Биомеханика - 2016

В результате анализа процесса послеоперационной адаптации кости фрагмента диафиза бедра, окружающего ножку эндопротеза тазобедренного сустава, установлено компенсаторное влияние изменения размера наружного радиуса фрагмента на изменение величины радиуса гаверсовых каналов r (эффект стабилизации r). Исследование режимов реабилитации фрагмента диафиза большеберцовой кости после сращения в аппарате Г.А. Илизарова показало слабое влияние изменения пористости (структурной перестройки) – по сравнению с влиянием изменения минеральной компоненты состава костного вещества – на адаптацию кортикальной кости (~ в 17 раз).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКЦИЙ В КОЛЕННОМ И ГОЛЕНОСТОПНОМ СУСТАВАХ ПРИ СПУСКЕ

АЛЬПИНИСТА ПО НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

Ю.В. Акулич, Н.А. Жижин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, y.akulich@yandex.ru, zhizhin_nikita@mail.ru

Ключевые слова: альпинизм, коленный сустав, голеностопный сустав, уравнение Лагранжа, реакции в суставе, усилия в мышцах.

Альпинизм – это активно развивающееся направление экстремального туризма в мире. На данный момент в России приблизительно 10 000 альпинистов. Следует отметить, что это очень травмоопасный вид спорта1. После восхождений у альпинистов возникают боли в суставах нижних конечностей: тазобедренном, голеностопном и преимущественно в коленном. Дискомфорт в коленном суставе начинает чувствоваться уже во время спуска спортсмена с горы. Задача состоит в том, чтобы определить, какие нагрузки испытывают конечности, а именно: какие нагружаются мышцы, как ведут себя связки и какие реакции возникают в самом суставе. Была решена прямая задача биомеханики: по заданным уравнениям движения были определены главные моменты усилий мышц в суставах нижней конечности при спуске альпиниста вниз

1 Бегун П.И., Шукейло Ю.А. Биомеханика. – СПб.: Политехника, 2000. – 463 с.

11

по наклонной плоскости. Уравнение движения было найдено в результате эксперимента. Определена кинетическая энергия через обобщённые координаты и обобщённые силы с помощью уравнения Лагранжа.

ОЦЕНКА КОМПРЕССИИ В СУСТАВЕ ПРИ РОТАЦИОННОЙ ОСТЕОТОМИИ

П.С. Андреев1, П.В. Большаков2, О.А. Саченков2, Р.Ф. Хасанов1, А.А. Киченко3

1 ГАУЗ «Республиканская клиническая больница» МЗ РТ, Россия, 420064, г. Казань,

Оренбургский тракт, 138, zaimiche@mail.ru

2 Казанский (Приволжский) федеральный университет, Россия, 420000, г. Казань,

ул. Кремлевская, 18, 4works@bk.ru

3 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29

Ключевые слова: тазобедренный сустав, болезнь Легга–Кальве–Пертеса, ротационная остеотомия.

Метод лечения болезни Легга–Кальве–Пертеса заключается в остеотомии вдоль нижнего контура шейки бедренной кости, тем самым кость делится на два объекта, происходит поворот проксимального участка до определенного угла, что способствует снятию нагружения с пораженного участка. При ротации происходит перераспределение биомеханических нагрузок на основную группу мышц, меняется расположение их крепления, что приводит к изменению компрессии в суставе и изменению картины напряжения всего тазобедренного сустава в целом.

В рамках моделирования учитывалось влияние основной группы мышц, к которой были отнесены mm. piriformis, rectus

femoris, iliopsoas, obturator internus, gluteus minimus, medius et maximus. Упругие характеристики для механических моделей мышц брались согласно проведенным исследованиям.

Были проведены исследования картины распределения усилий в мышцах при ротации, компрессии в суставе при различных тактиках остеотомии. При моделировании остеотомии считалось, что

12

проксимальный участок соединен с бедренной костью одноподвижной вращательной парой. Моделирование проводилось для различных анатомических параметров: шеечно-диафизарный угол 115–120 град, угол антеторсии 20–30 град; поворот производился в обоих направлениях около оси вращения, при этом определялись удлинения мышц.

