Тезисы докладов X Всероссийской конференции

БИОМЕХАНИКА 2010

Х Всероссийская конференция

1

БИОМЕХАНИКА 2010

НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ КОНФЕРЕНЦИИ ПО СЕКЦИЯМ

Секция I. Биомеханика органов и систем

• Механика дыхания

• Ортопедическая биомеханика

• Стоматологическая биомеханика

• Биомеханика глаза

• Биомеханика сердечно-сосудистой системы • Биомеханика опорно-двигательного аппарата • Биомеханика травмы • … Секция II. Биомеханика тканей и биологических жидкостей • Биомеханика костной ткани • Биомеханика мягких тканей • Механика роста биологических тканей • Гемодинамика • Биомеханика биологических жидкостей • Транскапиллярный обмен • Биоматериалы • Клеточная тканевая инженерия • … Секция III. Молекулярная и клеточная биомеханика • Биореология и микроциркуляция • Клеточная механика • Биомеханика межклеточного взаимодействия • Механика протеинов • Механонанобиология (морфомеханика) • Механика ДНК • … Секция IV. Биомеханика движений • Движение человека • Реабилитационная биомеханика • Биомеханика трудовых и спортивных движений • Биомеханика микродвижений • … Секция V. Программные комплексы, нейронные сети, медицинское оборудование Тезисы докладов X Всероссийской конференции Российский национальный комитет по теоретической и прикладной механике Научный совет РАН по биомеханике Научный совет РАН по механике деформируемого твердого тела Институт механики МГУ имени М.В. Ломоносова Институт проблем механики имени А.Ю. Ишлинского РАН Институт проблем машиноведения РАН Иститут механики сплошных сред Уральского отделения РАН Институт прикладной физики РАН Южный Федеральный университет Пермский государственный технический университет ФГУ Саратовский НИИ травматологии и ортопедии Росмедтехнологий Саратовский государственный медицинский университет имени В.И. Разумовского Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского БИОМЕХАНИКА Тезисы докладов X Всероссийской конференции 16 –22 мая 2010 г.

Саратов, Россия Под редакцией профессора Л.Ю. Коссовича Издательство Саратовского университета БИОМЕХАНИКА УДК [53:57:61+004](082) ББК 28.071я Биомеханика 2010: Тез. докл. X Всерос. конф. / Под ред.

Б63 проф. Л.Ю. Коссовича. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. – 192 с.: ил.

ISBN 978-5-292-03988- X Всероссийская конференция «Биомеханика 2010» организована с целью обмена современными достижениями в области биомеханики на всех уровнях материи, начиная с макро- и заканчивая наноуровнем. Конференции по биомеханике являются плановыми мероприятиями Российской академии наук

.

Представленные доклады касаются проблем биомеханики органов и систем, тканей и биологических жидкостей, молекулярной и клеточной биомеханики, биомеханики движений, специализированного программного обеспечения, медицинского оборудования, преподавания биомеханики.

Для специалистов и научных работников, занимающихся исследованиями в области биомеханики, прикладной математики, механики, биомедицинской инженерии, биофизики, медицинской физики, физиологии и науки о материалах, а также для студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

А.К. Цатурян, И.В. Кириллова (зам. отв. редактора), Конференция организована при финансовой поддержке РФФИ

РУКОВОДСТВО КОНФЕРЕНЦИИ

Председатель: Г.А. Любимов Сопредседатели: Л.Ю. Коссович, П.В. Глыбочко Зам. председателя: И.В. Кириллова

Ученый секретарь: А.А. Грамакова

ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ

В.А. Антонец, С.М. Бауэр, О.В. Бейдик, А.А. Буренин, А.О. Ватульян, С.Б. Вениг, Д.А. Индейцев, Н.Н. Кизилова, А.В. Манжиров, В.П. Матвеенко, В.Н. Николенко, И.А. Норкин, Ю.И. Няшин, Н.В. Островский, Ан.В. Скрипаль, Д.А. Усанов, Ю.А. Устинов, А.К. Цатурян, А.А. Штейн Адрес организационного комитета:

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, Образовательно-научный институт наноструктур и биосистем СГУ, директору И.В. Кирилловой E-mail: [email protected] (8452) 26-16-96 (Коссович Леонид Юрьевич, ректор СГУ), (8452) 51-15-27 (Кириллова Ирина Васильевна, зам. председателя конференции) БИОМЕХАНИКА

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Один из старейших российских вузов – Императорский Николаевский Саратовский университет (ИНСУ), после февральской революции – просто Саратовский (СУ), позднее – Саратовский государственный (СГУ), с 1923 года – имени Н.Г.Чернышевского, в честь своего полувекового юбилея – Трудового Красного Знамени, а с 2010 года – Национальный исследовательский университет – был основан Высочайшим указом от 10 июня 1909 года.

