Биомеханика - 2016
..pdfполнительного амортизирующего слоя, составил 0,34 0,1 МПа при абсолютно упругом поведении.
Сиспользованием методов математического моделирования
ибиомеханического анализа была дана оценка эффективности новой конструкции спортивной зубной шины. В ходе эксперимента проведен сравнительный биомеханический анализ, определяющий уровень функциональных нагружений в эмали зубов без использования защитных конструкций и при применении традиционной спортивной зубной шины, выполненной из этиленвинилацетата, а также новой конструкции с дополнительно введенным амортизирующим силиконовым слоем.
Доказано, что уровень функциональных напряжений в эмали зубов при использовании разработанной конструкции снижается на 15 % в сравнении с традиционной.
Благодарность
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, проект № 1873.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПУЧКОВ ВОЛОКОН
ВПЕРИОДОНТЕ ОДНОКОРЕННОГО ЗУБА
СПОМОЩЬЮ СТРУКТУРНОЙ МОДЕЛИ
А.О. Мазалова, О.И. Дударь
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, efemera2012@yandex.ru
Ключевые слова: периодонт, упругость, структурная модель, континуальная модель, количество пучков волокон.
Рассматривается структурная модель периодонта, т.е. периодонтальная ткань представлена как набор упругих волокон, направленных под одинаковым углом к оси зуба. Данная модель была использована для определения числа пучков волокон периодонта.
Были приняты следующие допущения: рассматривалась центральная окклюзия, поэтому нагрузка направлена вдоль оси зуба;
71
корень зуба имеет форму конуса [1]; без нагрузки все пучки волокон направлены под одинаковым углом к вертикали, также первоначальный и текущий размер периодонтальной щели считаем везде одинаковым [2]; полагаем, что нагружение медленное, поэтому вязкими эффектами пренебрегаем.
Было определено количество пучков волокон в периодонтальной ткани клыка верхней челюсти двумя различными способами: силовым и геометрическим. Оба способа дают один порядок этой величины.
Также в данной работе с помощью структурной модели была получена зависимость силы от перемещения, которая более корректно описывает поведение периодонта под воздействием высоких жевательных нагрузок, чем ранее полученная зависимость с помощью континуальной модели периодонта с использованием гипотезы Винклера в работе [3].
Дальнейшее развитие и построение более точной структурной модели периодонта предполагает учесть работу волокон на поперечное сжатие при больших нагрузках. Также интересным является разработка вязкоупругой модели периодонта, которая позволит в большей мере учесть его реальную анатомическую структуру.
Список литературы
1.Andersen K.L., Pedersen E.H., Melsen B. Material parameters and stress profiles within the periodontal ligament // American Journal of Orthodontic and Dentofacial Orthopaedics. – 1991. – 99. – Р. 427–440.
2.Астахов Н.А., Гофунг Е.М., Катц А.Я. Ортопедическая стоматология. – М.–Л.: Медгиз, 1940. – 378 с.
3.Распределение жевательной нагрузки по зубному ряду при центральной окклюзии / О.И. Дударь, И.П. Костерина, Л.В. Майорова, Н.А. Фатеева // Российский журнал биомеханики. – 2009. – Т. 13, № 3. – С. 56–62.
72
ИЗУЧЕНИЕ МИКРОЦИРКУЛЯЦИИ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПЕРВИЧНЫХ
ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОПУХОЛЯХ
М. Манцкава1, 2, И. Вашакидзе1, Е. Лабадзе1, Н. Момцелидзе1, 2
1Экспериментальный центр биомедицины им. И. Бериташвили, Грузия, 0161, г. Тбили-
си, ул. Л. Готуа, 14, mantskavamaka@rambler.ru
2Общество реологов, Грузия, 0161, г. Тбилиси, ул. Долидзе, 22, rheology.biz@gmail.com
Ключевые слова: локальный кровоток, осмотическая резистентность, деформируемость эритроцитов.
