Биомеханика - 2016

ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ КРОВИ В СОСУДАХ С АНЕВРИЗМОЙ

Ф.Х. Тазюков, Э.Р. Кутузова

Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия, 420015, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68, elvira.kutuzova@list.ru

Ключевые слова: течение крови, Т-образный канал с каверной, потеря симметрии потока крови, реологическое конститутивное соотношение FENE-P.

Всовременном обществе наблюдается устойчивый рост сер- дечно-сосудистых заболеваний, развивающихся часто у людей трудоспособного возраста и приводящих к летальному исходу. В основе этих заболеваний чаще всего лежит нарушение анатомической

ифункциональной целостности кровеносных сосудов, и, как следствие, нарушение тока крови по пораженным сосудам.

Целью настоящей работы является исследование эффекта потери симметрии течения крови в разветвляющемся симметричном элементе кровеносной системы с аневризмами.

Вданной статье рассмотрено моделирование течения крови, представленной реологическим конститутивным соотношением упруговязкой жидкости FENE-P в разветвляющемся кровеносном

сосуде с аневризмой. Показано, что представление аневризмы в виде прямоугольной или круглой каверны дает одинаковые результаты.

Эффект нарушения симметричной формы течения связан со взаимодействием эритроцитов и плазмы. Изменение направления потока приводит к изменениям в конформации эритроцитов, связанной с их способностью образовывать скопления и изменять свою ориентацию в потоке. Эта неравновесная конфигурация, в свою очередь, приводит к изменению нормальных напряжений, влияющих на картину течения.

111

ЗУБОЧЕЛЮСТНАЯ СИСТЕМА ЧЕЛОВЕКА КАК ОБЪЕКТ, УПРАВЛЯЮЩИЙСЯ БИОМЕХАНИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ

В.М. Тверье

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, tverier_55@perm.ru

Ключевые слова: зубочелюстная система, биомеханика, иерархическая система управления, модели биомеханики.

Зубочелюстная система является комплексной многоуровневой структурой. Она состоит из твердых и мягких тканей, образующих сложные многоуровневые подструктуры, именуемые блоками. К твердотканевым блокам относятся костно-мышечный блок в области височно-нижнечелюстных суставов и зубоальвеолярный блок, соединяющий зубные дуги верхней и нижней челюстей. К мягкотканевым блокам относятся передний и задний мягкотканевые блоки.

Рассмотренные проблемы взаимосвязи между блоками зубочелюстной системы могут быть решены в рамках междисциплинарного подхода, что является особенностью биомеханического моделирования. Управляющим фактором, обеспечивающим сохранение состава и структуры зубочелюстной системы и ее блоков, поддержание режима деятельности, является биомеханическое давление (механические напряжения). Например, для задачи управления прикусом, определяющим состояние височно-нижнечелюст- ного сустава, требуется в первую очередь определение внешних нагрузок, развиваемых мышечной системой и приложенных к нижней челюсти в целом. Для описания процессов, обеспечиваемых зубочелюстной системой (сосание новорожденных, дыхание, речь), необходимо построение математических моделей. Расчет гидравлического сопротивления соска молочной железы позволяет моделировать искусственное вскармливание, чтобы приблизить его к силовым параметрам естественного. Постановки задач об определении напряженно-деформированного состояния должны учиты-

112

вать не только неоднородность свойств твердых и мягких тканей, но и их внутреннюю структуру. Тогда для описания перестройки костной ткани необходимо поставить и решить начально-краевую задачу перестройки трабекулярной костной ткани. Очевидно, что разработанный подход предоставляет возможность рассматривать и другие постановки задач биомеханики зубочелюстной системы человека.

Решение таких задач позволяет планировать лечение различных заболеваний зубочелюстной системы, глубже понимать механизмы ее функционирования.

Благодарность

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-01-04884-а «Биомеханическое моделирование формирования и развития трабекулярной костной ткани в различных отделах скелета человека в норме и при патологии»).

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРИБРЮШНОГО ДАВЛЕНИЯ

В.С. Туктамышев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, helpinvader@list.ru

Ключевые слова: внутрибрюшное давление, распределение давления, напряжения в тканях брюшной стенки.

