Биомеханика - 2016
..pdfвека в целом и его отдельных систем и органов. Одним из известных современных подходов является создание математической компьютерной модели «Виртуальный физиологический человек», которая рассматривает организм человека как сложную многоблочную биомеханическую систему.
Для практического решения указанных проблем и междисциплинарной интеграции биомеханики и медицинских дисциплин силами ученых Пермского национального исследовательского политехнического университета и Пермского государственного медицинского университета создан научно-образовательный центр «Современные проблемы медицинской биомеханики». Важной особенностью центра является объединение специалистов из разных областей медицины и биомеханики, что позволяет существенно повысить эффективность предлагаемой терапии, а также на основе научных исследований совершенствовать существующие методики лечения.
В состав центра входят следующие лаборатории: лаборатория биомеханики и нейростоматологии, лаборатория органов брюшной полости, лаборатория биомеханики и оториноларингологии, лаборатория биомеханики и травматологии опорно-двигательного аппарата.
Кроме того, на базе центра будет проходить обучение студентов профиля «Компьютерная биомеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Благодарность
Работа подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 1873).
91
БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ ВЗАИМОВЛИЯНИЕ ДВУХ РАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ (ЖЕВАНИЯ
И КРОВОСНАБЖЕНИЯ) В РАМКАХ КОНЦЕПЦИИ ВИРТУАЛЬНОГО ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ЧЕЛОВЕКА
Л.Ф. Оборин1, В.Н. Никитин2
1Пермский государственный медицинский университет им. академика Е.А. Вагнера, Россия, 614000, г. Пермь, ул. Петропавловская, 26, Oborin.l.f.@gmail.com
2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, Nikitinvladislav86@gmail.com
Ключевые слова: дисфункция зубочелюстной системы, жевательное давление, синокаротидная зона, кровоснабжение головного мозга.
Взаимное влияние двух разных процессов (жевания и кровоснабжения) может возникать в результате дисфункции зубочелюстной системы, создающей жевательное давление [1].
Дисфункция рефлексогенной синокаротидной зоны, расположенной в области бифуркации общей сонной артерии на наружную
ивнутреннюю и участвующей в регуляции давления, может влиять на зубочелюстную систему и головной мозг [1].
Взаимовлияние указанных процессов наступает при сочетанных деформациях разных по структуре и функциям органов: ви- сочно-нижнечелюстного сустава и внутренней сонной артерии, относящихся к разным системам, но располагающихся на основании черепа [1].
Сочетанная деформация височно-нижнечелюстного сустава
ивнутренней сонной артерии происходит под влиянием изменения вектора жевательного давления. Воздействие жевания на гемодинамику, которая, в свою очередь, влияет на возникновение сердеч- но-сосудистых и других заболеваний, включая связанные с зубочелюстной системой, заслуживает внимания [1].
Положительное влияние на гемодинамику оказывается при использовании жевательной резинки или выдвижении челюсти вперёд, в результате чего происходит уменьшение нагрузки на сустав, что, возможно, приводит к нормализации функций синокаротидной зоны [2].
92
Список литературы
1.Взаимодействие зубочелюстной системы с другими системами человеческого организма в рамках концепции виртуального физиологического человека / Ю.И. Няшин, А.Н. Еловикова, Я.А. Коркодинов, В.Н. Никитин, А.В. Тотьмянина // Российский журнал биомеханики. – 2011. – Т. 15, № 3. – С. 8–26.
2.Спицин А.П., Оборин Л.Ф., Никитин В.Н. Влияние однократного жевания жевательной резинки на показатели центральной гемодинамики // Вятский медицинский вестник. – 2012. – № 3. – С. 32–34.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КЛЕТОЧНОЙ ОБОЛОЧКИ ПОСРЕДСТВОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ
М.А. Осипенко, А.А. Финагеева
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, anya_finageeva@mail.ru
Ключевые слова: атомно-силовая микроскопия, механические свойства, клеточные оболочки.
Цель исследования состоит в изучении процесса измерения механических свойств клеточной оболочки посредством атомносиловой микроскопии.
