ФГБОУ ВО Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В современной медицине и биомеханике особое внимание уделяется проблемам повышения качества жизни населения. При этом большое количество научных исследований направлено на оптимизацию биомеханических узлов, математическое моделирование их деформационного поведения, а также исследования моделей материалов биомеханических конструкций и определяющих соотношений, описывающих их поведение в процессе деформирования. В данной работе рассмотрено деформирование зубной шины из этиленвинилацетат (Eva) Drufosoft при контактном взаимодействии с зубочелюстной системой человека.
Для моделей с канонической геометрией установлено падение интенсивности напряжений в твердых тканях зубов при их контакте через протетическую конструкцию более чем в 5 раз, чем при контакте без зубной шины. Для модели контакта зубов не канонической формы установлено, что уменьшение интенсивности напряжений для зубов верхнего (более чем в 2 раза) и нижнего зубного ряда (в 0,8 раз) имеет количественное отличие. Для всех вариантов моделей установлены зависимости максимальных интенсивности напряжений в твердых тканях зубов и пластической деформации зубной шины от величины нагрузки.
Анна Александровна Каменских
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Желчь участвует в переваривании жиров и регуляции пищеварения. Динамика течения желчи зависит от эффективности работы желчного пузыря, играющего значительную роль в физиологии билиарной системы. Некоторые факторы, такие как беременность, прием некоторых лекарственных препаратов (влияющих на обмен холестерина и билирубина), ожирение, голодание, употребление жирной пищи, нарушения метаболизма, сахарный диабет и др. приводят к изменениям химического состава желчи, которая приобретает способность образовывать желчные камни (так называемая литогенная желчь). Другой причиной образования желчных камней является неправильная работа желчного пузыря на этапах наполнения и опорожнения.
Холецистэктомия (удаление хирургического желчного пузыря) – наиболее часто выполняемая операция при лечении желчнокаменной болезни. Тем не менее, следует отметить, что результаты операции не всегда успешны. Для анализа пост-операционных осложнений была разработана индивидуализированная модель течения желчи во внепеченочных желчных протоках с учётом взаимодействия «жидкость-твердое тело». Трехмерная геометрия внепеченочных желчных протоков была создана на основе обработки МРТ изображений реальных пациентов. Была исследована реология желчи в норме и при патологии, а также выполнены исследования по нахождению механических свойств желчных протоков из эксперимента на раздувание. В результате моделирования можно оценить распределение скоростей, давлений, сдвиговых напряжений в норме (рис. 1, а), при патологии (рис. 1, b), после удаления желчного пузыря (рис. 1, c), при присутствии камня в пузырном протоке (рис. 1, d). В работе представлены результаты индивидуализированного моделирования хирургических вмешательств (холицистэктомия, стентирование, закрытие передней брюшной стенки), которые легли в основу работы программного продукта по принятию решений в хирургии желчнокаменной болезни.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ 16-08-00718 и гранта Государственное задание 2017-2019 шифр проекта 19.7286.2017/8.9.
1. Kuchumov A.G., Gilev V.A., Popov V.A., Samartsev V.A., Gavrilov V.A. Non-Newtonian flow of pathological bile in the biliary system: experimental investigation and CFD simulations // Korea–Australia Rheology Journal. 2014. Vol. 26. P. 81–90.
Алексей Геннадьевич Кучумов
ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Нарушение легочного кровообращения – это сопутствующая патология при врожденных пороках сердца у детей (отсутствие межжелудочковой перегородки, тетрада Фалло, коарктация (сужение) аорты). Частота встречаемости врожденных пороков сердца в России возросла до 15 на 1000 родившихся живыми. По данным ВОЗ детская смертность от сердечно-сосудистых заболеваний в возрасте 0–4 лет в России ежегодно составляет около 8000 человек. Врожденные пороки сердца у детей нарушают в первую очередь кровоснабжение легких, что ведет к неравномерному их росту и недостаточному насыщению крови кислородом. Оперативное вмешательство по устранению врожденных пороков сердца может проводиться уже на третьи сутки после рождения ребенка [1]. Решение о схеме оперативного лечения, принимается, как правило, экспертным путем, что несет некоторую субъективность оценки.
