Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 925
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
Статья научная
Динамическая постуральная устойчивость зависит от интеграции сенсорных сигналов, нейромышечного контроля и биомеханической стабильности. Ключевую роль в этом процессе играет четырехглавая мышца бедра (m. quadriceps femoris), обеспечивающая разгибание и стабилизацию коленного сустава. Настоящее исследование направлено на оценку влияния пикового изокинетического крутящего момента четырехглавой мышцы бедра на показатели постурального баланса в условиях различной сенсорной сложности и с учётом когнитивного стиля участников. В эксперименте приняли участие 50 добровольцев в возрасте от 25 до 69 лет. Постуральная устойчивость изучалась с применением стабилографии на твердой и мягкой поверхности, с открытыми и закрытыми глазами. Анализ включал расчет частотных параметров (Pw1–Pw4), характеризующих вклад различных сенсорных систем в стабилизацию тела, а также измерение скорости смещения центра давления. Результаты показали значимые отрицательные корреляции между пиковым моментом m. quadriceps femoris и скоростью смещения центра давления (R ≤ -0,5; P ≤ 0,05 на твердой поверхности. R ≤ -0,6; P ≤ 0,05 при закрытых глазах). На мягкой поверхности с закрытыми глазами скорость смещения центра давления составила 19–32 мм/с у полезависимых и 16–25 мм/с у поленезависимых участников. Участники с полезависимым когнитивным стилем демонстрировали более высокую скорость смещения центра давления во всех условиях тестирования. Выводы: таким образом, мышечная сила четырёхглавой мышцы бедра вносит значительный вклад в динамическую постуральную устойчивость, преимущественно у лиц с полинезависимой сенсорной стратегией.
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
Биомеханический анализ развития и функционирования зубочелюстной системы человека
Статья научная
В работе рассмотрен фактор развития и функционирования зубочелюстной системы человека - биомеханическое давление. Термин «давление» понимается как механическое напряжение. Описано структурно- функциональное строение зубочелюстной системы в процессе ее фило- и онтогенеза. Показана роль биомеханического давления в этих процессах как основного фактора, обеспечивающего развитие и функционирование взаимосвязанных блоков зубочелюстной системы в норме и патологии. Рассмотрена задача определения мышечных усилий и реакций в височно- нижнечелюстном суставе. Для описания изменяющейся трабекулярной структуры использован тензор структуры (fabric tensor). Выделенный механический фактор позволяет определить круг задач биомеханики и выявить подходы к их постановкам и решениям.
Бесплатно
Биомеханический анализ разнотолщинной конструкции челюстного протеза верхней и нижней челюстей
Статья научная
В данной статье рассматриваются предложенные авторами конструкции протезов для замещения части удаленной верхней или нижней челюсти. Предложенные конструкционные особенности оценивались с помощью метода конечных элементов. Показано, что изменение толщины каркаса протеза приводит к снижению давления на слизистую оболочку в незакрепленных местах протеза.
Бесплатно
Биомеханический анализ ростовых деформаций
Статья научная
Деформации роста характерны в основном для живых систем. Рост происходит в каждом живом организме, а у человека он наиболее характерен для детского возраста. К сожалению, некоторые дети рождаются с врожденными патологиями, например, с врожденной расщелиной твердого нёба, и если не проводить лечение и не оказывать влияние на процессы роста, то такой ребенок может стать инвалидом. С точки зрения биомеханики и механики сплошной среды, деформации роста могут быть рассмотрены как собственные деформации. Также известно, что механические напряжения оказывают влияние на процессы роста, следовательно на ростовые деформации. Таким образом, ортодонтическое лечение может быть рассмотрено как управление ростовыми деформациями. В работе использован метод декомпозиции собственной деформации в линейно-упругом теле, позволяющий разложить собственную деформацию на две части: первая часть не вызывает напряжений в системе, а вторая часть не вызывает деформации системы. Показано применение данного подхода в решении задач независимого управления собственными деформациями, дана постановка задачи моделирования систем с собственными деформациями. Предложенный подход применен для моделирования ростовых деформаций при лечении врожденной расщелины твердого нёба. Получено определяющее соотношение для ростовой деформации, проведен его анализ и показано, что при определенных граничных условиях рост не будет вызывать напряжений в системе, что существенно упрощает процедуру решения задачи о накоплении ростовой деформации с течением времени. Этот результат важен для планирования оптимального ортопедического лечения данной патологии, которое приводит к задаче независимого управления деформациями системы посредством ростовых деформаций. Определяющее соотношение получено для изотропного однородного тела, так как костная ткань ребенка не имеет сформированной структуры и изотропна.