В опухолях животных изучались интенсивность локального кровотока (ИЛК), поверхностное натяжение крови, осмотическая резистентность и деформационная способность мембран эритроцитов. Для измерения величин нами использовались: полярография по водороду методом Ребиндера, фотоэлектроколориметрический метод, фильтрационно-фотометрический компьютерный метод. Эксперименты проводились на лабораторных мышах-самцах линии C57BL/6J, весом 20–25 г (n = 10) и беспородных крысах-самцах весом 150–180 г (n = 10) на 7-й, 14-й и 21-й день после подкожной перевивки карциномы Эрлиха. Установлено, что в процессе роста перевивных злокачественных опухолей как в самой опухоли, так и в «интактной» печени и желудке ИЛК параллельно росту опухоли резко и сильно ухудшается. В процессе роста злокачественных опухолей также снижаются осмотическая резистентность и деформационная способность мембран эритроцитов, повышается поверхностное натяжение крови. Повышенное поверхностное натяжение крови и понижение деформации эритроцитов отрицательно влияют на реологию и ухудшают текучесть крови, что, в свою очередь, становится одной из важных причин нарушения микрогемоциркуляции и локального кровотока. Интересно, что достоверность результатов выше в группе мышей, хотя все внешние условия, дозирование, методы были одинаковыми и стандартными для обеих групп. Это, возможно, указывает на предрасположенность
73
вида либо на общую массу тела животного, которые, в свою очередь, делают микроциркуляционное русло более подверженным изменениям, образовывая порочный круг.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИНЦИП КОУЛТЕРА
М.М. Манцкава1, 2
1Экспериментальный центр биомедицины им. И. Бериташвили, Грузия, 0161, г. Тбили-
си, ул. Л. Готуа, 14, mantskavamaka@rambler.ru
2Общество реологов, Грузия, 0161, г. Тбилиси, ул. Долидзе, 22, rheology.biz@gmail.com
Ключевые слова: кровь, реология, агрегация эритроцитов, принцип Коултера.
В современном мире биомедицины стремительно возрастает интерес к клиническим анализам крови. Общая картина крови является тем минимальным маркером, который необходимо учитывать во время диагностики, лечения и профилактики заболеваний. При сердечно-сосудистых, неврологических, гематологических, эндокринных и других болезнях, где так или иначе трофическая функция крови ущемлена, необходима оценка реологических свойств крови, в частности, агрегируемости эритроцитов на фоне контроля общих показателей крови. Агрегируемость эритроцитов – это основной показатель реологических свойств крови, которые обеспечивают нормальный ток крови в микроциркуляционном русле целиком, в особенности когда просвет капилляров соизмерим с диаметром эритроцита или размер последнего превышает калибр сосуда. Неоспорима полезность одновременного изучения общего состава крови и агрегируемости эритроцитов. Кафедра биомедицинской инженерии в Технологическом институте Джорджии
иУниверситет Эмори (Emory University), названный в честь Коултера, продолжают усовершенствование метода для возрастания точности и рентабельности аппаратов, в основу работы которых положен принцип изобретателя. Цель нашей исследовательской группы – совместное международное проектирование реологических аппаратов, которые способны отличать агрегаты из двух, трех
иболее эритроцитов от единичных. Для облегчения задачи остано-
74
вим свое внимание только на нелинейных агрегатах. При теоретическом обосновании можно учесть это в математических выкладках, но сам гематологический счетчик не видит ни аглютизированные, ни агрегированные эритроциты и тем более не учитывает размеры и объемность эритроцитов в агрегатах. Нами создана установка из двух однотипных анализаторов (фирма, страна, производитель и реагенты должны быть одинаковыми), один из которых работал стандартно, а во второй в качестве реактива добавлялось дополнительное количество антикоагулянта (антиагреганта). Все данные заносили в компьютер, где и подсчитывали разность результатов. Количественное и относительное различие количества эритроцитов, цветового показателя, гематокрита отражает степень линейной эритроцитарной агрегации. При увеличении показателя достоверности данный метод будет задействован не только в пилотных клиниках. С увеличением массива исследований ценность выводов повысится, что позволит использовать данный принцип для сооружения реологических счетчиков на основе гематоанализаторов, работающих на принципе Коултера. Это снизит себестоимость реологических аппаратов и повысит актуальность реологических исследований в клинике.
РЕОЛОГИЯ КРОВИ ПРИ ГЕСТОЗАХ
М.М. Манцкава1, 2
1Экспериментальный центр биомедицины им. И. Бериташвили, Грузия, 0161, г. Тбили-
си, ул. Л. Готуа, 14, mantskavamaka@rambler.ru
2Общество реологов, Грузия, 0161, г. Тбилиси, ул. Долидзе, 22, rheology.biz@gmail.com
Ключевые слова: беременность, гемореологический статус, гематокрит.
