Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 846
Статья научная
Рассмотрены два вида приложения к конечности внешних сил, обеспечивающих осевые нагрузки на бедренную кость. Для каждого вида приложения внешних сил определены реакция в тазобедренном суставе, суммарные моменты мышечных усилий тазобедренного сустава и значения усилий мышц бедра m. illiopsoas и m. gluteus maximus. Проведена сравнительная характеристика рассмотренных схем нагрузок. Установлены особенности нагружения тазобедренного сустава в течение различных фаз периодического движения нижней конечности.
Бесплатно
Статья научная
Цель исследования - сравнительный анализ биомеханических показателей ходьбы пациентов с различным уровнем ампутации нижней конечности на экзопротезе при фиксированном темпе ходьбы. Объектом исследования являлись 25 пациентов с ампутацией на уровне бедра и 25 пациентов с ампутацией на уровне голени (42 мужчины и 8 женщин), пользующихся серийно выпускаемыми протезами нижней конечности, а также 50 здоровых лиц (17 мужчин и 33 женщины). Оценка ходьбы всех групп проводилась на аппарате « Walkway », представляющем низкопрофильную напольную систему с барорецепторами в виде дорожки, в произвольном темпе и в двух фиксированных темпах - 80 шагов в минуту (0,8 м/с) и 50 шагов в минуту (0,4 м/с). Исследованы наиболее информативные биомеханические показатели ходьбы с учетом требований ГОСТ Р 53871-2010 к методам оценки реабилитационной эффективности протезирования нижних конечностей. Проводился сравнительный анализ изменения пространственно-временных (темп ходьбы, время ходьбы, расстояние, скорость ходьбы, период шага, время шага, длина шага, ширина шага, цикл шага, период опоры, период переноса, период одиночной опоры, период двойной опоры, коэффициент ритмичности ходьбы) и динамических (максимальной силы, импульса силы, максимального пикового давления) показателей ходьбы пациентов с различным уровнем ампутации нижней конечности на экзопротезе при различных темпах ходьбы. Результаты представлены в виде таблиц и графиков, отражающих распределение изучаемых показателей. Полученные данные необходимы для оценки отклонений биомеханических показателей пациентов, пользующихся протезами нижних конечностей, от нормы ходьбы здоровых людей.
Бесплатно
Статья научная
Анализ процессов взаимодействия лазерного излучения с биотканями и механизмов их разрушения позволяет предположить, что разумная организация временной структуры лазерных импульсов может дать выигрыш в эффективности теплоотвода за счет увеличения скорости удаления ткани, что позитивно повлияет на размеры зоны термического повреждения и как следствие приведет к ускорению постоперационного восстановления. В работе представлены результаты исследования процессов разрушения биоткани лазерными импульсами с длиной волны 1,06 мкм и регулярной временной структурой. Управление временной структурой импульса осуществлялось с помощью периодической модуляции потерь. Контролировались энергия и временная структура импульсов излучения. Регистрировались акустические волны, возникающие при воздействии излучения на биоткань, а также проводился анализ структуры зон разрушения. Результаты эксперимента показали, что в режиме с регулярной структурой импульса излучения мощность в пиках импульса излучения на порядок превышает мощность пиков в режиме свободной генерации. Вследствие этого тепловое поле характеризуется значительными пульсациями температуры, что приводит к существенному вкладу в разрушение биоткани термоакустического эффекта, сопровождаемому интенсивным процессом кавитации. Измерение характерных параметров зон разрушения - объема кратера (Vкр), объема зоны термического повреждения (Vз) показали, что при периодической структуре импульсов облучения эффективность разрушения биоткани приблизительно в 1,5 раза выше, а фактор инвазивности на 30-35% меньше, чем при воздействии импульсов излучения с хаотической структурой, характерной для режима свободной генерации.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты сравнения измерений внутреннего давления на упругую сферическую оболочку, моделирующую глазное яблоко, с помощью бесконтактного лазерного автодина и тонометра Маклакова. Показано, что величина измеренного давления зависит от толщины упругой сферической оболочки, моделирующей глазное яблоко. При измерении контактным тонометром установлено, что изменение толщины оболочки примерно на 100 мкм влечет за собой изменение давления на 10 мм рт. ст. При бесконтактном измерении оценка давления проводилась по параметрам движения участка оболочки под действием пневмоимпульса с использованием полупроводникового лазерного автодина. Полученные результаты показали, что использование в качестве информационного параметра отношения величины прогиба и ускорения позволяет уменьшить ошибку измерения внутреннего давления, связанную с различной толщиной оболочки.
