Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 830
Статья научная
Приводится биомеханический анализ функций жевательного аппарата человека в норме и при различных патологических процессах. При этом зубочелюстная система человека рассматривается как специализированная многоблочная биомеханическая система, где основную роль играют жевательная мускулатура, височно-нижнечелюстные суставы, зубоальвеолярные сочленения. Анализируется роль жевательного давления как основного механического фактора, обусловливающего развитие и функционирование системы. Исследование трансформации жевательного давления позволяет провести анализ строения и деятельности зубов (резцы, клыки, премоляры, моляры), а также периодонтальной связки. Показывается, что зубоальвеолярные сочленения можно рассматривать как специализированные миниблоки, являющиеся активными органами жевательного аппарата. Анализ трансформации жевательного давления позволяет также установить связь патологии зубоальвеолярного блока и височно-нижнечелюстных суставов.
Бесплатно
Биомеханическое описание структуры костных тканей зубочелюстной системы человека
Статья научная
В работе рассмотрено влияние изменяющегося биомеханического давления на форму нижней челюсти. показано, что структура костных тканей зубочелюстной системы реагирует на измененные условия нагружения как при функциональной травме, так и при заболевании пародонта. изучены возрастные изменения трабекулярной и компактной костных тканей тела нижней челюсти, определяемые биомеханическим давлением. для количественного описания структуры трабекулярной костной ткани использован тензор структуры (fabric tensor) H. приведен пример его построения. сделан вывод о необходимости формулирования кинетического уравнения для тензора H при постановке краевых задач биомеханики зубочелюстной системы.
Бесплатно
Биомеханическое сопровождение коррекции зубного ряда с применением эластопозиционеров
Статья научная
Анализируются причинно-следственные связи неправильного прикуса с различными патологиями зубочелюстного блока, являющегося элементом создаваемой глобальной концепции виртуального физиологического человека. Разработана методика приемлемого способа определения текущей протрузии центральных верхних резцов при сопутствующем лечению мониторинге. Предложена идея биомеханического сопровождения коррекции зубного ряда детей дошкольного и младшего школьного возраста с применением эластопозиционеров. Сопровождение заключается в параллельном кинетическом моделировании определяющего параметра перемещения зубов при аномалии в виде протрузии и связанной с ней постановкой и решением контактной задачи теории упругости для эластопозиционера.
Бесплатно
Статья научная
Цель данного исследования: изучить вариабельность ударного объема крови у здоровых лиц и больных инфарктом миокарда. Использовался импедансометрический способ. В состоянии покоя регистрировалась грудная тетраполярная полиреокардиограмма в течение пяти минут в режиме «beat-to- beat» (от удара-к-удару). Оценивалась вариабельность амплитуды систолической волны дифференциальной кривой полиреокардиограммы и продолжительность времени изгнания. Определялись математические показатели вариабельности для этих величин. Установлен факт наличия вариабельности ударного объема в покое у здоровых лиц и больных инфарктом миокарда. Найден импедансометрический маркер вариабельности ударного объема - вариабельность амплитуды систолической волны. Выявлены достоверные различия между вариабельностью амплитуды систолической волны у здоровых лиц и у больных инфарктом миокарда, у которых обнаружена «ригидность» вариабельности.
Бесплатно
Вероятностная модель антибиотикотипирования непатогенных актинобактерий
Статья научная
Разработана математическая модель антибиотикотипирования непатогенных актинобактерий с использованием дискодиффузионного метода. В качестве количественной меры антибиотикочувствительности использовалось значение диаметра зоны ингибирования бактериального роста вокруг соответствующего индикаторного диска, которое рассматривалось как случайная величина. На основе экспериментальных данных антибиотикочувствительности 250 коллекционных штаммов актинобактерий, принадлежащих к родам Dietzia, Gordonia и Rhodococcus, построены плотности распределения соответствующих случайных величин для большинства известных видов диетций, гордон и родококков. Предложен алгоритм идентификации актинобактерий на основании их чувствительности к минимальному набору антибиотиков. В рамках разработанной модели определена вероятность правильной идентификации бактериального штамма. Найдены оптимальные наборы из одного, двух и трех антибиотиков, максимизирующие упомянутую вероятность. Предложенный алгоритм реализован в виде программы с удобным интерфейсом.
