Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Российский журнал биомеханики. 2012, т. 16, 1

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
13.17 Mб
Скачать

Пермский научный центр Уральского отделения Российской академии наук

Пермский научный центр Российской академии медицинских наук и Администрации Пермского края

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

РОССИЙСКИЙ ЖУРНАЛ БИОМЕХАНИКИ

2012. ТОМ 16, № 1 (55)

Пермь 2012

РОССИЙСКИЙ ЖУРНАЛ БИОМЕХАНИКИ. 2012. Т. 16, № 1 (55)

Издание журнала осуществлено при финансовой поддержке Министерства промышленности, инноваций и науки Пермского края

Цель журнала – интенсифицировать обмен информацией между специалистами по биомеханике в России и других странах мира. Под предметом биомеханики понимается механика живых тканей и биоматериалов.

Характерной особенностью журнала является освещение проблем, связанных одновременно с биомеханикой и медициной.

В журнале публикуются оригинальные работы широкого биомеханического профиля.

Основные направления

Общие задачи и методы биомеханики

Реологические свойства живых тканей

Биоматериалы и протезирование

Биомеханика зубочелюстной системы

Биомеханика движения

Биомеханика мышечно-скелетного аппарата

Биомеханика кровообращения

Биомеханика органов дыхания

Биомеханика тканей и клеток

Биомеханика спорта

Биомеханические проблемы в биотехнологии

Подписка

Подписка на Российский журнал биомеханики на территории России осуществляется через агентство «Роспечать» по каталогу «Газеты, журналы» за номером №46421.

RUSSIAN JOURNAL OF BIOMECHANICS. 2012. Vol. 16, No. 1 (55)

The Journal is published under financial support of Ministry of Industry, Innovations and Science of Perm Region

The Journal publishes peer reviewed articles related to the principal topics in biomechanics. This Journal was established to improve the information interchange between specialists on

biomechanics from Russia and other countries. Biomechanics is defined as the mechanics of living tissues and biomaterials.

The Journal presents original papers of a wide biomechanical profile. A balance of biomechanical and medical problems is the principal aspect of the Journal activities.

Principal Suggested Topics:

General problems and methods of biomechanics

Rheological properties of living tissues

Biomaterials and prostheses

Dental biomechanics

Human movement analysis

Musculoskeletal biomechanics

Cardiovascular biomechanics

Biomechanics of breathing

Tissue and cellular biomechanics

Sport biomechanics

Biomechanical problems in biotechnology

All the papers are published in English. After translation the equivalent edition of the Journal is published in Russian.

Procedure of subscription

You can order the periodical by sending an e-mail to export@periodicals.ru, or by subscribing by means of the internet-shop www.periodicals.ru/export. All your actions will be monitored. Follow the instructions closely and you will encounter no problems. In case you will need an invoice to pay for your order please contact our manager at export@periodicals.ru, and the invoice will be sent to you.

The subscription can be made for Russian or English version of the journal.

РОССИЙСКИЙ ЖУРНАЛ БИОМЕХАНИКИ. 2012. ТОМ 16, № 1 (55) ISSN 1812-5123

Периодичность публикаций – 4 раза в год

Решением Президиума Высшей аттестационной комиссии Минобрнауки России от 19 февраля 2010 года № 6/6 «Российский журнал биомеханики» включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук по физико-математическим, техническим, медицинским и биологическим наукам.

