угла сдвига фаз. Для трехэлементных моделей, составленных из двух резисторов и одного конденсатора, установлены необходимые условия тождественности.
Бесплатно
Экспериментальная модель поступательных локомоций биологических объектов
Статья научная
Биологические объекты осуществляют движения в пространстве (локомоции) за счет изменения формы своего тела. Во многих опубликованных работах приведены детальные исследования кинематики локомоций. Однако сама связь между деформациями тела и мерой смещения объекта в пространстве в большинстве работ не рассматривается. В данной статье исследована модель поступательного движения самодеформирующихся тел, в рамках которой изменение формы тела связывается с его смещением в пространстве (локомоторная связь). Для количественного учета сил трения предложена и реализована в эксперименте модель с управлением массой тела путем присоединения известной массы к определенной его точке. Локомоторная связь получена на основе закона сохранения импульса в виде дифференциальной формы Пфаффа. Она была подвергнута проверке на экспериментальной модели самодеформирующегося тела. Для уменьшения помех, связанных с трением, исследуемое тело было помещено на воздушную дорожку (жесткий профиль с множеством отверстий, служащих для создания воздушной подушки). Поступательные локомоции реализованы за счет изменения формы тела и присоединения к нему дополнительной массы таким образом, чтобы это не влияло на положение системы. Управление осуществлялось с помощью программируемого микроконтроллера. Это позволило изменять режимы работы и задавать различные кривые в пространстве параметров. Для определения координат точек тела на нем были размещены контрастные метки, положение которых фиксировалось с помощью скоростной фотосъемки и вычислялось с помощью методов компьютерного зрения. После этого идентифицировались калибровочные потенциалы локомоторной связи. Показано хорошее соответствие теоретической модели результатам эксперимента.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлены результаты экспериментального исследования и теоретического анализа процесса иммобилизации актинобактерий на гидрофобизованных биосурфактантом хвойных опилках в колоночном биореакторе с псевдоожиженным слоем, формирующимся за счет высокой скорости (0,6–2,8 мл/мин) подачи бактериальной суспензии. Для поддержания опилок в рабочей зоне использовали расположенный на входе в биореактор фильтр из кварцевого стекла, который также позволял поддерживать однородную структуру носителя без прохождения воздушных пузырьков и снизить их вклад в формирование псевдоожиженного слоя. Процесс иммобилизации родококков контролировали по изменению показателя оптической плотности содержащейся в колбе бактериальной суспензии. При средней скорости подачи суспензии в биореактор процесс иммобилизации характеризовался равномерным снижением показателя оптической плотности в течение всего периода эксперимента. В то же время при минимальной и максимальной скоростях наблюдалось увеличение контролируемого показателя после 96 и 120 ч эксперимента соответственно. С течением времени в биореакторе происходят процессы иммобилизации свободных клеток, десорбции иммобилизованных клеток с поверхности частиц носителя с их последующим переходом в свободное состояние и распада клеточного мицелия на короткие палочковидные формы. Получена задача Коши для кинетических уравнений относительно зависимостей от времени концентраций свободных и иммобилизованных клеток. Установлено, что рассчитанные на основе разработанной математической модели показатели иммобилизации для четырех исследуемых скоростей подачи суспензии в биореактор согласуются с полученными экспериментальными данными. Предложенная математическая модель может быть использована для оптимизации кинетических параметров иммобилизационного процесса в биореакторе при его последующем масштабировании.