В.И. Разумовский, прокоторый впервые в истории Саратова создал целостные фессор, первый ректор ИНСУ (1909–1912) Здание бывшей Фельдшерской школы Саратовского санитарного общества, 6 декабря 1909 г. после молебна и крестного хода саратовцы заложили камень на месте строительства будущих корпусов университета.

Крестный ход по Немецкой улице к месту закладки зданий Императорского Саратовского университета Закладка университетского корпуса на Московской площади 6 декабря 1909 года Общий вид 1-го и 2-го корпусов со стороны университетского двора. 1913 г.

Первоначально в составе университета был только один факультет – медицинский, возглавлял который известный физиолог Иван Афанасьевич Чуевский.

Наряду с 23 кафедрами медицинского профиля, было разрешено открыть пять кафедр, относившихся к физико-математическому профилю и кафедру православного богословия. Во главе кафедр стали ученые, имена которых были широко известны в России. Кафедру общей патологии возглавил А.А. Богомолец (впоследствии академик АН и АМН СССР, президент Академии наук Украины), кафедру хирургии – выдающийся хирург С. И. Спасокукотский. Во главе кафедры ботаники встал известный представитель русской ботанической науки А.Я. Гордягин, физики – профессор В.Д. Зёрнов. В 1911–1912 гг. созданы основные клинические кафедры. В соответствии с уставом университета в 1913 г. закончилось формирование всех кафедр теоретического и клинического профиля для подготовки врачей. Основной клинической базой университета стал Клинический городок, строительство которого было начато в 1912 г.

Профессор В.Д. Зёрнов читает лекцию в большой физической аудитории. 3-й учебный корпус. 1914 г.

До 1917 г. медицинский факультет оставался единственным факультетом университета. 1 июля 1917 г. Временное правительство приняло решение об открытии в Саратовском университете трех новых факультетов: физикоматематического; историко-филологического и юридического, это позволило университету стать классическим.

Общий вид 3-го корпуса СГУ (угол улиц Университетской и Большой Казачьей) Физико-математический факультет открылся в университете в составе двух отделений – физико-математического и естественного. Первым деканом был избран В.Д. Зёрнов. В весенний семестр 1917–1918 г. была организована кафедра высшей математики. Становление и развитие кафедры высшей математики связано с именем замечательного ученого и человека – В.В. Голубева. Профессор В.В. Голубев заведовал кафедрой со дня ее основания и до 1930 г., а с 1920 г. он был pектоpом Саратовского университета.

Первым деканом историко-филологического факультета был всемирно известный ученый-гуманитарий, философ Семен Людвигович Франк.

Юридический факультет возглавил известный учёный-юрист и политический деятель (позднее, в 1919 г., министр юстиции в правительстве А.В. Колчака) Георгий Густавович Тельберг.

С 1918 по 1921 г. на агрономическом факультете работал основоположник российской генетики Николай Иванович Вавилов.

С первого года существования университета активно работала его Фундаментальная библиотека. В 1957 г. было введено в строй новое здание библиотеки, площадью почти 10 тыс. кв. м.

В 1918 г. решением коллегии НКП в Саратовском университете был открыт агрономический факультет, который затем, в 1922 г., был преобразован в самостоятельный Сельскохозяйственный институт. Этим было положено начало формирования в Саратове целого комплекса высших учебных заведений. В 1930 г.

медицинский факультет преобразован в Медицинский институт. В 1931 г. на базе факультета советского строительства и права был создан Институт советского права, сегодня – Государственная академия права. В этом же году педагогический факультет стал Педагогическим институтом.

