Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
Биомеханические модели живой ткани
Статья обзорная
Эволюция живого привела к появлению многоклеточных организмов, в которых клетки дифференцируются, специализируясь на выполнении различных функций. Взаимодействуя друг с другом, клетки объединяются в большие группы, формируя ткани организма, и передают функцию управления над собой вышестоящему органу. Такое образование может рассматриваться как сложная биомеханическая система структурных единиц, управляемая химическими сигналами. Развитие компьютерных технологий и быстродействующих вычислительных систем привело к тому, что возникли условия для реалистичного моделирования биомеханики клеточной ткани, в рамках которой воспроизводится как осредненная динамика ткани, так и поведение каждой отдельной клетки. Математическое моделирование позволяет исследовать исторические аспекты эволюции живого, описать морфогенез конкретных организмов, понять процессы заживления в органах при их повреждении, изучить развитие опухолей, помочь в развитии технологии искусственного выращивания тканей. В данной работе представлен обзор работ, посвященных математическим моделям многоклеточной ткани живых организмов. При этом внимание сфокусировано на тех моделях, в которых клетка выделена как структурная единица сложной системы. Биомеханические модели классифицированы по способу задания ткани, по методу конструирования клеток, по размерности формируемой клетками ткани. Обсуждаются силы взаимодействия между клетками, а также топологические перестройки в ткани при интенсивном движении клеток. Рассмотрены результаты некоторых прикладных исследований, в которых было использовано компьютерное моделирование на основе предложенных моделей.
Бесплатно
Биомеханические основы естественного и искусственного вскармливания детей младшего возраста
Статья научная
На формирование зубочелюстной системы наряду с генетическими и другими факторами большое влияние оказывают механические воздействия. Акт сосания является необходимым этапом развития и формирования зубочелюстной системы человека как многоблочной специализированной биомеханической системы. При искусственном вскармливании во многих случаях изменяется механическая нагрузка на блоки жевательного аппарата, что приводит к отклонению в развитии челюстно-лицевой области ребенка и отрицательно влияет на формирование височно-нижнечелюстных суставов. Дисфункция суставов может приводить к сдавливанию и нарушению прямолинейности внутренней сонной артерии. При этом нарушается питание головного мозга, что может вызвать одонтогенный инсульт, приводящий, по статистическим данным, к смерти в 57 % случаев. Неправильное искусственное вскармливание является первичным звеном в цепи функциональных нарушений, являющихся наиболее частыми этиологическими факторами проявления зубочелюстных аномалий. В данной работе на основе биомеханического моделирования разработаны режимы искусственного вскармливания (размеры отверстия в соске, форма соски и т.д.), позволяющие приблизить энергосиловые характеристики к величинам, наблюдаемым при естественном вскармливании, что приведет к снижению частоты появления зубочелюстных аномалий. Поэтому построенные модели естественного и искусственного вскармливания позволяют проводить исследования зубочелюстной системы с позиций биомеханики и открывают для педиатров и стоматологов новые возможности влияния на ее формирование во все периоды жизни ребенка. Благодаря этому можно добиться улучшения диагностики аномалий развития и приобретенных заболеваний с учетом отдаленных последствий врачебного вмешательства.
Бесплатно
Биомеханические основы прогнозирования протекания каротидного атеросклероза
Статья научная
Численно решена серия задач, моделирующих поведение бифуркации сонной артерии в норме и при наличии атеросклеротического поражения. Результаты моделирования проанализированы с целью исследования влияния механических характеристик бляшки на поведение бифуркации сонной артерии. Решение итоговой системы уравнений проводилось методом конечных элементов в системе конечно-элементного анализа ANSYS. Для расчета течения крови был выбран модуль ANSYS CFX, а для расчета напряженно-деформированного состояния стенок применялся модуль Structural ( Mechanical ). Исследовано напряженно-деформированное состояние атеросклеротических бляшек: мягкая бляшка существенно отличается от жесткой, что создает условия для разрыва бляшки под воздействием давления крови и напряжения сдвига. Разница напряжений между жесткой бляшкой и здоровым сосудом при каротидном стенозе создает дополнительные потоки и завихрения, приводит к увеличению бляшки и развитию пристеночных тромбозов. Завихрения потоков и образование участка застоя в ампуле внутренней сонной артерии способствуют дальнейшему увеличению бляшек. Повышенный уровень эффективных напряжений на стыке участков здорового сосуда и пораженного атеросклерозом в случае мягкой бляшки создает условия для отрыва бляшек и дальнейшего тромбообразования. Анализ распределения гемодинамических сил указывает на слабые места в ампуле и узле бифуркации сонных артерий, что должно учитываться при наложении анастомозов во время реконструктивных операционных вмешательств.