Бесплатно
Статья научная
Выполнено физическое и численное моделирование стационарного течения крови в области дистального соединения шунта с бедренной артерией по типу конец-в-бок. Угол между шунтом и артерией составлял 60°. Исследования проводились при двух числах Рейнольдса, соответствующих интервалу физиологических значений при оценке по среднему (Re = 240) и максимальному (Re = 1640) расходу крови в бедренной артерии человека за период сердечных сокращений. Эксперимент включал визуализацию течения и измерение мгновенных векторных полей скорости потока с использованием оптического метода SIV (Smoke Image Velocimetry). Расчеты проводились методом прямого численного моделирования (DNS). Рассматривалось следующее соотношение расходов через ответвления основной артерии: 80 % - в антеградном и 20 % - в ретроградном направлениях. Выявлены основные закономерности распределений профилей скорости и ее среднеквадратичных пульсаций по длине обоих ответвлений основной артерии. Обнаружено формирование областей отрыва потока в области разветвления и вторичных течений типа парных вихрей Прандтля первого рода. Установлено, что при Re = 240 течение в области разветвления сохраняет ламинарный характер, а при Re = 1640 наблюдаются признаки перехода к турбулентности, локализованные в пределах отрывных областей. Получены распределения продольной и окружной компонент вектора поверхностного трения. Показано, что в некоторых областях течения эти компоненты сопоставимы по величине. Установлены пространственные положения областей, в которых модуль трения для рассмотренных режимов течения ниже величины трения в неповрежденной артерии (развитое ламинарное течение в круглой трубе) при соответствующих числах Рейнольдса.
Бесплатно
Статья научная
В мире продолжается изучение биомеханики имплантационных зубных протезов и их искусственных опор. При этом отмечено различное отношение к наклонному положению дистальных имплантатов в кости и их двусторонней (мезиальной и дистальной) нагрузке. Отсутствие единого взгляда на рассматриваемую проблему определило цель исследования изучить в эксперименте распределение напряжений в периимплантатной кости у вертикальных (отвесных) и наклоненных имплантатов с отсутствием или наличием дистально расположенного тела протеза различной протяжённости с односторонней опорой на этих искусственных опорах. Для эксперимента нами использовано математическое моделирование методом конечных элементов. С его помощью изучались распределения и величины упругих напряжений в периимплантатной кости. В качестве геометрической модели использована модель верхней челюсти с установленным на ней имплантационным протезом, опирающимся на 4 имплантата. Следует отметить, что увеличение напряжения в материале протеза и компактной кости не являлось критичным и было гораздо меньше пределов прочности указанных сред при наклоне дистального имплантата с наличием дорзального тела с односторонней опорой на дистальном имплантате. Что же касается губчатой кости, то напряжения в ней в целом не показали зависимости положения имплантата и слабо возрастали при увеличении мезиодистальной протяженности дорзального тела протеза с односторонней опорой. Таким образом, математическое моделирование методом конечных элементов показало некритичность распределения упругих напряжений в протезе, дистальном имплантате, компактной и губчатой кости при различной конфигурации дистальных отделов протеза.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы было экспериментальное исследование существования в диске височно-нижнечелюстного сустава путей для движения жидкости и возможности этой жидкости течь под давлением. Знание таких особенностей строения диска дает более ясное представление о природе и механизме амортизации нагрузки, воспринимаемой височно-нижнечелюстным суставом.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена количественному анализу микрорельефа зубной эмали и влияния отбеливания на ее структуру. Исследования проводились на областях размером 15х15 мкм, полученных при помощи атомно-силового микроскопа с неотбеленного, отбеленного один, а затем еще два раза зуба. Для описания общего вида микрорельефа предложен картографический метод - на эмали выделялись «равнинные» участки, а также низменности и возвышенности. Разработана методика структурного анализа этих составляющих: компактность, размер, периметр, площадь, объем, фрактальные размерности. Установлено, что структуры на поверхности эмали связаны фрактальными зависимостями, это говорит об их самоподобии на всем масштабе наблюдаемых размеров. Результаты показали, что первое отбеливание снимает пелликулу (пленка адсорбированных из слюны протеинов) с поверхности эмали. Дальнейшие отбеливания приводят к стиранию эмали, особенно в области низменностей рельефа; форма возвышенностей и впадин становится более округлой. Установленное уменьшение фрактальной размерности возвышенностей говорит об уменьшении прочности данных участков рельефа.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы является определение критической величины недопокрытия ацетабулярного компонента, при которой возможна его имплантация без использования дополнительной опоры. Актуальность данного исследования продиктована клинической практикой и отсутствием четких рекомендаций для тактики эндопротезирования с недопокрытием вертлужного компонента. На основе оригинального способа интраоперационного измерения площади недопокрытия вертлужного компонента были проведены предварительные расчеты для плоской параметрической модели с целью предварительной оценки диапазона критического процента недопокрытия. Совместно с практикующими врачами травматолагами-ортопедами был спланирован и проведен эксперимент, позволивший определить допустимые величины степени недопокрытия вертлужного компонента, при которых под действием статической нагрузки возможно функционирование протезируемого сустава. В процессе проведения экспериментов был изучен механизм потери несущей способности вертлужного компонента. Также было оценено влияние винтовой фиксации на несущую способность имплантата. На основании экспериментальных исследований сформулированы рекомендации для проведения операции эндопротезирования при дисплазии вертлужной впадины: при степени недопокрытия до 20% имплантат сохраняет несущую способность, до 35% - рекомендуется винтовая фиксация вертлужного компонента, свыше 35% - не гарантируется надежная стабилизация вертлужного компонента в суставе.
