Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 830
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
Статья научная
Боль в поясничной области или другой части позвоночника - это важная причина снижения качества жизни и работоспособности населения, что напрямую влияет на экономику стран в целом. Каждый год в здравоохранении выделяется огромное количество средств на борьбу с этим недугом. Причины появления этой боли очень разнообразны: спазмы мышц, заболевания почек, остеопороз позвонков, грыжи межпозвоночных дисков и т.д. Доказано, что межпозвоночный диск L 4- L 5 является самой уязвимой частью поясничного отдела позвоночника, поэтому задача биомеханического моделирования межпозвоночного диска считается важной и актуальной в современном мире. Проведен комплексный анализ литературы за период с 2005 по 2018 г. Цель работы - рассмотреть разнообразные подходы к моделированию межпозвоночного симфиза, сильные и слабые стороны моделей и способы получения геометрической формы диска. В статье анализируются параметры: выбор определяющих соотношений, использование набора снимков компьютерной томографии или магнитно-резонансной томографии, геометрическая форма любой составной части модели, тип конечных элементов, программные пакеты (при выборе расчета напряженно-деформированного состояния и при получении геометрической формы из набора снимков компьютерной или магнитно-резонансной томографии), влияние возраста и пола на модель в целом. Подробно разобрана каждая составляющая часть межпозвоночного хряща: пульпозное ядро, фиброзное кольцо (матрикс и эластические волокна), хрящевая замыкательная пластинка, костная пластинка.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование мочевого пузыря в норме, при патологии и реконструкции
Статья научная
Разработан алгоритм построения биомеханических моделей и анализа напряженно-деформированного состояния мочевого пузыря в норме, при патологии и реконструкции. Проведено исследование зависимости напряженно- деформированного состояния естественного, патологически измененного и искусственного мочевого пузыря в момент открытия внутреннего сфинктера от его геометрических параметров.
Бесплатно
Статья научная
В настоящем исследовании методы компьютерной биомеханики применены для оценки надежности реставрационных конструкций эндодонтически леченых зубов. Представлены результаты численного моделирования биомеханического поведения реставрированного центрального резца верхней челюсти под окклюзионной нагрузкой в 100 Н при различных типах прикуса. С этой целью построена трехмерная модель зуба, включающая в себя элементы сохранившихся твердых тканей, периодонтальную связку с участком альвеолярной кости и элементы постэндодонтической реставрации, и проведены вариативные расчеты напряженно-деформированных состояний в структурах зуба под окклюзионной нагрузкой при различных комбинациях материалов и дизайне конструкций. В частности, изучено влияние материалов армирующего элемента и фиксирующего цемента, а также способов фиксации штифта в корневом канале на функциональные характеристики реставрированного зуба. Проведено сравнение напряженно-деформированных состояний зубов, восстановленных с применением фиксирующего стекловолоконный штифт композитного полимерного цемента RelyX ARC (3M ESPE), предполагающего удаление разрушенного (смазанного) слоя дентина перед нанесением слоя адгезивной системы, и самопротравливающего композитного полимерного цемента RelyX Unicem Self-Adhesive Universal Resin Cement (3M ESPE ), сохраняющего смазанный слой, для случаев прямого и физиологического прикусов. Спроектированная 3 D -модель может быть применена для доклинической оценки и сравнения долговечности различных видов постэндодонтических реставрационных конструкций.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование осесимметричного стеноза левой коронарной артерии
Статья научная
По данным Всемирной организации здравоохранения болезни сердечно-сосудистой системы занимают лидирующее место по инвалидизации и смертности населения развитых стран, а поражение коронарных артерий, в свою очередь, ведет к ишемической болезни сердца, которая является опасным заболеванием. Следовательно, необходимо прогнозировать течение заболеваний коронарных артерий, одним из которых является стеноз. Более того, необходимо отметить, что моделирование поражения именно левой коронарной артерии представляет наибольший практический интерес для кардиохирургов в силу специфики сосуда. Поэтому целью данной работы является исследование основных биомеханических характеристик осесимметрично стенозированной левой коронарной артерии. Для достижения поставленной цели было проведено компьютерное 3 D -моделирование левой коронарной артерии и ее прямолинейного сегмента, исследование его основных механических параметров в соответствии с патофизиологическими особенностями осесимметричного стеноза и численный анализ напряженно-деформированного состояния в программной среде с использованием метода конечных элементов SolidWorks 2012. При моделировании материал левой коронарной артерии считался линейным изотропным, что позволило сделать исследование корректным. В результате исследований был проведен сравнительных анализ влияния граничных условий левой коронарной артерии и геометрических характеристик стеноза на основные механические параметры, что позволит в дальнейшем устранить излишние факторы, влияющие на условия компьютерного моделирования. Более того, необходимо отметить, что результаты данной работы позволяют говорить о создании дополнительной экспертной системы, с помощью которой можно было бы прогнозировать результаты хирургической коррекции сосудов – стентирования, а следовательно, уменьшать риск развития рестеноза в левой коронарной артерии, вызванного механическим повреждением интимы.