Почетный главный редактор

 

Г.Г. Черный

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия

 

Главный редактор

 

 

 

 

 

Ю.И. Няшин

Пермский

национальный

исследовательский

политехнический

 

 

университет, Россия

 

 

 

Заместители главного редактора

 

 

 

Д. Воссуги

Корпорация «Биомед», Вашингтон, США

 

 

A.A. Ташкинов

Пермский

национальный

исследовательский

политехнический

 

университет, Россия

 

 

 

 

 

 

 

Международный редакционный совет

 

 

 

А. Балтов

Болгарская академия наук, София, Болгария

 

 

С.М. Бауэр

Санкт-Петербургский государственный университет, Россия

 

Ч.Д. Бурстоун

Университет Коннектикут, США

 

 

К. Вежхольский

Гданьский технический университет, Польша

 

 

С.С. Григорян

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия

 

А.С. Денисов

Пермская государственная медицинская академия им.Е.А. Вагнера, Россия

 

М.Л. Джонс

Университет Кардифф, Великобритания

 

 

И.Б. Ившина

Уральское отделение Российской академии наук, Пермь, Россия

 

А. Каппоццо

Римский университет, Италия

 

 

 

Н.А. Коротаев

Международная Ассоциация

специалистов оздоровительных практик,

 

Москва, Россия

 

 

 

Л.Ю. Коссович

 

 

 

Саратовский государственный университетим. Н.Г. Чернышевского, Россия

 

Г.А. Любимов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия

 

В.С. Мархасин

Уральское отделение Российской академии наук, Екатеринбург, Россия

 

В.П. Матвеенко

Уральское отделение Российской академии наук, Пермь, Россия

 

M. Mенар

Университет Бордо, Франция

 

 

 

Д. Миддлтон

Университет Суонси, Уэльс, Великобритания

 

 

О.Б. Наймарк

Уральское отделение Российской академии наук, Пермь, Россия

 

А. Натали

Университет Падуи, Италия

 

 

 

Ю.М. Плескачевский Национальная академия наук Беларуси, Минск, Беларусь

 

 

Ф.Г. Раммерсторфер Технический университет, Вена, Австрия

 

 

А. Рачев

Болгарская академия наук, София, Болгария

 

 

П. Ржиха

Чешская академия наук, Прага, Чехия

 

 

Г.И. Рогожников

Пермская государственная медицинская академияим.Е.А. Вагнера, Россия

 

Ж. Ронзин

Национальный институт прикладных наук, Ренн, Франция

 

К. Танне

Хиросимский университет, Япония

 

 

Ю.Ч. Фанг

Калифорнийский университет, США

 

 

С.В. Хрущев

Российская академия медицинских наук, Москва, Россия

 

 

С. Цуцуми

Университет Киото, Япония

 

 

 

В.А. Черешнев

Уральское отделение Российской академии наук, Екатеринбург, Россия

 

С.В. Шилько

Национальная академия наук Беларуси, Гомель, Беларусь

 

 

А.А. Штейн

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия

 

Ж.-Ф. Штольц

Медицинский факультет, Нанси, Франция

 

Заведующий редакцией

В.А. Лохов Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

Перевод и компьютерная верстка

А.Г. Кучумов Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

А.А. Киченко Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

В.Н. Никитин Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

RUSSIAN JOURNAL OF BIOMECHANICS. 2012. Vol. 16, No. 1 (55)

ISSN 1812-5123

The periodicity is 4 numbers a year

Honorary Editor-in-Chief

G.G. Chernyi

Moscow State Lomonosov University, Russia

Editor-in-Chief

 

Y.I. Nyashin

Perm State Research Polytechnical University, Russia

Associate Editors

 

A.A. Tashkinov

Perm State Research Polytechnical University, Russia

J. Vossoughi

Biomed Research Foundation, Washington, USA

International Editorial Board

A.Baltov S.M. Bauer C.J. Burstone

A.Cappozzo V.A. Chereshnev A.S. Denisov Y.C. Fung

S.S.Grigorian I.B. Ivshina M.L. Jones S.V. Khrushchov

N.A. Korotaev

L.Y. Kossovich

G.A. Lyubimov

V.S. Markhasin

V.P. Matveenko

M. Mesnard

J. Middleton

O.B. Naimark

A.N. Natali

A. Rachev

F.G. Rammerstorfer

Y.M. Pleskachevskiy

P. Riha

G.I. Rogozhnikov

J. Ronsin

S.V. Shilko

A.A. Stein

J.-F. Stoltz

K.Tanne

S. Tsutsumi

K.Ch. Wierzcholski

Technical Editor

V.A. Lokhov

Assistant Editors

A.G. Kuchumov

A.A. Kichenko

V.N. Nikitin

Bulgarian Academy of Sciences, Sophia, Bulgaria Saint Petersburg State University, Russia University of Connecticut Health Center, USA University of Rome, Italy

Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg, Russia

Perm State Academician E.A. Wagner Medical Academy, Russia University of California, USA

Moscow State Lomonosov University, Russia

Russian Academy of Sciences, Perm, Russia University of Wales, Cardiff, UK

Russian Academy of Medical Sciences, Moscow, Russia

International Association of Specialists in Rehabilitation Practice, Moscow, Russia

Chernyshevsky Saratov State University, Russia

Moscow State Lomonosov University, Russia Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg, Russia Russian Academy of Sciences, Perm, Russia University of Bordeaux, France

University College of Swansea, UK Russian Academy of Sciences, Perm, Russia University of Padova, Italy

Bulgarian Academy of Sciences, Sophia, Bulgaria Vienna University of Technology, Austria

National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus

Czech Academy of Sciences, Prague, Czech Republic

Perm State Academician E.A. Wagner Medical Academy, Russia Institut National des Sciences Appliquees, Rennes, France National Academy of Sciences of Belarus, Gomel, Belarus Moscow State Lomonosov University, Russia

Faculty of Medicine, Nancy, France Hiroshima University, Japan Kyoto University, Japan

Gdansk University of Technology, Gdansk, Poland

Perm State Research Polytechnical University, Russia

Perm State Research Polytechnical University, Russia

Perm State Research Polytechnical University, Russia

Perm State Research Polytechnical University, Russia

ISSN 1812-5123. Российский журнал биомеханики. 2012. Т. 16, № 1 (55)

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Усанов Д.А., Мареев О.В., Скрипаль А.В., Мареев Г.О. (Саратов, Россия).

 

Лазерные автодинные измерения параметров движений барабанной перепонки..........

8

Чигарев А.В. (Минск, Беларусь), Борисов А.В. (Смоленск, Россия).

 

Диффузионная модель разрушения элементов опорно-двигательного аппарата

 

человека..............................................................................................................................

 

22

Лохов В.А., Долганова О.Ю., Няшин Ю.И. (Пермь, Россия). Биомеханическое

 

моделирование эффекта сближения фрагментов твердого неба при

 

ортопедическом лечении...................................................................................................

 

38

Тазюков Ф.Х. (Казань, Россия), Джафар M. Хассан (Багдад, Ирак), Халаф Х.А.,

 

Снигерев Б.А. (Казань, Россия), Абдул Рахман Сафаа Х. (Багдад, Ирак).

 

Течение крови в симметричной кровеносной артерии со стенозом................................

 

46

Селянинов А.А., Данилова М.А., Тотьмянина А.В., Подгаец Р.М. (Пермь,

 

Россия). Биомеханическое сопровождение коррекции зубного

ряда

 

с применением эластопозиционеров.................................................................................

 

57

Ефимов А.П. (Нижний Новгород, Россия). Информативность биомеханических

 

параметров походки для оценки патологии нижних конечностей ..................................

 

80

Бобылев А.Н., Болотин Ю.В., Воронов А.В., Кручинин П.А. (Москва, Россия).

 

О двух модификациях метода наименьших квадратов в задаче восстановления

 

утерянной информации системы видеоанализа по показаниям аксемерометра.............

89

Няшин Ю.И., Рогожников Г.И., Рогожников А.Г., Никитин

В.Н.,

 

Асташина Н.Б. (Пермь, Россия). Биомеханический анализ зубных имплантатов

 

на основе сплава титана и оксида циркония.....................................................................

 

102

Зуев А.Л., Мишланов В.Ю., Судаков А.И., Шакиров Н.В. (Пермь, Россия),

 

Фролов А.В. (Минск, Беларусь). Эквивалентные электрические модели

 

биологических объектов....................................................................................................