Было выявлено, что при одномоментной (мгновенной) ротации проксимального отдела бедра, превышающей 30 град, возникают максимальные напряжения в элементах «эпифиз головки бедра – вертлужная впадина» с развитием нарушения структуры костной ткани. Анализ расчетов показал, что при повороте кпереди поведение мышц стабильней при изменении анатомических параметров, в то время как при повороте к спине ряд мышц в зависимости от угла антеторсии начинает сжиматься.

Благодарность

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-41-02555.

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНЕГО ЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

НА ФОНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЧИ

В.А. Антонец1, 2, А.А. Харитонов1, К.В. Алешин1, А.А. Чевачин1

1Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (Национальный исследовательский университет), Россия, 603950, г. Н. Новгород, пр. Гагарина, 23

2Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46, antonetsva@gmail.ru

Ключевые слова: модели управления артикуляцией, внешнее звуковое воздействие, искажение вокализации, измерения акустических параметров речи, реконструкция динамических систем.

Цель настоящей работы – демонстрация того, что производство определенного звука речи (фонетического сегмента) – это ре-

13

зультат исполняемой программы. Данное соображение основано на том, что с физиологической точки зрения эти акты одновременно являются мышечными моторными.

Для проверки этого предположения была проведена регистрация звуков русского языка «с», «ш», «з» и «ж», произносимых испытуемым при воздействии на него шумовым и тональным звуком, подаваемым через головные телефоны (наушники). Спектральный состав шума подбирался близким по составу к шумовой составляющей каждого из указанных звуков и имел уровень, сопоставимый или больший, чем уровень звука, издаваемого самим испытуемым. Проводилось также исследование действия тонального звука в диапазоне частот 3–5 кГц на произнесение звуков «с», «ш», «з», «ж».

На 20 испытуемых было показано, что воздействие интенсивного внешнего звука приводит к достоверному изменению формы спектра шумовых составляющих произносимых указанных звуков. Субъективно произносимые звуки воспринимаются сторонним слушателем как искаженные. В частности, действие тонального звука может приводить к тому, что человеку кажется, что он произносит соответствующие звуки, тогда как в действительности никаких звуков не издается, а при произнесении слов, содержащих звуки «с» и «ш», речь воспринимается как шепелявая.

Полученный эффект может быть объяснен тем, что при интегральном восприятии звука собственной речи и внешнего звука испытуемый производит коррекцию моторных актов, что приводит к нарушению нормального фонетического окраса.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают гипотезу, согласно которой фонетический сегмент является следствием исполнения стереотипной программы моторного контроля.

14

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕСТРУКЦИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ – ПРОИЗВОДНЫХ ИЗОХИЛИНА

КАК СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС

А.А. Баранова1, А.А. Селянинов1, Е.В. Вихарева2

1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, aabaranova20@gmail.com

2 Пермская государственная фармацевтическая академия, Россия, 614016, г. Пермь, Полевая, 2

Ключевые слова: биологическая деструкция, производные изохилина, критерий интенсивности.

Биологическая деструкция с помощью актинобактерий является экологически чистой альтернативой традиционным методам уничтожения фармацевтических отходов. Для перехода к промышленному применению необходима валидация данной методики в лабораторных условиях (доказательство повторяемости процесса).

В ходе экспериментов было выявлено, что процесс биологической деструкции по сути является случайным, с малым объемом выборки [1]. Так как объем выборки достаточно мал (n = 10), возникает проблема выбора достоверного закона распределения. Для построения критерия о достоверном законе распределения использовали тот факт, что случайный процесс можно представить системой случайных величин, которые являются концентрацией в сечениях случайного процесса. Критерий отражает стремление суммы модулей отклонений дисперсий случайного процесса от экспериментальных к минимуму. Критерий полезен в условиях малого объема выборки:

В связи с тем что процесс деградации производных изохилина достаточно длительный и может достигать порядка нескольких десятков суток [2], в качестве показателя интенсивности выбрано время окончания процесса с заданной вероятностью при достижении заданной концентрации xпр:

15

Список литературы

1.Стохастический анализ повторяемости процесса биологической деструкции дротаверина гидрохлорида / А.А. Селянинов, Е.В. Вихарева, А.А. Баранова, Ю.Н. Карпенко // Российский журнал биомеханики. – 2013. – Т. 17, № 1 (59). – С. 41–54.