Бесплатно
Статья научная
Проблема заболеваний пародонта до настоящего времени остается в центре внимания многочисленных исследований и является актуальной в стоматологии. Это обусловлено широкой распространенностью (80-95 %) заболеваний пародонта, сложностями диагностики в связи с многообразием клинических проявлений, трудностями лечения и профилактики. Одним из способов увеличения эффективности лечения заболеваний пародонта является шинирование подвижных зубов (стягивание зубов крепкой тонкой проволокой). Применение биомеханического моделирования при планировании шинирования у данной группы пациентов позволит усовершенствовать существующие методы несъемного шинирования зубных рядов. Для этого с помощью пакета ANSYS авторами был произведен расчет напряжений, деформаций и перемещений, возникающих в волокне и зубах. Было исследовано два материала для шинирования: стекловолокно как наиболее используемый материал в существующей стоматологической практике и базальтовое волокно - новый для стоматологии материал, но имеющий лучшие физико-механические характеристики в сравнении со стекловолокном. В ходе биомеханического исследования выяснено, что величины интенсивностей напряжений в волокне не превышают допустимых значений предела прочности в обоих случаях, но запас прочности для случая базальтового волокна выше, чем при использовании стекловолокна. Решение задачи о возможности применения базальта как шинирующего материала является первым этапом в выборе диаметра волокна, места установки, количества зубов, участвующих при установке волокна, и количества волокон (количестве пазов) при учете поведения костной ткани нижней челюсти, твердых тканей зубов и периодонта под жевательной нагрузкой.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование процедуры кариес-инфильтрации фотополимера в зубную эмаль
Статья научная
Исследование направлено на определение эффективности лечения кариеса зубов человека методом инфильтрации в эмаль светоотверждаемого полимера. Процедура кариес-инфильтрации является перспективной технологией лечения начального кариеса. В результате насыщения эмали полимером прекращается развитие болезни. За счет того, что источник деминерализации можно заблокировать еще на этапе зарождения кариеса, появляется возможность прервать развитие процесса на стадии, когда еще можно сохранить целостность зуба и при этом обойтись без механического повреждения эмали и нарушения естественной структуры зуба в целом. В данной работе с помощью математического моделирования и применения пакета программ конечно-элементного анализа исследование инфильтрационного метода лечения кариеса было проведено с позиции капиллярных явлений на основе решения задачи о диффузии химически реагирующей смеси в системе «ротовая полость - зуб - организм», позволившей определить поврежденность структуры твердых тканей в очаге деминерализации. Качественная и количественная оценка необходимых параметров, имеющих функциональную взаимозависимость, была осуществлена с помощью численных экспериментов на тестовых моделях. Дополнительное исследование позволило подобрать параметры, при которых наблюдались наибольшая физичность картины инфильтрации и качественное соответствие реальному процессу. Некоторые свойства инфильтрата были получены экспериментально. Результаты расчетов, проведенных на основе построенной модели, отражают картину процесса инфильтрации фотополимера в зависимости как от свойств инфильтрата, так и от характера объемного распределения кариозной поврежденности в пористой структуре эмали. На практике это позволяет определить время, необходимое для инфильтрации зоны, полностью охватывающей очаг деминерализации, что является критерием при оценке эффективности процедуры лечения инфильтрационным методом.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование резекционного протеза верхней челюсти с шарнирным креплением
Статья научная