 

110

Разделы биомеханики и ответственные за них.................................................................

 

121

6

ISSN 1812-5123. Российский журнал биомеханики. 2012. Т. 16, № 1 (55)

 

CONTENTS

 

 

Usanov D.A., Mareev O.V., Skripal A.V., Mareev G.O. (Saratov, Russia). Laser

autodyne measurements of the parameters of the tympanic membrane motions....................

8

Chigarev A.V. (Minsk, Belarus), Borisov A.V. (Smolensk, Russia). A diffusion model

of elements of the human locomotor system destruction.......................................................

 

22

Lokhov V.A., Dolganova O.Yu., Nyashin Y.I. (Perm, Russia). Biomechanical

modelling of the hard palate fragments approaching at ortopaedic treatment ........................

38

Tazyukov F.Kh. (Kazan, Russia), Hassan Jafar M. (Baghdad, Iraq), Khalaf H.А.,

Snigerev B.A. (Kazan, Russia), Abdul Rahman Safaa H.

(Baghdad,

Iraq).

Non-Newtonian flow of blood through a symmetric stenosed artery.....................................

46

Selyaninov А.А., Danilova M.A., Totmyanina A.V., Podgaets R.M. (Perm, Russia).

Biomechanical accompaniment of dental correction by elastic positioners ...........................

57

Ephimov A.P. (Nizhni Novgorod, Russia). Informativity

of biomechanical

parameters of gait for the estimation of the lower extremities pathology...............................

80

Bobilev A.N., Bolotin Yu.V., Voronov A.V., Kruchinin P.A. (Moscow, Russia). About

two the least-squares method modifications for lost data recovery in videoanalysis

system based on accelerometer data.....................................................................................

 

89

Nyashin Y.I., Rogozhnikov G.I., Rogozhnikov A.G., Nikitin V.N., Astashina N.B.

(Perm, Russia). Biomechanical analysis of dental implants from titanium alloy and

zirconium dioxide................................................................................................................

 

102

Zuev A.L., Mishlanov V.Yu., Sudakov A.I., Shakirov N.V.

(Perm, Russia),

Frolov A.V. (Minsk, Belarus). Equivalent electrical models of biological objects

.................110

Units of biomechanics and responsible for them...................................................................

 

121

7

ISSN 1812-5123. Российский журнал биомеханики. 2012. Т. 16, № 1 (55): 8–21

УДК 531/534:[57+61]

 

ЛАЗЕРНЫЕ АВТОДИННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЙ

 

БАРАБАННОЙ ПЕРЕПОНКИ

 

Д.А. Усанов1, О.В. Мареев2, А.В. Скрипаль1, Г.О. Мареев2

1

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Россия, 410012, Саратов,

ул. Астраханская, 83, e-mail: UsanovDA@info.sgu.ru, skripalav@info.sgu.ru

2

Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского Минздравсоцразвития

России, Россия, 410012, Саратов, ул. Б. Казачья, 112, e-mail: ovmareew@mail.ru, jey_trasher@mail.ru

Аннотация. В работе по результатам измерений с помощью полупроводникового лазерного автодина нанометровых смещений иследованы механические свойства барабанной перепонки в норме и при патологических изменениях. По результатам измерений амплитудно-частотных характеристик колебаний барабанной перепонки показана возможность диагностирования нарушений передаточной функции в цепи «барабанная перепонка – слуховые косточки». Установлены различия между амплитудно-частотными зависимостям барабанной перепонки и графиками нарастания амплитуды колебаний барабанной перепонки в зависимости от уровня звукового давления при адгезивных процессах, при сенсоневральной тугоухости и в норме. Экспериментально установлено наличие продольного смещения барабанной перепонки на фоне вибраций, возбуждаемых периодическим звуковым воздействием. Установлено, что при увеличении интенсивности звукового воздействия на барабанную перепонку в спектре механических колебаний происходит появление субгармонических составляющих. Проведенные исследования позволяют установить условия возбуждения нормальных колебаний барабанной перепонки и порога адекватного восприятия звукового сигнала.