Бесплатно
Биомеханический анализ статики и походки пациентов с пателлофеморальным болевым синдромом
Статья научная
Пателлофеморальный болевой синдром (ПФБС) - это патология в области коленного сустава, которая часто наблюдается у молодых спортсменов и проявляется болью в области колена и периартикулярных тканей при исключении внутрисуставной патологии коленного сустава. В статье представлены результаты биомеханического исследования статики и ходьбы 47 пациентов с ПФБС и 34 здоровых лиц. Выявлены достоверные различия ряда гониометрических показателей у пациентов и у здоровых лиц при ходьбе. Продемонстрировано, что при ПФБС нарушения биомеханики касаются обеих нижних конечностей. Показано, что выраженность биомеханических нарушений при ходьбе может служить предиктором эффективности консервативной терапии ПФБС.
Бесплатно
Биомеханический анализ стратегий поддержания равновесия при вертикальном стоянии у человека
Статья научная
Исследуется устойчивость поддержания равновесия в сагиттальной плоскости при вертикальном стоянии у человека. Параметры управления по обратной связи определяются методом возмущений равновесия путем неожиданных коротких горизонтальных смещений опорной платформы. Анализ проводится в терминах собственных векторов уравнения движения на трехсуставной (голеностопный, тазобедренный и коленный суставы) модели тела. Показано, что движения вдоль собственных векторов (собственные движения) представляют собой целостные единицы двигательного контроля, которые независимо управляются центральной нервной системой по обратной связи при коррекции позы в ответ на внешние возмущения. Данное заключение согласуется с результатами предыдущей работы [2], показывающими, что собственные движения находятся также под независимым управлением центральной нервной системы и при целенаправленных движениях корпуса. Петля обратной связи в каждом из собственных движений может быть аппроксимирована линейной вязко-эластичной пружиной с временной задержкой. Задержка и коэффициенты усиления обратной связи являются результатом комбинированного влияния вязко-эластичных свойств нервно-мышечного аппарата и сенсорных сигналов различной модальности. Параметры управления по обратной связи лежат в области устойчивости.
Бесплатно
Статья научная
Целью исследования являлось биомеханическое моделирование развития и влияния аневризмы грудного отдела аорты на гемодинамику сосуда. Аневризма аорты представляет собой необратимое расширение аорты и является одним из заболеваний сердечно-сосудистой системы с высоким летальным исходом. Биомеханическое моделирование включало в себя медицинскую постановку задачи, построение виртуальной модели исследуемого объекта, задание граничных и начальных условий и свойств материалов, а также оценку результатов численного эксперимента на основе физиологических особенностей объекта. Для реализации численного расчета на основе данных компьютерной томографической ангиографии реального пациента были построены две трехмерные виртуальные модели грудной аорты: с аневризмой восходящего отдела и после протезирования. Для анализа развития патологии созданы дополнительные виртуальные модели с различной степенью аневризматического расширения. Расчет выполнен с учетом параметров, характеризующих работу сердечно-сосудистой системы человека (значение артериального давления, динамическая вязкость и плотность крови). Анализ результатов показал изменение характера течения крови, образование областей застоя крови в зоне аневризмы. Выявлено, что при увеличении геометрических размеров патологии происходит падение скорости кровотока и рост значений давления потока в аневризме. Асимметричное распределение значений давления на внутренней поверхности аорты, вызванное смещением вектора скорости потока относительно оси сосуда, может провоцировать дальнейшее развитие аневризмы.
Бесплатно
