Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
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
Статья научная
Интрамедуллярный остеосинтез на сегодняшний день является одним из основных методов лечения переломов длинных трубчатых костей. Существует большой выбор как самих фиксаторов, так и фирм-изготовителей этих имплантатов. Задачей данного исследования было проведение биомеханического тестирования тремя видами интрамедуллярных стержней - ChM , ВNB (трёхлопастной), стержень СарНИИТО (Саратовского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии) и Fixion (Израиль) при переломах бедренной кости типа А 1, А 2, А 3 и В 1. По результатам исследования смещаемости отломков при разных типах переломов при воздействии на систему «кость-фиксатор» тремя видами нагрузок (осевой, поперечной и ротационной) - стабильность не одинаковая. Наиболее часто используемый стержень с поперечным блокированием (а может, и весь тип подобных стержней) показал достаточно хорошие показатели стабильности отломков, способных привести к достижению желаемого результата - сращению кости. Применение разных видов интрамедуллярных фиксаторов, основанных на отличающемся способе блокировки в кости (поперечно введенными винтами, путем расширения в костномозговом канале, врезанием лопастей в кость изнутри и спицей) позволяет более рационально подходить к увеличению стабильности фиксированного перелома путем использования их положительных сторон. Так, при переломе типа А 1 и А 2 лучше использовать стержень Fixion . При поперечной линии излома кости (типа А 3) предпочтение лучше отдать трехлопастному стержню BNB , поскольку поперечную и ротационную нагрузку он держит лучше, а при воздействии осевой - происходит аутодинамизация перелома (компрессия), стимулируя регенерацию. Переломы типа В 2 (оскольчатые, с малой линией контакта между отломками) требуют максимально возможной стабильности. Для этого лучше подходит стержень Fixion , блокирующийся на всем протяжении костномозгового канала. Но при его применении возможно отхождение осколка от материнского ложа при стабилизации стержня его расширением.
Бесплатно
Статья научная
Организм человека вследствие сложной иерархии биологических объектов (молекул, клеток, тканей и органов), образующих взаимосвязанные функциональные системы, является одним из самых затруднительных предметов научного исследования. Технологический прорыв в области диагностики и рассмотрения процессов, происходящих in vivo, а также развитие математических моделей сделали доступной возможность получить достоверные симуляции явлений в организме человека в норме и при патологии. К сожалению, вследствие вышеуказанной сложности это лишь отдельные результаты. Однако перед научным сообществом стоит более глобальная проблема - получить новые знания и объединить уже существующие, полученные для отдельных биологических объектов и систем организма, для создания виртуальной модели физиологии человека. Проект «Виртуальный физиологический человек» (Virtual Physiological Human), началом которого исторически принято считать ноябрь 2005, объединяет учёных из Европы, США и Австралии. Целями данного проекта являются: 1) объяснение и описание физиологических процессов в организме человека, а также патологических состояний и дисфункций;2) идентификация биомаркеров заболеваний для определения точного диагноза; 3) разработка инновационных лекарств;4) индивидуальный подход в лечении каждого пациента, основанный на его персональных характеристиках и особенностях организма, для повышения эффективности терапии;5) построение полной виртуальной модели человека.Целью данной работы является обоснование роли биомеханики в построении модели билиарной системы в рамках проекта «Виртуальный физиологический человек». Модель будет основана на методах вычислительной биомеханики, использовании экспериментальных данных о биологических объектах, входящих в систему, МРТ-снимках, определяющих уникальную анатомию пациента, а также многоуровневом моделировании. В качестве начального этапа в реализации модели в данной работе представлен обзор анатомии билиарной системы, включающей печень, систему желчных протоков, желчный пузырь, сфинктерный аппарат. Рассмотрена гидродинамика желчи в норме; функции печени и её составляющих компонентов на разных уровнях от макро- до нано-. Представлен обзор отдельных работ по биомеханике билиарной системы.
Бесплатно
Статья научная
Замещение послеоперационного дефекта верхней челюсти онкологического генеза у пациентов с полным отсутствием зубов сложная задача. По результатам механических испытаний конструкционных материалов и имитационного компьютерного моделирования биомеханики челюстного протеза-обтуратора авторы создали усовершенствованные конструкции обтуратора с заданными конструктивными характеристиками, что обеспечило эффективность стоматологического ортопедического лечения этой категории пациентов.
Бесплатно
Биомеханическое давление, сопутствующее формированию зубоальвеолярного блока у человека
Статья научная
Рассмотрено функционирование блоков зубочелюстной системы точки зрения механики. Выделен один из основных факторов, генерирующих рост, развитие и функционирование зубочелюстной системы - биомеханическое давление. Основное внимание уделяется этапам формирования зубоальвеолярного блока. Показано, что объяснение поведения блоков миниблоков в норме и патологии может быть осуществлено методами биомеханического моделирования.
