Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 882
Статья научная
В статье даны физиологические обоснования впервые разработанного в отечественной медицине метода искусственной коррекции движений посредством электрической стимуляции мышц. Рассмотрены следующие аспекты: 1) идеология метода - фазовая электрическая стимуляция мышц в двигательном цикле в интервалах их наибольшего возбуждения и сокращения; 2) основные функции искусственной коррекции движений (терапевтическая, диагностическая, прогностическая); 3) концепция дефицита мышечной функции при патологической ходьбе; 4) гипотеза образования нового двигательного навыка под влиянием фазовой электрической стимуляции; 5) физиологические обоснования основных технологических операций при проведении метода искусственной коррекции движений (выбор корректируемых движений и стимулируемых мышц, определение амплитудной и временной программ электрической стимуляции, установление режимов электрической стимуляции при ходьбе). В заключение подчёркнута высокая эффективность метода искусственной коррекции движений для реабилитации большого контингента больных с нарушениями опорно-двигательных функций.
Бесплатно
Функциональная асимметрия мозга: механика пространственной организации мозга человека
Статья научная
Исследуется функциональная асимметрия мозга. Зависимость интеллектуальной деятельности человека в ее связи с функциональной асимметрией проверяется на основе эмпирического материала электроэнцефалографии. При тестировании электроэнцефалографии были проведены три дополнительных теста электроэнцефалографии по отношению к рутинным вариантам тестирования (подражание биологическому движению, подражание небиологическому движению, выполнение самостоятельных движений). Расчет средних значений импульсов электрозатрат мозга в симметричных точках снятия показаний электроэнцефалографии по всем испытуемым (51 человек) обнаружил, что в 80% случаев коэффициент корреляции больше 0,99, что статистически означает совпадение результатов измерений. Однако в 20% случаев статистические значения отражают несовпадение результатов в симметричных точках снятия показаний всех типов волн. Сделан вывод об относительности межполушарной асимметрии, так как оба полушария включаются в выполнение одних и тех же упражнений, участвуя в одних и тех же родах деятельности. Левое полушарие не только логически активно, но и функционирует в эмоционально-чувственной фазе активности (у праворуких), и наоборот, при повторном выполнении одних и тех же заданий начинает преобладать повышение амплитуды волн импульсов нейронов. Фиксируемое таким образом возбуждение (мю-ритм импульсов нейронов, или ритмы так называемого «холостого хода») означает переключение затрат энергоактивности мозга с одного полушария на другое: по законам соотношения тормозной доминанты и возбуждения пластичная реактивность в нейронной сети возможна лишь тогда, когда значительная область системы нейронов заторможена. Следовательно, роль функциональной асимметрии значительнее, чем роль межполушарной асимметрии. Спонтанная активность нейронов мозга, связанная с когнитивной мыслительной активностью, возникает на фоне десинхронизации эмоционально-чувственной активности. В результате энергозатраты идут не непосредственно на выполнение операции, а на создание подходящего фонового условия - подавление ритмов, связанных с жизнеобеспечением.
Бесплатно
Статья научная
Обследовано состояние насосной функции сердца, общего периферического сосудистого сопротивления и податливость артериального русла (начальная систолическая и конечная систолическая) в покое и при проведении дозированного изометрического нагрузочного теста с полиреокардиографическим мониторированием показателей гемодинамики у 169 больных гипертонической болезнью, из них 39 с перенесенным инфарктом миокарда, и у 150 здоровых людей. Отмечено выраженное снижение податливости артерий у больных гипертонической болезнью как в покое, так и на фоне нагрузки. Степень снижения податливости артерий зависела от стадии заболевания и была максимальной при гипертонической болезни III стадии, ассоциированной с перенесенным инфарктом миокарда.
