Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 914
Статья научная
Представлен анализ распределения давления синовиальной жидкости с микроструктурой для неньютоновской жидкости, описываемой моделью Даусона, при несимметричном течении в деформируемом зазоре тазобедренного сустава человека. Сделаны следующие предположения: течение синовиальной жидкости стационарное, несимметричное, изотермическое, при постоянной плотности. Учитываются следующие факторы: зависящее от времени магнитное поле, вращательное движение головки кости, сдавливание синовиальной жидкости в зазоре сустава человека, переменная вязкость неньютоновской синовиальной жидкости, изменение и деформация толщины зазора сустава. Используются упрощенные уравнения механики жидкости и теории упругости для давления. В статье анализируются распределение скорости синовиальной жидкости и деформация хряща. Новыми элементами в статье являются численные и аналитические выражения для распределения давления, учитываются сопряженные поля напряжений и деформаций, возникающие в суставном хряще и в синовиальной жидкости, полученные с помощью теории упругости и механики жидкости. Полученные в работе аналитические решения для значений распределения давления позволяют легко делать численные вычисления, которые могут быть полезны при медицинской диагностике.
Бесплатно
Распределение жевательной нагрузки по зубному ряду при центральной окклюзии
Статья научная
Получено аналитическое решение задачи о распределении жевательной нагрузки по зубному ряду при центральной окклюзии. Приводится пример расчета для конкретных параметров зубочелюстной системы. Решение может быть использовано в расчетах на прочность зубных коронок и зубных протезов и для определения жевательной эффективности зубочелюстной системы.
Бесплатно
Распределение компонентов крови в потоке Пуазейля
Статья научная
Термодинамический подход использован для описания стационарных распределений компонентов крови в цилиндрическом потоке Пуазейля. На его основе описан метод численного моделирования распределения компонентов крови по сечению кровеносных сосудов. Дисперсные фазы представлены совокупностью клеточных компонентов (эритроцитов, лейкоцитов и др.), плазма крови рассматривается как низкомолекулярная дисперсионная среда. Распределения получены на основе условия инвариантности механохимических потенциалов (сумма химического потенциала и механической энергии) компонентов, выполняющегося при стационарных равновесиях в стационарных внешних полях разной природы. Расчёт сводится к численному поиску решения системы трансцендентных уравнений, соответствующих условию неразрывности среды. Эта система имеет единственное решение, описывающее согласованные распределения всех компонентов многофазного потока по сечению. Показано, что в течении Пуазейля распределения отдельных дисперсных фаз могут иметь до трёх симметричных экстремумов, положение которых определяется условиями течения (скорость сдвига, диаметр сосуда, состав крови). В качестве демонстрации возможностей модели приведены распределения компонентов крови (эритроцитов, тромбоцитов, лимфоцитов) для сосудов диаметром от 0,1 до 5 мм при скоростях сдвига от 1 до 100 с-1. Показано, что существует весьма сложная взаимосвязь между параметрами потока (скорость сдвига, диаметр кровеносного сосуда) и составом крови. В отличие от большинства гидродинамических моделей двухфазных течений термодинамический подход позволяет рассматривать распределения произвольного множества дисперсных и низкомолекулярных компонентов крови, включая чужеродные.