Бесплатно
Влияние ультрафиолетового кросслинкинга на биомеханику роговицы
Статья научная
Ультрафиолетовый кросслинкинг роговицы - лечебная методика, основанная на сшивании компонентов стромы роговой оболочки за счет ее ультрафиолетового облучения (370 нм) в сочетании с рибофлавином. В представленной работе исследовано влияние растворов изоосмотического рибофлавина, рибофлавина с декстраном, рибофлавина с гидроксипропилметилцеллюлозой и ультрафиолетового облучения (370 нм, 3 мВт/см2, 30 мин) на прочностно-механические свойства свиной роговицы. По этому же критерию изучено воздействие ультрафиолетового излучения без рибофлавина и полимера декстран. Ультрафиолетовый кросслинкинг с использованием рибофлавинсодержащих растворов вызывал значимое увеличение модуля продольной упругости (модуля Юнга) свиных роговиц (от 164 до 198%) и повышение их предела прочности (от 181 до 242%) по сравнению с интактным контролем. Существенных различий исследуемых показателей между группами, где использовались испытуемые растворы рибофлавина, не обнаружено. Декстран оказывал дегидрирующее действие на роговицу, чем способствовал увеличению ее жесткости. Ультрафиолетовое воздействие без рибофлавина значительно в меньшей степени обеспечивало устойчивость роговиц к растяжению и влияло на их прочностные свойства.
Бесплатно
Статья научная
Восстановление утраченных биомеханических свойств резецированных или ампутированных корней зуба решается путем их армирования стандартными эндодонто-эндооссальными или трансдентальными имплантатами. На разработанной математической модели проведено численное исследование методом конечных элементов зависимости перемещений эндодонто-эндооссального имплантата и напряжений в окружающей его костной ткани от различных уровней резекции корня зуба и приложенной функциональной нагрузки, действующей вертикально на окклюзионную поверхность зуба. Задача рассматривалась в осесесимметричной постановке. Компьютерная модель зубочелюстного сегмента включала десну, однокорневой зуб премоляр, эндодонто-эндооссальный имплантат, периодонт, компактную кость альвеолы, губчатую кость, с учетом механических свойств материалов каждого из элементов системы. Рассмотрено несколько вариантов резекции корня зуба: удаление 1/3 корня, 1/2 и 2/3 на первом и втором этапах после установки имплантата. Первый этап представляет собой небольшой промежуток времени, когда после установки имплантата еще не произошла его остеоинтеграция с костной тканью; второй этап - остеоинтеграция имплантата с костной тканью произошла, удаленный объем заполнился губчатой костью. В данной работе приводится сравнительный анализ с проведенными ранее исследованиями, в которых методом конечных элементов аналогично изучались зависимости напряженно-деформированного состояния трансдентального имплантата и окружающей его костной ткани от различных уровней резекции корня зуба и приложенной вертикальной нагрузки к окклюзионной поверхности на первом и втором этапах после установки имплантата.
Бесплатно
Влияние утомления мышц на кинематику движений при гребле на байдарке
Статья научная
В работе исследованы изменения кинематической структуры гребкового движения вследствие утомления. В эксперименте принимали участие юные гребцы в возрасте 15-16 лет, имеющие квалификацию первого спортивного разряда и кандидата в мастера спорта. При прохождении дистанции 1000 м на гребном эргометре происходила регистрация динамических параметров каждого гребка с непрерывной видеозаписью. С использованием полученных видеоматериалов проводился анализ гребковых движений в различные фазы гребка по ряду кинематических пар: весло-вода, туловище-вертикаль, вращение туловища вокруг вертикальной оси, туловище-плечо, плечо-предплечье. Показана возможность определения параметров гребкового движения и оценки изменения кинематических характеристик гребка под воздействием утомления.
