Целью работы является определение критической величины недопокрытия ацетабулярного компонента, при которой возможна его имплантация без использования дополнительной опоры. Актуальность данного исследования продиктована клинической практикой и отсутствием обоснованных рекомендаций для тактики эндопротезирования с недопокрытием вертлужного компонента. Численные исследования выполнены с помощью метода конечных элементов в пакете
Siemens NX. Cтепень дисплазии оценивалась на основе оригинального способа интраоперационного измерения площади недопокрытия вертлужного компонента. Были проведены расчеты для чашек диаметром 52, 54 и 56 мм с учетом влияния контакного взаимодействия. Для решения задачи напряженно-деформиуремого тела использовался метод конечных элементов. Численный алгоритм реализации контактного взаимодействия основан на итерационном процессе определения зоны контакта. На основе результатов численных расчетов был изучен механизм потери несущей способности ацетабулярного компонента, получены зависимости величины критической реакции в суставе от величины недопокрытия. Под критической величиной суставной реакции понималась наименьшая сила, при которой происходит потеря несущей способности, отождествляемая с появлением относительного скольжения в области контакта. Была выявлена стабильность имплантата при степени недопокрытия до 20 %; от 20 до 30 % - величина критической силы превышает 2 кН и уменьшается с увеличением процента недопокрытия. Полученные данные сравнивались с клиническими и экспериментальными, разница в определяемых величинах составляла порядка 1 кН (порядка 35 % в относительных величинах). На основании полученных данных было получено экспотенциальное приближение зависимости величины критической реакции в суставе от различной степени недопокрытия. Полученная зависимость величины допустимого недопокрытия от массы пациента позволяет хирургу индивидуально и объективно оценить возможность установки ацетабулярного компонента эндопротеза.

Ключевые слова: эндопротезирование тазобедренного сустава, дисплазия, контактное взаимодействие, математическое моделирование.

При коррекции прикуса, связанной с потерей зубов, повышенной стираемостью зубов, травмами и переломами челюстей, стоматолог опирается на свой опыт или использует методики, в основе которых заложены геометрические расчеты. Прикус определяет нагружение всей нижней челюсти и височно-нижнечелюстных суставов, поэтому необходимо биомеханическое сопровождение такой коррекции. Поставлена задача управления коррекцией прикуса, в которой при определяемых параметрах прикуса напряжения в дисках суставов и теле нижней челюсти не должны превышать заданных пределов для интенсивности напряжений. Напряжения и деформации в теле нижней челюсти и дисках определяются из решения двух задач теории упругости: для области нижней челюсти и области диска при центральной окклюзии при максимальном нагружении мышц. Точка приложения реакции сустава и положение диска в суставе определяются в нем по результатам магнитно-резонансной томографии. Для определения напряженно-деформированного состояния челюстей и диска височно-нижнечелюстного сустава необходимо знать усилия в мышцах и реакцию височно-нижнечелюстного сустава, являющихся граничными условиями для поставленных задач. Величины усилий мышц заведомо неизвестны. Усилия мышц определяются из решения задачи оптимизации, в которую входят уравнения статики нижней челюсти под действием заданной жевательной нагрузки и критерий оптимизации. После вычисления усилий мышц и реакций в височно-нижнечелюстных суставах решается первоначальная задача определения напряженно-деформированного состояния нижней челюсти и диска. Из сравнения полученных напряжений с допустимыми вычисляются необходимые параметры, определяющие положение прикуса.

Ключевые слова: коррекция прикуса, зубочелюстная система, височно-нижнечелюстной сустав, усилия мышц, суставной диск.