Бесплатно
Расчет деформационных моделей мочевого пузыря
Статья научная
Представлены деформационные модели мочевого пузыря человека на основе известных эмпирических данных. Рассматривали данные механических испытаний образцов стенки мочевого пузыря, полученные путем одноосного растяжения аутопсийного и хирургического материала. Вычисления производили с помощью системы компьютерной алгебры Mathcad 15.0 и пакета программ ANSYS 2022 R2. Степень совпадения полученных в процессе моделирования результатов с опытными данными оценивали с помощью параметров описательной статистики: стандартного отклонения SD, максимальной абсолютной ошибки Δ, приведенной погрешности (относительной ошибки) δmax и коэффициента корреляции R. Применяли формальные модели аппроксимации линейную, билинейную, трилинейную и экспоненциальную, а также гиперупругие деформационные модели неогуковскую (Neo–Hookean), Муни – Ривлина (Mooney – Rivlin), Огдена (Ogden), полиномиальную (polynomial), Йео (Yeoh) и Веронда – Вестманн (Veronda – Vestmann). Среди первых наилучшую точность моделирования стенки мочевого пузыря показала трилинейная модель (SD = 0,012 МПа, R = 0,9947), у гиперупругих – Веронда – Вестманн (SD = 0,0014 МПа, R = 0,9999) и полиномиальная (SD = 0,0015 МПа, R = 0,9999) модели. Тем не менее установлено, что по дополнительным показателям для описания механических свойств стенки мочевого пузыря лучше всего подходит модель Огдена. Модуль Юнга мочевого пузыря человека в линейной модели в направлении от основания к верхушке установлен равным E = 0,47 МПа, в поперечном направлении – 0,214 МПа, коэффициент упругой анизотропии – 2,19. При использовании гиперупругих моделей – в среднем 0,53 МПа, 0,22 МПа и 2,41, соответственно. Полученные результаты могут быть полезны как при разработке методик восстановления структуры мочевого пузыря с помощью искусственных материалов и тканевой инженерии, так и для лучшего понимания биомеханики мочевыделительной системы.
Бесплатно
Расчет и визуализация матриц упругих параметров эмали и дентина
Статья научная
Исследованы возможности пакетов ELATE и MATLAB для визуализации упругих свойств твердых тканей зуба. Получено визуальное подтверждение факта упругой анизотропии твердых тканей зуба, обусловленной кристаллической структурой их минеральной составляющей. Оценка показателей анизотропии эмали и дентина как неоднородной анизотропной среды имеет практическое значение при изучении проблем прочности тканей зуба и качества реставраций.
Бесплатно
Статья научная
Целью данного исследования являлась разработка прикладной методики предоперационного планирования и контроля достигнутого результата лечения при коррекции формы нижних конечностей в условиях чрескостного остеосинтеза с учетом возможного удлинения сегментов нижних конечностей. Работа основана на результатах лечения 80 пациентов ортопедического профиля различных нозологических групп, которым была произведена хирургическая коррекция формы ног по медицинским или эстетическим показаниям, в ряде случаев сопровождавшаяся удлинением сегментов нижних конечностей. Моделирование оси нижних конечностей осуществлялось путем коррекции бедренно-большеберцового угла. Проведенное в рамках данной работы исследование ортопедического статуса пациентов показало зависимость нормальных значений бедренно-большеберцового угла от индивидуальных антропометрических показателей, обусловленных шириной таза и длиной сегментов нижних конечностей больного. Исходя из полученных зависимостей предложена схема тригонометрических построений и расчетов параметров коррекции с учетом величины возможного удлинения бедер и (или) голеней в ходе проводимого лечения. В данной работе также предложены эстетически и биомеханически обоснованные клинические критерии определения допустимых величин коррекции формы нижних конечностей. В целом проведенное исследование показало многофакторность и взаимозависимость антропометрических показателей при оперативной коррекции формы ног в сочетании с удлинением сегментов нижних конечностей, что диктует необходимость предоперационного планирования. Практическое использование изложенных в данной работе методических приемов оценки, расчета и контроля результатов лечения показало их адекватность и простоту. Анализ результатов лечения показал, что в 88,75% случаев (71 пациент) было достигнуто соответствие расчетного и клинического результатов лечения, при этом практически в 100% достигнутые показатели находились в рамках обусловленных максимальным и минимальным значениями параметров коррекции.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается модель среднего уха человека при его тотальной реконструкции, позволяющая рассчитывать начальные напряжения, вызванные вводом протеза, замещающего звено «молоточек-наковальня». Целью исследований является выяснение влияния места установки протеза на восстановленной тимпанальной мембране на усилие в сочленении «протез- стремя», а также на смещение и поворот основания стременной косточки. При построении модели было учтено наличие остатков тимпанальной мембраны; реконструированная барабанная перепонка при этом моделировалась как упругая двухслойная кольцевая пластинка. В качестве метода решения уравнений анизотропной слоистой пластинки был выбран асимптотический метод с малым параметром, характеризующим близость центров основания протеза и реконструированной мембраны при их склеивании.