Бесплатно
Биомеханические основы шинирования зубного ряда
Статья научная
В данной работе авторы обращаются к общепринятым в медицинской практике принципам, которыми руководствуются при выполнении операции шинирования зубов. Авторы делают попытку рассмотреть накопленный в стоматологии опыт, сведенный к ряду утверждений. В результате анализа оказалось, что часть принципов соответствует механическому представлению о процессах, происходящих при шинировании, а другая - требует пересмотра.
Бесплатно
Статья научная
Определена функциональная стабильность опорно-двигательного аппарата у детей с патологией краниовертебральной области. В работе представлен сравнительный анализ результатов стабило- и статокинезиометрических методов обследований 120 детей основной группы с различной патологией краниовертебральной области посттравматического и диспластического генеза и 18 детей группы сравнения без данной патологии. Изучена возможность использования стабилометрии для оценки статокинематических функций опорно-двигательного аппарата у детей с патологией краниовертебральной области. Показано, что биомеханические показатели пациентов с патологией краниовертебральной области имеют выраженные отличия от показателей группы сравнения. При этом четкого разделения между показателями основных групп выявлено не было, что объясняется преобладанием неспецифических статико-координаторных нарушений над специфическими. Выделены биомеханические критерии функциональных нарушений костно-мышечной системы у этой категории пациентов в виде смещения общего центра массы тела во фронтальной и сагиттальной плоскостях (вперёд и влево), а также увеличения длины статокинезиограммы в 3-4 раза и увеличения скорости колебаний общего центра массы тела в 1,5 раза по сравнению с контрольной группой.
Бесплатно
Статья научная
Современная хирургическая вертебрология считает транспедикулярную фиксацию наиболее эффективным и распространенным методом лечения пациентов с заболеваниями и травмами позвоночника, при которых необходима стабилизация и коррекция. Тем не менее этот способ лечения может сопровождаться быстрым прогрессированием дегенеративно-дистрофических изменений в позвоночно-двигательных сегментах, которые располагаются выше зафиксированных позвонков. Это влечет за собой формирование проксимального переходного кифоза, встречающегося в 26-39% случаев при задней ригидной фиксации позвонков. Считается, что таких постоперационных осложнений можно избежать, если при выполнении операции приводить в норму сагиттальные позвоночно-тазовые взаимоотношения. Предоперационное планирование, проводимое на основе биомеханического моделирования, позволит доказать необходимость выполнения коррекции и фиксации позвоночника в соответствии с индивидуальными параметрами сагиттального позвоночно-тазового баланса. В данной работе выполнено биомеханическое конечно-элементное моделирование хирургической коррекции и фиксации позвоночника для двух моделей: с несбалансированными в сагиттальной плоскости позвоночно-тазовыми отношениями и для сбалансированного позвоночно-тазового комплекса. В качестве исходных данных использовалась компьютерная томограмма и рентгенограмма конкретного пациента, перенесшего операцию на позвоночнике. Результаты конечно-элементного моделирования выявили существенные различия напряженно-деформированного состояния рассмотренных моделей и позволили сформулировать предпосылки формирования и быстрого прогрессирования дегенеративно-дистрофических изменений в позвоночно-двигательных сегментах, которые располагаются выше зафиксированных позвонков, а также обосновать с точки зрения биомеханики необходимость коррекции сагиттального профиля пациента при выполнении операций на позвоночно-тазовом комплексе.