Бесплатно
Вероятностная модель клеточных преобразований при регенерации костной ткани
Статья научная
В последнее время возрос интерес к моделированию биохимических явлений, сопровождающих регенерацию костной ткани. К этим явлениям относят диффузию, пролиферацию, дифференциацию и апоптоз основных типов клеток. Традиционно в рассматриваемый набор клеток включают четыре их типа (мезенхимальные стволовые клетки, фибробласты, хондроциты и остеобласты). При этом пространство повреждения рассматривается как «клеточный бассейн», в котором все указанные элементы одновременно существуют. В соответствии с таким подходом процессы в «клеточном бассейне» могут быть описаны системой четырех дифференциальных уравнений с соответствующими граничными и начальными условиями. Однако параметры процесса, включающие диффузию, пролиферацию, дифференциацию и апоптоз основных типов клеток, не могут быть описаны детерминированно, и, следовательно, необходимы те или иные упрощения. По этой причине различные математические инструменты привлекаются для численного решения уравнений. В настоящей работе для моделирования процесса клеточных преобразований впервые используется стохастический подход, основанный на теории цепей Маркова. Метод предполагает декомпозицию исследуемого пространства на ячейки малого конечного размера, а изменение состояния процесса рассматривается в дискретные моменты времени. В рамках принятой одномерной модели зона повреждения кости рассматривается как цилиндр с постоянным поперечным сечением. Численная реализация позволяет получить достаточно полное описание изменений пространственно-временных характеристик «клеточного бассейна» на основе начального распределения клеток. Идентификация параметров модели выполнена с использованием заимствованных из литературных источников экспериментальных данных.
Бесплатно
Статья научная
С позиции биомеханики интересует однородность условий по объему культуральной жидкости в колбе при проведении экспериментов по биологической деструкции лекарственных средств. Однородности условий способствуют незначительный объем отбираемых проб и разница в масштабах времени перемешивания и процесса биодеструкции: доли секунды и сутки соответственно. Биодеструкция связана с жизнедеятельностью актинобактерий, что изначально предполагает случайность процесса. Интенсивность процесса определяется временем достижения заданной концентрации лекарственных средств. Случайный характер приводит к неоднозначности течения реализаций биодеструкции, поэтому прогнозировать время достижения заданной концентрации лекарственных средств следует с заданной вероятностью. С целью прогноза времени завершения с заданной вероятностью предлагается проведение серии экспериментов на повторяемость. Изменение концентрации лекарственных средств при биодеструкции в качестве случайного процесса представлено обыкновенной функцией системы ограниченного числа случайных параметров кинетической модели для реализаций. Важным является вопрос о достоверности закона распределения системы случайных величин. В данной работе использованы предложенные ранее авторами критерий достоверности закона распределения случайных параметров в условиях малой выборки и методика определения времени завершения биодеструкции лекарственных средств с заданной вероятностью. Это позволило разработать вероятностную постановку задачи интенсификации биодеструкции лекарственных средств и методику ее реализации на основе экспериментов на повторяемость, которая применена для биодеструкции дротаверина гидрохлорида. Установлено, что при одинаковых условиях проведения экспериментов минимальное время достижения заданной концентрации дротаверина гидрохлорида, равной 1 % от начальной величины, с заданной вероятностью 95 % становится на 55,5 % больше соответствующего времени, полученного при решении задачи в детерминированной постановке.
