Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 777
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
Статья научная
Цель настоящего исследования - нейросетевое моделирование и определение параметров статокинезиограмм, которые являются носителями полезной информации об особенностях постурального регулирования, обусловившего полученную траекторию движений центра масс человека. Разработана методика получения информативных маркеров путём выявления центроидов кластеризации на основе самоорганизующихся нейронных сетей Кохонена с Евклидовой метрикой. Сети Кохонена, обучаемые без учителя (то есть без применения априорной диагностической информации о состоянии испытуемых), являются мощным и информативным методом, который позволяет получить не только графические, но и математические маркеры нарушений здоровья у испытуемых, исследовать биомеханику микродвижений центра давления на основе гибкого математического аппарата - нейросетевого кластерного анализа. На примере идентификации постинсультного состояния, проведён нейросетевой анализ стабилометрических данных и показан метод выявления патобиомеханических маркеров статокинезиограмм, который позволил стандартизировать типовую принадлежность групп испытуемых. С помощью нейронных сетей удалось выявить кластеры, которые поддаются медико-биологической интерпретации с достоверностью до 95,9 %, что обусловливает теоретическую значимость полученных результатов. Также были рассмотрены деревья решений и многослойная нейронная сеть, обучаемая с учителем. Многослойная нейронная сеть позволила выявлять маркеры нарушений здоровья с вероятностью 71,9 %.
Бесплатно
Вязкоупругий гистерезис папиллярной мышцы
Статья научная
Проведен анализ экспериментальных данных по вязкоупругому гистерезису изолированных папиллярных мышц крысы до и после удаления кардиомиоцитов. Показано, что значения площадей петель гистерезиса мышц контрольной группы при всех исследованных режимах нагрузок больше площадей петель гистерезиса группы мышц после удаления миоцитов. Показано, что при удалении кардиомиоцитов уменьшается и жесткость, и вязкость папиллярных мышц, а также уменьшается примерно в два раза площадь петли гистерезиса в цикле «растяжение-укорочение» мышц при исследованных режимах нагрузки. Это говорит о том, что примерно 50% потерь энергии на тепло в цикле «растяжение-сжатие» папиллярных мышц приходится на соединительнотканный каркас мышцы. Предложена структурно-функциональная модель, которая адекватно воспроизводит экспериментальные данные по вязкоупругому гистерезису папиллярных мышц при различных режимах нагрузки и в случае контрольного препарата, и в случае препарата после удаления кардиомиоцитов.
Бесплатно
Геометрия поверхности суставного хряща головки бедра человека
Статья научная
Представлен анализ амплитудных параметров St, Sz и Sa поверхности 25 образцов суставного хряща головки бедра человека. На поверхности здорового суставного хряща выступают неровности, описываемые параметрами: St oт 9,62 до 24,7 мкм (x = 16,0; s = 4,59), Sz oт 8,38 до 18,5 мкм (x = 12,81; s = 3,11) и Sa oт 0,78 до 2,24 мкм (x = 1,33; s = 0,54), где обозначено: x - среднее значение, s - дисперсия. На поверхности пораженного артрозом суставного хряща выступают неровности, описываемые параметрами: St oт 74,3 до 238,0 мкм (x = 160,35; s = 45,39), Sz oт 38,9 до 178,0 мкм (x = 121,33; s = 39,71) и Sa oт 11,2 до 30,7 мкм (x = 16,58; s = 5,16). Выступающие артротические изменения на поверхности суставного хряща оказывают влияние на работу тазобедренного сустава человека.
Бесплатно
Гибридная конечно-элементная модель желудочков сердца человека с учётом структуры миокарда
Статья научная
Представлена модель сокращения желудочков человеческого сердца. Основа модели - тетраэдральная сеть (желудочки в состоянии диастолы); дополнительная модель описывает структуру волокон миокарда. Воздействие анизотропной структуры миокарда на изотропную конечно-элементную сеть достигается приложением сил вдоль волокон. Распространение электрического возбуждения моделируется приложением сил с задержкой по времени. Полученные зависимости давления крови от объёма желудочков согласуются с экспериментальными данными. Модель служит основой для конструирования и изучения концепций новых сенсоров для имплантируемых приборов в области электротерапии сердца.
