Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
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
Статья научная
С позиции биомеханики исследуется влияние модуля упругости губчатой и кортикальной кости на напряженное состояние в области пластинчатого имплантата с пористыми вставками. Математическая модель напряженного состояния представляет контактную задачу теории упругости для имплантата и тела челюсти. Контактные граничные условия между деформируемыми телами моделируются с помощью метода штрафных функций. Приближенное численное решение для напряженного состояния костных тканей при окклюзионной нагрузке на имплантат получено с помощью метода конечных элементов. С помощью указанной модели исследовано влияние модулей упругости кости челюсти на напряженное состояние вокруг пластинчатого имплантата.
Бесплатно
Статья научная
Разработанная авторами ранее эффективная модель нелинейно- упругой роговицы глаза применена к иссследованию ее напряженно- деформированного состояния при нагружении вогнутым штампом и тонометром Шиотца - конструкцией, составленной из независимо перемещающихся вогнутого штампа и стержня (плунжера). Показано, что в обоих случаях выполняется условие геометрической малости деформаций. Учет нелинейности дает значительное увеличение минимальнных значений растягивающих напряжений: возможность появления сжимающих напряжений становится менее вероятной. Изучено влияние нелинейности на связь между измеряемой непосредственно характеристикой деформации роговицы - заглублением плунжера - и давлением под тонометром (тонометрическим). Оказалось, что при достаточно больших тонометрических давлениях нелинейность практически не влияет на эту зависимость, однако неучет нелинейности приводит к заметному занижению оценки тонометрического давления по заглублению для низких давлений (ниже 20-25 мм рт. ст.). Это имеет место независимо от жесткости роговицы. Учет нелинейности, как и увеличение жесткости, несколько сдвигает кривую давление-заглубление в сторону зависимости, стандартно используемой при обработке результатов измерения. Такое сближение более заметно для меньшего веса плунжера.
Бесплатно
Влияние околососудистой среды на механические свойства артериальной стенки
Статья научная
Исследовано влияние околососудистой среды (мускульной и соединительной тканей) на механические свойства здоровой сонной артерии в нормальном физиологическом состоянии. Вычисления проведены на примере сонной артерии кролика. Артерия представляется как двуслойный толстостенный цилиндр под действием кручения, растяжения и раздувания. Используется модель анизотропного несжимаемого нелинейно упругого материала. Предполагается, что артериальный сосуд окружен упругой средой, имеющей свойства винклеровского основания. Получено в квадратурах аналитическое представление компонент тензора напряжений. Проведен сравнительный анализ околососудистых сред с различной степенью жесткости.
Бесплатно
Влияние остеоартроза коленного сустава на биомеханические показатели тазобедренного сустава
Статья научная
Цифровая визуализация биомеханических исследований костно-мышечной системы с помощью безмаркерного захвата движений при остеоартрозах весьма актуальна. Целью исследования является установление особенностей влияния остеоартроза коленного сустава на биомеханические показатели тазобедренного сустава у людей в возрасте 40-65 лет. В исследовании приняло участие 42 человека без симптоматических признаков остеоартроза коленного сустава (контрольная группа) и 31 человек с билатеральным остеоартрозом коленного сустава (экспериментальная группа) в возрасте 40-65 лет. Методом безмаркерного захвата движений зафиксированы значимые различия между группами контрольной и экспериментальной в кинематике тазобедренных суставов и во временных показателях, полученных при проведении теста ( p ≤ 0,01). Для выполнения теста в экспериментальной группе требуется 1,94 ± 0,09 с ( X ± SD ), а в контрольной группе - лишь 1,72 ± 0,07 с ( p ≤ 0,01). Существенные различия зафиксированы в фазу опоры: у экспериментальной группы - 0,78 ± 0,03 с, у контрольной - 0,62 ± 0,03 с ( p ≤ 0,01). Во второй и третьей фазах существенных различий между контрольной и экспериментальной группами не обнаружено. Показано, что при выполнении теста люди, страдающие остеоартрозом коленного сустава, имеют бóльшую флексию бедра (на 21 %), чем люди без остеоартроза коленного сустава. В контрольной и экспериментальной группах существенные различия найдены между доминантными нижними конечностями. В экспериментальной группе тазобедренные суставы доминантных конечностей находились в положении бóльшей наружной ротации (на 25 %) по сравнению с контрольной группой. Также обнаружено, что в конце теста тазобедренные суставы доминантных конечностей испытуемых экспериментальной группы находились в менее отведенном положении (на 49 %), чем в контрольной. Существенные различия между тазобедренными суставами доминантной и недоминантной конечностей зафиксированы внутри контрольной группы, т.е. недоминантная конечность имела бóльшие моменты наружной ротации (на 31 %), чем доминантная конечность ( p ≤ 0,01). Данные различия могут обозначать, что люди, страдающие остеоартрозом коленного сустава, претерпевают гораздо большее напряжение в хрящах тазобедренного сустава, что потенциально может привести к развитию и/или прогрессированию остеоартроза в тазобедренном суставе.