Бесплатно
Статья научная
Исследуется взаимодействие биомеханических и гемодинамических факторов этиопатогенеза синдрома дисфункции височно-нижнечелюстного сустава (ВНЧС) с применением клинических, патолого-анатомических, рентгено-контрастных, ультразвуковых, лучевых и функциональных методов исследования. Установлены факты влияния деформации ВНЧС на расположенную рядом с суставом внутреннюю сонную артерию (ВСА) у входа в череп по типу диско-нейровазального конфликта врождённого и приобретённого происхождения. Рассмотрены вопросы профилактики, диагностики и лечения. Особенное внимание обращено на важность использования одновременной (симультанной) функциональной диагностики синдрома дисфункции ВНЧС и рефлексогенной синокаротидной зоны с помощью магнитно-резонансной томографии ВНЧС и ВСА в косой боковой (сагиттальной) проекции с закрытым и открытым ртом. Предлагается новое название синдрома - стоматоангионеврологический синдром.
Бесплатно
Взаимодействие зрительной и проприоцептивной информации в восприятии положения руки
Статья научная
В настоящей работе изучали восприятие положения руки у взрослых и детей в ситуациях, различавшихся по условиям зрительного контроля. Цель исследования состояла в оценке влияния лево-правой инверсии зрительного пространства на точность внутреннего представления руки у человека. В экспериментах приняли участие взрослые и дети 6 - 7 лет. В течение 24 - 30 минут испытуемые показывали положение характерных точек руки. Инверсия достигалась с помощью специальных призматических очков. Установлено, что у детей сенсорный конфликт вызывает более значительные затруднения в показе характерных точек руки, чем у взрослых. Поскольку формирование внутренней модели конечности у детей 6-7 лет не завершено, то во время выполнения проб они в большей степени, чем взрослые, зависят от проприоцептивных и зрительных обратных связей. В этой ситуации конфликт проприоцептивной и зрительной информации приводит к более существенному ухудшению качества выполнения задачи.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена концепция виртуального физиологического человека, согласно которой человек считается комплексной многоуровневой системой. В частности, рассматривается зубочелюстная система как часть структуры виртуального физиологического человека. В свою очередь, зубочелюстная система также является сложной многоуровневой системой, состоящей из сложных многоуровневых подсистем, именуемых блоками. Приводятся схемы, в которых рассматриваются биомеханические причины возникновения нарушений зубочелюстной системы, появившихся в результате биомеханического взаимодействия зубочелюстной системы с другими, тесно связанными с ней, системами организма человека в различные периоды его существования от рождения до смерти и с окружающей средой, а также последствия таких нарушений. Предпринята попытка описания механизмов возникновения этих нарушений и последствий. На основании материалов статьи формулируются биомеханические проблемы, требующие дальнейшего решения.
Бесплатно
Статья научная
Важнейшей функцией кардиореспираторной системы человека является снабжение тканей кислородом, ключевую роль в решении этой задачи играет микроциркуляторное русло. На сегодняшний день физиологически важная взаимосвязь между насыщением кислородом тканей и кровотоком остается недостаточно изученной. Целью данного исследования является оценка взаимосвязи колебаний микроциркуляторного кровотока и кислородной сатурации тканей в коже в зависимости от скорости кровотока и типа микрососудов в нативных условиях и при локальном нагреве. В работе использованы измерения, опубликованные в открытой базе данных, полученные при помощи метода EPOS , в котором совмещены зонд для измерения перфузии тканей, дифференцированной по типам микрососудов, датчик определения оксигенации ткани и нагреватель. Из базы выбраны данные, собранные при проведении теста с локальным нагревом до 40°С. Получено, что, в отличие от спектров перфузии, спектры оксигенации ткани сосредоточены в низкочастотной области. Продемонстрированы особенности взаимосвязи уровня кислородной сатурации и колебаний кровотока в микрососудах кожи человека в зависимости от их типа. Сигнал оксигенации модулируется течением крови в широком диапазоне частот, при этом низкочастотные модуляции, соответствующие эндотелий зависимым, нейрогенным и миогенным колебаниям, имеют более сильную связь уровня SO2 и колебаний перфузии. Такие колебания являются функционально значимыми, связанными с процессами экстракции кислорода. Более тесная корреляция между низкочастотными колебаниями SO2 и колебаниями кровотока характерна для компонентов перфузии, ассоциируемых с капиллярным кровотоком и мелкими артериолами.