Существует несколько сценариев оперативного вмешательства, которые позволяют перераспределить кровоток. Одним из наиболее распространенных методов устранения патологических изменений является использование модифицированного Блелок-Таусиг шунтирования (системно-легочный анастомоз). Для объективизации этой процедуры необходимо применить методы биомеханического моделирования, в результате чего можно судить о степени восстановления нормального кровоснабжения.
На основе изображений, полученных из МСКТ (мультиспиральная компьютерная томография) с контрастом, была построена индивидуализированная биомеханическая модель системы «аорта–легочная артерия-шунт» для анализа гемодинамики в данной области.
Проведено гидродинамическое исследование кровообращения у ребенка (возраст 9 дней) с врожденным пороком сердца (атрезия легочной артерии) после оперативного лечения с использованием системно-легочного шунтирования. Получены основные гемодинамические параметры (скорость, давление, расход, Qs/Qp,OSI, WSS, TAWSS и т.д.), которые позволяют проанализировать эффективность оперативного вмешательства.
1.Синельников Ю.С., Орехова Е.Н., Шехмаметьев Р.М., Породиков А.А., Комарова Е.В., Зинченко А.А., Рамалданов К.Р. Случай успешной радикальной коррекции тетрады Фалло с аномальной передней нисходящей артерией, отходящей от правой коронарной артерии // Детские болезни сердца и сосудов. 2016; Т. 13. №. С. 243-248.
Марина Ивановна Шмурак
ООО "Вычислительная инженерная платформа"
Проект «Живое сердце» - международный проект SIMULIA, в который вовлечены инженеры, медики и ученые со всего мира для работы над реалистичным моделью сердца. Предполагается, что эта модель будет применяться в образовании, конструировании медицинских аппаратов, клинической диагностики реального сердца, а также тестировании уже существующих и будущих инновационных решений, призванных значительно улучшить жизнь человека, страдающего различными пороками сердца.
При разработке стентов, искуственных клапанов или планировании операций на сердце, необходимо моделировать нагруженное состояние устройств и приборов в сложнызх нестационарных условиях. Применение программных комлпексов Abaqus-FlowVision позволяет наиболее точно предсказать поведение перспективного устройства под дейтсвием сложной гидродинамической нагрузки.
Владимир Сергеевич Каширин
Пермский Национальный Исследовательский Политехнический Университет и Пермский Государственный Медицинский Университет
Эффективным способом сохранения зубов при заболевании пародонтитом является шинирование. В последние годы установлено, что конструкция шины должна обеспечивать микроподвижность, характерную для здоровых зубов. В данной работе, с помощью МКЭ, встроенного в пакет ANSYS, исследуется микроподвижность зубов в норме. В расчётах предполагается, что периодонт и ткани зуба являются упругими. Согласно данным литературы, средний модуль упругости зубных тканей на четыре порядка больше модуля упругости периодонта. Это обеспечивает возможность погружения зуба как жесткого целого в периодонт, то есть его микроподвижность.
На рис.1а приведёт пример расчёта вертикальной микроподвижности здорового, премоляра при осевой нагрузке 15 Н. Видно, что зуб перемещается как жесткое целое на величину 35 мкм. Полученное значение осевого перемещения зуба на порядок меньше, чем такое же перемещение в расчете по Винклеровской модели для корня зуба в виде конуса [1] (170 мкм), и близко к экспериментальному значению осевого перемещения [2] (15-20 мкм при нагрузке 1-5 Н).
Важным параметром является давление в периодонте (-0,25 МПа на рис.1б), которое при определенном значении запускает процесс резорбции. Такие же величины были определены для горизонтальной нагрузки 5 Н, действующей на здоровый премоляр (максимальное перемещение составило 21 мкм, давление -0,4 МПа).