Бесплатно
Биомеханические проблемы прыжка на лыжах с трамплина
Статья научная
Рассмотрены основные фазы прыжка на лыжах с трамплина (разгон, отталкивание, полёт и приземление) и связанные с ними задачи биомеханики. Приведен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию различных аспектов прыжка на лыжах с трамплина. Подробно рассмотрены различные методы определения аэродинамических коэффициентов лобового сопротивления и подъёмной силы в фазе полета. Обсуждаются задачи математического моделирования прыжка с трамплина.
Бесплатно
Биомеханические процессы в межпозвонковом диске шейного отдела позвоночника при его движении
Статья научная
Рассматриваются биомеханические процессы в межпозвонковом диске сегмента шейного отдела позвоночника при его движении в сагиттальной плоскости. Показано, что при движении позвоночника давление в пульпозных ядрах наиболее подвижных сегментов может возрастать примерно в 5 раз. Распределение давления внутри фиброзного кольца, рассматриваемого как набор мембран с желеобразным веществом между ними, возрастает от наружных слоев к пульпозному ядру. Данные по изменению объемов межпозвонковых дисков и давлению в пульпозном ядре диска позволяют рассмотреть механизм питания диска, связанный с диффузией плазмы вещества при движении позвонково-двигательных сегментов в сагиттальной плоскости.
Бесплатно
Статья научная
Анализируются механизмы питания межпозвонковых дисков шейного отдела позвоночника для двух сегментов: наиболее подвижного ( С 5 -С 6) и наименее подвижного ( С 2- С 3). На основе численных расчетов с использованием данных планиметрического исследования рентгенофункциональных изображений позвоночника определено, что в наиболее подвижных сегментах при сгибании позвоночника давление в межпозвонковых дисках существенно возрастает. Это дает возможность рассмотреть диффузионные процессы обмена веществ из ядра в околодисковое пространство, обусловленные градиентом давления. При разгибании позвоночника в наиболее подвижных сегментах диффузионный процесс идет в обратном направлении. При любом движении в сагиттальной плоскости для наименее подвижных сегментов изменение геометрии фиброзного кольца позволяет давлению в межпозвонковом диске не изменяться. Следовательно, основным механизмом питания диска для малоподвижных сегментов можно считать диффузионный процесс за счет перераспределения гравитационных нагрузок при изменении положения позвоночника. Для более подвижных сегментов может быть реализован комбинированный механизм питания диска: как за счет перераспределения гравитационных нагрузок, так и за счет движения позвоночника в сагиттальной плоскости. Определены средняя скорость диффузии метаболитов из диска в околодисковое пространство и время релаксации сегмента из напряженного состояния в равновесное, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными.
Бесплатно
Биомеханические свойства хирургических нитей с функциональным покрытием
Статья научная
С целью получения хирургического шовного материала исследуются фрикционно-механические свойства промышленно выпускаемых нитей на основе природных и синтетических волокон до и после модификации биоинертным полимерным покрытием на основе полипараксилилена (ППК). Проведены испытания образцов нитей на основе шелка, полиамида и полиэтилентерефталата в условиях одноосного растяжения и при трении по имитатору биоткани в сухом и влажном состоянии. Установлено, что, помимо улучшения биосовместимости, нанесение ППК-покрытия позволяет оптимизировать фиксирующие и манипуляционные свойства нитей.
Бесплатно
Биомеханический анализ адекватности протезирования клапанов сердца
Статья научная
Рассмотрена проблема восстановления клапанной функции сердца посредством протезирования. Построены компьютерные (2-D, 3-D) и физическая модели гемодинамики в зоне имплантации искусственного клапана дисковой конструкции. Проведенный анализ полей скоростей и давления позволяет оценить адекватность существующих протезов и способствует созданию новых технических решений, минимизирующих гидравлическое сопротивление, тромбообразование, гемолиз и регургитацию путем сохранения естественного кровотока.