Бесплатно
Статья научная
Данная работа посвящена биомеханическому и электромиографическому обоснованию применения фазовой электрической стимуляции мышц у детей с гемипаретической формой ДЦП (форма детского церебрального паралича, при которой двигательные расстройства более выражены в одной стороне тела). Под наблюдением находились две группы детей с данной формой ДЦП различного возраста - 8-10 лет (13 детей) и 13-14 лет (12 детей). Наши исследования показали, что возраст у данного контингента больных имеет принципиальное значение при разработке различных реабилитационных программ, в том числе программы фазовой электрической стимуляции мышц при ходьбе. Ходьба детей обеих групп характеризуется снижением скорости, темпа и длины шага, уменьшением устойчивости, асимметрией временных, кинематических, динамических и электромиографических параметров. Тем не менее у больных первой группы отмечается бóльшая симметрия биомеханических и особенно электромиографических параметров. В частности, у них наблюдается общее симметричное снижение активности мышц нижних конечностей с акцентом на мышцы дистальных отделов ног. У больных второй группы оказывается сформированным более компенсированный вид гемипаретической походки, при которой дефект имеет отчетливый односторонний дистальный характер и в значительной мере возмещается усилением работы мышц проксимальных отделов нижних конечностей. Полученные результаты указывают на необходимость дифференцированного подхода к реабилитации детей с гемипаретической формой ДЦП в зависимости от возраста. В частности, реабилитация детей младше 10 лет должна осуществляться так же, как у детей с диплегической формой ДЦП (форма детского церебрального паралича, при которой наблюдается двусторонний паралич одноименных частей тела). В аспекте применения фазовой электрической стимуляции это означает, что основным воздействием является коррекция разгибания и отведения в обоих тазобедренных суставах посредством электрической стимуляции больших и средних ягодичных мышц. Данную коррекцию целесообразно сочетать со вспомогательными коррекциями, а именно с коррекцией тыльного сгибания в голеностопном суставе посредством электрической стимуляции передней большеберцовой мышцы. Основными объектами коррекции у детей с гемипаретической формой ДЦП старше 10 лет является разгибание и отведение в тазобедренном суставе и тыльное сгибание в голеностопном суставе только на паретичной нижней конечности. С нашей точки зрения, такой дифференцированный подход должен распространяться не только на метод фазовой электрической стимуляции мышц при ходьбе, но и на другие методы восстановления двигательных функций у детей с гемипаретической формой ДЦП разного возраста.
Бесплатно
Статья научная
На основании клинико-биомеханических исследований выяснены медицинские показания к ортезированию нижних конечностей у больных с гемипарезом (частичным параличом с одной стороны тела) церебрального генеза. Выявлено, что наиболее выраженные локомоторные нарушения отмечаются при сочетании у больных рекурвации (переразгибания) в коленном суставе с эквинусной (деформация стопы, характеризующаяся ее стойким подошвенным сгибанием) или эквиноварусной (выворот внутрь и подошвенное сгибание стопы, косолапая стопа) деформацией стопы и голеностопного сустава. Детально рассмотрена биомеханическая и иннервационная структура ходьбы у данного контингента больных. Установлены основные биомеханические и физиологические особенности ходьбы этих пациентов: резкое снижение скорости передвижения, выраженная асимметрия временных, кинематических и динамических параметров, выпадение отдельных фаз двигательного цикла, изменение рисунка движений, уменьшение опорной и толчковой функций нижних конечностей, увеличение затрат энергии. В зависимости от степени поражения коленного и голеностопного суставов предложены три варианта ортезирования нижних конечностей. Выявлено, что уже на первом этапе выработки навыка ходьбы в ортезах у больных повышается опорная и толчковая функции нижних конечностей, уменьшается асимметрия, исчезает рекурвация в коленном суставе, снижается опора на трость, незначительно улучшается электромиографический профиль мышц.