В разные годы нашей истории с университетом связывали свою судьбу лауреат Нобелевской премии, академик Н.Н. Семёнов, академики А.Н. Бакулев, И.Г. Петровский, Н.А. Максимов, математики А.Я. Хинчин, А.Г. Курош, И.А. Кибель, В.В. Вагнер, Л.Н. Сретенский, И.И. Привалов, Б.К. Ризенкампф, С.Г. Лехницкий, С.В. Фалькович, физики В.П. Жузе, Г.А. Остроумов, В.И. Калинин, Общий вид здания Зональной научной библиотеки СГУ П.В. Голубков; филологи (угол улиц Московской и Университетской) А.П. Скафтымов, Н.К. Пиксанов, Р.В. Мерцлин, Н.Л. Шлезингер, И.С. Мустафин; биолог А.А. Рихтер, геологи Б.А. Можаровский, А.И. Олли и многие другие.

Накануне Великой Отечественной войны Саратовский университет был в числе крупнейших в стране. На его 6 факультетах насчитывалось 45 кафедр, работало лаборатории, имелось 25 кабинетов при кафедрах, в штате состоял 151 преподаватель, в том числе 23 профессора и доктора наук, 57 доцентов и кандидатов наук.

В 1942 г. в Саратов был эвакуирован Ленинградский государственный университет (ЛГУ). Наркомат просвещения РСФСР назначил профессора А.А. Вознесенского, ректора ЛГУ, одновременно и ректором СГУ. Для усиления факультетов Саратовского университета ректор А.А.

Вознесенский перевел некоторых ленинградских профессоров на кафедры СГУ. На развитие университета оказали огромное влияние выдающиеся ленинградские ученые: физик Е.Ф.

Гросс, историк В.В. Мавродин, филологи М.П. Алексеев, Г.А.

Гуковский и Ю.Г. Оксман и др.

Их лекции, прочитанные на высоком профессиональном уровне, запечатлелись в памяти саратовских студентов на многие годы.

В 50 – 70-е гг. структура университета не претерпела серьёзных изменений, в то же время активно шло создание новых научных направлений, открывались специальности и кафедры, строились новые корпуса. За эти годы число научных работников и студентов выросло в два раза, число аспирантов – в три.

Сегодня Саратовский университет – это крупный, динамично развивающийся вузовский центр, в который входит 5 образовательных институтов, 29 факультетов (включая факультеты педагогического и Балашовского институтов и ИДПО), колледжа, Зональную научную библиотеку, издательство, типографию, Ботанический сад, научно-исследовательскую часть, НИИ естественных наук, ПРЦ НИТ, Вычислительный центр, областной Центр компьютерных технологий в промышленности, Технопарк, центры трансфера технологий, Центры коллективного пользования, Центр патентных услуг, Центр развития предпринимательства, Бизнесинкубатор, НОЦы, музей истории СГУ, филиалы институтов, отделов, лабораторий РАН и др.

В университете обучается более 30 тысяч студентов и аспирантов, работает около 2,5 тысяч преподавателей и научных сотрудников. Университет сегодня реализует образовательные программы трёх уровней – среднего, высшего и послевузовского профессионального образования. Обучение ведётся по специальностям среднего профессионального образования, 83 специальностям высшего профессионального образования, 8 направлениям подготовки магистров, – бакалавров, 28 программам дополнительного образования, 40 программам профессиональной подготовки. В соответствии с приказом Федерального агентства по образованию «О повышении квалификации в 2010 году научно-педагических работников вузов России» СГУ вновь вошёл в число базовых университетов страны, обеспечивающих повышение квалификации преподавателей российских вузов.

Институт дополнительного профессионального образования получил статус Федерального центра, который обеспечивает непрерывное послевузовское образование в регионе.

Успешное выполнение университетом инновационной образовательной программы позволило оснастить лаборатории и кафедры новейшим уникальным научным оборудованием, средствами высокопроизводительных вычислений, завершить модернизацию помещений для исследовательских лабораторий и научных институтов, внедрить в учебный процесс современные методики преподавания, организовать эффективную модель внутриуниверситетского взаимодействия факультетов и институтов, создающую основы формирования новых междисциплинарных магистерских программ. В университете работают два Центра коллективного пользования, запущен 80-ядерный Фундаментальные и прикладные исследо- (угол улиц Вольской и Белоглинской) вания в университете ведутся по 39 направБИОМЕХАНИКА лениям основных отраслей науки, в том числе по всем приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации. Университетские научные школы стали основой для создания в Саратове академических институтов и Саратовского научного центра Академии наук СССР (теперь РАН). Это предопределило «генетическое» единство СГУ и академического комплекса в Саратове. СГУ активно взаимодействует с Институтом прикладной математики РАН, Физическим институтом РАН, Институтом органической химии РАН, Геологическим институтом РАН, Институтом общей генетики РАН.