Бесплатно
Биомеханический анализ водных локомоций на основе методики пространственной реконструкции гребка
Статья научная
В настоящее время большой интерес для изучения представляют водные локомоции в спорте. Игры Олимпиады включают 302 комплекта наград, из которых 68 разыгрываются в водной среде (гребля академическая - 14, гребля на байдарках и каноэ - 16, плавание - 34, водное поло - 2, синхронное плавание - 2). Понимание фундаментальных законов гидродинамики и биомеханики, выявление оптимальных параметров движения спортсменов в этих видах спорта в конечном счете определяют спортивный престиж России. Целью работы является создание методики пространственного анализа водных локомоций на основе скоростной видеосъемки, пространственной реконструкции и компьютерной визуализации. В качестве примера исследуется гребок, выполненный профессиональным спортсменом. Статья содержит исторический обзор изучения водных локомоций от работ Леонардо да Винчи до появления мощных компьютеров, а также описание сложностей, связанных с изучением движения в водной среде. Для пространственной регистрации гребка были использованы две высокоскоростные видеокамеры с частотой съемки 250 кадров в секунду, оптические оси которых были перпендикулярны. Для реконструкции траектории движения лопасти под водой были взяты четыре контрольные точки: место хвата весла левой руки, место хвата правой руки, середина древка весла, светоотражающий маркер антенны. Антенна представляла собой самодельное устройство, прикреплявшееся в середине древка весла для определения угла вращения весла вокруг собственной оси. Компьютерная реконструкция подводной траектории гребка осуществлялась по найденным пространственным координатам четырех видимых точек, служащих основанием для дальнейших расчетов. Для детального изучения взаимодействия весла с водой выполнялась реконструкция траекторий одиннадцати точек, лежащих по периметру лопасти. Для автоматизации вычислений и визуализации пространственной реконструкции движения весла в гидродинамической среде было написано специализированное компьютерное приложение Grebok 1.1, разработанное в среде программирования Borland Delphi с использованием открытой графической библиотеки OpenGL.
Бесплатно
Биомеханический анализ зубных имплантатов из сплава титана и диоксида циркония
Статья научная
На этапах выбора конструкции и в процессе установки зубного имплантата учитываются его оптимальные параметры. Определение последних зависит от объема костной ткани нижней челюсти и ее механических свойств. При выборе конструкции следует оценить уровень нагружений, развивающихся в процессе функционирования. В данной статье рассматриваются два вида систем: имплантаты из сплава титана и конструкции, выполненные из диоксида циркония. Оценивается возможность применения имплантатов на основе диоксида циркония путем анализа напряженно-деформированного состояния как самого имплантата, так и зоны имплантат-кость, где возникают большие перепады напряжений. Полученные напряжения в системе сравниваются с предельными напряжениями как для имплантата, так и для кортикальной и губчатой костной ткани.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты биомеханического моделирования конструкции капы из полиамида, армированного наноструктурированным диоксидом титана (5 и 10 мас. %), применяемой для лечения повышенной стираемости твердых тканей зубов у пациентов с бруксизмом. Потеря твердых тканей зубов приводит к изменению состояния прикуса с развитием миофункциональных и эстетических нарушений челюстно-лицевой области, что требует выбора упрочненного эстетичного конструкционного материала для изготовления капы. В литературных данных подчеркивается увеличение прочностных свойств полиамидного материала при введении в его состав наноструктурированного диоксида титана. Модуль упругости полиамида практически линейно увеличивается по отношению к введенному в его состав количеству диоксида титана от 0 до 5 мас. %. При большем увеличении количества введенного диоксида титана (10 мас. %) дальнейшего роста величины модуля упругости не происходит. Данный факт авторы связывают с необходимостью усовершенствования методики равномерного введения наноразмерного порошка диоксида титана в полиамидный материал. Наличие неравномерного распределения диоксида титана (10 мас. %) в виде гранул приводило к неоднородности материала и появлению концентраторов напряжений, повлиявших на снижение величины предела прочности и модуля упругости. Тем не менее полученные данные о напряжениях полиамида, армированного наноразмерным диоксидом титана (5 и 10 мас. %), свидетельствуют о целесообразности его применения при изготовлении конструкции капы для лечения последствий бруксизма в случаях, когда необходимо выдерживать повышенные нагрузки, возникающие в процессе патологического сжатия челюстей.