Бесплатно
Статья научная
Данная работа посвящена изучению влияния комплексного лечения с применением ботулинотоксина на биомеханическую структуру ходьбы детей с диплегической формой детского церебрального паралича. Исследования проводились многократно у больной детским церебральным параличом на протяжении курса традиционного восстановительного лечения, в частности до введения ботулинотоксина, а затем через 7, 11, 17 и 23 дня после введения. Исследования показали, что ботулинотерапия в сочетании с традиционными методами реабилитации приводят к неоднозначным изменениям биомеханической структуры ходьбы. С одной стороны, наблюдается резкое снижение скорости ходьбы, трансформация временной структуры шага, значительное уменьшение устойчивости, редукция угловых перемещений в суставах ног, ослабление опорной и толчковой функций конечностей. С другой стороны, отмечается некоторое снижение рекурвации в коленном суставе и эквинуса в голеностопном суставе. В целом у данной больной наблюдается ухудшение биомеханической структуры ходьбы. Авторы полагают, что необходимы более эффективные методы формирования нового двигательного навыка, в частности фазовая электрическая стимуляция мышц или опорная стимуляция, так как коррекция проприорецептивной импульсации может в какой-то степени способствовать нормализации деятельности нарушенных структур нервной системы. С точки зрения авторов, необходимо целенаправленное формирование нового двигательного навыка непосредственно после введения ботулинотоксина.
Бесплатно
Статья научная
Проведено математическое моделирование с целью изучения влияния проницаемости поясков Каспари по отношению к воде и растворенным веществам на формирование корневого давления. Показано, что давление в сосудах ксилемы, приводящее к остановке вытекания жидкости на срезе корня (корневое давление), уменьшается при увеличении проводимости поясков Каспари по отношению к растворенным веществам при фиксированной гидравлической проводимости. Однако если пояски Каспари проницаемы только для воды и непроницаемы для растворенных веществ, то изменения корневого давления не наблюдаются.
Бесплатно
Влияние разновысокости нижних конечностей на биомеханические параметры ходьбы
Статья научная
С целью исследования влияния разновысокости ног на биомеханические параметры ходьбы с помощью аппаратно-программного комплекса «Диаслед-Скан» обследованы группы больных с отставанием в росте одной конечности на 1-12 см до лечения (65 человек) и после уравнивания длины конечностей. Обнаружено, что у больных с отставанием в росте конечности с возрастом при ходьбе увеличивается нагрузка на стопу пораженной конечности, относительно больше повышается нагрузка на передний отдел стопы и сила заднего толчка, уменьшается площадь траектории центра давления. После уравнивания длины конечностей нормализуются временные параметры локомоций, улучшаются рессорная и балансировочная функции пораженной конечности.
Бесплатно
Статья научная
Настоящее исследование посвящено изучению влияния реологических свойств крови на особенности формирования рециркуляционных зон в гемодинамических течениях вблизи стеноза коронарной артерии. Для описания динамической вязкости была использована ньютоновская модель и модель Каро. Расчеты проводились для идеального двумерного сосуда с одиночным и двойным стенозом, которые имели степень перекрытия 50 – 80 % и для трех-мерной модели реальной коронарной артерии со стенозом 50 %, которая была реконструирована по данным рентгеноконтрастного исследования. На примере двумерной модели сосуда теоретически было обосновано формирование рециркуляционных зон после стеноза методами математического и компьютерного моделирования. Формирование стационарных вихревых областей существенно зависело от используемой модели крови. Показана связь между характеристиками явления рециркуляции тока крови и локальными и общими гемодинамическими характеристиками. Чтобы продемонстрировать взаимосвязь реологических свойств крови и характеристик явления рециркуляции тока крови на более сложных геометриях сосудов были проведены аналогичные компьютерные расчеты для трехмерной модели реальной коронарной артерии. Сравнительный анализ ньютоновской модели и модели Каро показал, что неньютоновское поведение крови существенно влияет на такие гемодинамические характеристики кровотока, как вязкость, давление, напряжение сдвига и скорость сдвига. Заметная разница в полученных результатах проявляется в случае больших скоростей течения. Был сделан вывод, что ньютоновская модель крови может быть использована только в сосудах с минимальными нарушениями в структуре кровотока.