Бесплатно
Хаотическая динамика параметров треморограмм в условиях стресс-воздействий
Статья научная
Выполнено практическое применение теории хаоса - самоорганизации в оценке стресс-реакции нервно-мышечной системы испытуемых на локальное низкотемпературное воздействие (охлаждение кисти руки). Показана низкая эффективность статистических методов расчета параметров треморограмм и высокая эффективность расчета параметров хаоса треморограмм. Практическая возможность применения метода расчета параметров фазовых пространств в двухмерном фазовом пространстве демонстрирует количественную меру реальных изменений параметров нервно-мышечной системы человека в условиях холодового воздействия. Анализ состояния биомеханической системы производился на основе сравнения площадей s фазовых плоскостей мужчин с различной физической подготовкой и метода расчета матриц парных сравнений выборок треморограмм. В конечном итоге анализ состояния биомеханической системы проводился на основе сравнения площадей фазовых плоскостей. Площади находились как произведение двух вариационных размахов фазовых координат Δ x 1 и Δ x 2, где x 1 - перемещения конечности, а х 2 - координата скорости перемещения конечности, х 2= dx 1/ dt. Уже в первом приближении площади фазовых плоскостей демонстрировали различия значений до и после локального холодового воздействия. После локального холодового воздействия на конкретных примерах происходит увеличение площадей фазовых плоскостей в 2-3 раза. При внешнем воздействии (холодовом) увеличивается доля стохастики, и у обоих испытуемых распределение площадей нормальное (в спокойном состоянии распределение ненормальное). Локальное холодовое воздействие приводит к трехкратному увеличению числа пар k совпадений выборок треморограмм у мужчин, и это не зависит от их физической подготовки. Такие охлаждения (как стресс-агенты) проявляются в рамках именно нового подхода (по параметрам площадей фазовых плоскостей).
Бесплатно
Статья научная
Коррекция врожденных деформаций позвоночника, включая аномалии формирования позвонков, остается ключевой задачей детской ортопедии. Патологии провоцируют биомеханические нарушения позвоночника, вызывая прогрессирующие искривления, ограничение подвижности и болевой синдром. Неэффективность консервативной терапии требует хирургического вмешательства – удаления аномальных структур, коррекции деформации и стабилизации позвоночника транспедикулярным эндофиксатором. Критическим фактором успеха операции является предоперационное планирование, включая выбор конфигурации фиксатора. В последние годы цифровые модели, активно применяемые в клинической практике, повышают точность хирургического планирования благодаря проведению биомеханического анализа, что позволяет прогнозировать поведение имплантатов и учитывать анатомические особенности пациента. Целью исследования является разработка цифровой модели биомеханической системы «позвонки – эндофиксатор» для оценки напряженно-деформированного состояния структур позвоночника и фиксирующих элементов во время операции. На основе данных компьютерной томографии пациента с деформацией 34° по Коббу разработана конечно-элементная модель системы «позвонки – эндофиксатор». Моделирование позволило провести детализированный анализ распределения напряжений, возникающих в костных тканях и имплантате при коррекции деформации. Результаты показали, что напряжения в костных структурах не превышают предельно допустимых значений. Однако в зонах контакта «винт – стержень» выявлены локальные пластические деформации. Полученные результаты могут быть использованы для улучшения предоперационного планирования и повышения надежности имплантатов при лечении искривлений позвоночника у детей.
Бесплатно
Статья научная
В период пандемии, вызванной вирусом CoViD -19, особого внимания требуют люди, относящиеся к группам риска. Одна из причин, которые формируют риск-факторы, - это нарушение адекватного кровообращения. Оценка резистентности микроциркуляции путем исследования эффективности функционального состояния резистивных сосудов - одна из ключевых проблем, связанных с кровообращением при артериальной гипертензии, сахарном диабете, феномене Рейно. В статье рассмотрены новейшие средства современной медицины - чат-бот-системы - и приведены некоторые пилотные результаты их апробации. В период карантинных ограничений, в том числе физического дистанцирования, особенно важен постоянный домашний контроль за лицами, нуждающимися в профилактике. Это можно осуществлять посредством простейших чат-бот-систем, которые описаны в статье.