Бесплатно
Статья научная
Боль в поясничном отделе позвоночника - это заболевание, которое затрагивает значительную часть общества и оказывает существенное влияние на качество жизни и работоспособность населения планеты. Определить причину/источник боли на уровне сегмента L 4- L 5 в клинической практике является достаточно трудной задачей, поскольку далеко не каждый специалист способен отличить подвывих фасеточных суставов от грыжи межпозвоночного диска из-за достаточно близкого расположения объектов. Анализ литературы по моделированию позвоночно-двигательного сегмента показал, что в исследованиях не акцентируется внимание на сплошном моделировании фасеточных суставов. Цель работы - представить постановку задачи позвоночно-двигательного сегмента L 4- L 5 с учетом наличия жидкости в фасеточных суставах и анализ результатов поведения модели. Описана математическая постановка задачи в смешанной форме (сочетание упругой задачи и задачи об идеальной жидкости) для позвоночно-двигательного сегмента L 4- L 5 с использованием Ansys. Согласно текущей постановки задачи описывается осевое травматичное нагружение позвоночно-двигательного сегмента L 4- L 5, при котором появляется подвывих фасеточных суставов, что характерно для профессии водителя, тракториста и спортсменов. В качестве допущения синовиальная жидкость принята идеальной жидкостью. Моделирование напряженно-деформированного состояния сегмента при сжимающей осевой нагрузке в 100 кг показало, что давление жидкости в правой и левой капсулах фасеточных суставов составило 69,2 и 84,7 кПа соответственно. Различие между значениями давлений 18 % в капсулах суставов подтверждает, что в сегменте присутствует асимметричное распределение осевой сжимающей нагрузки и сжатию подвергается правая капсула сустава. Это исследование подчеркивает необходимость учитывать фасеточные суставы на уровне пояснице при моделировании позвоночно-двигательного сегмента.
Бесплатно
Влияние характеристик резьбы на первичную стабильность дентальных имплантатов
Статья научная
Одним из ключевых факторов успеха дентальной имплантации является остеоинтеграция - срастание имплантата с костью. Чрезмерная микроподвижность на поверхности имплантат - кость при нагружении нарушает остеоинтеграцию. Возникает естественный вопрос: нельзя ли минимизировать микроподвижность за счет управления конструкционными характеристиками имплантата, в частности резьбы? В работе изучается влияние характеристик резьбы (профиля, глубины и шага) на стабильность дентальных имплантатов при немедленном нагружении (первичную стабильность), когда остеоинтеграция еще не произошла и на интерфейсе имплантат - кость нет полного сцепления. Изменение профиля резьбы моделировалось вариацией угла наклона сторон профиля с последовательным переходом от треугольной через трапециевидную и квадратную резьбу к шиповой. Минимумы максимальных перемещений на интерфейсе имплантат - кость получены для квадратного и шипового профилей. Их величины составляют микроны, что соответствует данным других работ. влияние глубины и шага резьбы изучалось на квадратном профиле. Установлено, что увеличение глубины резьбы с 0,1 до 0,4 мм (как и уменьшение шага резьбы от 2,0 до 0,4 мм) приводит к уменьшению осадки имплантата (глобальной подвижности) на 3-6% и к значимому (кратному) монотонному падению перемещений на интерфейсе. Таким образом, профиль резьбы оказывает существенное влияние на микроподвижность на поверхности имплантат - кость при нагружении: при одинаковых значениях окклюзионной нагрузки и наблюдаемой макроподвижности зуба он может менять микроподвижность в разы. Минимумы микроподвижности получены для квадратного и шипового профилей. Максимумы локальных перемещений возникают на апексном витке резьбы.
