Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
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
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
Статья научная
Цель исследования состояла в выявлении биомеханических закономерностей двигательных действий гимнаста (на модели оборотового упражнения на перекладине) с применением метода имитационного моделирования на ПЭВМ. Решались задачи синтеза движений биосистемы с заранее заданными свойствами на трехзвенной модели опорно-двигательного аппарата тела спортсмена. Рассматривалось перемещение биомеханической системы из заданного начального положения в конечное, выполняемое при одном и том же программном управлении. Изучалось влияние различных масс- инерционных характеристик звеньев биомеханической системы на параметры биомеханических характеристик движения. Выявлено, что при одних и тех же антропометрических показателях длин звеньев тела спортсменов изменение масс- инерционных характеристик, по массе и центральному моменту инерции звеньев тела, не оказывает никакого влияния на кинематику перемещения биомеханической системы. Показаны закономерности изменения величин моментов мышечных сил в суставах гимнаста в моделируемом движении в зависимости от уменьшения или увеличения массы и центрального момента инерции звеньев тела спортсмена.
Бесплатно
Статья научная
Существующая методика индивидуального подбора резьбовых фиксаторов при остеосинтезе перелома шейки бедра использует только измерения размеров проксимального отдела бедра пациента и не учитывает количественные оценки плотности и способности костной ткани пациента к адаптации, оказывающие существенное влияние на величину предельного момента затягивания фиксатора, при котором обеспечиваются лучшие условия сращения отломков. Для более качественного индивидуального подбора резьбового фиксатора до операции необходимо знать особенности адаптационного поведения костной ткани проксимального отдела бедра в зависимости от её плотности, количества и размеров имплантируемых фиксаторов.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена изучению влияния локального мышечного утомления на биомеханические и вязкоупругие характеристики скелетных мышц. Для проведения миотонометрических измерений было использовано устройство для неинвазивной цифровой пальпации MyotonPRO . В исследовании участвовали 13 лиц мужского и женского пола (6 мужчин и 7 женщин) в возрасте 32,5±10,6 лет. Каждому добровольцу предлагалось выполнить две серии упражнений, вызывающих локальное мышечное утомление мышц кисти. Упражнения выполнялись с кистевым эспандером со степенью сопротивления 20 кг. Первая серия упражнений выполнялась до момента возникновения у добровольца субъективного ощущения утомления, вторая - до его отказа от продолжения работы, связанного с чрезмерным утомлением мышц кисти. Тестирование проводили в три этапа: перед началом выполнения силовых упражнений, после нагрузки до ощущения утомления и после нагрузки «до отказа». Развитие локального мышечного утомления объективно подтверждалось путем динамометрического тестирования в соответствии с принятыми стандартами физиологии труда. Миотонометрические измерения проводились на локтевом и лучевом сгибателях запястья, а также на короткой мышце, отводящей большой палец. В результате проведенного статистического анализа полученных экспериментальных данных было показано, что миотонометрический метод исследования можно использовать для диагностики мышечного утомления. Изменение миотонометрических показателей активных мышц может быть зарегистрировано уже при возникновении субъективного ощущения утомления, при этом, локальное мышечное утомление не влияет на изменение тонуса малоактивных мышц. Также было показано, что расположение точки измерений миотонометрических характеристик на брюшке локтевого сгибателя запястья не влияет на оценку тонуса мышцы при условии, что место приложения прибора находится в диапазоне ±2 см от центра брюшка мышцы.
Бесплатно
Статья научная
Значимым моментом во многих видах спорта является сохранение стабильных координационных способностей на фоне наступающего физического утомления. Особенно это необходимо для комбинированных видов спорта, сочетающих значительные циклические нагрузки со специальной координационной деятельностью, как в биатлоне. В связи с этим целью данной работы явилось определение координации движений у лыжников-гонщиков и биатлонистов до и после велоэргометрического теста «до отказа» в специальный подготовительный период тренировочного процесса. В исследовании приняли участие 12 лыжников-гонщиков и 11 биатлонистов. Для определения координации движений использовали тест на координиметре в положении сидя, до и после проведения велоэргометрического тестирования «до отказа» измеряли время простой зрительно-моторной реакции. В контрольную группу вошли студенты высшего учебного заведения ( n = 12), схожие со спортсменами по возрастным и антропофизиометрическим параметрам, но не выполнявшие тест «до отказа». Выявлено, что время выполнения первой координационной пробы у спортсменов лучше ( p function show_eabstract() { $('#eabstract1').hide(); $('#eabstract2').show(); $('#eabstract_expand').hide(); }
Бесплатно
Статья научная
Было исследовано влияние различия в относительной величине мыщелка как фактора, вызывающего перемещение суставного диска височно- нижнечелюстного сустава. Для этого были использованы метод конечных элементов и анализ вычислительных результатов. Была создана конечно- элементная модель височно-нижнечелюстного сустава как двумерная модель с учетом эффектов смазки суставного диска. Стандартная математическая модель (Standard) была создана с учетом данных, полученных у здоровых субъектов с нормальным височно-нижнечелюстным суставом. В соответствии с различием в величине мыщелка для исследования были установлены две группы: первая группа состояла из математических моделей с относительным отклонением мыщелка назад (Large I, Large II), вторая группа включала математические модели с отклонением мыщелка вперед (Big I, Big II). Компенсация увеличенных напряжений в основном проводилась с помощью функциональных поверхностей сустава в соответствии с увеличением мыщелка. Кроме того, в исследовании было подтверждено, что имеет место изменение угла приложения нагрузки в направлении к поверхности сустава и диапазона напряжений нагрузки на суставном диске в зависимости от углового расположения нагрузки. Эти результаты свидетельствуют, что имеется тенденция выравнивания напряжений на поверхности сустава. Таким образом, исследование показало, что при увеличении относительной величины мыщелка концентрация напряжений на поверхности сустава уменьшается и при долговременном наблюдении вероятность появления перемещения суставного диска уменьшается.
Бесплатно