Определялась также подвижность зубов при патологии (при заболевании пародонтитом). На первом этапе рассасывание межзубной альвеолярной перегородки приводит к уменьшению площади периодонта и, как результат, к увеличению подвижности и давления в периодонте. При уменьшении межальвеолярной перегородки премоляра на 4 мм (25% от высоты корня зуба) перемещение и давление составили 56 мкм и -0,40 МПа для вертикальной нагрузки, 77 мкм и -0,90 МПа для горизонтальной нагрузки. Увеличившиеся подвижность зубов и давление в периодонте при патологии приводят к ускорению процесса рассасывания костных тканей альвеолы. Полученные данные важны для анализа возможности остановки процесса резорбции с помощью шины. изготавливаемой из термопласта, пониженная жесткость которого позволяет сохранить микроподвижность зубов.
Савелий Евгеньевич Пешин
Белорусский государственный университет
После хирургической резекции трубчатых костей зачастую возникают патологические переломы в области пост-резекционного дефекта, особенно при остеопорозе кортикальной костной ткани [1]. Целью настоящей работы является оценка предельных нагрузок на бедренную кость на основании конечно-элементного моделирования для различного процентного содержания остеонов и пористости кортикальной костной ткани. Проведен сравнительный анализ прогнозируемой предельной нагрузки на бедренную кость с пост-резекционным дефектом и результатов эксперимента по определению разрушающей нагрузки.
Кортикальная костная ткань описывалась изотропной упругой средой с учетом различного процентного содержания остеонов (30%, 44.5% и 50%) и пористости (5% и 8%) [2]. Граничные условия соответствовали действию собственного веса человека на бедренную кость [3]. Пост-резекционный дефект размещался в средней трети диафиза бедренной кости. Дефект располагался таким образом, что оставшийся после резекции фрагмент находился в наружном анатомическом квадранте. Эксперимент по определению разрушающей нагрузки проводился для бедренной кости с костным дефектом при тех же граничных условиях. Оценка предельной нагрузки осуществлялась на основании расчета критического J-интеграла в области пост-резекционного дефекта.
Экспериментальное значение величины нагрузки на бедро с дефектом составило 630 Н. Предельное значение нагрузки на основании конечно-элементного расчета критического значения J-интеграла оказалось на 7.8% ниже для наибольшего процентного содержания остеонов и наименьшего значения пористости. При уменьшении процентного содержания остеонов и увеличении пористости предельная нагрузка на бедренную кость нелинейно возрастает. Полученные результаты могут быть использованы специализированными медицинскими учреждениями, выполняющими хирургические операции по удалению опухолеподобных поражений длинных трубчатых костей, для прогнозирования возникновения трещин в окрестности пост-резекционного дефекта и формулировке рекомендаций по их предупреждению.
Работа выполнена при поддержке граната FP7 IRSES Marie Curie 610547 TAMER.
- Шпилевский, И.Э. Оценка прочности бедренной кости при секторальной резекции / И.Э. Шпилевский, А.В. Спиглазов // Медицинские новости. - 2010, №9. - С.100 - 105.
- Li S. Cutting of cortical bone tissue: analysis of deformation and fracture process / Doctoral Thesis. Wolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Loughborough, UK. 2013. 220 pp.
- Letter to the editor, 2002. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion—part I: ankle, hip, and spine. Journal of Biomechanics Vol. 35, 543–548.
Анна Ивановна Ершова
ФГБОУ ВО Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова
В настоящее время большой практический интерес представляет разработка и исследование нетканых волокнистых материалов медицинского назначения на основе биополимеров. Одним из наиболее перспективных методов получения нетканых материалов с высоко развитой поверхностью является электроформование (ЭФВ). Целью данной работы было рассмотрение особенностей структуры ультратонких волокон на основе поли-3-гидроксибутирата (ПГБ), которые формируют слой материала, и установление закономерностей их влияния на физико-механические свойства.
Исследование позволило обобщить несколько ключевых факторов, обуславливающих структурную организацию в материале на уровнях: макроструктуры – укладки и взаимного расположения в пространстве элементов нетканого полотна (волокон); микроструктуры – ориентации полимерных молекул в материале.