СГУ включен в число исполнителей федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2010 годы».

Университетом ведётся большая издательская деятельность. Выпускаются журналы «Известия СГУ. Новая серия» по 9 направлениям, «Известия вузов.

Прикладная нелинейная динамика», «Электрохимическая энергетика» и другие, международные и межвузовские тематические сборники. Все журналы входят в список ВАК.

Саратовский государственный университет масштабно вовлечен в международное образовательное и научное пространство, установлены разной степени интенсивности отношения с десятками зарубежных университетов, обеспечиваются академическая мобильность и широкие научные связи с университетами Европы, Азии и Америки. Реализуется проект стратегического партнерства с Университетом штата Колорадо (США), предполагающий проведение долговременных совместных научных исследований и образовательной деятельности, для координации которых с разрешения Федерального агентства по образованию открыто представительство Саратовского государственного университета в США.

Свой вклад в продвижение бренда СГУ за границей вносят аспиранты и студенты. На протяжении многих лет команды СГУ участвуют в чемпионатах мира по программированию. Наибольший успех был достигнут в 2006 г., когда команда университета стала чемпионом мира по программированию. С тех пор она была награждена тремя три комплектами серебряных медалей и одной золотой, дважды команды СГУ становились чемпионами Европы.

В программе развития СГУ как исследовательского университета определены приоритетные направления образовательной, научно-исследовательской и инновационной деятельности Саратовского государственного университета:

• математика и информационные технологии • фундаментальные и прикладные исследования в сфере высоких технологий • живые системы • риски социальных систем.

К 2010 г. в СГУ практически завершен процесс создания инфраструктуры, соответствующей целям и задачам исследовательского университета.

В апреле 2010 г. по результатам конкурса российских вузов Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского получил статус «Национального исследовательского университета».

ВСЕРОССИЙСКИЕ КОНФЕРЕНЦИИ ПО БИОМЕХАНИКЕ

В 1984 г. Государственный комитет по науке и технике СССР принял Постановление (№ 423 от 19.07.84 г.), согласно которому была утверждена научная специальность «Биомеханика» с возможностью защиты диссертаций по физикоматематическим, техническим, медицинским, педагогическим и биологическим наукам.

Во времена СССР в Риге работал Научный совет АН СССР по проблеме «Биомеханика», там же проводились Всесоюзные конференции по биомеханике, издавался сборник «Современные проблемы биомеханики» (всего вышло выпусков). Последняя (международная) конференция прошла в Риге в 1986 г.

С распадом СССР Научный совет АН перевели в Москву. Регулярные конференции по биомеханике, как Всероссийские, возобновились лишь в 1992 г.

I Всероссийская конференция была проведена в Нижнем Новгороде 9 – ноября 1992 г. по инициативе Горьковского НИИ травматологии и ортопедии (ГИТО) и доктора А.П. Ефимова (А.П. Ефимов получил диплом № 1 доктора медицинских наук по специальности «Биомеханика»). Председатель Оргкомитета – А.П. Ефимов, ответственный секретарь – Г.В. Смирнов (ГИТО). В организации и проведении конференции приняли участие сотрудники Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Н.М. Анишкина и В.А. Антонец. Двухтомный сборник тезисов докладов конференции был издан с использованием редакционноиздательской базы ИПФ РАН.

В том же 1992 г. был подготовлен к изданию 7-й выпуск «Современных проблем биомеханики», который из-за отсутствия финансирования вышел в свет лишь в 1994 г. С 8-го выпуска издание осуществляется при финансовой поддержке РФФИ.

II Всероссийская конференция проводилась в Нижнем Новгороде 22 – ноября 1994 г. и была посвящена памяти основоположника советской биомеханики члена-корреспондента АМН СССР, профессора Н.А. Бернштейна. Председатель Оргкомитета – профессор Г.А. Любимов (Институт механики МГУ им.

М.В. Ломоносова (ИМех МГУ)), заместитель председателя – А.П. Ефимов, ответственный секретарь – Г.В. Смирнов. От ИМех МГУ в состав Оргкомитета включён д-р физ.-мат.наук, профессор С.А. Регирер, от ИПФ РАН – д-р физ.-мат.наук В.А. Антонец и Н.М. Анишкина.