Цифровая визуализация биомеханических исследований костно-мышечной системы с помощью безмаркерного захвата движений
при остеоартрозах весьма актуальна. Целью исследования является установление особенностей влияния остеоартроза коленного сустава на биомеханические показатели тазобедренного сустава у людей в возрасте 40–65 лет. В исследовании приняло участие 42 человека без симптоматических признаков остеоартроза коленного сустава (контрольная группа) и 31 человек с билатеральным остеоартрозом коленного сустава (экспериментальная группа) в возрасте
40–65 лет. Методом безмаркерного захвата движений зафиксированы значимые различия между группами контрольной и экспериментальной в кинематике тазобедренных суставов и во временных показателях, полученных при проведении теста (p ≤ 0,01). Для выполнения теста в экспериментальной группе требуется 1,94±0,09 с (X ± SD), а в контрольной группе – лишь 1,72 ± 0,07 с (p ≤ 0,01). Существенные различия зафиксированы в фазу опоры: у экспериментальной группы 0,78 ± 0,03 с, у контрольной – 0,62 ± 0,03 с (p ≤ 0,01). Во второй и третьей фазах существенных различий между контрольной и экспериментальной группами не обнаружено. Показано, что при выполнении теста люди, страдающие остеоартрозом коленного сустава, имеют бỏльшую флексию бедра (на 21 %), чем люди без остеоартроза коленного сустава. В контрольной и экспериментальной группах существенные различия найдены между доминантными нижними конечностями. В экспериментальной группе тазобедренные суставы доминантных конечностей находились в положении бỏльшей наружной ротации (на 25 %) по сравнению с контрольной группой. Также обнаружено, что в конце теста тазобедренные суставы доминантных конечностей испытуемых экспериментальной группы находились в менее отведенном положении (на 49 %), чем в контрольной. Существенные различия между тазобедренными суставами доминантной и недоминантной конечностей зафиксированы внутри контрольной группы, т.е. недоминантная конечность имела бỏльшие моменты наружной ротации (на 31 %), чем доминантная конечность (p ≤ 0,01). Данные различия могут обозначать, что люди, страдающие остеоартрозом коленного сустава, претерпевают гораздо большее напряжение в хрящах тазобедренного сустава, что потенциально может привести к развитию и/или прогрессированию остеоартроза в тазобедренном суставе.

Ключевые слова: биомеханика, остеоартроз, коленный сустав, тазобедренный сустав, безмаркерная система захвата движения.

Моделирование отдельных органов человека и организма в целом открывает дополнительные возможности в выявлении патологий, назначении оптимальных медицинских воздействий и прогнозировании их последствий. Для реализации этого подхода необходим геометрический образ органа. Преимущественно он представляет собой конечно-элементную сетку, поскольку реализация моделей, описывающих физико-механические процессы, протекающие в органе, осуществляется численно и в большинстве случаев методом конечных элементов. В настоящей работе рассматривается построение конечно-элементного образа сердца человека. Процесс построения основан на результатах мультисрезовой рентгеновской томографии, полученных in vivo. Исходная томограмма обрабатывается специально разработанным морфологическим фильтром, который позволяет сглаживать границу органа, устранять шумовой сигнал томографа и исключать элементы органа заданного масштаба. С помощью этого алгоритма выполнена фильтрация внешней границы сердца и его полостей. На основе обработанного томографического образа с помощью алгоритма роста создан трехмерный четырехкамерный геометрический образ сердца. Для этого образа построена граница в виде поверхностной сетки и проведены ее обработка с целью устранения дефектов в виде самокасаний, а также сглаживание, которое позволило устранить ломаный характер поверхности. Эти поверхности экспортированы в блок генерации сеток ANSYS ICEM CFD, в котором осуществлено построение конечно-элементного аналога сердца человека. Разработанный алгоритм обладает высокой универсальностью и может быть использован для построения геометрических образов других органов человека, единственным ограничением является обеспечение достаточного контраста томографического сигнала между восстанавливаемым органом и окружающей средой.

Ключевые слова: сердце, сегментация, морфологическая фильтрация, томограмма, конечные элементы.