Бесплатно
Статья научная
Не определено, при каких значениях силы мышц голени и бедра после их удлинения признаки локомоторной декомпенсации опорных реакций стоп при ходьбе будут минимальны. Изучение взаимосвязи силы мышц нижних конечностей и опорных реакций стоп актуально в оценке реабилитационного периода и в выборе сроков повторных этапов удлинения. Цель - оценка взаимосвязи силы мышц бедра, голени и опорных реакций стоп после удлинения сегментов нижних конечностей. Методиками подографии («ДиаСлед-Скан») и динамометрии (стенды разработаны в РНЦ «ВТО») обследовано 98 больных ахондроплазией 6-18 лет до и через 1-5 лет после удлинения бедра на 7-10 см и голени на 8-15 см. Исследование тыльных сгибателей стопы проводили при изменении угла в голеностопном суставе от 80 до 115°. Полного восстановления до исходного уровня силы мышц голени через 1-5 лет не выявлено ни в одной возрастной группе. Сниженные параметры силы мышц бедра до 60% и голени до 30% при сохраненной амплитуде движений в суставах не влияют на показатели опорных реакций стоп при ходьбе, регистрируется нормальная подограмма при медленном темпе ходьбы. «Правило оптимума походки» проявляется за счет снижения переднего толчка: более сильные мышцы подстраиваются под менее сильные. Отсутствие нормализации изометрического максимума Бликса через один год после удлинения свидетельствует о том, что сохраняется преобладание увеличенного растяжения мышц. Повторное удлинение голени целесообразно после нормализации изометрического максимума Бликса - регистрации максимальных значений силы мышц тыльных сгибателей стопы при ее установке под углом 95° и значениях переднего толчка на подограмме не менее 50% от возрастной нормы.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты структурно-функционального анализа поверхностного слоя образцов костной ткани после их механической обработки и стерилизации. Из цилиндрических заготовок, полученных из фрагментов диафиза бедренной кости быка с использованием полых фрез, изготавливали на прецизионном отрезном станке костные образцы заданной высоты с применением дисковых фрез. При этом одну из торцевых поверхностей костных образцов обрабатывали стальным отрезным диском с зубьями, а вторую - дисковой фрезой с алмазным напылением режущей кромки. Полученные образцы стерилизовали разными методами: озоновым, радиационным и комбинированным, основанным на сочетанном озоно-кислородном воздействии, - на первом этапе и радиационным на втором. После механического и стерилизующего физико-химического воздействия определяли упруго-пластические свойства (показатель микротвёрдости по Виккерсу) поверхностного слоя на торцах цилиндрических костных образцов. При изучении закономерностей изменения структуры торцевых поверхностей образцов использовали сканирующую электронную микроскопию. Установлено преимущество механической обработки костных образцов отрезной дисковой фрезой с алмазным напылением режущей кромки по сравнению с дисковой фрезой с отрезной кромкой в виде зубьев. Исследование упруго-пластических характеристик поверхностного слоя костных образцов в микрообъемах показало, что стерилизующее физико-химическое воздействие озоно-кислородной смесью, радиационной обработкой потоком быстрых электронов с дозами радиационного поглощения 10, 15 и 20 кГр, а также их комбинированное воздействие не оказывает существенного влияния на показатели микротвердости образцов.
Бесплатно
Статья научная
Целью данной статьи было подробное изучение влияния межпозвоночной стабилизации в сегменте шейного отдела позвоночника на биомеханику этого отдела, в частности, на подвижные сегменты, примыкающие к точке введения дополнительной жесткости позвоночник. Исследование было проведено на сегментах шейного отдела трупов овец. Были исследованы неповрежденные позвоночники и позвоночники после внутренней стабилизации с использованием костных имплантатов и металлических пластин. Были проанализированы изменения по отношению к нагрузкам и изменению жесткости позвоночника.
Бесплатно