Бесплатно
Биомеханическое исследование мыщелков нижней челюсти человека при тяжелых морфологических изменениях
Статья научная
Рассмотрены направления переноса нагрузки в мыщелках нижней челюсти при атрофических изменениях, вызванных остеоартритом в последней стадии. Анализируются морфологические изменения мыщелков нижней челюсти человека при регрессивных процессах. Для этой цели четыре мыщелка нижней челюсти человека с морфологическими изменениями (дегенеративные мыщелки) были проанализированы с помощью периферической количественной компьютерной томографии при толщине слоев 110 мм и интервале между слоями 150 мм. Также было измерено распределение плотности. Основываясь на изображениях, полученных методом компьютерной томографии, были изготовлены четыре трехмерных модели. Затем проведен линейный статический анализ на основе метода конечных элементов, что позволило оценить корреляцию между распределением напряжений и минеральной плотностью кости. При сравнении с нормальным мыщелком нижней челюсти было установлено, что объемное содержание спонгиозной ткани было меньше на 10% при умеренных дегенеративных изменениях и примерно на 50% - при тяжелых. Также было замечено, что передне-заднее расстояние было меньше у мыщелков плоского типа в сравнении с мыщелками углового типа. Корреляция между распределением напряжений и объемной минеральной плотностью была высокой в районе от медиальной до центральной области верхней части при умеренно дегенеративных мыщелках и от центральной до латеральной области верхней части при тяжелых дегенеративных поражениях. В заключение отмечается, что при тяжелом дегенеративном поражении мыщелков возникает тяжелая атрофия и зона, воспринимающая нагрузку, включает медиальную, центральную и латеральную области верхней части мыщелка. В противоположность этому при нормальных мыщелках нижней челюсти только центральная часть передней области мыщелка воспринимает нагрузку.
Бесплатно
Статья научная
Проведен сравнительный анализ двух вариантов хирургического лечения одностороннего продольного перелома крестца при трех возможных вариантах локализации линии разлома: кнаружи от суставного отростка, с внутренней стороны и непосредственно на самом отростке. Рассмотрены два типа фиксирующих конструкций: канюлированные крестцово-подвздошные винты и аналогичный вариант в комбинации с двусторонней пояснично-тазовой транспедикулярной конструкцией. Анализ и выбор наиболее рационального варианта лечения проводился методами биомеханики. Были выбраны критерии успешности, на основе которых оценивались варианты хирургического лечения. В результате численного моделирования статического нагружения рассматриваемого участка позвоночно-тазового комплекса и анализа полученных полей эквивалентных напряжений и перемещений было показано, что во всех случаях локализации линии перелома более рациональной с точки зрения биомеханики является установка транспедикулярной конструкции в сочетании с крестцово-подвздошными винтами. Самым нестабильным с точки зрения биомеханики является односторонний продольный перелом крестца, проходящий через суставной отросток.
Бесплатно
Статья научная
Спондилолистез заключается в смещении вышележащего позвонка относительно нижележащего. Современная медицина применяет декомпрессию и стабилизацию поврежденного позвоночно-двигательного сегмента позвоночника при выполнении хирургического реконструктивного лечения спондилолистеза. Для этих целей используются транспедикулярные фиксаторы совместно с заменителями межпозвонковых дисков. Возможна установка системы фиксации и без замены диска. Выбор типа фиксации и инструментария зависит от клинических данных пациента, опыта и предпочтений хирурга. При этом существует проблема выбора и обоснования выбора вариантов хирургического реконструктивного лечения спондилолистеза позвоночника. В данной работе выполнено биомеханическое исследование трех вариантов хирургического реконструктивного лечения с установкой транспедикулярных фиксаторов. Рассмотрены три варианта операций: без замены диска, с заменителем диска Mesh и заменителем диска Pezo-A. При анализе результатов моделирования и обосновании выбора наиболее рационального варианта лечения применялись выработанные биомеханические критерии хирургического реконструктивного лечения заболеваний и повреждений позвоночника. Анализ результатов расчетов показал, что наиболее рациональными с точки зрения биомеханики являются два варианта лечения, подразумевающие установку транспедикулярных винтов и заменителей межпозвонкового диска Mesh и Pezo-A. В соответствии с биомеханическими критериями успешности хирургического лечения ни один из этих вариантов не имеет существенных преимуществ. Поэтому окончательный выбор в пользу того или иного подхода необходимо делать, исходя из медицинских показателей конкретного пациента и личного опыта врача. Следует отметить, что вариант без замены поврежденного межпозвонкового диска является наименее предпочтительным.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование влияния усилий зубочелюстной системы на внутреннюю сонную артерию
Статья научная