III Всероссийская конференция, посвящённая 100-летию со дня рождения Н.А. Бернштейна, прошла в Нижнем Новгороде 1 – 4 октября г. при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), председатель локального Оргкомитета – А.П.

Ефимов.

Начиная с III Всероссийской конференции и все последующие конференции получали финансовую проведённых в Нижнем Новгороде Российской академии наук. Нижний Новгород Всероссийских конференций по биомеханике являлись плановым мероприятием Российской академии наук.

Председателем локального Оргкомитета в Нижнем Новгороде I–III конференций назначался А.П. Ефимов, IV–IX – В.А. Антонец, учёным секретарём Оргкомитета – Н.М. Анишкина. В состав Оргкомитета от ИМех МГУ входили профессор С.А.

Регирер (II–VII конференции) и к.ф.-м.н. А.А. Штейн (VII-IX конференции), от ГИТО – к.б.н. Г.В. Смирнов (I–IX конференции), от ГОУ ВПО "Нижегородский государственный педагогический университет" (НГПУ) – д.п.н., профессор С.В.

Дмитриев (I–IX конференции.).

IV Всероссийская конференция проведена в Нижнем Новгороде 1 – 5 июня 1998 г.

Поскольку регулярные школы по биомеханике не проводились, а в конференциях постоянно принимают участие молодые учёные, студенты и аспиранты, то начиная с IV конференции в программу работы включались обзорные лекции ведущих учёных.

V Всероссийская конференция проходила в Нижнем Новгороде 29 мая – июня 2000 г.

VI Всероссийская конференция, посвящённая 100-летию со дня рождения профессора М.Т. Греховой, прошла в Нижнем Новгороде 20 – 24 мая 2002 г.

Впервые на конференции была представлена секция «Преподавание биомеханики».

VII Всероссийская конференция проведена 24 – 28 мая 2004 г. в Нижнем Новгороде на базе ИПФ РАН. К началу работы конференции на издательской базе ИПФ РАН был подготовлен и выпущен двухтомный сборник, включающий рефераты 10 обзорных лекций и тезисы всех 173 докладов. Поскольку в конференциях постоянно принимают участие молодые учёные, студенты и аспиранты, было высказано пожелание организовать Всероссийскую школу-семинар по биомеханике.

VIII Всероссийская конференция, организованная Научным Советом по биомеханике РАН, ИПФ РАН, Федеральным государственным учреждением Нижегородский НИИ травматологии и ортопедии (ННИИТО), НГПУ, ИМех МГУ и ЗАО Нижегородское агентство наукоёмких технологий (НАНТ), прошла в Нижнем Новгороде с 22 по 26 мая 2006 г.

К началу работы конференции на издательской базе ИПФ РАН был подготовлен и выпущен сборник материалов, включающий рефераты 6 обзорных лекций и тезисы 149 докладов.

IХ Всероссийская конференция, организованная Научным Советом по биомеханике РАН, ИПФ РАН, ННИИТО Росмедтехнологий, НГПУ, ИМех МГУ и ЗАО НАНТ, прошла в Нижнем Новгороде с 20 по 24 мая 2008 г. Председатель Оргкомитета – профессор Г.А. Любимов; сопредседатель, председатель локального Оргкомитета в Нижнем Новгороде – профессор В.А. Антонец (ИПФ РАН), учёный секретарь Оргкомитета – Н.М. Анишкина (ИПФ РАН). В состав локального Оргкомитета вошли: профессор С.В. Дмитриев (НГПУ); канд.тех наук В.В. Казаков (ИПФ РАН); канд.физ.-мат наук Г.В. Смирнов (ННИИТО); д-р тех. наук Е.М. Тиманин (ИПФ РАН).

В конференции приняли участие 275 человек.

В программе конференции были представлены 134 устных и стендовых доклада, 6 обзорных лекций по важнейшим направлениям развития теоретической и прикладной биомеханики, а также аппаратура ЗАО ОКБ РИТМ (Россия, г. Таганрог) и разработки компании Materialise (Бельгия).

К началу работы конференции на издательской базе ИПФ РАН был подготовлен и издан сборник тезисов докладов.