Бесплатно
Влияние циклических нагрузок на механические параметры костно-пластического материала
Статья научная
После эндопротезирования тазобедренного сустава, компоненты протеза подвержены износу на стыках «протез – кость». Со временем это приводит к разрушению здоровой тазовой кости вокруг имплантата до такой степени, что требуется ревизионная операция. В этом случае используется техника импакционной костной пластики (ИКП) с применением различных костно-пластических материалов (КПМ). При этом КПМ становится важным механическим звеном, принимающим на себя циклические нагрузки при физической активности пациента. Прогнозирование долгосрочной выживаемости эндопротеза после ревизионного вмешательства с применением ИКП неразрывно связано с пониманием механического поведения КПМ в виде фрагментов аллокости – смеси измельчённых частиц кортикальной и трабекулярной кости человека. В работе проводится экспериментальное и численное исследование упругих и вязкоупругих параметров костно-пластического материала на основе измельчённых фрагментов кости крупного рогатого скота. Эксперименты основаны на одноцикловом и многоцикловом стеснённом сжатии КПМ. На основе полученных параметров численно решены задачи о сжатии КПМ. Для одноциклового нагружения получены мгновенный модуль упругости и коэффициент Пуассона. Получены значения мгновенного модуля упругости при циклическом нагружении для «сухих» образцов и образцов с содержанием водного раствора глицерина, моделирующего раневую «кровь». Проведено сравнение сжимающих напряжений в процессе релаксации КПМ, полученных численно и экспериментально. Значения мгновенных модулей упругости увеличиваются не только с ростом числа циклов, но и с увеличением приложенной нагрузки в испытании. Модули образцов с «кровью» больше, чем «сухих» образцов. Полученные параметры позволяют описывать вязкоупругое поведение костно-пластического материала на основе измельченной аллокости с помощью рядов Прони в конечно-элементных пакетах при численном моделировании.
Бесплатно
Влияние частиц износа на поведение и биомеханические свойства поверхности кость-имплантат
Статья научная
Цель данной статьи - описать влияние частиц износа, образующихся при сочленении несущих поверхностей тотального протеза сустава, на поверхность кость.имплантат. Субмикронные частицы мигрируют в эффективное пространство сустава и стимулируют клетки, находящиеся в фиброзной ткани, испустить молекулярный сигнал. Цитокины активируют остеобласты и вследствие этого может наступить потеря костной ткани. Это ослабляет фиксацию кость.имплантат и в некоторых случаях вызывает асептическое расшатывание протеза.
Бесплатно
Внедрение цилиндра с различной формой торцевой поверхности в вязкоупругое полупространство
Статья научная
В ходе разработки медицинского оборудования и обработки результатов экспериментов по исследованию биоматериалов возникает необходимость описания процесса взаимодействия рабочего инструмента с мягкими тканями. При этом необходимо учитывать не только механические свойства исследуемой ткани, но и технические характеристики оборудования, такие как форма поверхности инструмента и скорость процесса взаимодействия. С этой целью в данной работе построена контактная модель, описывающая внедрение с постоянной скоростью осесимметричного жесткого цилиндра с различной формой торцевой поверхности в вязкоупругое полупространство. Для описания механического поведения полупространства использовалась теория линейной вязкоупругости, а в качестве вязкоупругой модели, определяющей вид функции релаксации материала полупространства, выбрана трехпараметрическая модель стандартного вязкоупругого тела. Получены распределение контактного давления под поверхностью цилиндра, а также зависимость приложенной нагрузки от глубины внедрения для различных форм контактирующей поверхности цилиндра. Исследовано влияние формы поверхности основания цилиндра, скорости его внедрения в полупространство и релаксационных свойств полупространства на характеристики контактного взаимодействия. При описании механического поведения биологической ткани также была рассмотрена одномерная стержневая модель стандартного вязкоупругого тела. Для упрощенной модели также получены распределение контактного давления под поверхностью цилиндра с различной формой торцевой поверхности и зависимость прикладываемой нагрузки от времени. Произведено сравнение результатов, полученных с ипользованием модели сплошной среды и одномерной стержневой модели. Определены случаи, когда целесообразней для описания взаимодействия инструмента с биологической тканью использовать упрощенную модель.