Бесплатно
Визуализация винтового противоточного движения газовых сред при вентиляции легких
Статья научная
Представлены результаты клинико-экспериментальных исследований биомеханики дыхания. Впервые на человеке получена прямая визуализация движения разнородных газовых сред в воздухоносных каналах респираторной системы в период вдоха. Экспериментально доказано существование явления образования винтового противоточного движения газовых сред при вентиляции легких. Полученные результаты могут стать основой для разработки новых методов управляемого дыхания, а также специальных аппаратов, применяемых в анестезиологии, реаниматологии, интенсивной терапии и других областях клинической медицины.
Бесплатно
Височно-нижнечелюстной сустав человека как элемент зубочелюстной системы: биомеханический анализ
Статья научная
В работе обсуждается биомеханическая модель височно-нижнечелюстного сустава человека. Приведены результаты проведенного эксперимента по исследованию течения жидкости в диске сустава. Проанализирована связь заболеваний височно-нижнечелюстного сустава человека с другими заболеваниями человека, в частности с одонтогенным кровоизлиянием в мозг (инсульт).
Бесплатно
Статья научная
Антропометрические и кинематические факторы оказывают значительное влияние на спортивные результаты. Цель исследования - количественно оценить применение кинематических навыков при выполнении штрафного углового броска игроками национальной команды по хоккею на траве, и проанализировать влияние антропометрических, кинематических факторов мужчин и женщин на эффективность выполнения штрафного углового броска. В хоккейных клубах Пакистана было выбрано 16 игроков, мужчин и жещин поровну. Для измерения кинематических факторов эффективного выполнения броска проведен трехмерный биомеханический анализ с помощью системы захвата движения VICON и MATLAB . Применены анализ ( ANCOVA ), критерий Манна - Уитни ( U ) и множественная регрессия. Обнаружено, что игроки национальной команды не имеют одинаковой результативности в игре. Они обладают слабыми биомеханическими навыками, однако в результате игры мужчины были более стабильны по сравнению с женщинами. Пол игрока оказал значительное влияние на кинематические факторы броска. Возраст, рост, время ведения мяча, углы в левом коленном и правом локтевом суставах оказали существенное влияние на производительность игроков женского пола, в то время как расстояние, длина ведения мяча и ширина стойки значительно повлияли на игроков мужского пола. Обнаружено, что гендерные различия существенно влияют на выбранные кинематические факторы. Время броска и ширина стойки являются важными кинетическими факторами, которые зависят от пола игрока. Игрокам и тренерам следует обратить внимание на использование оптимального взаимодействия антропометрических факторов и кинематических навыков для достижения высокой скорости мяча при выполнении броска.
Бесплатно
Влияние асимметричной нагрузки на реакции опоры при походке
Статья научная
Асимметричный перенос тяжестей может привести к патологическим изменениям опорно-двигательного аппарата или к его перегрузке и травмам. Целью данной работы является демонстрация и анализ распределения реакции опоры в случаях, когда человек несет груз асимметрично различными способами. Данные были получены для молодых мужчин. Значения сил были зафиксированы на педобарографической силовой платформе для 0, 5, 10 и 15% массы тела и при различных способах переноса груза (рюкзак на одном плече, перенос сумки для ноутбука в одной руке, перенос сумки для ноутбука на одном плече). Данные виды асимметричной нагрузки характерны для сотрудников и учащихся университета. Для всех рассмотренных случаев асимметричной нагрузки были получены статистически значимые различия по силе реакции опоры по сравнению с походкой без нагрузки. Это указывает на необходимость избегать ассиметричной нагрузки при переносе тяжестей.