Для достижения указанной цели в работе решаются следующие исследовательские задачи:
1.Обзор статьи П.С. Ерохина и соавт. «Cовременные возможности изучения ультраструктуры клеток микроорганизмов методом сканирующей зондовой микроскопии».
2.Обзор статьи Vadillo-Rodriguez et al. «Surface viscoelasticity of individual gram-negative bacterial cells measured using atomic force microscopy».
3.Изучение модели Кельвина–Фойгта, дифференциального
уравнения, связывающее силу F (t) и перемещение Z (t) ; вывод из этого уравнения формулы в случае F(t) F0 const.
93
Эмпирическую базу исследования составили результаты изучения статей, анализ работ, выводы на основе модели Кельвина– Фойгта, которая полностью описывает экспериментально наблюдаемую ползучесть. Построен график силы и перемещения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
НА ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ЧЕЛОВЕКА
Е.В. Перебатова
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, evgeniya655@mail.ru
Ключевые слова: физиологическая нагрузка, шагомер, опорно-двигательный аппарат.
Определение точного числа шагов, проходимых в день, необходимых для хорошего самочувствия и здоровья человека, неизвестно. Десять тысяч шагов в день является популярной рекомендацией. Для установления физиологической нагрузки человека в данной статье рассмотрены различные виды шагомеров. Целью данного эксперимента является определение количества шагов, которое проходит человек в течение дня. Задача эксперимента заключалась в том, чтобы найти наиболее достоверный результат во время использования различных устройств при условии прохождения человеком одинакового расстояния. Необходимо также было определить оптимальные параметры физиологической нагрузки на опорно-двигательный аппарат. В ходе эксперимента рассмотрены следующие виды шагомеров: электронный шагомер Pedometer, GPS-навигатор, мобильный шагомер Pedometer. Для каждого из устройств рассчитаны основные показатели, а также приведены графики их изменения в течение недели.
94
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЖЕЛЧИ В ИНДИВИДУАЛИЗИРОВАННОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ ЖЕЛЧЕВЫВОДЯЩИХ ПУТЕЙ С УЧЕТОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ «ЖИДКОСТЬ – ТВЁРДОЕ ТЕЛО»
М.А. Перетягин, А.Г. Кучумов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, kychymov@inbox.ru
Ключевые слова: желчь, неньютоновская жидкость, холединамика.
На сегодняшний момент патологии билиарной системы находятся на третьем месте по частоте заболеваний среди взрослого населения в России. Число осложнений также велико, поскольку хирурги не всегда могут спрогнозировать исход операции, основываясь лишь на субъективном опыте. Для того чтобы понять причины заболеваний, важно осуществить физиологическое и механическое описание поведения билиарной системы человека в целом и её отдельных составляющих [1].
В данной работе проводится исследование течения желчи в норме и при патологии. Предварительно был проведен эксперимент по исследованию реальных свойств желчных протоков путём установления зависимости между перемещением стенок и приложенным внутренним давлением. С помощью аппроксимации зависимости и оптимизационной процедуры были найдены параметры определяющего соотношения. Свойства желчи взяты из работы [2]. Далее осуществлялось пошаговое построение индивидуализированной модели желчных протоков пациента. На начальном этапе было проведено МРТ-исследование и на основе полученных данных была построена геометрическая модель протоков. Далее с помощью программного пакета ANSYS WORKBENCH была решена задача течения желчи в желчевыводящих путях с учетом взаимодействия «жидкость – твердое тело». Найдены распределения скоростей и давлений желчи в желчевыводящих путях, а также распределение сдвиговых напряжений в стенках протоков.
95
Благодарность
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-08-00718.
Список литературы
1.One-dimensional models of the human biliary system / W.G. Li, X.Y. Luo, A.G. Johnson, N.A. Hill, N. Bird, S.B. Chin // ASME J. Biomech. Eng. – 2007. – Vol. 129. – P. 164–173.