В исследовательской работе рассматривались различные параметры, характеризующие структуру нетканого материала и в значительной степени обуславливающие его физико-механические и химические свойства, что было подтверждено в ходе экспериментальной работы. Среди базовых показателей структурной организации в материале были выделены в качестве определяющих: удельная плотность волокон структуры, g; индекс ориентации волокон, ϕ; материалоёмкость - средняя плотность (масса единицы объема), δ. На основании полученных экспериментальных данных все образцы нетканого материала на основе ПГБ, получаемые методом ЭФВ в установленном интервале технологических параметров, допустимо разделить на три группы, достоверно описывающие свойства структуры материала: равномерное распределение волокон, среднее и хаотичное.
Анализ механических характеристик материала свидетельствует об увеличении эластических свойств полимерного материала по сравнению с пленочными аналогами, что важно при формировании качества изделий медицинского назначения. В работе были установлены зависимости между параметрами структуры материала и показателями разрывной нагрузки, прочности, относительного разрывного удлинения, модуля упругости, что позволило сделать вывод о возможности задавать значения механических свойств еще на стадии изготовления нетканого материала.
Полученный и обработанный массив данных подтверждает высокую перспективность и эффективность производства технологичных наномодифицированных защитных, фильтрующих, перевязочных текстильных материалов для медицинских целей.
Работа выполнена при финансовой поддержке РЭУ им. Г.В. Плеханова.
1. Филатов Ю. Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс). М.: Нефть и Газ, 1997.
2. Olkhov A.A., Tyubaeva P.M., Staroverova O.V., Mastalygina, E.E. Popov A.A., Ischenko A.A., Iordanskii A.L. Process optimization electrospinning fibrous material based оn polyhydroxybutyrate // AIP Conference Proceedings. 2016. V. 1736. doi: 10.1063/1.4949673.
3. Ольхов А.А., Тюбаева П.М., А. В. Лобанов, О. А, Мокеров, С. Г. Карпова, А. Л. Иорданский Надмолекулярная структура ультратонких волокон полигидроксибутирата, модифицированных комплексом железа (III) с тетрафенилпорфирином // «Вестник технологического университета» 2017. Т.20. №17.
Полина Михайловна Тюбаева
Пермский Национальный Исследовательский Политехнический Университет
При определении усилий в жевательных мышцах и в ВНЧС имеет место проблема статической неопределимости: в общем случае имеется шесть уравнений равновесия при порядка двадцати неизвестных усилиях.
Сравнивается пять способов теоретического определения усилий в жевательных мышцах и реакции в височно-нижнечелюстном суставе (ВНЧС) с помощью упрощённой симметричной модели Канга [1]. Упрощённая модель предполагает определение только основных мышечных усилий: усилия в височной мышце и суммарного усилия жевательной и внутренней крыловидной мышц, а также величины и направления реакции ВНЧС. Рассматривалось два варианта упрощённой модели – без учёта действия мышц-открывателей и наружной крыловидной мышцы [1] и с их учётом. Для раскрытия статической неопределённости использовались пять теорий, основанных на следующих предположениях: 1) мышцы-синергисты функционально равноправны; 2) усилия в мышцах пропорциональны площадям их поперечных сечений; 3) усилия в жевательных мышцах должны обеспечивать минимальное значение реакции в суставе; 4) усилия в жевательных мышцах должны быть таковы, чтобы максимальное по мышцам напряжение было минимально возможным; 5) усилия в жевательных мышцах должны быть таковы, чтобы максимальное по мышцам отношение усилия к его максимальному значению было минимально возможным.
Показана эквивалентность 2, 4 и 5 теорий в рамках используемой упрощённой модели. Показана необходимость учёта мышц-открывателей и наружной крыловидной мышцы. Сравнение результатов расчётов по различным теориям с экспериментальными данными Пруима [2] показали, что предложенная в работе [3] теория, основанная на предположении о функциональной равноправности мышц-синергистов, является предпочтительной (рис.1).
Савелий Евгеньевич Пешин