Бесплатно
Численная модель прыжка с шестом с помощью конечно-элементного анализа
Статья научная
Рассматриваются прыжки с шестом как сложная дисциплина легкой атлетики, в которой спортсмены используют гибкий шест для преодоления высокой планки. В исследовании рассматриваются задачи, связанные с этой дисциплиной, включая влияние материала шеста, физических возможностей прыгуна и техники прыжков на спортивные результаты. В работе представлен новый анализ методом конечных элементов ( FEA ) в ANSYS , сфокусированный на преобразовании энергии в процессе взаимодействия шеста и прыгуна. Результаты моделирования подчеркивают влияние жесткости и длины шеста на высоту прыжка, а также влияние синхронизации между шестами и их положениями на результат. Также в статье подчеркивается, что результативность прыжков с шестом неразрывно связана с особенностями движения прыгуна и его способностью оптимизировать взаимодействие с шестом. Такое более глубокое понимание может помочь улучшить индивидуальные результаты в легкой атлетике.
Бесплатно
Статья научная
Главная цель исследования заключается в численной оценке с помощью метода конечных элементов того, как внутримозговой штифт, используемый для коррекции излома кости, влияет на поведение окружающих тканей. В процессе роста собаки могут испытывать неприятности от проксимальной лучелоктевой неконгруэнтности. Это в сочетании с фрагментацией медиального клювовидного отростка может также вызвать хрупкость передней конечности. Хирургическая процедура, используемая для лечения этой проблемы и восстановления нормальной подвижности собаки, основывается на хирургическом переломе, что позволяет восстановить правильный сустав. Были использованы три конечно-элементные модели, которые позволили проанализировать, как локтевая кость ведет себя после лечения при наличии внутримозгового стержня и после его удаления. Для этих трех моделей были проанализированы главные деформации, эквивалентные напряжения по Мизесу и перемещения. Результаты показали, что вставление внутримозгового штифта влияет на поведение кости, уменьшая минимальные главные деформации в пораженной области и, следовательно, увеличивая риск резорбции кости.
Бесплатно
Статья научная
Настоящее исследование посвящено оценке усталостной прочности конструкции самораскрывающегося опорного каркаса протеза клапана из никелида титана при воссоздании условий первичной имплантации в митральную позицию. Объектом исследования является стентоподобный опорный каркас, представляющий собой ячеистую конструкцию, выполняющую функцию основного крепления и поддержания формы створчатого аппарата и обшивки. Исследование включало две стадии формирования напряженно-деформированного состояния опорного каркаса: создание прочностной математической модели, обеспечивающей оценку состояния конструкции опорного каркаса в финальном состоянии и оценку усталостной прочности конструкции опорного каркаса при упаковке и раскрытии конструкции. Показано, что в ходе упаковки каркаса в систему доставки (обжатие) отмечена высокая степень локализации неупругих деформаций, приводящих к поверхностному разрушению ряда ячеек и сопряжений на конечной стадии процесса обжатия. В ряде вершин ячеек и сопряжений каркаса отмечено превышение коэффициента усталостной прочности своего предельного значения, что говорит об их разрушении под действием длительных циклических знакопеременных нагрузок. Основное влияние на усталостную прочность конструкции оказывает напряженно-деформированное состояние, полученное на этапах обжатия и имплантации. Для удовлетворения условиям статической и усталостной прочности требуется модификация конструкции опорного каркаса
Бесплатно
Статья научная
В ранее опубликованных работах авторов исследовалась адгезионная прочность при статической нагрузке на разрыв стоматологических цементных соединений индивидуального фрезерованного трансдентального имплантата с твердыми тканями корня зуба. На втором этапе исследовалось влияние искусственно сформированной шероховатости поверхности имплантатов на адгезионные свойства цементного соединения имплантат-зуб. Имплантаты подвергались пескоструйной обработке гранулами оксида алюминия размером 50, 150, 250 мкм - наилучшей оказалась искусственная шероховатость при обработке гранулами в 250 мкм. В настоящей работе представлен следующий этап исследований - влияние толщины цементного соединения «трансдентальный имплантат-цемент-дентин зуба» на его адгезионные свойства. Перед фрезерованием