2.Биомеханический подход к моделированию билиарной системы как шаг в направлении к построению виртуальной модели физиологии человека / А.Г. Кучумов, Ю.И. Няшин, В.А. Самарцев, В.А. Гаврилов, М. Менар // Российский журнал биомеханики. – 2011. – Т. 15, № 2. – С. 64–76.
БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ХИРУРГИЧЕСКОГО ЛЕЧЕНИЯ ВАЛЬГУСНОЙ ДЕФОРМАЦИИ СТОПЫ
А.В. Полиенко1, А.А. Голядкина1, С.И. Киреев2
1 Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, nano-bio@sgu.ru 2 Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского, Россия, 410012, г. Саратов, ул. Б. Казачья, 112, kireevsi@rambler.ru
Ключевые слова: биомеханика, остеотомия, плюсневая кость, конечноэлементная модель.
Вальгусная деформация стопы – распространенная патология костей стопы. Наиболее часто встречается у женщин старше 30 лет. Большую роль в развитии данной патологии играют наследственная предрасположенность, плоскостопие, остеопороз, эндокринные нарушения, а также ношение неправильно подобранной обуви. Как следствие, нарушаются функции сухожилий, связок и мышц стопы. Для восстановления функционального баланса костей стопы вы-
96
полняется хирургическое лечение – остеотомия, при которой прибегают к искусственному перелому кости с последующей ее фиксацией в правильном положении. В настоящее время наибольшую популярность приобрели Chevron- и Scarf-остеотомии. В основе Chevron-остеотомии лежат V-образное рассечение головки первой плюсневой кости, устранение патологического смещения и фиксация отломков одним винтом. При Scarf-остеотомии производятся Z-образное рассечение кости, устранение деформации и фиксация двумя винтами.
Для проведения персонифицированного биомеханического обоснования выбора остеотомии первой плюсневой кости стопы была создана конечно-элементная модель. Для создания трехмерной модели «кость–фиксатор» использовалось программное обеспечение 3DSlicer, с помощью которого проводится обработка данных компьютерной томографии конкретного пациента. Дальнейшая обработка полученных изображений была проведена в системе автоматизированного проектирования SolidWorks. В полученную персонифицированную 3D-модель первой плюсневой кости стопы были установлены системы фиксации для моделирования Chevron- и Scarf-остеотомий. Численный анализ напряженно-деформиро- ванного состояния тканей кости после хирургического вмешательства проводился на базе расчетного комплекса ANSYS WORKBENCH. Были решены задачи о смещении дистального фрагмента первой плюсневой кости стопы на 1/3 и 2/3 при Chevron- и Scarfостеотомиях. Результаты биомеханического моделирования позволили обосновать рациональный вариант остеотомии для конкретного пациента.
97
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ВРЕМЕННЫХ ИМПЛАНТАТОВ В ЧЕЛЮСТИ
Т.В. Полякова1, С.С. Гаврюшин2, С.Д. Арутюнов3
1Институт космических исследований РАН, Россия, 117997, г. Москва, ул. Проф-
союзная, 84/32, tanyap.polyakova@gmail.com
2Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Россия, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, gss@bmstu.ru
3Московский государственный медико-стоматологический университет им. А.И. Евдокимова МЗ РФ, Россия, 127473, г. Москва, ул. Делегатская, 20, стр. 1, sd.arutyunov@mail.ru
Ключевые слова: дентальная имплантация, виртуальное моделирование, прочность, временные имплантаты.
Для устранения дефектов зубочелюстной системы широко используется протезирование с опорой на дентальные имплантаты [1–2]. В работе обсуждается влияние длины, формы головки, местоположения и количества временных имплантатов на прочность конструкции после установки временного протеза на временных имплантатах. Компьютерное моделирование проводилось в системах Mimics, SolidWorks, Patran и Nastran. Считали, что если временный имплантат нельзя позиционировать в один ряд с двухэтапным, то возможно расположение по диагонали между ними. Для возможности оптимизации конструкции рассматривается упрощенная параметрическая модель с использованием мультиагентного подхода. Применяя модель, определяли максимальную нагрузку на имплантат с помощью критерия Мизеса. Имплантаты можно объединить в супраструктуру. Протез можно моделировать балочным элементом. Оптимальное расположение имплантатов определяется на основании критерия, согласно которому они должны одинаково распределять напряжения в кости. В более подробной модели, восстанавливаемой непосредственно по томограмме, рассматривается пример частичного отсутствия зубов в случае концевого дефекта зубного ряда.