Бесплатно
Гидродинамическое давление в зазоре микро- и биоподшипников
Статья научная
Данное исследование посвящено определению распределения давлений в тонком слое неньютоновской вязкоупругой смазки в микроподшипнике скольжения криволинейной ортогональной формы (сферической, конической, цилиндрической, параболической, гиперболической). В работе принимаются в рассмотрение неизотермические, неустановившиеся и случайные условия течения, а также температурные деформации био- и микроподшипников и их муфт. Представлен общий анализ влияния неустановившегося неизотермического течения вязкоупругой жидкости в магнитном поле на давление в зазорах криволинейных микроподшипников между двумя вращательными поверхностями при случайных условиях. Смазывание поверхностей микроподшипника характеризуется различными геометрическими формами и неньютоновскими свойствами смазок.
Бесплатно
Гипотеза Н. А. Бернштейна в описании хаотической динамики непроизвольных движений человека
Статья научная
В сравнительном анализе изучены особенности хаотической динамики параметров нервно-мышечной системы (на примере тремора) двух групп женщин. Регистрация тремора осуществлялась у двух групп испытуемых (по 15 человек в каждой) с различной физической подготовкой в спокойном состоянии и при статической нагрузке 300 г. Каждый испытуемый проходил N = 15 серий эксперимента в обоих состояниях (без физической нагрузки и с нагрузкой), и каждая серия содержала 15 выборок измерений ( n = 15) треморограмм (по 500 точек в каждой выборке регистрации координаты xi ( t ) положения пальца по отношению к токовихревому датчику) пальца руки. При использовании непараметрического парного сравнения с помощью критерия Вилкоксона в каждой серии эксперимента были получены 15 таблиц, в которых представлены результаты расчета матриц (15×15) парного сравнения треморограмм. Динамика непроизвольных микродвижений конечностей (тремора пальцев рук) как в режиме релаксации, так и при статической нагрузке проявлялась в изменении числа «совпадений» произвольных пар выборок ( k ), которые (пары) можно отнести к одной генеральной совокупности. При этом сами треморограммы как в спокойном состоянии, так и при нагрузке демонстрировали глобальную статистическую неустойчивость выборок (их статистических функций распределения f ( x )). Получаемые выборки в одном эксперименте невозможно произвольно повторить в следующем (с аналогичным гомеостазом). Это представляет количественную меру эффекта Еськова-Зинченко в анализе хаотически изменяющихся статистических функций распределения выборок треморограмм. Были рассчитаны среднее число совпадений произвольных пар выборок ( ) и стандартные отклонения σ для всех 15 матриц без нагрузки и в условиях воздействия нагрузки в 300 г, которые показали увеличение числа k пар совпадений выборок треморограмм в условиях статической нагрузкипочти в два раза. Выявлено изменение числа k совпадений произвольных пар выборок в спокойном состоянии: неспортсмены - 2,93, спортсмены - 2,13.The features of chaotic dynamics of neuromuscular system parameters (tremor) of two groups of womenhave been studied using comparative analysis.The registration of tremor was performed in two groups of subjects (15 people in each group) with different physical fitness at rest and at a static load of 300 g. Each subject has been tested 15 times (number of series N = 15) in both states (with physical load and without)and each series contained 15 samples ( n = 15) of tremorogram measurements (500 elements in each sample, registered coordinates xi ( t ) of the finger position relative to eddy current sensor) of the finger. Using non-parametric Wilcoxon test of each series of experiment, a pairwise comparison was made forming 15 tables in which the results of calculation of pairwise comparison matrix (15×15) for tremorograms are presented. The dynamics of involuntary micromovements of the limbs (tremor of fingers), with and without static physical loads manifested in the change of the number of “coincidences” of arbitrary pairs of samples ( k ), which (pairs) can be attributed to one general population. In this case, tremorograms showed the global statistical instability of the samples (their statistical distribution functions ) as in state of rest and under physical load. The samples obtained in one experiment cannot be arbitrarily repeated in the next experiment (similar to homeostasis). This represents a quantitative measure of Eskov-Zinchenko effect in the analysis of randomly varying statistical distribution functions of samples of tremorograms. The average number of fits of random pairs of samples ( ) and standard deviation σwere calculated for all 15 matrices without load and under the impact of physical load (300 g), which showed an increase almostin twice in the number k of pairs of matching samples of tremorograms at conditions of a static load. It was revealed changein number k of matches for arbitrary pairs of samples in a resting statefor not athletes is 2.93, for athletes is 2.13.