образцов трансдентальных имплантатов на цифровой модели проводили редукцию внутрикорневой части имплантата на 20, 50 и 100 мкм, подвергали пескоструйной обработке порошком оксида алюминия зерном 250 мкм и фиксировали в удаленном зубе цементы, наилучшим образом зарекомендовавшие себя в предыдущих исследованиях. Все испытания проводились на экспериментальной установке Instron 5900. Рассматривались имплантаты из диоксида циркония в сочетании с двумя наиболее эффективными цементами Fuji -1 и Multilink-N (с наиболее высокими адгезионно-прочностными характеристиками). В результате экспериментов сочетание материала из диоксида циркония с цементом Fuji -1 оказалось значительно лучше, чем с цементом Multilink-N . В работе проведено компьютерное моделирование процесса вытягивания прототипа циркониевого имплантата из образца корня зуба с различными толщинами цементной пленки: 20, 50 и 100 мкм. Получено удовлетворительное качественное и количественное согласование результатов трехмерного численного анализа с экспериментом: при уменьшении толщины цементной пленки от 100 до 20 мкм наблюдается улучшение свойств адгезионного соединения, а толщину 50 мкм можно считать оптимальной.
Бесплатно
Статья научная
Для изучения физико-механических свойств штифтовых культевых конструкций из диоксида циркония, изготовленных методом компьютерного моделирования и фрезерования (CAD\CAM), напряженно-деформированного состояния и их прочностных характеристик были проведены численно- экспериментальные исследования. Образцы представляли собой систему, состоящую из ранее удаленных зубов-премоляров с отсутствующей анатомической коронкой, препарированным корневым каналом и фиксированной в нем штифтовой культевой вкладкой, искусственной коронкой из диоксида циркония, фиксированной на культевой вкладке, и части корня. Препарированные зубы, подготовленные к установке штифтов, сканировались в зуботехнической лаборатории, после чего проводилось фрезерование вкладок из диоксида циркония. Исследовались две группы образцов: в первой группе они подвергались обработке в пескоструйной установке; во второй группе они не были подвержены никакой механической и температурной обработке. Для проведения испытаний прочности образцов на сжатие использовалась универсальная напольная машина для электромеханических испытаний Instron 5982 в статическом режиме в условиях однократной возрастающей нагрузки. Образцы испытывались с вертикальной нагрузкой и под углом 15º с пескоструйной обработкой порошком оксида алюминия и без обработки. Для каждого варианта получено значение силы, при которой происходило разрушение образца. Также было проведено численное исследование методом конечных элементов на разработанной математической модели зависимости напряженно-деформированного состояния образца от приложенной функциональной нагрузки, действующей вертикально на окклюзионную поверхность зуба и под углом 15º. Задача рассматривалась в осесимметричной постановке. Компьютерная модель включала зуб-премоляр с коронкой, корнем и штифтовой культевой вкладкой с учетом механических свойств материалов каждого из этих элементов. При увеличении угла действующей на коронку нагрузки от 0 до 15º разрушение образца наступает при меньших её значениях, примерно на 10-12 %; максимальные значения напряжений определились в верхней части коронки и шейке зуба (соединение коронки с корнем) - в экспериментах разрушение происходило именно в этих местах. Сравнение экспериментальных усредненных значений нагрузок, при которых происходило разрушение образцов, с численными значениями показало их хорошее согласование.
Бесплатно
Статья научная
Цель исследования – численная оценка влияния наклона первого премоляра и первого моляра нижней челюсти на напряженно-деформированное состояние мостовидного протеза и периодонта. Задача решена в плоско-деформированной постановке с применением метода конечных элементов. Исследовано влияние слоя стоматологического цемента на результаты расчета. Эквивалентные напряжения в мостовидном протезе и периодонте определены по теории Мизеса и наибольших главных напряжений, в цементе – по теории Мора. Показано, что учет в модели цемента не оказывает влияние на напряженно-деформированное состояние мостовидного протеза. Установлено, что имплантация мостовидного протеза при наклоне зубов в сторону дефекта способствует перераспределению жевательной силы и уменьшению нагрузки, действующей на периодонт, по сравнению с витальными наклоненными зубами.