Бесплатно
Расчет фрикционно-механических характеристик тканых и шовных материалов
Статья научная
С привлечением методов контактной механики анализируются тканые и шовные материалы, применяемые в медицине. Фиксирующие свойства переплетений ткани и узлов хирургических нитей оцениваются на основе решения соответствующих контактных задач с использованием в качестве исходных данных коэффициента трения и упругих характеристик, получаемых из стандартных фрикционно-механических испытаний отдельных нитей. Моделирование фрагмента узлового соединения нитей показывает, что применение ауксетичных материалов с отрицательным коэффициентом Пуассона и низкомодульных полимерных покрытий позволяет оптимизировать фиксирующие и манипуляционные свойства тканых и шовных материалов медицинского назначения.
Бесплатно
Расчетное исследование прочности эндопротеза из материала с градиентной ячеистой структурой
Статья научная
Наиболее частыми причинами ревизионной хирургии после операции по замене тазобедренного сустава являются асептическое расшатывание (асептическая нестабильность) эндопротеза, разрушение кости в результате взаимодействия с эндопротезом, а также перипротезный перелом. Причины подобных явлений вызваны перераспределением нагрузки на костную ткань при эндопротезировании, которое возникает из-за различия жесткости эндопротеза и кости. При производстве эндопротезов широко применяется титановый сплав, который имеет хорошую биосовместимость, обладает высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, но такие эндопротезы являются более жесткими по сравнению с бедренной костью. Эти проблемы стимулировали рост интереса к поиску оптимальных материалов и топологии бедренного имплантата. В настоящее время большую популярность набирают аддитивные технологии, позволяющие создавать материалы с градиентной плотностью. Подобные материалы представляют собой множество ячеистых структур, имеющих различные параметры и топологию, управляя которыми можно создавать конструкции с заданными механическими характеристиками. Такие материалы находят свое применение в производстве эндопротезов бедренного сустава, позволяя создавать эндопротезы, механические свойства которых приближены к механическим свойствам бедренной кости, а их пористая структура, в свою очередь, способствует врастанию живой ткани в глубь эндопротеза. Авторами выполнено проектирование и моделирование эндопротеза из градиентного материала, механические свойства которого соответствуют механическим свойствам бедренной кости человека. С помощью инструмента численного моделирования ANSYS Mechanical определено влияние топологии эндопротеза на напряженно-деформированное состояние кости и их совместную работу при различных видах активности человека.
Бесплатно
Рациональная конструкция магнитного фиксатора в съёмном зубочелюстном протезе
Статья научная
Предложена рациональная конструкция магнитного фиксатора в съёмном зубочелюстном протезе, использующая замкнутый магнитный контур. Решены прямая и обратная задачи оптимизации количества магнитных контуров на единицу длины. Получена универсальная аналитическая зависимость силы взаимодействия самарий-кобальтового магнита с ферромагнетиком. Уникальность данного соотношения состоит в том, что оно справедливо для самарий- кобальтового магнита цилиндрической формы произвольного объёма, причём сечение магнита может быть как круглым, так и овальным, квадратным и др., что немаловажно при выборе ортопедической конструкции в различных клинических ситуациях.