Перестройка является сложным процессом, существенным для физиологического функционирования костной ткани. В этой статье сделана попытка создать теоретическую модель этого процесса, учитывающую как биомеханические, так и биохимические регулирования. Следовательно, перестройка костной ткани реализует сложную сеть, которая, в свою очередь, стимулирует конформационные изменения, требуемые как для здоровья костной ткани, так и для процессов восстановления. После краткого анализа физиологии явления перестройки костной ткани рассматривается математическое развитие идеи Вито Вольтерра об экологических взаимоотношениях между популяциями хищников и жертв, приспосабливая ее благодаря строгой аналогии к динамике клеточных популяций, являющихся протагонистами в явлении перестройки кости. Учитывая колебательный характер этого явления в среде костных морфогенетических единиц, модель завершается сильной корреляцией между геометрией морфологии кости (пористость и поверхностная морфология) и двумя упомянутыми выше регулированиями. В дифференциальное уравнение, рассматривающее субпопуляции остеокластов и остеобластов, которые непосредственно не вмешиваются в процесс перестройки и самообновления (линии клеток–предшественников), вводится также новая переменная состояния. Таким образом, предложенная модель осуществляется тремя дифференциальными уравнениями, описывающими состояние ткани (в ситуациях здоровья или патологии) и работу перестройки в действии.

Ключевые слова: теоретическая модель, перестройка, остеокласты, остеобласты, костная морфогенетическя единица, модель «хищник–жертва», теория Вито Вольтерра, костная ткань.

Настоящая работа посвящена анализу трехмерных данных атомно-силовой микроскопии по исследованию морфологии эритроцитов. Атомно-силовая микроскопия позволяет анализировать биомеханические свойства мембраны – эластичность, мобильность поверхностных  слоев, адгезию, молекулярное связывание и электростатичность. Проведено построение биомеханической модели эритроцита, которая позволила провести расчет внутриклеточного давления эритроцитов на основе данных атомно-силовой микроскопии. В модели упругие свойства эритроцита определяются ригидностью его мембраны и взаимодействием с гемоглобином, при этом внутреннее содержимое эритроцита принималось за однородное тело. Расчет проводился в два этапа: сначала для подвижного содержимого эритроцита с использованием уравнений Навье–Стокса, где содержимое эритроцита представлялось в виде жидкости с параметризацией начального давления и формированием геометрии под действием внутренних и внешних сил, а затем расчет проводился повторно методом конечных элементов, при этом внутреннее содержимое эритроцита предполагалось твердым, что исключало движение внутри эритроцита, но позволяло определить внутреннее давление, которое устанавливается в равновесии. В результате была получена зависимость внутриклеточного давления от морфологии эритроцита. Предложен способ оценки внутриклеточного давления эритроцитов на основе численного моделирования и данных атомно-силовой микроскопии скана эритроцитов, который предполагает сравнение экспериментальных данных с результатами численного расчета. Способ применен к данным атомно-силовой микроскопии эритроцитов экспериментальных животных – карликовых домашних свиней при разной степени механической желтухи и в норме. Показано, что с ростом степени заболевания и концентрации билирубина в крови происходит нарушение мембраны эритроцитов, в среднем увеличение их объема и существенное изменение внутриклеточного давления по отношению к показателю в норме.

Ключевые слова: эритроцит, биомеханика мембраны, внутриклеточное давление, атомно-силовая микроскопия, механическая желтуха.

Целью данной работы является экспериментальное исследование материалов новой конструкции спортивной зубной шины для спортсменов,занимающихся силовыми бесконтактными видами спорта. Новизна разработки заключается в дополнительном введении специального силиконового материала в конструкцию каппы, выполненной из этеленвинилацетата (основного конструкционного материала, предназначенного для изготовления раличных типов назубных капп). Для последующего моделирования биомеханического поведения конструкции были исследованы свойства основных конструкционных материалов: этиленвинилацетата («Drufosoft» фирма Dreve, Германия) и винилполисилоксана («Ufi Gel P» фирма Voco, Германия). В ходе экспериментальных исследований определено, что модуль Юнга этиленвинилацетата составил в среднем 17,1±1,58 МПа; показано, что материал демонстрирует упругопластическое поведение. Также было исследовано влияние скоростей нагружения (5, 10 и 500 мм/мин) на вид деформационных диаграмм. Модуль Юнга винилполисилоксана составил 0,34+0,1 МПа, при этом было показано, что исследуемый материал демонстрирует практически абсолютно упругое поведение. Полученные результаты позволят перейти к проведению биомеханического моделирования и изучить механизмы распределения функциональных нагружений, формирующихся в области зубного ряда при использовании зубной шины, а также определить оптимальные параметры конструкционных элементов разработанной модели спортивной зубной шины.