Бесплатно
Статья научная
Для проверки адекватности математического моделирования механического поведения бедренной кости с установленным эндопротезом тазобедренного сустава проведено экспериментальное исследование полей продольных деформаций наружного слоя бедренной кости при воздействии на нее вертикальной нагрузки в 3000 Н, близкой по величине и направлению к физиологическим нагрузкам, действующим на тазобедренный сустав. Анализ результатов экcперимента показал линейное поведение системы кость-имплантат при внешних нагрузках до 3000 Н. С помощью построенной пространственной конечно-элементной модели системы бедро-эндопротез были рассчитаны поля продольных деформаций бедренной кости при соответствующих проведенному эксперименту граничных условиях. Данные о механических свойствах элементов системы были заимствованы из литературных источников [Утенькин, Свешникова]. Сравнение результатов численного и натурного экспериментов показало соответствие экспериментальных данных численному решению, получаемому при следующих параметрах конечно-элементной аппроксимации: число узлов 84546, число элементов 54128.
Бесплатно
Экспериментальное исследование материалов новой конструкции спортивной зубной шины
Статья научная
Целью данной работы является экспериментальное исследование материалов новой конструкции спортивной зубной шины для спортсменов, занимающихся силовыми бесконтактными видами спорта. Новизна разработки заключается в дополнительном введении специального силиконового материала в конструкцию каппы, выполненной из этиленвинилацетата (основного конструкционного материала, предназначенного для изготовления раличных типов назубных капп). Для последующего моделирования биомеханического поведения конструкции были исследованы свойства основных конструкционных материалов: этиленвинилацетата ( Drufosoft, фирма Dreve, Германия) и винилполисилоксана ( Ufi Gel P, фирма Voco, Германия). В ходе экспериментальных исследований определено, что модуль Юнга этиленвинилацетата составил в среднем 17,1 ± 1,58 МПа; показано, что материал демонстрирует упругопластическое поведение. Также было исследовано влияние скоростей нагружения (5, 10 и 500 мм/мин) на вид деформационных диаграмм. Модуль Юнга винилполисилоксана составил 0,34 ± 0,1 МПа, при этом было показано, что исследуемый материал демонстрирует практически абсолютно упругое поведение. Полученные результаты позволят перейти к проведению биомеханического моделирования и изучить механизмы распределения функциональных нагружений, формирующихся в области зубного ряда при использовании зубной шины, а также определить оптимальные параметры конструкционных элементов разработанной модели спортивной зубной шины.