2.Хроматографическое определение дротаверина гидрохлори-

А.А. Селянинов, А.Н. Мухутдинова, М.И. Рычкова, А.А. Баранова, Е.В. Вихарева, И.Б. Ившина // Журнал аналитической химии. – 2014. – Т. 69, № 7. – С. 750–755.

МОДЕЛИ ЭЛАСТОТОНОМЕТРИИ ГЛАЗА

С.М. Бауэр, Е.О. Боденкова

Санкт-Петербургский государственный университет, Россия, 199034, г. Санкт-Петер- бург, Университетская наб., 7/9, s.bauer@spbu.ru

Ключевые слова: аппланационная тонометрия, тонометр Маклакова.

Эластотонометрия по Филатову–Кальфа представляет собой метод определения реакции корнеосклеральной оболочки глаза при воздействии на глазное яблоко тонометров Маклакова – грузиков с плоским основанием весом 5; 7,5; 10 и 15 г. С помощью этих тонометров производят четыре измерения внутриглазного давления, которые наносят на график. По оси абсцисс откладывают вес тонометров, г, а по оси ординат – полученные для каждого из этих тонометров значения внутриглазного давления. Построенная линия называется эластокривой. Форма нормальной эластокривой близка к прямой линии. Однако в некоторых случаях кривая имеет изломы.

В работе рассматриваются математические модели измерения тонометрического давления тонометром Маклакова. Особое внимание уделяется анализу причин, по которым эластокривая может

16

иметь изломы. В первой аналитической модели1 корнеосклеральная оболочка глаза представляется как сопряженные сферические сегменты роговицы и склеры. Неоднородность материала и жесткость роговицы на изгиб не учитываются. Однако экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что материал роговицы, как и материал склеры, отличается биомеханической анизотропией и неоднородностью. В связи с этим измерение внутриглазного давления тонометром Маклакова моделируется также контактными задачами в программном пакете ANSYS. Склера и роговица рассматриваются как трансверсально-изотропные оболочки, роговица – как неоднородная оболочка.

Полученные результаты показывают, что на тонометрическое внутриглазное давление влияют параметры как роговицы, так и склеры. Изломы эластокривой могут быть связаны с ужесточением склеры, которое может происходить при глаукоме. Причинами этого также бывают патологии роговицы: в случае, когда роговица становится особенно слабой около склеры, например, при краевой эктатической дистрофии роговицы.

Благодарность

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-01-06311.

БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ КОРРЕКЦИЯ ТЕЛА

С.В. Биленко, А.И. Капуркин

Центр альтернатив, Россия, 107045, г. Москва, Костянский переулок, 13, serge.bilenko@gmail.com

Ключевые слова: медицина, коррекция тела, биомеханика.

В мире существует множество методик работы с телом: классическая мануальная терапия, чуть менее традиционная остеопатия,

1 Бауэр С.М., Любимов Г.А., Товстик П.Е. Математическое моделирование метода Маклакова измерения внутриглазного давления // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. – 2005. – № 1. – С. 24–39.

17

народные методы «правки» и «ладки» тела и т.д. В методике биомеханической коррекции нами были собраны и значительно усовершенствованы наиболее эффективные из ныне известных методик, включающие в себя мягкотканую правку костей и суставов; восстановление структуры мышечной, сухожильной и фасциальной ткани; исправление положения и тонуса внутренних органов и диафрагм тела.

Рассмотрим подробнее составные части методики.

1. Мягкотканая правка костей и суставов. Методика позволя-

ет исправлять положение позвонков и других костных образований посредством воздействия на мягкие ткани лёгкими и, как правило, безболезненными движениями пальцев, без применения значительных мышечных усилий и резких движений. В 95 % случаев смещённые позвонки, тазовые кости и рёбра ставятся на место за 1–2 движения. Без особых усилий подобным образом изменяется положение атланта, костей черепа, нижней челюсти и копчика. Суставы корректируются вращениями различной амплитуды, учитывая степень напряжения–расслабления мышечной ткани.