Бесплатно
Статья научная
Современные авторы утверждают, что стеноз сонных артерий приводит к изменению кровотока в виллизиевом круге, что может способствовать формированию аневризм. Было обнаружено, что до 3,2 % пациентов со стенозом сонных артерий имеют ассоциированные аневризмы сосудов головного мозга. Более того, известно, что выполнение хирургического вмешательства по удалению стенозов сонных артерий может привести к уменьшению размеров аневризм головного мозга или их полному исчезновению. В связи с этим возникает проблема изучения влияния стеноза сонных артерий на развитие аневризм сосудов головного мозга человека. В работе выполнено биомеханическое исследование гемодинамики передней соединительной и задней соединительной артерий для различных вариантов строения виллизиевого круга в сочетании с атеросклеротическими бляшками сонных артерий. На основании данных компьютерной ангиографии было построено и проанализировано 45 моделей виллизиевого круга и сонных артерий с различной степенью стеноза и локализацией атеросклеротических бляшек. Численное моделирование нестационарного кровотока в виллизиевом круге и сонных артериях проводилось в Ansys CFX . Были проанализированы касательные напряжения на стенках передней и задней соединительных артерий, а также массовые кровотоки по этим артериям. Оценивалось влияние степени стеноза сонных артерий, а также их сочетания с патологиями в виллизиевом круге на изменение касательных напряжений на стенке и массовых кровотоков в соединительных артериях. Выявлены наиболее опасные сочетания стенозов сонных артерий и типов артериального круга головного мозга, повышающие риск развития аневризм соединительных артерий.
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 обоснованных рекомендаций для тактики эндопротезирования с недопокрытием вертлужного компонента. Численные исследования выполнены с помощью метода конечных элементов в пакете Siemens NX. Cтепень дисплазии оценивалась на основе оригинального способа интраоперационного измерения площади недопокрытия вертлужного компонента. Были проведены расчеты для чашек диаметром 52, 54 и 56 мм с учетом влияния контакного взаимодействия. Для решения задачи напряженно-деформируемого тела использовался метод конечных элементов. Численный алгоритм реализации контактного взаимодействия основан на итерационном процессе определения зоны контакта. На основе результатов численных расчетов был изучен механизм потери несущей способности ацетабулярного компонента, получены зависимости величины критической реакции в суставе от величины недопокрытия. Под критической величиной суставной реакции понималась наименьшая сила, при которой происходит потеря несущей способности, отождествляемая с появлением относительного скольжения в области контакта. Была выявлена стабильность имплантата при степени недопокрытия до 20 %; от 20 до 30 % - величина критической силы превышает 2 кН и уменьшается с увеличением процента недопокрытия. Полученные данные сравнивались с клиническими и экспериментальными, разница в определяемых величинах составляла порядка 1 кН (порядка 35 % в относительных величинах). На основании полученных данных было получено экспоненциальное приближение зависимости величины критической реакции в суставе от различной степени недопокрытия. Полученная зависимость величины допустимого недопокрытия от массы пациента позволяет хирургу индивидуально и объективно оценить возможность установки ацетабулярного компонента эндопротеза.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы является определение критической величины недопокрытия ацетабулярного компонента при подкреплении его винтом. Актуальность данного исследования продиктована клинической практикой и отсутствием обоснованных рекомендаций к тактике эндопротезирования с недопокрытием вертлужного компонента. Численные исследования выполнены с помощью метода конечных элементов в пакете Siemens NX. Cтепень дисплазии оценивалась на основе оригинального способа интраоперационного измерения площади недопокрытия вертлужного компонента. Были проведены расчеты для чашек диаметром 52, 54 и 56 мм, подкрепленных винтом. Численный алгоритм реализации контактного взаимодействия основан на итерационном процессе определения зоны контакта. На основе результатов натурных экспериментов была выявлена зона разрушения кости при установке винта, исходя из этого в расчетах анализировались напряжения в костной ткани в области установки винта. В работе получены зависимости величины критической реакции в суставе от величины недопокрытия. Под критической величиной суставной реакции понималась наименьшая сила, при которой происходит потеря несущей способности, отождествляемая с превышением допустимого значения наибольших касательных напряжений в области установки винта. На основании полученных данных было получено экспоненциальное приближение зависимости величины критической реакции в суставе, пересчитанной в массу пациента, от различной степени недопокрытия. Полученная зависимость величины допустимого недопокрытия от массы пациента позволяет хирургу индивидуально и объективно оценить возможность установки ацетабулярного компонента эндопротеза и принять решение об его укреплении винтом.