Внутрибрюшному давлению посвящено множество теоретических и клинических исследований. Однако до сих пор остаётся малоизученным вопрос о его природе. Он является фундаментальным с точки зрения создания биомеханических моделей брюшной полости, которые позволили бы прогнозировать возникновение патологических состояний, вызванных устойчивым повышением внутрибрюшного давления. Раскрытию физического смысла давления в полости живота посвящено несколько экспериментальных исследований [1, 2]. Согласно результатам, приведённым в этих работах, внутрибрюшное давление возникает в результате действия силы тя-

113

жести на брюшное содержимое. При этом брюшную полость можно представить в виде контейнера, наполненного жидкостью, давление которой подчиняется законам гидростатики. Однако приведённые выводы являются недостаточными, так как внутрибрюшное давление может быть вызвано также сокращением мышц брюшной стенки. Изучению этого факта посвящена работа [3].

В данной статье формулируется единая концепция природы внутрибрюшного давления, а также показаны возможности моделирования брюшной полости как эластичного контейнера, наполненного жидкостью.

Список литературы

1. Rushmer R.F. The nature of intraperitoneal and intrarectal pressures // American Journal of Physiology. – 1946. – Vol. 146. – P. 242–249.

2. Gravitational and shear-associated pressure gradients / S.H. Loring, K. Yoshino, W.R. Kimball, G.M. Barnas // Journal of Applied Physiology. – 1994. – Vol. 77, № 3. – P. 1375–1382.

3. Daggfeldt K., Thorstensson A. The role of intra-abdominal pressure in spinal unloading // Journal of Biomechanics. – 1997. – Vol. 30, № 11/12. – P. 1149–1155.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОРМЫ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ ПО СИГНАЛУ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРНОГО АВТОДИНА

Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, Е.О. Кащавцев, С.Ю. Добдин, Ю.В. Усольцева

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, usanovda@info.sgu.ru

Ключевые слова: лазерный автодин, пульсовая волна, сфигмография.

Показана возможность использования лазерного автодина [1] для определения формы пульсовой волны лучевой артерии человека. Приведено сравнение форм пульсовых волн, полученных с по-

114

мощью автодинной системы и измеренных осциллометрическим методом при разных давлениях в манжете.

Известно, что пульсовая волна, возникающая при прохождении крови по артериальным сосудам, несет информацию о состоянии сердечно-сосудистой системы. Для оценки её состояния наиболее перспективно применение бесконтактного метода, основанного на измерении формы пульсовой волны с помощью полупроводникового лазерного автодина. В работе решалась задача по восстановлению формы движения отражателя, в качестве которого выступала поверхность кожи над артерией человека. Были проведены эксперименты по определению формы пульсовой волны с помощью сигнала полупроводникового лазерного автодина [2]. Также были измерены формы пульсовых волн с использованием пневматического датчика давления, подключенного к манжете, при различных величинах давления в манжете.

Как следует из результатов исследований, форма пульсовых волн, измеренных разными методами, отличается. Отличие может быть объяснено тем, что лазерный автодинный метод является бесконтактным, тогда как метод, основанный на использовании пневматического датчика давления, контактный, т.е. с ростом давления в манжете (с увеличением воздействия на пульсирующую артерию) форма пульсовой волны может сильно искажаться.

Благодарность

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственное задание № 1376 и 1575).

Список литературы

1.Analysis of elastic properties of a spherical shell using a semiconductor laser autodyne / D.A. Usanov, A.V. Skripal, T.B. Usanova, S.Y. Dobdin // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. – 2012. – Vol. 57, № 6. – P. 888–891.

2.Показатели сердечно-сосудистой системы при физических

нагрузках у спортсменов / Д.А. Усанов, А.А. Протопопов, А.В. Cкрипаль, А.П. Аверьянов // Саратовский научно-медицин- ский журнал. – 2013. – Т. 9, № 1. – С. 64–68.

115

ИЗМЕРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛАЗНОГО ЯБЛОКА С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО АВТОДИНА

Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, Т.Б. Усанова, С.Ю. Добдин

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, usanovda@info.sgu.ru

Ключевые слова: биомеханика глаза, модуль упругости, лазерный автодин.