2.Восстановление структуры мышечной, сухожильной и фас-

циальной ткани. Мышечная, сухожильная и фасциальная ткани восстанавливаются путём избавления от избыточных напряжений при помощи комплексного подхода, включающего в себя вытягивания, обдавливания, простукивания и другие движения, воздействующие на корень напряжения.

3.Исправление положения и тонуса внутренних органов

идиафрагм тела. Комплексная методика проработки органов брюшной полости, а также других внутренних органов нормализует их работу, обмен веществ, кровоток, работу суставов и других систем организма.

Данная методика оправдывает себя при мышечных спазмах, различных заболеваниях позвоночника, в том числе искривлениях

иостеохондрозе позвоночника, грыжах и протрузиях межпозвоночных дисков; деформациях суставов и различных травмах. Она эффективна также при нарушениях работы внутренних органов

игемодинамики, приводящих к стойким функциональным сбоям в организме.

18

ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА БЕДРЕННУЮ КОСТЬ С ПОСТРЕЗЕКЦИОННЫМ ДЕФЕКТОМ:

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

С.М. Босяков1, В.В. Зильбершмидт2, Д.В. Алексеев1, И.Э. Шпилевский3

1Белорусский государственный университет, Беларусь, 220030, г. Минск, пр. Независи-

мости, 4, bosiakov@bsu.by

2Университет Лафборо, UK, LE11 3TU, Loughborough, Loughborough University, V.Silberschmidt@lboro.ac.uk

3Республиканский научно-практический центр травматологии и ортопедии, Беларусь,

220024, г. Минск, ул. Кижеватова, 60/4, ihar760@gmail.com

Ключевые слова: бедренная кость, хирургическая резекция, пострезекционный дефект, J-интеграл, предельная нагрузка.

Основным методом лечения доброкачественных опухолей и метастатических поражений трубчатых костей конечностей является хирургическое удаление пораженного участка (секторальная или хирургическая резекции). В результате хирургической резекции повышается риск возникновения патологического перелома. Целью работы является определение предельной нагрузки (эквивалентной действию собственного веса) на бедренную кость с пострезекционным дефектом с различными геометрическими размерами, локализованным в различных третях кости.

Оценка предельной нагрузки выполнялась на основании ко- нечно-элементного расчета J-интегралов в области костного дефекта. Линейный размер костного дефекта изменялся от d до 5d (d – усредненное значение диаметра внешней поверхности бедренной кости), угловой размер – от 90 до 270 . В качестве предельной принималась нагрузка, соответствующая критическим значениям J-интеграла, экспериментально определенным для кортикальной костной ткани в работе1. Сравнительный анализ значения предельной нагрузки для одного из частных случаев с результатами натурного эксперимента по разрушению бедренной кости с пострезекци-

1 Li S., Abdel-Wahab A., Silberschmidt V.V. Analysis of fracture processes in cortical bone tissue // Engineering Fracture Mechanics. – 2013. – Vol. 110. – P. 448–458.

19

онным дефектом показал достаточно высокую точность ее прогнозирования на основании конечно-элементной оценки J-интегралов.

Благодарность

Работа выполнена при поддержке граната FP7 IRSES Marie Curie 610547 TAMER.

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ИЗГИБА ДВУХЛИСТОВОГО УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ПРОТЕЗА СТОПЫ

А.Н. Бражкин, М.А. Осипенко

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, brazhkin.andreibm@yandex.ru

Ключевые слова: протез стопы, упругий элемент, двухлистовая рессора, совместный нелинейный изгиб двух листов.

Рассматривается листовая рессора как упругий элемент, применяющийся в протезах стопы [1–3]. Поставлена задача и построена модель протеза стопы, который состоит из двух листов, один край защемлен, а на другой конец действует постоянная сила [4]. Цель – получить формы изгиба листов. Есть численное решение задачи о совместном нелинейном изгибе (рисунок) [5]. Построено численное решение и получен результат.

Рис. Форма изгиба упругого элемента

20