Бесплатно
Внутрибрюшное давление человека
Статья научная
В данной статье представлен обзор, посвящённый малоизученной проблеме устойчивого повышения внутрибрюшного давления человека. Несмотря на то что негативные эффекты этого явления были замечены ещё в XIX в., должное внимание со стороны учёных данная проблема получила лишь в конце прошлого столетия. Наиболее серьёзную опасность для жизни человека представляет быстро прогрессирующее повышение внутрибрюшного давления, которое приводит к различным патологическим явлениям во всём организме человека. Главным образом страдают сердечно-сосудистая, дыхательная и мочевыделительная системы, что связано с взаимной компрессией отдельных составляющих внутрибрюшного содержимого. Вместе с тем существуют исследования, показывающие неблагоприятное воздействие относительно низких значений внутрибрюшного давления, поэтому наличие предрасполагающих факторов у пациента требует тщательного мониторинга внутрибрюшного давления и профилактических мероприятий, направленных на уменьшение риска его повышения. Мировым научным сообществом, исследующим представленную проблему, разработаны критерии, по которым определяются степень тяжести и выбор способа лечения внутрибрюшной гипертензии. Несмотря на это, современные клинические наблюдения показывают расхождения с данными критериями, так как пороговые значения внутрибрюшного давления зависят от множества параметров и для каждого человека индивидуальны. Этим обосновано изучение патологических проявлений повышения внутрибрюшного давления человека как междисциплинарной проблемы, в том числе и с точки зрения биомеханики. Предполагается, что подобное исследование может быть проведено в рамках проекта «Виртуальный физиологический человек».
Бесплатно
Статья обзорная
Представлены современные данные о возможностях использования технологий биомеханического анализа движений в спортивной медицине. Биомеханический анализ движений является важным инструментом профилактики спортивного травматизма и оценки эффективности реабилитационных мероприятий. В обзоре даны краткие представления о существующих технологиях исследования локомоторных функций: изложены принципы работы, преимущества и недостатки оптико-электронных, электромагнитных, инерциальных и ультразвуковых измерительных систем. Проанализированы подходы к выбору измерительного оборудования в зависимости от вида спорта (командного или индивидуального), особенностей и условий проведения исследований (в помещении либо на открытом воздухе), конкретных спортивных движений. Рассмотрены возможности биомеханического захвата движений в изучении путей возникновения травм в различных видах спорта. На конкретных примерах показано, как анализ биомеханики локомоций позволяет контролировать процессы восстановления спортивного мастерства после перенесенных травм и оперативных вмешательств. Обзор демонстрирует, что технологии захвата движений в спорте имеют значительные перспективы, поскольку позволяют своевременно получать комплексную информацию о физическом состоянии спортсмена и особенностях его двигательных стереотипов. Анализ получаемой информации дает возможность улучшать организацию тренировочного процесса для повышения спортивных результатов, анализировать механизм возникновения спортивных травм с целью их предупреждения, оценивать результаты восстановительного лечения и определять критерии допуска к спортивным занятиям после перенесенных спортивных травм.
Бесплатно
Возмущение потока при инвазивном измерении давления крови
Статья научная
В результате сокращения сердца в артериях распространяется пульсовая волна. Измерение давления этой волны является важным диагностическим параметром, характеризующим деятельность организма. Для измерения используется инвазивный метод. Особенностью данного метода является то обстоятельство, что в сосудистое русло вводится катетер, который представляет собой полую полимерную трубку, заполненную раствором гепарина. Введение катетера приводит к появлению отраженной волны, что существенно меняет характер потока крови. Следовательно, давление измеряется с погрешностью. В статье приведена оценка данной погрешности. Для расчета используется модель, в которой сосуд рассматривается как канал в упругой среде. Данная среда моделирует собой биоткани. Кровь рассматривается как несжимаемая жидкость. Решаются уравнения гидродинамики для области канала с катетером. Катетер моделируется в виде полого цилиндра, заполненного идеальной несжимаемой жидкостью. Решение получено в гидравлическом приближении. Согласно этому приближению давление и осевые компоненты скорости считаются постоянными по сечению канала. Для сечения, где располагается торец катетера, записывается условие непрерывности для осевой компоненты скорости и давления. Поскольку торец катетера абсолютно жесткий, в его центре компоненты скорости равны нулю. В этой точке давление равно удвоенному давлению в падающей волне. Получена формула для среднего давления, действующего по торцу катетера. Показано, что среднее давление существенно отличается от давления в падающей волне. Соответствующая относительная погрешность измерения пульсового давления по порядку величины составляет несколько десятков процентов.
Бесплатно
Статья научная
С помощью аппаратно-программного комплекса «Диаслед-Скан» и динамометрических стендов обследованы группы больных мужчин и женщин разного возраста с остеоартрозом нижних конечностей (287 человек). Показано, что у женщин с возрастом величина удельного давления на опорную поверхность стопы при стоянии и при ходьбе значительно повышается. У мужчин второго зрелого возраста относительно быстрее происходит снижение силы мышц пораженной конечности. Для мужчин старше 50 лет характерно продолжающееся с возрастом смещение проекции общего центра давления слева направо, ускорение темпа снижения силы мышц не только пораженной, но и интактной конечности.