Бесплатно
Гипотеза о причине укачивания при испытании на качелях Хилова
Статья научная
В работе рассматривается вестибулярная стимуляция, реализующаяся при испытаниях на качелях Хилова. Выдвинута гипотеза, объясняющая причины быстрого развития болезни движения на этом тренажёре. Сравнение с качаниями на обычных качелях и с горизонтальными колебаниями на тележке отчетливо показывает, что на качелях Хилова реализуются условия для того, чтобы поступательное движение на этих качелях распознавалось в центральной нервной системе как поворот несмотря на отсутствие отклика полукружных каналов.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе рассматривается поверхность между кортикальной костной тканью и имплантатом, в частности, её состояние в случае парапротезного перелома, т.е. перелома кости в области вокруг протеза, замещающего сустав. Для моделирования концентрации напряжений в области перелома кортикальной кости использовалась модель теории упругости с анизотропным градиентом (теория упругости высокого порядка с дополнительными константами, учитывающими влияние микроструктуры в различных направлениях). Для учёта микроструктурных эффектов в кортикальной костной ткани были введены в рассмотрение два параметра линейного размера на макроскопическом уровне: первый параметр относится к характерному размеру системы трансверсальных Гаверсовых каналов (остеонов), другой - к продольному размеру волокон. Материал имплантата считался изотропным, а масштаб длины соответствовал характерному размеру материала. Были решены численные тестовые задачи для анализа напряжений в области вершины трещины. Показано, что градиент упругости (анизотропный для кости и изотропный для металла) не даёт сингулярных решений и учитывает неявное влияние микроструктуры. Кроме того, было изучено влияние масштабного эффекта в области кость-имплантат.
Бесплатно
Граничные условия на выходах при численном моделировании гемодинамики сонной артерии
Статья научная
Индивидуальный подход к моделированию гемодинамики сонных артерий и артерий виллизиевого круга человека требуется в случаях необходимости хирургического вмешательства в связи с атеросклеротическим поражением или возникновением аневризм. Разработка строгого подхода к постановке задачи, включающей индивидуальные граничные условия, свойства сосудов и персонализированную геометрию, является актуальной научной проблемой, которой посвящена данная работа. В ходе исследования данные численного моделирования гемодинамики сонной артерии конкретного пациента сравнивались с данными, полученными с помощью аппарата УЗИ. Геометрическая модель бифуркации сонной артерии строилась в системе автоматизированного проектирования SolidWorks на основе данных УЗИ, выполненного на аппарате Mindray Resona 7. На приборе были получены значения скорости на входе в сосуд, механические свойства стенок, «эталонные» значения скоростей в наружной и внутренней сонных артериях, а также векторные поля скоростей в разные моменты времени. Рассматривалось 3 типа граничных условий на выходах из сосудов: нулевое давление, давление с запаздыванием, условия типа Windkessel . Результаты расчетов сравнивались с «эталонными» с целью определения наиболее близкого к физиологическому поведения сосуда.