Предложена и рассмотрена математическая модель оценки напряженно-деформированного состояния и прочности нескольких вариантов конструктивного исполнения резекционного протеза верхней челюсти, используемого в особо тяжелых случаях, связанных с ампутацией части челюстной кости. В работе предложена новая конструкция резекционного протеза, не имеющая аналогов в стоматологической практике и показавшая свою эффективность в практических условиях. Проведена биомеханическая оценка различных типоразмеров разработанных и предложенных конструкций протезов, изготовленных из различных известных и наиболее распространенных и перспективных современных стоматологических конструкционных материалов, также проведено сопоставление и сравнение полученных расчетным путем результатов. Анализ проведенных результатов математического моделирования позволил определить вариант наиболее оптимальной конструкции, отвечающей большинству требований к таким изделиям. Построены эпюры внутренних силовых факторов, действующих в материале каждой из рассмотренных модификаций. Анализ полученных результатов позволяет выявить местоположение и оценить состояние наиболее опасных с точки зрения механической прочности участков конструкции резекционных протезов. Предложенную и разработанную авторами математическую модель возможно использовать для оценки прочности аналогичных конструкций при разных способах их крепления к здоровым зубам верхней челюсти после резекции заболевших участков, что помогает возвратить пострадавшим способность к активной жизни и возможность самостоятельного питания. Проведенный анализ теоретических результатов, сравнение их с соответствующими конструктивными параметрами различных конструкций протезов, используемых в настоящее время в стоматологической практике, показал их полное соответствие всему комплексу требований к таким изделиям, а также возможность использования разработанной конструкции в практических целях при лечении тяжелых стоматологических заболеваний.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование скольжения нервов верхней конечности
Статья научная
На основе данных анатомических и клинических исследований сформированы основные положения математической модели перемещения нервов (срединного, локтевого, лучевого) в каждой фиксированной точке вдоль верхней конечности. Учет механизма скольжения нерва является одним из существенных моментов современной концепции лечения больных с повреждениями периферических нервов, потому что нерв обладает значительной подвижностью как по отношению к окружающим тканям, так и имеется подвижность нервного ствола в пределах эпиневрия, и кровеносные сосуды вступают в нерв по его нижней поверхности через мезоневрий, т. е. длина сосудистой ножки нерва определяет подвижность нерва на данном участке. Анатомическая часть работы была выполнена на 60 анатомических препаратах (30 трупов мужчин, умерших в возрасте от 17 до 70 лет). Измеряли длину сосудистой ножки перфорант плечевой, локтевой и лучевой артерий. Использована механическая модель сустава в виде цилиндрического шарнира с двумя характерными радиусами. Нервы рассматривались как упругие пружины с закрепленными концами. Найдены формулы для относительного смещения срединного, лучевого и локтевого нервов в результате сгибания-разгибания. Персонализированные параметры модели могут быть измерены непосредственно или с использованием рентгенографии. Определена длина сосудистой ножки лоскута, которая позволяет выполнить реваскуляризацию (улучшение кровообращения в зоне повреждения нерва) с сохранением возможности возвратно-поступательных движений нерва. Для демонстрации использования предложенной методики расчетов длин сосудистых ножек приведен пример по реконструкции срединного, лучевого и локтевого нервов при их полном разрыве.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование трабекулярной костной ткани в состоянии равновесия
Статья научная
В XXI веке J. Wolff отметил, что кость здорового человека или животного адаптируется к тем нагрузкам, которым подвергается. На уровне ткани в кости просматриваются слабопористые участки компактного вещества и сильнопористые - трабекулярного (губчатого). Известно, что в трабекулярной костной ткани механизм адаптации реализуется посредством выстраивания трабекул (костных балочек, образующих твердый матрикс) вдоль линии действия преобладающей нагрузки. При достижении трабекулярной тканью оптимальной структуры для существующего в локальной области нагружения кость переходит в состояние равновесия (гомеостаза). В своих работах S. Cowin предложил описывать положение трабекул в каждый дискретный момент времени главными направлениями тензора структуры, отыскиваемыми из решения системы кинетических уравнений. На основе предложенных соотношений авторами решены многие задачи динамики трабекулярной костной ткани, результатом которых являются функции некоторой величины, зависящей от времени. Например, рассмотрено изменение пористости, компоненты девиатора тензора