Бесплатно
Биомеханический анализ кламмерной системы фиксации протеза-обтуратора
Статья научная
Рост уровня травматизма с повреждением челюстно-лицевой области и количества больных с наличием новообразований челюстных костей приводит к развитию стойких эстетико-функциональных нарушений, тяжесть которых определяется объемом дефекта. Наибольшую трудность при ортопедическом лечении представляют приобретенные дефекты верхней челюсти с наличием ороназальное сообщения, когда приходится решать вопросы фиксации протеза, восполнения функциональной и эстетической целостности зубочелюстной системы, создания герметизма на границе сообщения полости рта с полостью носа. Статья посвящена биомеханическому анализу напряженно-деформированного состояния в зубочелюстной системе человека, вызванного установкой протеза-обтуратора. Предложено изготавливать протез из полиамидного материала Vertex ThermoSens с добавлением наноразмерного диоксида титана в количестве до 1 мас. %. Особое внимание уделено оценке влияния окклюзионной накладки кламмера на распределение напряжений в зубе при действии максимальных окклюзионных нагрузок. Расчеты проведены на основе линейной теории упругости для изотропного тела. Геометрия расчетной области построена на основе 3D-сканирования протеза-обтуратора. В результате расчетов дано обоснование кламмерной системы фиксации протеза-обтуратора с использованием данного материала, выполненной по типу опорно-удерживающего кламмера. Полученные напряжения были меньше, чем максимально допустимые напряжения в материале. На границе зуб-плечо кламмера также не было зафиксировано критических напряжений.
Бесплатно
Статья научная
Предложен несъемно-разборный мостовидный протез для замещения включенного дефекта бокового отдела зубного ряда, осложненного горизонтальными вторичными деформациями. Традиционные конструкции несъемных мостовидных протезов невозможно использовать при наклоне опорных зубов более 30° без депульпирования и сошлифовывания большого слоя твердых тканей зубов. Данный мостовидный протез дает возможность препарировать опорные зубы с минимальным снятием твердых тканей и исключает их депульпирование. Использование конструкции при конвергенции опорных зубов более 30° достигается за счет соединения частей несъемно-разборного мостовидного протеза двумя экстракоронарными неактивируемыми рельсовыми замками в виде трубки с силовым креплением и за счет окклюзионной накладки на дистальную опорную коронку, что позволяет равномерно распределять жевательную нагрузку и напряжения в костной ткани. Целью работы являются расчет полей напряжений в протезе при некоторых характерных величинах жевательной нагрузки и оценка необходимой и достаточной прочности материала, используемого в конструкции протеза. В ходе работы была построена трехмерная модель несъемно-разборного мостовидного протеза, замещающего отсутствие первого моляра и второго премоляра, проведены статические расчеты полей напряжений в программном пакете ANSYS, а также показано уменьшение максимальных напряжений при использовании накладки в конструкции протеза.