Бесплатно
Время завершения кинетически моделируемых биомеханических процессов
Статья научная
Исследование биомеханических процессов зависит от наблюдателя (как, в принципе, вообще в механике). Ставится задача нахождения времени завершения процесса, которое в данной работе определяется временем достижения заранее заданного значения определяющего процесс параметра. При инструментальном сопровождении реализации биомеханического процесса можно прогнозировать его завершение путем наблюдения за изменением определяющего параметра или на основе кинетического моделирования данной реализации. Если при тех же условиях наблюдатель не следит за течением процесса, то процесс становится по сути случайным. Это связано с тем, что биомеханические процессы, как биологические и биотехнологические, связаны с жизнедеятельностью органов или микроорганизмов, что приводит к неоднозначности течения и результатов реализаций. В этом случае прогнозировать время достижения заранее заданного значения определяющего процесс параметра можно лишь с заданной вероятностью. Для исследования этих процессов как случайных необходима серия экспериментов или наблюдений за повторяемостью реализаций. Как правило, необходимая информация ограничена как по количеству реализаций, так и по числу наблюдений по временным сечениям процесса. Простые (кинетически моделируемые) случайные процессы могут быть описаны обыкновенными функциями системы ограниченного числа случайных параметров на основе кинетических моделей для реализаций. Кардинальным является вопрос о достоверности закона распределения системы случайных величин. В данной работе предложен критерий достоверности закона распределения случайных параметров в условиях малой выборки и разработана методика определения времени завершения биомеханических процессов с заданной вероятностью. Предложенная методика дает возможность разработать и реализовать детерминированную и вероятностную постановки задач оптимизации для простых биомеханических процессов.
Бесплатно
Выбор параметров протеза стремени при стапедопластике на основе собственных частот
Статья научная
При стапедопластике одно из самых уязвимых звукопроводящих звеньев системы слуховых косточек - стремя - заменяется стержневым протезом. Собственные частоты протеза попадают в сверхвысокочастотный диапазон. С целью уменьшения влияния излучений мобильных телефонов и сигнализации автомобилей на слуховую систему человека вводится критерий вывода первых собственных частот протеза из МГц-диапазона, поэтому материал и форма протеза определяются из условия минимума первой собственной частоты. Для определения собственных частот применяется приближенный метод решения дифференциального уравнения колебаний - метод Ритца. В результате предпочтение отдается стержневым протезам переменного сечения из золота или тефлона, ввиду лучшей технологичности - из тефлона.
Бесплатно
Выдвижение вперед нижней челюсти и общая осанка. Стабилометрическое экспериментальное исследование
Статья научная
Целью данного исследования является оценка влияния величины выдвижения вперед нижней челюсти, генерируемого различными одонтологическими приспособлениями (ортозами), на общую осанку с использованием при этом стабилометрического анализа перемещений центра давления стоп. В данном исследовании участвовали 23 добровольца; у первых не было ортоза, другие имели одну из трех форм ортозов: первая форма состояла в отсутствии протрузии и изменяла лишь окклюзию, вторая – в протрузии нижней челюсти на 45% от максимальной протрузии и третья – в протрузии на 90% от максимальной протрузии. Каждый ортоз действовал в течение 40 мин. Последовательные позиции центра давления стоп регистрировались на стабилометрической платформе. Величина площади, в которой движется центр давления, увеличивается после 10 мин ношения ортоза независимо от его вида ( р This study aims to assess the influence of the quantity of the mandibular propulsion generated by different orthoses on the global posture using a stabilometric analysis of the displacements of the centre of pressure. Twenty-three subjects participated in that study, first one without any orthosis, then with three different orthoses: a first one just for disocclusion, a second one protruding the mandible to 45% of its maximum protrusion and a third one protruding the mandible to 90% of its maximum protrusion. Each orthosis was worn for forty minutes. Successive positions of the centre of pressure were recorded on a stabilometric platform. The sizes of the area in which the centre of pressure moves showed an increase after ten minutes of wear, whatever the orthosis ( p
Бесплатно