Ключевые слова: биомеханика, барабанная перепонка, лазерный автодин, спектр колебаний, субгармоника.

ВВЕДЕНИЕ

Автодинные системы (системы с самовозбуждаемым колебательным контуром) нашли применение для контроля перемещений. В частности, продемонстрирована их высокая чувствительность к микро- и нановибрациям и смещениям [6, 12, 15, 18]. Кроме того, описаны способы измерений сверхмалых скоростей теплового расширения твердых тел, проводимых на основе анализа низкочастотного спектра автодинного сигнала [13, 22]. Если величина смещения поверхности объекта оказывается существенно меньше длины волны лазерного излучения, то применяют метод наложения дополнительных колебаний с известными характеристиками [13, 14].

Тот факт, что смещение барабанной перепонки при воздействии на нее звукового давления находится в пределах нескольких десятков и сотен нанометров, позволяет продемонстрировать преимущества и точность лазерного автодина как средства диагностики параметров движений биологических объектов.

© Усанов Д.А., Мареев О.В., Скрипаль А.В., Мареев Г.О., 2012 Усанов Дмитрий Александрович, д.ф.-м.н., проректор по НИР, академик МАН ВШ, профессор, зав. кафедрой физики твердого тела, Саратов

Мареев Олег Вадимович, д.м.н., профессор, зав. кафедрой оториноларингологии, Саратов Скрипаль Анатолий Владимирович, д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой медицинской физики, Саратов Мареев Глеб Олегович, к.м.н., ассистент кафедры оториноларингологии, Саратов

Лазерные автодинные измерения параметров движений барабанной перепонки

Известные в настоящее время контактные методы определения амплитуды колебаний барабанной перепонки [20, 21, 23] обладают низкой степенью точности, а лазерный допплеровский виброметр Polytec HLV–1000 (Polytec PI, California, USA) не откалиброван для проведения измерений амплитуд нанометровых вибраций [19]. В качестве основного результата измерений допплеровский виброметр Polytec HLV–1000 предполагает использование определения скорости движения – как основной характеристики вибраций микрообъектов; вычисление же непосредственно величины смещения барабанной перепонки из этих данных в нанометровом диапазоне описано не было и может оказаться довольно затруднительным.

В настоящее время для измерения величины нановибраций и смещений с помощью лазерного автодина разработаны методики, основанные на анализе низкочастотного спектра автодинного сигнала [5, 9, 11, 12]. Было показано, что при воздействии звукового давления в низкочастотном спектре появляются гармонические составляющие, кратные основной частоте колебаний контролируемого участка барабанной перепонки, по отношению которых можно определить амплитуду колебаний перепонки [8]. Анализ изменения низкочастотного спектра автодинного сигнала позволит определить динамическое состояние барабанной перепонки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЛЕБАНИЙ БАРАБАННОЙ ПЕРЕПОНКИ

Немаловажное значение в настоящее время имеет оценка состояния структур среднего уха при оперативных вмешательствах, сочетающихся с установкой в барабанной полости имплантируемых слуховых аппаратов, основанных на методике прямой стимуляции структур среднего уха [17]. Именно этот метод завоевывает все большую популярность для целей электроакустической коррекции слуха у больных тугоухостью. Непосредственный контроль подвижности барабанной перепонки и всей цепи слуховых косточек необходим на этапах дооперационного обследования больных, идущих на данное хирургическое вмешательство, и после него; кроме того, чрезвычайно необходимы и методы контроля подвижности и условий передачи энергии реконструированной цепью слуховых косточек во время проведения таких операций

[1–3, 7, 16].

Экспериментальное определение амплитуд колебаний барабанной перепонки проводилось с использованием автодинной измерительной системы [3], схема которой приведена на рис. 1.