Бесплатно
Статья научная
Проведено комплексное исследование механических характеристик современных рассасывающихся шовных материалов при квазистатических испытаниях с использованием электродинамической испытательной машины Instron ElectroPuls E3000 и универсальной электромеханической испытательной машины Instron 5882, оснащенной видеоэкстензометром Instron AVE. Выявлено существенное влияние простого узла, используемого в хирургической практике, на значение максимальной нагрузки и максимальной деформации.. Показано, что воздействие желчи в течении пяти суток не приводит к снижению деформационных и прочностных свойств.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты экспериментального исследования поведения цельнокерамических полунатурных образцов при квазистатических механических испытаниях с непрерывной регистрацией сигналов акустической эмиссии. Изготовлены идентичные полунатурные образцы из диоксидциркониевой, полевошпатной и дисиликатлитиевой керамики по технологии CAD / CAM с проектированием 3 D -моделей основания, имитирующего отпрепарированный под коронку зуб. Механические испытания проводились на универсальной сервогидравлической системе Instron 8850, регистрация сигналов акустической эмиссии осуществлялась с помощью системы AMSY -6. Параметрический анализ сигналов акустической эмиссии позволил получить новые опытные данные, описывающие процесс накопления повреждений в цельнокерамических коронках, что подтвердило преимущество использования зубных протезов на основе комплексно-стабилизированного диоксида циркония, разработанного в Научном центре порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета под руководством академика РАН В.Н. Анциферова.
Бесплатно
Экспериментальное исследование реологии патологической желчи
Статья научная
В работе представлены результаты экспериментального изучения патологической желчи человека, взятой из желчного пузыря и желчных протоков. Приведены зависимости вязкости от скорости сдвига, изменения значений вязкости от времени, а также касательных напряжений от скорости сдвига, полученных для различных видов желчи, взятых у пациентов с одинаковой патологией, но разного возраста и пола. Получены параметры уравнения Кассона (Casson) в результате аппроксимации кривых. Кроме того, в работе представлены результаты исследования гистерезисного поведения при прямом и обратном ходе (т.е. при последовательном увеличении прикладываемой нагрузки и последующем последовательном уменьшении нагрузки). Показано, что патологическая желчь - неньютоновская тиксотропная жидкость, т.е. жидкость, способная уменьшать вязкость от механического воздействия и в дальнейшем при отсутствии механического воздействия увеличивать свою вязкость. Выявлено различие между поведением пузырной и холедохиальной видов желчи, а также различие между поведением холедохиальной желчи, взятой у пациентов разного возраста и пола. Отмечено, что вязкость пузырной желчи выше, чем у холедохиальной, а также что при патологическом состоянии вязкость повышается. Максимальное значение вязкости достигается при начальных сдвиговых напряжениях, а затем кривые выходят на насыщение. Такая зависимость, возможно, обусловлена разрушением основных структурных компонентов жидкости (доменов).
Бесплатно
Статья научная
Целью данной работы является экспериментальное исследование свойств базиса новой конструкции комбинированного полного съемного пластиночного протеза, применяющейся у пациентов с полным отсутствием зубов. Новизна разработки заключается во введении каркаса из композиционного материала на основе стекловолокна (например, Trinia ) (фирмы Bicon LLC , Boston , USA ) в базис полного съемного пластиночного протеза, выполненного из акриловой пластмассы. Для обоснования эффективности предложенной конструкции и последующего моделирования биомеханического поведения новой комбинированной конструкции протеза были в сравнительном аспекте исследованы свойства следующих образцов базисов: 1 - акриловой пластмассы на основе полиметилметакрилата; 2 - акриловой пластмассы на основе полиметилметакрилата, армированной металлической сеткой Renfert (Германия); 3 - акриловой пластмассы на основе полиметилметакрилата с введенным каркасом из материала Trinia . В ходе экспериментальных исследований определено, что комбинация базисной пластмассы с материалом Trinia (фирмы Bicon LLC , Boston , USA ) демонстрирует отличные прочностные свойства, существенно превосходя существующие аналоги. Также доказано, что применение металлической сетки в качестве укрепления базиса полного съемного пластиночного протеза имеет низкую эффективность. Полученные результаты позволят перейти к проведению биомеханического моделирования и изучить механизмы распределения функциональных нагружений, формирующихся в области протезного ложа при использовании полного съемного пластиночного протеза, а также определить оптимальные параметры конструкционных элементов разработанной модели комбинированного полного съемного пластиночного протеза.
Бесплатно