Бесплатно
Реакция височно-нижнечелюстного сустава и усилия жевательных мышц
Статья научная
Исследовано влияние точки приложения (точка на поверхности суставного мыщелка, определяемая как кратчайшее расстояние между суставными поверхностями височно-нижнечелюстного сустава) реакции в височно-нижнечелюстном суставе на ее величину, а также на величины усилий жевательных мышц. Одни и те же координаты точки приложения реакции могут получиться при различных положениях диска относительно суставных поверхностей. В данной работе получены следующие зависимости усилий мышц и реакции в височно-нижнечелюстном суставе: а) усилия в мышцах-поднимателях уменьшаются практически линейно по мере приближения точки приложения реакции к точке приложения силы кусания; б) усилия в мышцах-опускателях практически равны нулю; в) при симметричном нагружении проекции векторов реакций на ось, соединяющую центры мыщелков, равны нулю; г) величина реакции по мере приближения к нормальному положению точки приложения реакции (в норме находится в переднем отделе суставной щели) и точке приложения силы кусания (сила кусания приложена в плоскости симметрии нижней челюсти в области первых моляров) уменьшается, а затем вновь увеличивается, т.е. график зависимости имеет точку минимума; д) усилия в мышцах-выдвигателях (верхняя и нижняя наружные латерально-крыловидные мышцы) ведут себя более сложно: 1) усилие в верхней приблизительно равно константе по мере приближения к суставной ямке от слухового прохода, затем резко уменьшается почти до нуля, а потом вновь резко увеличивается после прохождения нормального положения диска; 2) усилие в нижней по мере приближения точки приложения реакции к точке приложения силы кусания начинает увеличиваться стремительно после прохождения нормального положения точки приложения реакции. Данные зависимости показывают, что верхняя и нижняя наружные латерально-крыловидные мышцы работают таким образом, чтобы височно-нижнечелюстной сустав мог выполнять свои функции, и предотвращают перегрузку диска, особенно при заднем и переднем положениях. Одним из выводов является то, что авторам удалось подтвердить утверждение о том, что величина реакции при правильном положении диска минимальна.
Бесплатно
Реализация методики коррекции прикуса человека
Статья научная
В работе анализируется методика коррекции прикуса с учетом количественных показателей состояния зубочелюстной системы человека. На основании алгоритма коррекции прикуса с учетом физиологических диапазонов нормальных значений стоматологических параметров, определяющих положение прикуса, проведен анализ влияния этих параметров на усилия жевательных мышц и реакцию височно-нижнечелюстного сустава. При увеличении угла ANB, отвечающего за передне-заднее положение нижней челюсти относительно черепа, величины усилий жевательных мышц и реакции височно-нижнечелюстного сустава практически линейно возрастают. Почти аналогичная картина зависимостей величин усилий жевательных мышц и реакции височно-нижнечелюстного сустава характерна для угла жевательной эффективности DoA за исключением правой границы нормальных физиологических значений, при которых величина усилия в передней медиальной крыловидной мышце и величина реакции височно-нижнечелюстного сустава начинает уменьшаться. Установлено также, что при увеличении угла наклона нижней челюсти FH-ML величины усилий жевательных мышц и реакция височно-нижнечелюстного сустава практически линейно убывают. В ходе анализа влияния точки приложения реакции височно-нижнечелюстного сустава, отвечающей за положение диска относительно суставных поверхностей мыщелка и височной кости, было получено, что при нахождении диска в физиологическом положении усилия жевательных мышц меняются незначительно, а при выходе из этого положения в переднее положение величины усилий в поверхностной и передней медиальной крыловидной мышцах, а также величина реакции височно-нижнечелюстного сустава резко начинают возрастать. Совместный учет влияния точки приложения реакции и стоматологических параметров в физиологических диапазонах их нормальных значений позволит, по мнению автора, уточнить прикус, выбранный стоматологом в рамках физиологических нормальных значений стоматологических параметров, чтобы при окончательной постановке прикуса ни одна из жевательных мышц не была перегружена по сравнению с другими, а также чтобы диск височно-нижнечелюстного сустава не был перегружен.