Бесплатно
Влияние вязкости плазмы и гематокрита на деформацию эритроцитов
Статья научная
Целью данного исследования было изучение величины вязкости плазмы при разном гематокрите ( Hct ) у практически здоровых доноров – мужчин ( n = 48) и у лиц, страдающих анемией ( n = 18; гемоглобин > 90 г/л и гематокрит > 35%), а также влияние этих реологических характеристик на деформацию эритроцитов. Анализ полученных данных показал, что низкий гематокрит как в норме, так и при анемии сочетается с относительно высокой вязкостью плазмы. Однако оказалось, что низкая вязкость плазмы может сочетаться с большим гематокритом. При этом у лиц с более высокой вязкостью плазмы выявлен на 8% ( p The aim of this study was to investigate the value of the plasma viscosity (PV) under a different hematocrit (Hct) in healthy individuals and anemic patients and to analyze the effect of these rheological characteristics on the erythrocyte microrheological characteristics, mainly their deformation. In order to study the plasma viscosity role in circulation, the whole subject population of (48 normal individuals and 18 anemic patients) into two subgroups with the relative low and high level of PV was divided. The value of hematocrit (Hct) and red blood cell rigidity and deformability were considered under these conditions. The obtained data showed that low Hct both under the normal conditions and the anemia is accompanied by a relative high PV. It has been found that there was lower erythrocyte rigidity index (Tk) in individuals with high PV. There was a moderate negative correlation between the cell rigidity index and PV, whereas the correlation of this microrheological parameter with Hct was positive. Therefore, we can conclude that an increase of plasma viscosity brings into concord a decrease of erythrocyte rigidity and an erythrocyte deformability rise. On the other hand, it can suppose that the hematocrit increase leads to a rise of erythrocyte rigidity and their whole deformation reduction. Taken together, the obtained data have shown clearly that plasma viscosity increase under the conditions of low Hct ensures the needed shear stress on vascular endothelium and contribute heavily to the erythrocyte deformation. Taken together, the obtained data make us believe that the moderate plasma viscosity increase leads to activation of vascular control mechanisms and creation of more effective erythrocyte deformation. Therefore, the tissue perfusion and oxygen transport efficiency under these conditions can be improved.
Бесплатно
Статья научная
В более ранних иследованиях авторов моделирование адаптации костной ткани при контролируемом остеосинтезе шейки бедра осуществлено в предположении одноосного напряженно-деформированного состояния. Рассматриваемая область проксимального отдела бедра была представлена набором цилиндров, расположенных вдоль оси шейки. Данная модель не позволяет учесть влияние таких факторов, как особенность индивидуальной формы проксимального отдела бедра, пространственная неоднородность распределения структурных и механических свойств костной ткани, а также вид перелома и направления резьбовых фиксаторов в кости на величины индивидуальных моментов закручивания этих фиксаторов. Установление данных закономерностей позволит травматологам обосновать выбор индивидуальной хирургической тактики лечения перелома, что определяет актуальность исследования. Целью настоящей работы является формулировка начально-краевой задачи структурной адаптации губчатой костной ткани проксимального отдела бедра, необходимой для определения предельных по прочности кости моментов закручивания фиксаторов (прочность оценивается как при установке фиксаторов, так и в течение процесса послеоперационной адаптации костной ткани). Новизна постановки рассматриваемой задачи состоит в учете: 1) индивидуального неоднородного распределения радиуса сферических пор принятой структуры, плотности и модуля упругости губчатой костной ткани проксимального отдела бедра; 2) различной ориентации фиксаторов в кости, что позволяет определять величины предельных моментов закручивания каждого фиксатора и, следовательно, повысить качество фиксации при реализации этих значений моментов закручивания в процессе контролируемого остеосинтеза. Губчатая костная ткань принимается неоднородным изотропным материалом, а кортикальная костная ткань – однородным анизотропным. Представлены необходимые уравнения, граничные и начальные условия исследуемой начально-краевой задачи.