Беременность является особой формой физиологического процесса. Существуют осложнения беременности, которые не только приводят к патологии процесса, но и отражаются на здоровье женщины, ребенка, на последующих беременностях и на течение экстрагенитальных заболеваний, которые имеются в анамнезе будущей роженицы. Гестоз – одно из осложнений, которое может протекать вяло либо сопровождаться более выраженными проявле-
75
ниями, вплоть до эклампсии; одна из причин материнской смертности. Перинатальная смертность при гестозе превышает средние показатели в 5–7 раз, поэтому столь важны научно-исследо- вательские проекты, направленные на изучение методов диагностики данного заболевания и лечения. Эффективность установления гемореологического статуса при беременности определяется выявлением умеренных (средних) форм заболевания, что имеет социально-экономическое значение. Целью нашей работы была оценка ранней диагностики реологического статуса крови при гестозах. Оказалось, что у пациенток с умеренной формой гестоза реологический статус менялся за счет мембранной недостаточности эритроцитов. Незначительные однородные изменение вязкости плазмы фиксируются при физиологической беременности и начальных стадиях гестоза. Гематокрит в нашем исследовании соответствовал общепринятым нормам: у беременных всех групп по сравнению с женщинами группы контроля он был понижен и поэтому с точки зрения реологического статуса не принимался во внимание. По данным наших исследований, индекс деформируемости эритроцитов является самым чувствительным и, следовательно, информативным для оценки реологии крови при гестозе. Именно деформируемость мембраны эритроцита определяет гемореологический статус крови и позволяет оценить стадию гестоза.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ МЫШЦ ТАЗОБЕДРЕННОЙ ГРУППЫ ПАЦИЕНТА ПРИ ДВИЖЕНИИ
В РЕАБИЛИТАЦИОННОМ ТРЕНАЖЁРЕ
Н.М. Маслов, Ю.В. Акулич
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, auv@theormech.pstu.ac.ru
Ключевые слова: усилия мышц, нижняя конечность, реабилитационный тренажёр, метод перемещений, силы инерции.
В работе [1] представлена двухэтапная методика вычисления усилий активных мышц нижней конечности пациента при движении в реабилитационном тренажёре. На первом этапе в каждый
76
момент времени движения методом перемещений [2] устанавливаются активные мышцы и предварительные значения усилий этих мышц. На втором этапе осуществляется оптимизационное уточнение значений сил по объективным критериям.
Однако недостатком этой методики является отсутствие учета сил инерции, которые достигают существенных значений в некоторых положениях движущейся конечности.
Цель данного исследования – уточнение двухэтапной методики путем учёта действия сил инерции с помощью принципа ДʼАламбера.
Разработаны алгоритм и программа расчета усилий активных мыщц, реализованная в среде Matlab.
Расчеты показали, что при сгибании конечности в коленном суставе из горизонтального положения учет сил инерции приводит к перераспределению усилий мышц: значительно увеличилось нагружение мышцы m. Bicepsfemoris (разгибатель бедра, сгибатель голени) (+257 %), также увеличилась нагрузка по разгибанию бедра односуставной мышцей m. Gluteusmaximus (1,3 %) и уменьшилась нагрузка для m. Gracilis (тонкая мышца) (–3,4 %) и m. Tensorfascialata (напрягатель широкой фасции) (–6,4 %).
Список литературы
1.Акулич Ю.В., Зинатулин Э.А. Методика определения усилий мышц и реакций в суставах при движении нижней конечности человека в реабилитационном тренажёре // Российский журнал биомеханики. – 2011. – Т. 14, № 4 (50). – С. 87–96.
2.Колесников Г.Н. Биомеханическая модель скелетномышечной системы, построенная без субъективных критериев оптимальности // Российский журнал биомеханики. − 2004. – Т. 8,
№3. − С. 19–29.
77
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТОЛЩИНЫ ХРЯЩЕВОГО ТРАНСПЛАНТАТА ПРИ ТИМПАНОПЛАСТИКЕ
Г.И. Михасев1, С.М. Босяков1, К.С. Юркевич1 Л.Г. Петрова2, М.М. Майсюк2
1 Белорусский государственный университет, Беларусь, 220030, г. Минск, пр. Независи-
мости, 4, bosiakov@bsu.by
2 Республиканский научно-практический центр отоларингологии, Беларусь, 220004,
г. Минск, ул. Сухая, 8, merylmmm@mail.ru
Ключевые слова: среднее ухо, тимпанальная мембрана, хрящевой трансплантат.