Тематика всех проведённых Всероссийских конференций по биомеханике традиционно включала в себя пять разделов: общая биомеханика, инженерная биомеханика, медицинская биомеханика, биомеханика спорта, преподавание биомеханики.

На конференциях представляли результаты своих работ специалисты из Великобритании, Казахстана, Литвы, Сербии (Нови Сад), США (Каламбус, (Днепропетровск, Киев, Кировоград, Симферополь, Харьков) и Франции.

Часть работ выполнена совместно с российскими коллегами. Была широко представлена география российских городов: Белореченск, Владивосток, Екатеринбург, Иваново, Иркутск, Краснодар, Курган, Майкоп, Москва и Московская область, Нальчик, Нижний

Работа конференции Новгород, Новосибирск, Пермь, Петрозаводск, Ростов-на-Дону, Саратов, Санкт-Петербург, Смоленск, Сочи, Таганрог, Томск, Чебоксары и др.

Стабилизация обстановки, произошедшая в российской науке в целом, в полной мере коснулась и биомеханики. В значительной степени это связано и с сохранением контактов между российскими биомеханиками, в чём большую роль сыграли I – IX Всероссийские конференции по биомеханике, проводившиеся регулярно (каждые два года) в Нижнем Новгороде. За это время сохранились старые и возникли новые центры работ по биомеханике в ряде городов России: Перми, Ростове-на-Дону, Саратове и др. В связи с этим возникла и целесообразность, и возможность расширить географию проведения конференций. Поэтому Совет биомеханики РАН принял решение о проведении X Всероссийской конференции по биомеханике в Саратове.

MICROIMPLANTS, HEAD GEARS AND BRACKET SYSTEMS

IN ORTHODONTIC TOOTH MOVEMENT: A BIOMECHANICAL STUDY

Bracket systems, head gears and microimplants are widely used for orthodontic tooth movement. The micro-implants are effective tools for the anchorage of orthodontic intrusion. Until now, various techniques to reinforce anchorage have been devised and used in orthodontic practice.

Multi-bracket appliances have commonly been used in routine orthodontic treatment. When maximal anchorage is required, additional aids are often needed to support the anchoring teeth.

Headgears were introduced more than a century ago and are used in some cases for orthodontic treatment. Its design, force balance, efficiencies and management have been explained in a series of papers. Outer bow asymmetries and their influence on the orthodontic effect have already been studied while the asymmetries in the inner bow have not been studied yet. Here some results of the biomechanical study of the force system in various asymmetric inner bow forms are presented.

Different sort of rotation, extrusion/intrusion, tipping and translation movement can be obtained by different appliances, initial tooth position and state of the structural and metabolic bone fractions.

The finite element method (FEM) is the most efficient tool for numerical computations of the strain-stress state and the tooth displacement/rotation in a given configuration.

Here a brief review of the appliances for the tooth movement, their efficiency and the corresponding biomechanical models is given. The results of FEM computations for a given teeth allocation in the tooth rows are presented. It is shown the preliminary quantitative biomechanical analysis is important for choosing the best orthodontic procedure and appliance. A theoretical evaluation of the axisymmetric and non-axisymmetric face-bows based on the canonical equations of the force method is done. It is shown a small displacement of one of the molars into the anterioposterior direction may produce important differences in the force and moment of force applied by the face-bows to the both molars resulting in their different displacement and unfavourable rotation.

The difference in the displacement will result into bigger differences in the positions of the molars in the anterio-posterior direction which will enhance the initial asymmetry providing the positive feedback relations in the system.

Three finite element models of cervical headgears with asymmetric inner bows have been designed in SolidWorks 2006 and meshed in ANSYS Workbench Ver. 11.0. A 150-gram force is applied at each side of the outer bow after model transfer to ANSYS Ver. 11.0. Inner bow ends are restrained and force results are derived. In the first model the inner bow ends is asymmetric due to a 2 mm difference in medio-lateral position of the right and left ends. In the second model the asymmetry is due to a 2 mm mesial shift in one molar. The third model is a combination of the two showing a 2-mm mesially and a 2-mm medially displaced molar in one side. FEM computations for the three models have revealed a difference between antero-posterior forces showing the larger one in the molar located anteriorly; a two times bigger force in the nearer molar to the midline than in the unaffected one. This difference for the distal driving forces was four times bigger on the molar shifted mesially and mediallty in comparison with unaffected one. In that way a larger distal driving force was shown in molars displaced mesially or medially in one side of the arch in relation to their opposite side. Different extrusive forces are shown to exist in molars with asymmetric position. A tendency to apply a palatally directed force vector in the normal side molar and a buccaly directed one in the affected side is shown. In that way upper dental arch should be assessed carefully before adjusting a headgear. A symmetroscope can be employed to assess the molars’ position. All discrepancies should be corrected using a palatal bar with unilateral extensions to treat molars and reach a symmetric position. The symmetroscope is also suggested to be used in assessing the inner bow form at the end of adjustment.