Бесплатно
Статья научная
Дегенеративно-дистрофические заболевания являются одной из главных причин нетрудоспособности населения среднего и старшего возраста. Одними из самых распространённых заболеваний такого типа являются остеопороз и остеонекроз головки бедренной кости. Для профилактики и лечения остеопороза, остеопении и остеонекроза применяют внешнюю механическую стимуляцию, основанную на локальном ультразвуковом или ударно-волновом воздействии в области патологии. Эффект внешнего механического воздействия основан на механобиологических принципах, суть которых заключается в том, что определённый уровень давления (механического напряжения) и деформаций приводит к росту и дифференцировке разного типа биологической ткани. Для получения терапевтического эффекта необходимо правильно выбирать параметры воздействия и место его приложения. Обычно эти задачи решаются эмпирическим путём. В данной работе численно исследована возможность создания условий для регенерации костной ткани при внешнем акустическом воздействии на здоровый тазобедренный сустав и сустав, поражённый остеонекрозом. Исследование выполнено с помощью метода подвижных клеточных автоматов. Полученные результаты показали эффективность применения средне- и высокоинтенсивного ультразвукового воздействия для профилактики остеопении и остеопороза. При воздействии ультразвуком на сустав с остеонекрозом головки создание условий для остеогенеза и хондрогенеза в поражённой области наблюдаются только при высокоинтенсивном нагружении. Таким образом, была подтверждена гипотеза о том, что низкоинтенсивная ультразвуковая терапия эффективна только в сочетании с другими методами лечения. Было установлено, что ударно-волновое воздействие малой интенсивности способствует делению биологических клеток и их переносу, создавая тем самым условия для регенерации костных тканей. Данный вывод согласуется с результатами большинства экспериментальных работ.
Бесплатно
Статья научная
Актуальность данного исследования продиктована высокой частотой встречаемости болезни Легга-Кальве-Пертеса. Она занимает 25-30 % среди всех заболеваний тазобедренного сустава в детском возрасте. Усложняет ситуацию отсутствие обоснованных рекомендаций к тактике оперативных вмешательств в целом и ротационно-флексионных остеотомий в частности. Целью исследования является определение напряженно-деформированного состояния сустава при различных направлениях и величинах угла ротации. Расчеты проводились с помощью компьютерного моделирования тазобедренного сустава с учетом локализации дегенеративно-дистрофического процесса и тяжести поражения эпифиза у детей и подростков на примере болезни Легга-Кальве-Пертеса. Численные исследования выполнены с помощью метода конечных элементов в пакете Siemens NX. В работе было учтено влияние следующих мышц: mm. piriformis, rectus femoris, iliopsoas, obturatorius internus, gluteus minimus, medius et maximus. Расчеты позволяют определить усилия, возникающие в мышцах, реактивную силу и реактивный момент, действующие в суставе при различных углах ротации (эти величины актуальны для оценки жесткости аппарата внешней фиксации). Были определены максимальные касательные напряжения и напряжения по Мизесу, возникающие в вертлужной впадине и на проксимальном участке бедренной кости. Оценка прочности производилась по максимальным касательным напряжениям. Так, в вертлужной впадине при ротации более 25º вперед и при ротации более 35º назад наибольшие величины максимальных касательных напряжений превышают 1,7 МПа; при ротации более 30º назад величина аналогичных напряжений превышает 6,4 МПа; при ротации вперед до 50º наибольшие максимальные касательные напряжения достигают величины в 5,0 МПа. Таким образом, при рассмотрении тактики проведения ротации стоит отметить, что при вращении назад на величину угла более 30º максимальные касательные напряжения в суставе попадают в нижнюю область критических значений, при 35º - в верхнюю область критических значений. При рассмотрении ротации вперед на угол более 25º максимальные касательные напряжения попадают в нижнюю область критических значений, перехода через верхнюю область критических значений при ротации до 50º не происходит.