Бесплатно
Биомеханический анализ новых конструкций адгезивных мостовидных протезов
Статья научная
Цель исследования – численный анализ напряженно-деформированного состояния новых конструкций несъемных адгезивных мостовидных протезов из полиметилметакрилата для замещения отсутствующего второго премоляра нижней челюсти с опорой на первый премоляр и первый моляр. Трехмерные модели протезов (с традиционным (Т) путем введения, а также разработаннные – с вестибулооральным (ВО) и орально-вестибулярным (ОВ) путем введения) получены по результатам сканирования в 3D-сканере S600 ARI (ZirkonZahn GmbH) и последующей обработки в программе Modellier (ZirkonZahn GmbH). Для определения напряженно-деформированного состояния адгезивного мостовидного протеза использовался пакет конечно-элементного моделирования ANSYS. Нагрузка, действующая в орально-вестибулярном направлении и равная 100 Н, прикладывалась под разными углами к узлам, локализованным в областях эмалевых гребней для моделирования окклюзионных контактов зубов-антагонистов. Установлено, что направление вектора окклюзионных сил значительно влияет на значения эквивалентных (по Мизесу) напряжений и перемещений в адгезивном мостовидном протезе. Показано, что в адгезивном мостовидном протезе типа Т возникали наименьшие перемещения и напряжения, в то время как в адгезивном мостовидном протезе типа ОВ перемещения и напряжения принимали наибольшие значения на всем диапазоне изменения угла действия нагрузки. Увеличение модуля упругости первого рода (Юнга) конструкционного материала протеза приводит к уменьшению максимальных перемещений, в то время как напряжения в протезе изменяются очень незначительно. Расчетным путем показано, что долговечность конструкций адгезивного мостовидного протеза из полиметилметакрилата составляет 233 дня (ОВ), 780 дней (ВО) и 1458 дней (Т) при средней жевательной нагрузке, равной 100 Н, что свидетельствует о возможности использования данных протезов в качестве предварительных (временных).
Бесплатно
Биомеханический анализ периодонтальной связки. Часть 1
Статья научная
Рассмотрена проблема реконструкции периодонта зубочелюстной системы. С позиций биомеханики проведен структурно-функциональный анализ периодонтальной связки, соединяющей корень зуба с альвеолярной костью. В отличие от обычно используемой модели однородного изотропного слоя периодонтальная связка интерпретируется как направленно армированный (трансверсально-изотропный) пороматериал. Рассматривается возможность замены периодонта искусственными аналогами. Представляется, что высокая биосовместимость, эластичность, вязкость, адгезия к твердым биотканям и достаточная прочность ряда полимеров позволяет считать их наиболее пригодными материалами для создания искусственной периодонтальной связки.
Бесплатно
Биомеханический анализ периодонтальной связки. Часть 2
Статья научная
Анализируется нормальная и тангенциальная жесткость периодонтальной связки с учетом пористости и анизотропии указанного биоматериала. Для составления уравнений равновесия в рамках макроскопической модели вводится предположение о правомерности гипотезы ортотропного основания Винклера. Эффективные деформационные характеристики связки определяются на основе статистического метода моментных функций, дающего наиболее точные оценки свойств пористой матрицы при объемной доле содержания пор менее 80%, и соотношений теории армирования в предположении абсолютной адгезии и линейной упругости волокон коллагена и соединительной ткани. Полученные результаты сравниваются с конечноэлементным решением.
Бесплатно
Статья научная
Представлен пострезекционный протез-обтуратор для верхней челюсти человека, изготовленный из полиамида. Авторами предложено армирование полиамида VertexThermoSens наноструктурированным диоксидом титана в количестве до 1 мас. %. Новый материал снижает уровень развития патогенной биофлоры на протезе и улучшает качество ортопедического лечения пациентов с приобретенными дефектами верхней челюсти за счет снижения возможных осложнений воспалительного характера. Проведены исследования механических свойств полученного материала с помощью электромеханической системы Instron 5965. Испытания проведены по ГОСТу 31572-2012, скорость нагружения составила 5 мм/мин. Нагружение осуществлялось до достижения перемещением значения 4 мм, после чего испытание останавливалось, образец разгружался и вынимался из приспособления. Определены модуль Юнга и максимальные напряжения армированного полиамида. Выполнено сравнение свойств нового материала с акриловой пластмассой. Поставлена задача линейной теории упругости для протеза-обтуратора в рамках малых деформаций. Задача решена методом конечных элементов. Для построения 3D-модели протеза использован сканер Artec Eva. В результате показано, что данный протез обладает необходимыми механическими свойствами и способен выдержать функциональные нагрузки. На основании исследований предложенный материал может быть рекомендован для использования в клинической практике при изготовлении сложночелюстных протезов и аппаратов.
Бесплатно