EXPERIMENTAL STUDY AND MATHEMATICAL MODELING

OF HUMAN POSTURAL BALANCE CONTROL

K. Daunoraviien1, J. Grikeviius1, M. Karpinsky2, N. Kizilova3, V. Klepikov M.I. Sytenko Institute of Spine and Joints Pathology, Kharkov, Ukraine Kharkov National University, Svobody Sq., 4, 61077, Kharkov, Ukraine Institute of Electrophysics and Radiation Technologies NASU, Kharkov, Ukraine Body sway parameters at different stances can be measured individually and used in clinical diagnostics of the musculoskeletal, nervous, vestibular and auditory pathology. Steady stance of a human is supported by somatosensory, vestibular and visual information relevant for balance control. Some sway is peculiar to normal healthy state. The most accessible and common method of detection of the sway parameters is the measurement of the position of the centre of pressure using computerized systems with a force platform. Here a series of regularities proper to different stances of healthy subjects and patients with spine (osteochondrosis, pain, injury) and joint (arthrosis, rheumatism, arthritis, injury, muscle insufficiency) obtained by the force platform measurements and data analysis are presented.

Experimental study has been carried out in the Laboratory of biomechanics M.I. Sytenko Institute of Spine and Joints Pathology. 50 young conditionally healthy volunteers with neither nervous nor musculoskeletal disorders have been examined as a control group as well as a group of patients with osteochondrosis (35 persons) and with coxarthrosis (32 persons). The computerized force platform (Statograph-M05/28) allows measurements of the four reaction forces and computations of the centre of mass dynamical curves X(t), Y(t). A quiet two-leg stance, a stance with the body mass shifted onto one of the legs, and one-leg stance have been studied for each person in the course of 30 s with eyes open and closed accordingly. In the next test the person made a step forward off the force platform onto the board of the same thickness. For the healthy volunteers a rigid fixation of the ankle, knee or hip joint has also been applied and the same sets of tests have been studied for consecutive locations of the fixation. The latter has been aimed at better understanding of the input of each separate joint on the body balance and step forward.

The measured data have been stored and studied using spectral analysis of the time series.

Some differences in the main harmonics and amplitudes for the two-leg and one-leg stances have been revealed. When a volunteer is balancing standing on one leg, all the harmonics are shifted towards the high frequencies and the sway amplitude is twice increased in comparison with comfortable two-leg stance. Decomposition of the trajectories Y(X) into the rambling and trembling components revealed that during the one-leg stance the balance control strategy includes ‘scanning’ of the larger area with bigger sway amplitudes as compared to two-leg stance. Certain asymmetry has been found in the sway patterns Y(X) as well as in the restoring force Fy(Fx) computed from the Y(X) signals. The sway asymmetry can be produced by the insufficiency, injury and pain, which is in agreement with our results obtained on the healthy subjects with fixation applied. The dependencies X//(X/) and Y//(Y/) demonstrate complex dynamics and the typical patterns formed by the primary and secondary loops are informative for the early diagnostics, which is a novel approach to the posturography analysis.

The mathematical models of the controlled complex inverted pendulum with 4-7 links have been elaborated for different stances and step forward. Mass and inertia of each body segment, shear drag and torques in joints have been taken into consideration. The resulting non-linear ODE systems have been solved numerically. One-leg stance is estimated as a good predictor of the balance disorders. Visual control is confirmed to be an important determinant of the postural balance for all the studied groups of individuals. The sway amplitude is found to be an excellent parameter for early diagnostics of the balance problems and for differential diagnostics of the spine and joint pathology. The control functions have been computed and analyzed using the measurement data and mathematical model. Some important diagnostic parameters are proposed.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ОСТЕОСИНТЕЗ ШЕЙКИ БЕДРА

РЕЗЬБОВЫМИ ФИКСАТОРАМИ

Пермский государственный технический университет, Россия В России, как и в ряде других стран, возрастает травматизм и удельный вес лиц пожилого и старческого возраста и соответственно увеличивается число лиц с переломами шейки бедра. По прогнозам, к 2050 году удельный вес людей старше 60 лет удвоится по сравнению с текущими показателями. Количество переломов проксимального отдела бедра у пожилых людей к 2010 году увеличится на 300% по сравнению с 1987 годом.