Бесплатно
Статья научная
Для определения напряженно-деформированного состояния штифтовых культевых конструкций из диоксида циркония были проведены численные исследования. Расчетные модели представляли собой часть зубочелюстного сегмента (ЗЧС) в форме цилиндра, составленного из однокорневого зуба, дентина, периодонтальной связки, компактной кости альвеолы, десны, губчатой кости и ортопедической конструкции, состоящей из коронки, фиксированной на штифтовой культевой вкладке. Рассматривались три варианта моделей такой штифтовой конструкции. Численное исследование проводилось для трех различных толщин штифтовой части конструкции - стержня, которые были смоделированы следующим образом: объём 2-го и 3-го стержня увеличивался в два раза по сравнению с предыдущим: вариант 1 (тонкий стержень), вариант 2 (средний) и вариант 3 (толстый). Методом конечных элементов исследовано поле перемещений и напряжений по Мизесу как в самих конструкциях, так и в окружающих их тканях. Для сравнительного анализа во всех вариантах на окклюзионную поверхность коронки зуба задавались два варианта нагружения: распределенная вертикальная нагрузка 100 Н и такой же величины нагрузка под углом 45о. В результате численных исследований штифтовые конструкции вариантов 2 и 3 показали преимущество перед конструкцией с тонким стержнем (вариант 1) как по перемещениям, так и по напряжениям. К использованию на практике рекомендован вариант 2 (средняя толщина стержня). Конструкции такого типа могут использоваться для восстановления коронковой части зуба при полном её отсутствии или значительном разрушении, а также в качестве опоры мостовидного протеза.
Бесплатно
Численное исследование решетчатого метаматериала в моделях со смешанным типом конечных элементов
Статья научная
Аддитивные технологии открывают новые возможности для создания персонализированных имплантатов, обладающих неоднородной структурой. Численный анализ таких изделий сопровождается определенными трудностями, связанными с нерегулярностью исследуемой геометрии, локальными перепадами толщин и сложной пространственной топологией, обусловленной микроструктурными особенностями, что требует разработки специализированных подходов к дискретизации. Это является мотивацией к построению моделей из элементов различного типа, обеспечивающих баланс между вычислительной эффективностью и точностью. Работа посвящена численному моделированию решетчатых метаматериалов, изготовленных с использованием аддитивных технологий. Объектом исследования является метаматериал с решетчатой структурой, предназначенный для применения в интрамедуллярных штифтах. Для исследования напряженно-деформированного состояния было построено пять конечно-элементных моделей, включающих балочные, оболочечные и твердотельные элементы в различных комбинациях и с различными граничными условиями. Для каждой модели выполнялась оценка сеточной сходимости эквивалентных напряжений по Мизесу в трех характерных точках изделия и результирующей реакции. Для верификации численных результатов использовались данные натурных испытаний решетчатых и сплошных образцов. Величина результирующей реакции в численном моделировании оказалась выше медианных данных натурных испытаний, но находилась в доверительном интервале. Модель, состоящая исключительно из твердотельных элементов, показала наибольшие размахи результирующей реакции при варьировании граничных условий. Наиболее точное совпадение с экспериментальными данными продемонстрировала смешанная модель, включающая балочные, оболочечные и твердотельные элементы.
Бесплатно
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