Рассмотрена зависимость, связывающая модуль упругости модели глазного яблока с величиной прогиба и ускорения поверхности глазного яблока под действием внешней нагрузки.

Величину прогиба находили по сигналу полупроводникового лазерного автодина P(t) [1]. Для определения упругих свойств восстанавливалась функция движения оболочки Z(t) по методике, приведенной в [2]. В качестве модели, иллюстрирующей процесс деформации глазного яблока под действием воздушной струи, был использован резиновый шарик, заполненный гелем, с разным внутренним давлением. Измерение модуля упругости макетов с различным внутренним давлением проводили с помощью машины Instron 3342. При увеличении внутреннего давления в среднем на 5 мм рт. ст. значения измеренного прогиба оболочки и ускорения уменьшились на 3 %. Отметим, что и величина прогиба, и величина ускорения с ростом давления уменьшались.

Результаты работы показали, что отношение величины прогиба и ускорения, характер изменения которых с изменением давления качественно согласуется с изменением модуля упругости, наилучшим образом отражает физику явления. Этим можно объяснить тот факт, что измерение данных параметров наилучшим образом (с минимальными погрешностями) характеризует внутриглазное давление.

Благодарность

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственное задание №1376 и 1575).

116

Список литературы

1.Исследование упругих свойств глаза на модели и in vivo

спомощью полупроводникового лазерного автодина / Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, Т.Б. Усанова, С.Ю. Добдин // Российский журнал биомеханики. – 2012. – Т. 16, № 4 (58). – С. 8–21.

2.Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Калинкин М.Ю. Восстановление формы сложного движения по сигналу автодинного детектирования полупроводникового лазера // Письма в ЖТФ. – 2000. – № 2. – С. 125–129.

БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МЕЖФАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ВОДА–БАКТЕРИИ–УГЛЕВОДОРОД

Е.В. Феоктистова1, М.А. Осипенко1, М.С. Куюкина2, 3, И.Б. Ившина2, Е.В. Рубцова2

1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614000, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, Ekaterina_feoktistova@bk.ru

2Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, Россия, 614081, г. Пермь,

ул. Голева, 13, kuyukina@iegm.ru

3Пермский государственный национальный исследовательский университет, Россия, 614068, г. Пермь, ул. Букирева, 15, kuyukina@iegm.ru

Ключевые слова: Rhodococcus, бактериальная пленка, межфазное натяжение, математическая модель, метод Монте-Карло.

Бактерии рода Rhodococcus способны к окислению углеводородов нефти, смол, фенольных и полихлорированных соединений, гумусовых веществ, лигнина и его производных, восков, пестицидов и др. [1]. Некоторые родококки способны усваивать непредельные углеводородные соединения.

Реализация биотехнологического потенциала родококков предусматривает всестороннее изучение механизмов их адгезии к различным веществам. При этом характерным явлением, которое в настоящее время интенсивно исследуется, оказывается формирование биопленок [2], в особенности на границе раздела жидких фаз [3–4].

Целью настоящей работы является построение теоретического объяснения своеобразной зависимости межфазного натяжения от времени.

117

Рассматривается математическая модель формирования плёнки бактерий рода Rhodococcus на границе раздела клеточной суспензии и жидкого углеводорода. В предложенной математической модели своеобразная временная зависимость межфазного натяжения объясняется лавинообразным возникновением единого кластера клеток, что в отсутствие измерений привело бы к скачкообразному уменьшению межфазного натяжения, а в присутствии измерительного кольца приводит к случайным осцилляциям натяжения за счет случайного взаимодействия кольца с пленкой бактерий.

Благодарность

Исследование поддержано грантами РНФ № 14-14-00643 и МКБ № 12-П-4-1052.

Список литературы

1.Ившина И.Б., Пшеничнов Р.А., Оборин А.А. Пропан-окисля- ющие родококки. – Свердловск: УНЦ АН СССР, 1987. – 125 с.

2.Николаев Ю.А., Плакунов В.К. Биопленка – «город микробов» или аналог многоклеточного организма? // Микробиология. – 2007. – Т. 76, № 2. – С. 149–163.