Бесплатно
Движение антропоида на подвижном основании
Статья научная
Рассматривается антропоидная модель из трех подвижных звеньев, изменяющих свою конфигурацию под действием внутренних управляющих усилий и реакций со стороны подвижной точки опоры, движение которой задано. Первое нижнее звено моделирует голень, второе звено - бедро и третье - корпус вместе с головой. Отличием предложенной модели, от созданных ранее, заключается в использовании углов между звеньями. В предшествующих работах по моделированию динамики антропоидов углы обычно отсчитываются от какого-либо фиксированного направления - вертикали или горизонтали. Однако такой способ не соответствует биомеханике опорно-двигательного аппарата антропоида, экзоскелета, антропоморфного робота, положения звеньев которых измеряются углами между звеньями. При таком способе задания углов усложняется система дифференциальных уравнений динамики, описывающая движение предложенной модели, в сравнении с моделями, в которых углы отсчитываются от фиксированного направления. Для составления уравнений движения используются локальные подвижные системы координат, связанные со звеньями. Рассматривается программное движение модели, соответствующее заданному закону изменения обобщенных координат, и в результате решения прямой задачи определяются соответствующие управляющие силы. Управление моделируется кусочно-заданной ступенчатой функцией. Рассматривается влияние собственной массы пассивного экзоскелета. Исследуется влияние вращающихся роторов электродвигателей активного экзоскелета на динамику биомеханической системы человек-экзоскелет. Проводятся оценки энергетических затрат в каждом приводе. Проведен полный цикл моделирования динамики антропоида на подвижном основании при различных режимах движения. Ценность полученных результатов заключается в том, что предложенную модель можно непосредственно использовать при создании антропоморфных роботов или экзоскелетов.
Бесплатно
Статья научная
Цель исследования заключалась в выявлении биомеханических закономерностей движения трехзвенной модели опорно-двигательного аппарата тела спортсмена в связи с изменениями ее масс-инерционных характеристик, антропометрических показателей и переменной конфигурацией биосистемы. В настоящей работе моделировалось движение большого оборота назад на перекладине с переменной конфигурацией, и в вычислительном эксперименте на ЭВМ получены биомеханические закономерности двигательного действия в связи с варьированием масс-инерционных характеристик моделируемой биосистемы, которые до настоящего времени не нашли отражения в научных публикациях. Ранее подобное исследование проводилось для биосистемы постоянной конфигурации.
Бесплатно
Статья научная
Двумерная конечно-элементная модель височно-нижнечелюстного сустава была разработана из магнитно-резонансного изображения для изучения функции задней дисковой связки и крыловидной мышцы во время движения открытия челюстей. Движение было задано путем наложения перемещений на два узла модели. Эти перемещения были измерены с помощью прибора трехмерного анализа. Задняя дисковая связка и крыловидная мышца были смоделированы линейными пружинами постоянной и переменной жесткости соответственно. Для того чтобы обеспечить моделирование перемещения диска, соответствующее реальному перемещению, положение диска на различных шагах моделирования было сравнено с положением, полученным с помощью магнитно-резонансного изображения при различных положениях между резцами. Разные значения жесткости пружин были также проверены, чтобы оценить их влияние на перемещение диска и распределение напряжений. Результаты показывают, что задняя дисковая связка влияет на положение диска, распределение напряжений и интенсивность напряжений в суставе. Однако интенсивность напряжений сильно не изменится, если не учитывать крыловидную мышцу.
Бесплатно
Двухфазная модель течения крови
Статья научная
При течении крови в мелких сосудах (менее 200 мкм) наблюдается зависимость реологических свойств крови от диаметра сосуда. В мелких сосудах необходимо учитывать пристеночные эффекты и агрегацию эритроцитов. Для описания таких течений используются дискретно-континуальные или двухслойные модели течения. В работе предложена единая двухфазная модель крови для описания течения как в крупных, так и в мелких кровеносных сосудах. Модель описывает интегральные характеристики течения, такие как показатель гематокрита, вязкость и скорость крови. На основе данной модели дано объяснение известным особенностям (эффектам) течения крови в сосудах: зависимости показателя гематокрита от диаметра сосуда; существованию бесклеточного (безэритроцитного) слоя плазмы вблизи стенки сосуда; тупому (по сравнению с профилем течения Пуазейля) профилю скорости крови; зависимости вязкости крови от диаметра сосуда. Получены аналитические зависимости для скорости, вязкости и показателя гематокрита крови от диаметра кровеносного сосуда. Проведено сравнение с экспериментальными данными.
Бесплатно