Бесплатно
Регуляция транскапиллярного обмена пульсовым давлением крови звена микрогемоциркуляции
Статья научная
Исследуются физические механизмы транскапиллярного обмена живого организма. Объектом исследования являются лабораторные животные, а в качестве экспериментальных средств используются оригинальные лазерный и электрофизиологический методы.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены вопросы динамического моделирования биомеханических систем, состоящих из большеберцовой кости человека и устройств внешней фиксации в виде простейшей рамной конструкции и аппарата Илизарова. Использован метод конечных элементов, реализованный в виде программного кода MechanicsFE на основе 20-узловых изопараметрических элементов. Численный вибрационный анализ позволил определить как основные низшие резонансные частоты и формы колебаний системы, так и амплитудно- частотные характеристики системы в различных точках на поверхности кости и фиксатора. Различные варианты механических параметров регенерирующей костной ткани в зоне перелома были рассмотрены для математического моделирования срастания кости. Значения резонансных частот и формы колебаний, полученные в результате вибрационного анализа неповрежденной кости и кости в аппарате внешней фиксации, могут служить теоретическим фундаментом для разработки вибрационных резонансных методов диагностики состояния костной мозоли после перелома и проведенной хирургической операции.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются результаты комплексной абилитации детей с дискинетической формой детского церебрального паралича (ДЦП) на примере конкретного ребёнка в возрасте 4 лет с данной формой заболевания с миоклоническим синдромом. Детальное исследование позволило авторам выявить у ребенка как характерные симптомы, свойственные больным с дискинетической формой ДЦП, так и специфические особенности, связанные с миоклоническим синдромом. С точки зрения авторов, к первым относятся наличие нескольких стереотипов ходьбы, высокий темп передвижения, слабый контроль за изменением темпа и длины шага, сгибательная позиция в суставах нижних конечностей, выраженная вариативность биомеханических и электромиографических параметров, увеличение угла сгибания в коленном суставе в опорную фазу шага, смещение экстремальных значений угловых перемещений вправо по временнóй оси, увеличение электрической активности мышц и её пролонгирование в течение локомоторного цикла. Во время миоклонического приступа отмечаются иные особенности походки, которые в ещё большей степени усугубляют нарушения биомеханической и иннервационной структуры ходьбы ребёнка, а именно: увеличение длительности локомоторного цикла, уменьшение длительности опорной фазы и увеличение длительности переносной фазы, уменьшение продолжительности фазы разгибания в коленном и тазобедренном суставах и увеличение длительности фазы сгибания в данных суставах, двухступенчатый характер угла сгибания в коленном и тазобедренном суставах на левой ноге, колебательный характер движений в тех же суставах на правой ноге, появление мощных и одновременных максимумов активности ряда мышц. Авторы детально обосновывают необходимость комплексной абилитации с применением детского экзоскелета у детей с дискинетической формой ДЦП, описывают особенности применения детского экзоскелета, организацию и программу ежедневных тренировок. Авторы показывают, что всего после пяти сеансов тренировки в экзоскелете у ребёнка отмечается выраженное улучшение функции передвижения: появляется только один двигательный стереотип, исчезает резкая вариативность походки, снижаются скорость и темп ходьбы, происходит переход от бега как единственно возможного способа передвижения к ходьбе, значительно уменьшается амплитуда движений в обоих тазобедренных и коленных суставах, при этом длительность отдельных фаз возрастает.
Бесплатно
Статья научная
Челюстно-лицевая имплантология имеет тенденцию к постоянному совершенствованию. Рассматриваемая проблема лежит в плоскости восстановления дефектов кости челюстей, образовавшихся по различным причинам. Постоянно меняется спектр имплантационных материалов, однако их структура остается неизменной - монолитной. Цифровые технологии позволяют создать структурированные имплантаты. Авторами предложены конструкции, состоящие из гранецентрированной кубической решетки кристалла, и разработана технологическая карта. Морфологические исследования, проведенные через 1, 3, 4 и 9 месяцев после пересадки имплантата с ячейками размером 250, 550 и 850 мкм, показали, что в эти сроки все ячейки содержали пластинчатую костную ткань с тем лишь отличием, что около ряда более мелких перемычек в 4 месяца еще встречаются отдельные островки грубоволокнистой кости. Это свидетельствует о перспективном направлении в реконструктивной хирургии. Ретроспективное исследование за период 15-летнего наблюдения после проведенных пластических операций показало их малоэффективность. Из 85 проведенных пластических операций осложнения выявили у 9 (37,5%) пациентов, что свидетельствует о необходимости поиска новых изменений в структуре материалов. В последнее время в тех или иных клинических случаях уже достигнуты определенные успехи. Тем не менее большее количество исследований находится пока на стадии теоретических разработок без проведения доклинических экспериментальных и клинических испытаний.