Благодарность
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-07- 01100 «Разработка теоретических основ интеллектуального моде-
98
лирования позиционирования временных имплантатов при двухэтапной методике имплантации».
Список литературы
1. Принципы математического моделирования взаимодействия структур костной ткани нижней челюсти с полными съемными протезами, фиксируемыми на внутрикостные имплантаты / В.Р. Шашмурина, Е.Н. Чумаченко, В.Н. Олесова, А.И. Воложин // Стоматология. – 2008. – № 1. – С. 49–55.
2. Матвеева А.И., Гаврюшин С.С., Борисов А.Г. Использование математического моделирования при проектировании протезных конструкций с опорой на внутрикостные имплантаты // Российский вестник дентальной имплантологии. – 2003. – № 1. – С. 10–15.
СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЕДИНСТВЕННОСТЬ СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ УПРУГОЙ ТРУБКИ ПРИ ПРОТЕКАНИИ ЧЕРЕЗ НЕЁ НЕЛИНЕЙНО-ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ
А.Б. Порошина1, В.В. Веденеев1, 2
1Механико-математический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Россия, 119991, г. Москва, Ленинские горы, 1, vasily@vedeneev.ru
2НИИ механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Россия, 119992, г. Москва, Мичуринский пр., 1
Ключевые слова: устойчивость, упругая трубка, нелинейно-вязкая жидкость.
Неустойчивость упругих трубок теоретически и экспериментально исследована во многих работах, связанных с биологическими приложениями. Когда давление внутри трубки становится существенно ниже внешнего давления, трубка теряет устойчивость, что приводит к возникновению колебаний. Колебания упругих трубок, ранее наблюдаемые экспериментально и теоретически, связаны с указанным неосесимметричным движением стенок трубки, в то время как осесимметричные возмущения упругих трубок затухают.
Ранее исследовалось протекание в упругих трубках только ньютоновских жидкостей, однако существуют условия, при кото-
99
рых кровь, желчь и другие биологические жидкости обладают неньютоновскими свойствами. В настоящей работе теоретически исследуется существование и единственность осесимметричного состояния упругих трубок при протекании степенных жидкостей. Проведено качественное аналитическое исследование уравнения движения для стационарного состояние трубки.
Получены следующие результаты:
1.Выведено приближенное уравнение для стационарного состояния упругой трубки с протекающей внутри степенной жидкостью, учитывающее её реологию и образующийся профиль скорости.
2.Для движения идеальной жидкости с заданным профилем скорости получены условия существования стационарного состояния для сколь угодно большой длины трубки. При учёте вязкости трубка всегда может иметь лишь конечную длину; таким образом, решения краевой задачи о стационарном состоянии трубки достаточно большой длины не существует, что может приводить к нестационарному состоянию – колебаниям трубки.
3.При некоторых условиях и достаточно малой длине трубки её состояние, удовлетворяющее граничным условиям, неединственно.
Приводятся примеры неединственности стационарного состояния, несуществования такого состояния при большой длине трубки.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУНАТУРНЫХ ЗУБНЫХ ПРОТЕЗОВ ИЗ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНННЫХ МЕТОДОМ CAD/CAM
А.Г. Рогожников1, В.Э. Вильдеман2, А.В. Биккулова2
1Пермский государственный медицинский университет им. академика Е.А. Вагнера, Россия, 614000, г. Пермь, ул. Петропавловская, 26
2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, cem.bikkulova@gmail.com
Ключевые слова: керамический материал, экспериментальная механика, CAD/CAM, сжатие, диоксид циркония.
Прогнозирование поведения материалов, используемых при изготовлении зубных протезов, является важной задачей для обес-
100