структуры. В данной работе кинетические уравнения используются с целью определения структуры, напряженного состояния или упругих свойств костного образца, находящегося в состоянии равновесия. Математическая постановка представлена задачей теории упругости анизотропного тела. Все численные расчеты выполнены с использованием программного продукта ANSYS Mechanical APDL на примере растяжения прямоугольной пластины. Проведено сравнение результатов задачи, полученных аналитическим методом и методом конечных элементов. Предполагается, что полученные соотношения могут быть полезны для определения реализуемого в кости известной структуры напряженно-деформированного состояния или, наоборот, для предсказания оптимальной структуры кости при заданных условиях нагружения.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование функции молочной железы
Статья научная
Предлагается модель функционирования молочной железы здоровой женщины с нормальной лактацией во время кормления. Модель полностью описывает процесс естественного вскармливания и включает в себя функцию выработки и расхода молока. Идентифицирован эффективный коэффициент эластичности системы молочных протоков. Приводятся этапы построения математической модели. Показано хорошее совпадение результатов с экспериментальными данными.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование функционирования стремени среднего уха человека
Статья научная
Передача звука в среднем ухе является механическим процессом. В данной работе рассмотрены две задачи: разработка биомеханической модели функционирования стремени как упругого и абсолютно твердого тела в норме и при его фиксации отосклеротическим процессом, а также моделирование системы передачи звука через стремя и его протез при операции стапедопластики при пересечении и сохранении стременной мышцы. Моделирование упругого состояния стремени показало, что при фиксации стремени перемещения смещаются к головке косточки, а деформации достигают максимума в основании ножек стремени, как и напряжения. Полученные при биомеханическом исследовании сведения согласуются с данными литературы по морфологическим изменениям стремени при отосклерозе. Кинематическая модель движения стремени как абсолютно твердого тела позволила говорить о возможности сохранения стременной мышцы при стапедотомии в отличие от классической схемы ее пересечения. Клинические исследования, базирующиеся на выборке из 340 операций, показали, что процесс улучшения слуха после стапедопластики с сохранением стременной мышцы идет интенсивнее в сравнении с классическим вариантом ее пересечения. Предложенные биомеханические модели являются вкладом в теоретическую разработку проблем стапедопластики и могут быть полезными для практикующих отохирургов.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки
Статья научная
Кратко описываются алгоритм и программная реализация численного моделирования хирургической коррекции воронкообразной деформации грудной клетки. Рассматривается случай одного пациента мужского пола с симметричным типом деформации. Исходными данными являлись предоперационная и послеоперационная компьютерные томограммы грудной клетки. Обработка томограмм и создание предоперационной и послеоперационной моделей грудной клетки осуществлялись при помощи программного комплекса Amira. Моделирование миниинвазивной коррекции воронкообразной деформации (операция Насса) выполнялось при помощи программного комплекса ANSYS. Экспорт предоперационной модели грудной клетки из Amira в ANSYS реализовывался с применением специализированного программного пакета Altair Hypermesh. Предоперационная конечно-элементная модель включает в себя ребра, грудину, реберные хрящи, позвонки, межпозвоночные диски, корректирующие пластины. Моделирование операции было разделено на два шага. На первом шаге осуществлялось нагружение модели, позволяющее приподнять грудину над корректирующими пластинами. На втором шаге производилась разгрузка модели, позволяющая смоделировать плавное опускание грудины на расположенные под ней пластины. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния грудной клетки и корректирующих пластин, получаемого непосредственно после операции. Выполнена оценка влияния механических характеристик биологических тканей на полученные результаты. Адекватность результатов моделирования устанавливалась на основе обработки имеющихся экспериментальных данных. Определены направления дальнейших исследований.