Бесплатно
Влияние движений, вызывающих усилия в бедренном суставе, на течение синовиальной жидкости
Статья научная
Рассмотрено влияние быстрых движений человека на трибологические характеристики синовиального сустава. Параметры течения были найдены численно, методом конечных элементов в программном пакете ADINA-F. Для описания динамического поведения синовиальной жидкости применялись нестационарные уравнения Навье-Стокса. Результаты показывают, что быстрые движения человека влекут за собой увеличение трибологических характеристик синовиального сустава.
Бесплатно
Влияние деформации на распространение волн возбуждения в сердечной ткани
Статья научная
Построена модель изменения внутриклеточной проводимости миокарда при его деформации на основе анализа микроструктурной модели P.E. Hand, B.E. Griffith, C.S. Peski (Bull. Math. Boil (2009)) . Сердечная ткань рассматривалась как периодическая решетка, где клетки являются прямоугольными призмами, заполненными изотропным электролитом, а проводимость щелевых соединений учитывалась через граничные условия на сторонах этих призм и считалась постоянной. С помощью метода гомогенизации в виде, предложенном в работе G. Richardson and S.J. Chapman (SIAM Journal Appl. Math (2011)) , значения проводимости аналитически выражены через размеры клетки, параметры периодичности решетки, электрические свойства миоплазмы и щелевых соединений. На основе этих соотношений построены зависимости проводимости ткани от ее деформации (в текущей конфигурации). Было проведено сравнение с моделью, предложенной в книге F.B. Sachse. Computational Cardiology (Springer (2004)) . Показано, что обе модели могут быть хорошо согласованы для удлинений в интервале от 0,8 до 1,2. Разработаны численный алгоритм, основанный на методе расщепления, и его программная реализация на базе конечно-элементной библиотеки FEniCS . Сравниваются проводимости, вычисленные при различных зависимостях от деформации. Рассмотрены профили волны возбуждения в прямоугольной двумерной области, рассчитанные при их использовании. Влияние деформации оказывается сильно «разбавлено» внеклеточной проводимостью. Рассмотрено также возникновение областей деполяризации и гиперполяризации (виртуальных электродов) при подведении к миокарду электрического тока в малой области. В этом случае влияние деформации оказывается более значительным.
Бесплатно
Влияние изменений механических свойств кожи на проницаемость стенки вен с помощью vasa vasorum
Статья научная
Хорошо известно, что нелинейные механические свойства и расположение мышечных волокон в сосуде и его оболочке ограничивают расширение стенки сосуда под действием внутрисосудистого давления. В молодом возрасте окружающие ткани кровеносных сосудов также имеют значение в эффекте этих двух слоев. В частности, для вен верхних и нижних конечностей кожа играет немаловажную роль в ограничении этого расширения. С возрастом ткани могут стать более растяжимыми или уменьшить свою толщину, что, очевидно, позволяет некоторым сосудам, которые стали менее ограничены окружающими тканями, подобно коже, расширяться под давлением. Деформация вены под действием внутрисосудистого давления изменяет поперечное сечение ее vasa vasorum (сосуды в стенках вены) и поэтому может изменить ее проницаемость. Нелинейная упругость вены зависит в первом приближении в основном от двух структурных параметров. В некоторых случаях даже малое изменение параметров (описывающих свойства или композицию стенки) может вызвать уплощение vasa vasorum, что приведет к локальной ишемии. Поэтому можно думать, что начнет возникать порочный цикл. Во-первых, постоянное дополнительное давление вызывает изменение локальных механических свойств вены, если она не ограничена окружающими тканями, что ведет к дальнейшему расширению стенки сосуда и вызывает уменьшение проницаемости. Во-вторых, проницаемость делается недостаточной, стенка вены теряет свою эластичность, становится все более жесткой и сохраняет свою максимальную деформацию.
Бесплатно