В настоящее время сердечно-сосудистые заболевания во многих случаях могут являться причиной преждевременной смерти (более 30 % смертных случаев). В литературе отражены наблюдения о влиянии дисфункции височно-нижнечелюстного сустава на состояние шейного отдела внутренней сонной артерии. Под воздействием нагрузки в суставе в артерии образуются изгибы и, возможно, петлистости, что ведет к уменьшению объема мозгового кровообращения и развитию инсульта. На сегодняшний день отсутствует строгое описание влияния зубочелюстной системы в целом и височно-нижнечелюстного сустава в частности на питание головного мозга, которое по большей части идет по внутренней сонной артерии (до 80 % общего объема крови). Для количественной оценки влияния нагрузок на течение крови рассмотрен модельный пример, и показано уменьшение просвета сонной артерии на 34 % из-за усилий в височно-нижнечелюстном суставе. Для подтверждения гипотезы и объяснения механизма влияния нагрузок необходимо разработать биомеханическую модель взаимодействия внутренней сонной артерии и височно-нижнечелюстного сустава. Задача усложняется вариативностью характеристик живых структур от человека к человеку. В статье приводится подробное описание данной проблемы, предлагается постановка связанной задачи нагружения ветви сонной артерии усилиями в суставе и течения крови в этом участке артерии. Разработан алгоритм решения данной задачи через осреднение и упрощение модели. Приводится итерационная процедура взаимодействия в задачах теории упругости и осредненной задачи течения крови.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование диска височно-нижнечелюстного сустава как пороупругого тела
Статья научная
Диск височно-нижнечелюстного сустава играет ключевую роль в работоспособности самого сустава и зубочелюстного комплекса в целом. Основной фактор, влияющий на работоспособность диска, - величина механических напряжений, вызванных различными нагрузками. Для оценки значения и распределения этих напряжений необходимо провести биомеханическое моделирование диска. Наибольший интерес для моделирования представляет центральная зона суставного диска, наиболее подверженная сжимающим нагрузкам и не имеющая возможность для самовосстановления. Изучение гистологии и физилогии диска показывает, что оптимальной для описания механического поведения диска под нагрузкой является изотропная пороупругая модель. Она позволяет оценить напряженное состояние диска и объяснить с точки зрения механики роль синовиальной жидкости внутри него. В работе на основе постановки задачи линейной изотропной теории пороупругости построена модель поведения диска височно-нижнечелюстного сустава под нагрузкой. Решение основано на задаче Манделя и сводится к начально-краевой задаче для нестационарного параболического уравнения. Из анализа результатов видно, что распределение давления жидкости в диске при приложении постоянной силы позволяет снизить величину механических напряжений в упругом хрящевом скелете, защищая его от разрушения. Исследована зависимость величины давления синовиальной жидкости от коэффциента гидравлической проницаемости, для чего был проведен анализ результатов решения для модели с различными величинами этого коэффициента. Решение показывает, что чем ниже величина коэффициента, тем медленнее происходит перераспределение давления жидкости и напряжений в скелете, что приводит к повышению его жесткости. При более высоком значении коэффициента проницаемости перераспределение давления происходит быстрее, что снижает величину механических напряжений. Показано, что результаты биомеханического моделирования определяются во многом точностью экспериментального вычисления материальных констант.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование интраоперационного перелома проксимального отдела бедра
Статья научная
В работе исследовано пространственное линейно-упругое напряженно- деформированное состояние кортикального слоя бедренной кости после установки эндопротеза тазобедренного сустава с первичным натягом. Биомеханическая модель конструкции кость - эндопротез учитывает трансверсальную изотропию и неоднородность упругих характеристик кости. На границе между костью и ножкой металлического эндопротеза предполагается выполнение условия идеального контакта, которое реализуется за счет установки имплантата с технологическими напряжениями (с натягом). Проведен анализ совокупного влияния конструкции эндопротеза и возможных ошибок установки имплантата на риск возникновения интраоперационного перелома бедренной кости. Приведены результаты расчета напряженно-деформированного состояния костной ткани для трех наиболее распространенных типов конструкций имплантатов.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование искусственного вскармливания детей раннего возраста
Статья научная
Вскармливание детей раннего возраста с точки зрения приложения нагрузки на жевательный аппарат определяет формирование всей зубочелюстной системы и ее основных функций: сосания, дыхания, глотания и жевания. Экспериментально доказано, что искусственное вскармливание значительно отличается от естественного и не дает необходимой функциональной нагрузки на челюстно-лицевую область. Моделирование процесса кормления ребенка через соску позволит максимально приблизить условия искусственного вскармливания к условиям естественного. В работе представлена постановка задачи для моделирования искусственного вскармливания с целью приблизить биомеханические условия последнего к условиям функционирования зубочелюстной системы при естественном вскармливании.
Бесплатно
Статья научная
Хорошо известно, что улучшение комфорта в сидячем положении необходимо в качестве медицинской помощи для профилактики образования пролежней. В последние годы образование пролежней стало растущей социальной и медицинской проблемой, поэтому производители пытаются находить лучшие решения. Контактное взаимодействие между ягодицами и подушкой для сиденья является главным фактором в ощущении комфорта потребителя. В данной статье представлена конечно-элементная трехмерная модель контакта ягодиц с медицинской подушкой для сиденья с ячеистой структурой, которая изготовлена из термопластичного полиуретана для инвалидных кресел. Результаты показали, что использование подушки является необходимым и адаптируемым фактором для уменьшения напряжений в ягодицах и предотвращения образования пролежней.
Бесплатно