Бесплатно
Биомеханическое моделирование эффекта сближения фрагментов твердого неба при ортопедическом лечении
Статья научная
В работе предлагается рассматривать задачу о лечении врожденной расщелины твердого неба как задачу управления ростовыми деформациями и применять для её решения методы механики сплошной среды. Проведен биомеханический анализ напряженно-деформированного состояния фрагмента растущего твердого неба, где ростовые деформации моделируются с помощью модели Хсю (Journal of Biomechanics, 1968). На основе анализа дается количественное объяснение эффекта сближения фрагментов твердого неба при действии зубодесневой пластины и делается вывод о возможности применения теории управления напряжениями и деформациями посредством собственных деформаций к решению задачи о низведении фрагментов твердого неба.
Бесплатно
Статья научная
В работе проведен биомеханический анализ системы «ортопедический аппарат – нёбный фрагмент» с учетом ростовых деформаций для случая двусторонней расщелины твердого неба. Последние моделируются посредством определяющего соотношения, основанного на гипотезе Хсю (Journal of Biomechanics, 1968), учитывающего собственный рост и влияние деформаций на скорость роста. Считается, что деформации собственного роста описываются шаровым тензором, растягивающие деформации стимулируют рост, а сжимающие – замедляют. Ростовые деформации рассматриваются как собственные деформации, и применяется методика независимого управления деформациями (т.е. управление деформациями с сохранением напряжений), реализованная в виде алгоритма поиска усилий, действующих со стороны ортопедической пластины на нёбный фрагмент, которые вызывают заданные ростовые деформации в последнем. Целью управления является создание правильной нёбной дуги из двух разобщенных фрагментов твердого нёба. В силу симметрии рассматривается только один фрагмент. Алгоритм управления реализован в рамках конечно-элементной модели исследуемой системы, представленной в пакете ANSYS, и позволяет найти усилия и время их действия. Свойства материалов взяты из литературных источников, в частности, параметры определяющего соотношения выбраны на основе экспериментальных данных, взятых из работ Масич (Russian Journal of Biomechanics, 1999). На основе анализа полученных усилий предложена конструкция несъемного ортопедического аппарата, способного создать заданные усилия на кромке нёбного фрагмента, и предложены параметры настройки аппарата для создания заданных усилий. Проведен расчет ростовых деформаций твердого нёба под действием сил от разработанной ортопедической пластины, представлены полученные перемещения точек фрагмента твердого неба, показано, что вычисленные ростовые деформации близки к заданным значениям.
Бесплатно
Статья научная
С позиций биомеханики рассматривается напряженное состояние корня зуба с внутрикорневым магнитным фиксатором и пародонта под действием окклюзионной нагрузки. Установлено, что магнитный фиксатор с плоским контактом между магнитной головкой и штифтом как элемент биомеханической системы является несовершенным. С помощью математических моделей исследованы преимущества магнитных фиксаторов со сферической формой контактной поверхности, которая ограничивает направление линии действия силы на корень зуба и существенно снижает напряжения в его тканях и скрепляющем слое фосфат- цемента.
Бесплатно
Биомеханическое обоснование техники односторонней хейлоринопластики
Статья научная
В работе описывается методика, применяемая при первичной хейлоринопластике. Кроме того, показана эффективность разработанной технологии, которая была положена в основу реконструкции мягких тканей при односторонней расщелине верхней губы. Данная техника применяется автором более 20 лет. В течение срока применения методики не отмечено отставания в развитии носа на стороне расщелины, что свидетельствует о сохранении потенции роста благодаря щадящему отношению к оперируемым тканям.
Бесплатно