3.Mechanical properties of hexadecane–water interfaces with adsorbed hydrophobic bacteria / Z. Kang, A. Yeung, J.M. Foght, M.R. Gray // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. – 2008. – 62. – P. 273–279.

4.Hydrophobic bacteria at the hexadecane – water interface: ex-

118

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН ПО ПОВЕРХНОСТИ ГРУДНОЙ КЛЕТКИ ЧЕЛОВЕКА ВДОЛЬ И ПОПЕРЁК ОРИЕНТАЦИИ РЁБЕР

Е.С. Фомина1, М.В. Веремьева1, А.И. Дьяченко1, 2, 3

1Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Россия, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, fomina153@mail.ru

2Институт общей физики РАН, Россия, 119991, г. Москва, ул. Вавилова, 38, alexander-dyachenko@yandex.ru

3Институт медико-биологических проблем РАН, Россия, 123007, г. Москва, Хорошевское шоссе, 76а

Ключевые слова: упругие волны на поверхности грудной клетки человека, анизотропия скорости.

Цель данной работы заключается в сравнении скоростей упругих волн, распространяющихся вдоль или поперек ребер по поверхности грудной клетки человека.

У четырех добровольцев с помощью аппаратно-программного комплекса, предназначенного для аппаратной перкуссии грудной клетки человека1, фазовым методом измерили скорости волн. Ударник-вибратор располагали в межреберье. Приемный акселерометр последовательно располагали в четырех областях поверхности грудной клетки. Две из них находились вдоль того же межреберья, и две – поперек, выше и ниже расположения вибратора. Условно данные области получили следующие наименования: «вниз вдоль», «вверх вдоль», «вверх поперек» и «вниз поперек».

Сравнение значений скоростей было произведено в двух частотных диапазонах: от 0 до 100 Гц и от 100 до 200 Гц. Обнаружены статистически значимые различия скорости волн, распространяющихся в разных направлениях. В обоих диапазонах частот наибольшие и наименьшие медианы и средние скорости характерны для направлений вверх поперек и вниз вдоль соответственно.

1 Разработка метода для исследования грудной клетки с помощью низкочастотных упругих волн / А.И. Дьяченко, Е.М. Тиманин, В.Н. Васильев, А.Н. Михайловская, Ю.С. Семенов // Медицинская техника. – 2013. – № 2. – С. 45–47.

119

В результате обнаружена анизотропия скорости упругих волн на поверхности грудной клетки человека.

Благодарность

Работа поддержана грантом РФФИ № 15-01-06246.

СТАБИЛОГРАФИЧЕСКИЙ ТЕСТ-ТРЕНИНГ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ РЕГУЛЯЦИИ ДВИЖЕНИЙ

Н.В. Холмогорова1, Г.А. Переяслов2, А.С. Слива2, Э.О. Девликанов3

1Московский педагогический государственный университет, Россия, 119435, г. Москва, ул. Малая Пироговка, 1, natalya_holmogor@mail.ru

2ЗАО «ОКБ “Ритм”», Россия, 347900, г. Таганрог, ул. Петровская, 99, stabmed@stabilan.ru

3Центр медицинской реабилитации № 1, Россия, 347900, г. Таганрог, ул. Фрунзе, 37, edeo@yandex.ru

Ключевые слова: ментальные движения, произвольная регуляция движений, двигательные автоматизмы, постуральные движения, центр давления, стабилография, движение по траектории.

Предлагается новый подход к формированию произвольного управления движения путем совершенствования ментальных движений и двигательной памяти человека на основе применения стабилографического теста-тренинга «Движение по траектории», реализуемого с помощью компьютерного стабилоанализатора с биологической обратной связью «Стабилан-01-3».

Совершая ментальные движения, человек мысленно производит действия (движения) и при этом запускает программу произвольного управления сокращением определенной группы мышц, его реализующих. Это приводит к возникновению микродвижений и, как следствие, к смещению центра давления, регистрируемому

спомощью стабилографа.

Внастоящее время ментальные движения широко используют-

ся в спорте при отработке сложно координированных движений и в нейрореабилитации при восстановлении двигательных функций.

120