В состав измерительной автодинной системы входит лазерный диод RLD–650 (2) на квантоворазмерных структурах с длиной волны излучения 652 нм. На барабанную перепонку (1) направляют когерентное излучение от лазерного диода (2), запитываемого от источника тока (3). Для обеспечения прямой видимости барабанной перепонки используют расширительную воронку. Отраженное от барабанной перепонки лазерное излучение регистрируется с помощью фотоприемника (4). Сигнал с фотоприемника поступает через широкополосный усилитель, содержащий фильтр переменного сигнала (5), на вход аналого-цифрового преобразователя 6 компьютера (7). Для возбуждения колебаний барабанной перепонки используется излучатель звуковых волн (9), работающий от генераторазвуковых колебаний (8).

Исследования амплитудно-частотной характеристики барабанной перепонки проводились на препарированном слуховом аппарате свиньи. Для этого извлекалась пирамида височной кости, содержащая барабанную полость, и часть височной кости с улиткой. Вскрывался ушной проход для обеспечения прямой видимости барабанной перепонки и возможности контроля фокусировки лазерного излучения, при этом герметичность улитки не нарушалась, что позволило получить данные об амплитудночастотных характеристиках барабанной перепонки у живых особей in vitro.

ISSN 1812-5123. Российский журнал биомеханики. 2012. Т. 16, № 1 (55): 8–21

9

Д.А. Усанов, О.В. Мареев, А.В. Скрипаль, Г.О. Мареев

Рис. 1. Схема измерительной установки. 1 – барабанная перепонка с расширительной воронкой, 2 – лазерный диод на квантоворазмерных структурах, 3 – источник тока лазерного диода, 4 – фотоприемник, 5 – широкополосный усилитель, содержащий фильтр переменного сигнала, 6 – аналого-цифровой преобразователь, 7 – компьютер, 8 – генератор звуковых колебаний, 9 – излучатель звуковых волн

В процессе измерений регистрировалась амплитудно-частотная характеристика барабанной перепонки в низкочастотной области спектра от 200 Гц до 1,5 кГц. Для обеспечения достоверности полученных результатов была проведена предварительная калибровка генератора сигналов звуковой частоты и излучателя звуковых волн. В ходе калибровки было установлено, что в выбранном диапазоне частот амплитудночастотных характеристик используемых приборов имеет линейный горизонтальный (равномерный) характер, что исключает необходимость приведения полученных амплитудно-частотных характеристик в соответствие с амплитудно-частотными характеристиками измерительного оборудования. Использование в установке широкополосного усилителя переменного сигнала обеспечило отсутствие искажения спектра автодинного сигнала. Это позволило проводить измерения в выбранном диапазоне частот без последующей нормировки полученных результатов, что способствовало уменьшению погрешности измерений и повышению их достоверности.

На рис. 2 приведен зарегистрированный автодинный сигнал (а) и его спектр (б) при уровне звукового давления на барабанную перепонку, превышающем порог слышимости на 50 дб, при частоте звукового воздействия 420 Гц. Как видно из рис. 2, б, в спектре автодинного сигнала максимальную амплитуду имеет гармоника, соответствующая утроенной частоте колебаний излучателя звуковых волн.

На рис. 3 приведена зарегистрированная АЧХ слухового аппарата в диапазоне от 200 Гц до 1,5 кГц при уровнях звукового давления, превышающих порог слышимости на 50 и 60 дб.

Из рис. 3 видно, что в низкочастотной области амплитудно-частотной характеристики барабанной перепонки с присоединенными слуховыми косточками наблюдаются четыре максимума, соответствующие четырем резонансным частотам данной системы – 375, 475, 550 и 675 Гц. С увеличением интенсивности звукового воздействия значительно увеличивается амплитуда колебаний барабанной перепонки на частоте близкой к 550 Гц, а положение максимума незначительно смещается в область низких частот. Рост амплитуды колебаний происходит также на частоте 675 Гц.

10

ISSN 1812-5123. Российский журнал биомеханики. 2012. Т. 16, № 1 (55): 8–21