Бесплатно
Статья научная
В процессе эксплуатации протеза в кости, окружающей ножку, развивается остеопения (растёт пористость, убывает минеральное содержание) и, как следствие, уменьшается жесткость костной ткани, что ведет к расшатыванию эндопротеза. Рост пористости и деминерализация обусловлены факторами механической природы (адаптационной реакцией кости на снижение нагрузки) и нарушением питания проксимального отдела бедра в результате остеотомии и формирования костного ложа для эндопротеза. Цель работы состоит в количественной оценке влияния пористости костной ткани и деминерализации матрикса на уменьшение массы кости. Изменение во времени пористости и механических свойств костной ткани, окружающей ножку имплантата, моделируется с учётом взаимовлияния внутренней и внешней перестройки. Установлено несущественное влияние внешней перестройки на процесс адаптации плотной кости. Оценка вкладов пористости и деминерализации в общий баланс наблюдаемых потерь кости сделана с помощью полученного в работе уравнения баланса потерь массы костной ткани по известным экспериментальным данным. Согласно расчетам величина потери массы кости в проксимальной части протезированного бедра от деминерализации составила 70% от общей потери, тогда как на долю адаптационной резорбции приходится 30%.
Бесплатно
Роль главных деформаций в периодонтальной связке зуба при долговременной интрузии
Статья научная
Данная статья представляет собой предварительную теоретическую попытку вывести оригинальные количественные формулы в ортодонтии. Основываясь на ранее полученных аналитических формулах для напряжений и деформаций внутри периодонтальной связки (ПДС) для конкретного случая центрального резца в ходе интрузии, деформации были непосредственно связаны с движением поверхности раздела между альвеолярной костью и ПДС, называемой поверхностью кости. Строго показано, что нормальные и сдвиговые деформации в ПДС имеют одинаковую значимость для поверхности кости. В соответствии с этим и среднее арифметическое, и среднее геометрическое главных деформаций в ПДС играют важную роль в процессе перестройки. В целом предложенные формулы отличаются от предыдущих, которые успешно применялись для описания перестройки в длинных костях. Предложенная теория также подтверждена конечно- элементным анализом.
Бесплатно
Роль жидкой фазы и пористой структуры хряща в формировании биомеханических свойств суставов. Часть 1
Статья научная
Рассмотрены основные факторы, обусловливающие деформационные и фрикционные свойства хряща сустава при статическом и динамическом нагружении. Отмечается существенная нелинейность деформаций, обусловленная микрофильтрацией жидкости в хрящевом матриксе. Показано, что динамически оптимальное функционирование сустава в физиологической норме обеспечивается подвижностью двухфазной структуры хрящевой матрикс-синовиальная жидкость.
Бесплатно
Роль жидкой фазы и пористой структуры хряща в формировании биомеханических свойств суставов. Часть 2
Статья научная
Антифрикционные характеристики суставов обусловлены синергизмом хрящевого матрикса и присутствующей в нем жидкой фазы, который проявляется, в частности, в существовании градиента механических свойств хряща по глубине. Для послойной диагностики указанных свойств с минимальным воздействием на биоткань использован метод контактного индентирования и разработано устройство, позволяющее измерить контактные деформации с нанометрической точностью. Изучен процесс деформирования образцов суставных хрящей колена свиньи при сжатии и разгрузке в различных жидких средах; получены данные об изменении модуля упругости по глубине хряща. Показано, что, анализируя деформирование хряща в цикле «нагрузка/разгрузка», можно подбирать искусственные смазки, адекватные натуральной синовии. Разработанная экспериментальная техника применима для выбора материалов эндопротезов.
Бесплатно