Одной из профилактических мер развития холестеатомы среднего уха является хирургический подход в лечении ретракционных карманов. Он подразумевает установку хрящевого трансплантата на задневерхний квадрант тимпанальной мембраны для увеличения жесткости и улучшения слуховой функции1. Целью исследования является определение геометрических размеров хрящевого трансплантата при патологических изменениях упругих свойств задневерхнего квадранта тимпанальной мембраны для создания акустических условий, соответствующих функциям среднего уха в норме.
Конечно-элементная модель среднего уха, включающая тимпанальную мембрану и слуховые косточки, разработана на основании томографических данных. Патологические изменения упругих свойств задневерхнего квадранта моделируются переменным модулем упругости в виде функции координат, быстро убывающей при приближении к очагу (центру) ретракционного кармана. Толщина хрящевого трансплантата определяется на основании сравнительного анализа спектров собственных частот свободных колебаний среднего уха в норме и среднего уха с патологией упругих свойств задневерхнего квадранта и установленным хрящевым
1 Finite element analysis of the middle ear transfer functions and related pathologies / F. Zhao, T. Koike, J. Wang, H. Sienz, R. Meredith // Medical Engineering and Physics. – 2009. – Vol. 31. – P. 907–916.
78
трансплантатом. В результате определены оптимальные толщины хрящевых трансплантатов для задневерхнего квадранта с ретракционным карманом, обеспечивающие достаточную жесткость тимпанальной мембраны и слуховую проводимость, соответствующую слуховым функциям среднего уха в норме.
Благодарность
Работа выполнена в рамках заданий 1.8.01.1 и 1.19.3 государственной программы научных исследований «Конвергенция».
ОЦЕНКА УПРУГИХ СВОЙСТВ ГЛАЗА С ПОМОЩЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОНОМЕТРИИ ТОНОМЕТРОМ ШИОТЦА: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И КЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
И.Н. Моисеева1, А.А. Штейн1, Г.А. Любимов1, Е.Н. Иомдина2, А.Ю. Арчаков2
1НИИ механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Россия, 117899, г. Москва, Мичуринский пр., 1, moiseeva.ir@yandex.ru
2Московский НИИ глазных болезней им. Гельмгольца Министерства здравоохранения России, Россия, 105062, г. Москва, ул. Садовая-Черногрязская, 14/19, iomdina@mail.ru
Ключевые слова: глаз, механические свойства, математическое моделирование, дифференциальная тонометрия, тонометр Шиотца.
Процедура дифференциальной тонометрии с помощью тонометра Шиотца моделируется в рамках двухкомпонентной модели глазного яблока, в которой роговица представляется безмоментной деформируемой линейно-упругой поверхностью, а склеральная область – упругим элементом, откликающимся изменением объема на изменения внутриглазного давления. Исследована связь наклона зависимости внутриглазного давления от веса нагружающего роговицу стержня (коэффициента эластоподъема, КЭ) и от упругих характеристик глаза и давления в ненагруженном глазу (истинного внутриглазного давления). Этот коэффициент в основном определяется склеральной жесткостью. Анализ, основанный на теории
79
размерности и подтвержденный расчетами, позволил заключить, что КЭ в первом приближении зависит от упругих констант через их отношения к внутриглазному давлению. Проведено сопоставление со стандартной методикой обработки данных.
КЭ, определенный при клиническом обследовании у больных с разными стадиями первичной открытоугольной глаукомы, был в среднем значительно выше, чем в группе контроля. В то же время среднее значение стандартной измеряемой при дифференциальной тонометрии характеристики (ригидности по Фриденвальду) в этой группе лишь незначительно отличалось от нормы. Кроме того, предложенный механический параметр характеризуется более высокой индивидуальной диагностической ценностью, чем ригидность по Фриденвальду: значимо повышенная жесткость склеры, оцененная по КЭ, выявлена у половины пациентов, в то время как повышенная ригидность по Фриденвальду – лишь в одной трети случаев.
Благодарность
Работа поддержана РФФИ (проект № 14-01-00475).
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ СТЕНТА ИЗ МАТЕРИАЛА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
М.А. Молчанова, А.Г. Кучумов, Е.В. Ивонина
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, temporal1409@rambler.ru
Ключевые слова: никелид титана, рубцовый стеноз, стент, желчь, модель Мовчана, оптимальное управление, эндобилиарные вмешательства.
Заболевания желчного пузыря и желчевыводящих путей занимают третье место в России по распространённости. Наиболее часто встречается рубцовый стеноз дуоденального сосочка – сужение места впадения в двенадцатиперстную кишку общего желчного протока и общего панкреатического протока. Для устранения стеноза большого дуоденального сосочка применяются эндобилиар-
80