Ключевые слова: спортивная каппа, назубная шина, этиленвинилацетат, винилполисилоксан, модуль Юнга.

Метод фазового пространства является методом исследования различных, в том числе, биологических систем. Целью работы является анализ мышечной активности квалифицированных бегунов на средние дистанции посредством построения фазовых траекторий следующих мышц: m. rectus femoris, m. biceps femoris, m. gastrocnemius в координатах «относительная длина – скорость сокращения мышцы», а также регистрации электрической активности мышц и кинематических характеристик движений при беге со скоростью 6,7 м/с. Обнаружено, что на протяжении цикла движения m. rectus femoris активна в течение двух периодов, первый из которых наступает перед началом фазы опоры, а второй соответствует фазе переноса. В обоих периодах мышца работает в эксцентрическом режиме. Средняя амплитуда электромиограммы, косвенно характеризующая развиваемое мышцей усилие, в первом периоде выше, чем во втором. M. biceps femoris также активна в течение двух периодов, первый из которых соответствует окончанию фазы переноса ноги, а второй начинается с постановки ноги на опору. Бóльшую часть первого периода мышца работает в эксцентрическом режиме, а во втором – в концентрическом. Средняя амплитуда электромиограммы в первом периоде значительно выше, чем во втором, что свидетельствует о его значении в структуре движения. M. gastrocnemius активна на протяжении одного периода, который начинается при опускании ноги перед ее постановкой на опору. Примерно половину периода мышца работает в эксцентрическом режиме, вторую половину – в концентрическом, что создает благоприятные условия для рекуперации энергии упругой деформации. Поскольку кроме условий и режимов работы мышц фазовые траектории позволяют оценить активность двигательного анализатора, это открывает возможность для сравнения величины и структуры сенсорного притока от работающих мышц при выполнении соревновательного и специальных упражнений и тем самым создает предпосылки для их оптимального выбора.

Ключевые слова: бег на средние дистанции, фазовое пространство, фазовые траектории мышц, электрическая активность мышц, двигательный анализатор.

К настоящему времени установлено, что грудное молоко имеет значительные преимущества для развития и здоровья ребенка. При грудном вскармливании в ряде случаев женщина по разным причинам в течение некоторого времени не может кормить ребенка и, чтобы не прекратилась лактация, молоко должно сцеживаться. В настоящее время применяются два типа аппаратов. В первом типе молоко выводится только за счет импульсов вакуума, во втором – используются одновременно стимулы вакуума и сжатия. Работа этого аппарата в большей степени моделирует биомеханику выведения молока ребенком. Клинические испытания, а также многолетнее использование их в практике грудного вскармливания показали высокую стимулирующую способность этого типа аппаратов и более эффективное выведение молока по сравнению с вакуумными аппаратами. Однако временные характеристики стимулов, с помощью которых выводится молоко, и в частности вакуумных стимулов, остаются неоптимизированными. Была разработана методика, позволяющая сравнить количество молока, выведенного с помощью серии 0,5-секундных импульсов вакуума, с количеством молока, выведенного сериями вакуумных стимулов длительностью 0,3; 1 и 2 с, а также сравнивалось количество молока, выведенного серией импульсов 0,7 с, с количеством молока, выведенного серией импульсов вакуума длительностью 1 с. Молоко выводилось в течение одной сессии попеременно сериями импульсов различной длительности в различные емкости у одной и той же женщины. Для того чтобы влияние разницы в рефлекторном повышении давления в протоковой системе железы на выведение молока было минимально, периодически следующие друг за другом серии импульсов вакуума с различной длительностью стимулов имели продолжительность несколько секунд. Было обнаружено, что вакуумные стимулы длительностью 0,7 с и частотой 1 имп/с являются оптимальными для выведения молока из молочной железы женщины.

Ключевые слова: грудное вскармливание, рефлекс выведения молока, молоковыводящие аппараты, биомеханика выведения молока, оптимизация стимулов вакуума.