В настоящее время осуществляется стабильно-функциональный остеосинтез в возможно ранние сроки, отвечающий современным требованиям медицинской реабилитации больных с переломами шейки бедра. Однако количество неблагоприятных исходов при использовании резьбовых фиксаторов для остеосинтеза переломов данной локализации достаточно велико – несращения отмечены в 16 – 20% случаев. Причиной этому является ослабление фиксации отломков шейки бедра до их сращения, поскольку в этот период пациент передвигается на костылях без опоры на оперированную конечность и при ослабленной фиксации между отломками возникают микроперемещения, препятствующие сращению. По существующей технологии фиксаторы устанавливаются неиндивидуально, без учёта уровня упругих и прочностных свойств фрагментов кости с максимально возможным кистевым моментом рук хирурга. Усилие сжатия костной ткани при этом достигает внушительной величины до 3500Н от одного фиксатора. В то же время из экспериментов на животных известно, что слабая фиксация приводит к чрезмерным межфрагментарным перемещениям, а слишком жёсткая – к замедлению формирования костной мозоли. Следовательно, имеется некоторое промежуточное усилие сжатия фагментов, обеспечивающее оптимальные условия сращения – наибольшую жёсткость фиксации в течение всего периода сращения, прочность и структуру костной ткани.

В докладе обсуждается новый метод остеосинтеза шейки бедра, реализующий оптимальные условия сращения отломков. Основными характеристиками метода являются:

предоперационное планирование, расчёт предельной величины момента закручивания фиксаторов, установка фиксаторов специальным инструментом.

Предоперационное планирование включает рентгенографию проксимального отдела бедра в двух проекциях с использованием фантома поверхностной плотности кости, что позволяет получить распределение объёмной оптической плотности в исследуемой области бедра пациента. Кроме того, устанавливаются размеры характерных участков головки, шейки и подвертельной области, а также необходимые размеры фиксаторов и вес пациента.

Данная информация обрабатывается специализированным программным обеспечением (ПО), моделирующим адаптационные процессы в отломках кости после установки фиксаторов с заданным моментом закручивания фиксаторов. При этом выявляются изменения пористости структуры, модуля упругости и прочности костной ткани по касательным напряжениям у вершин резьбы. Наибольшая величина момента закручивания фиксаторов, при которой обеспечиваются прочность и нормальная пористость, является оптимальной для данного пациента.

Установка фиксаторов осуществляется специальным динамометрическим ключом.

Приводятся результаты клинического применения метода.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 07-01-00787-а).

ДВА ТИПА ДВИГАТЕЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИ НАКЛОНАХ КОРПУСА

В САГИТТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ У ЧЕЛОВЕКА

Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, Россия Исследуется управление по обратной связи (ОС) и особенности прямого двигательного управления (ПДУ) при целенаправленном наклоне корпуса в сагиттальной плоскости у человека.

Параметры управления по обратной связи определяются методом механических возмущений стоящего человека путем неожиданных смещений опоры. В экспериментах, проведенных с полным соблюдением основных норм биоэтических правил, принимали участие пять здоровых испытуемых. Испытуемые по звуковому сигналу выполняли быстрый наклон корпуса вперед, стоя на неподвижной или неожиданно сдвигаемой за 300 мс на 7 см назад платформе.

Используется двухсуставная (голеностопный и тазобедренный суставы) биомеханическая модель тела человека. Анализ проводится в терминах движения вдоль собственных векторов динамического уравнения («собственных синергий»). По доминирующему суставу в каждой из двух рассматриваемых синергий они названы Н- и А- синергиями (Н – Hip, тазобедренный сустав, А – Ankle, голеностопный сустав). Показано, что собственные синергии представляют собой целостные единицы двигательного контроля, которые независимо управляются центральной нервной системой по ОС.

На втором этапе, зная параметры петли ОС, исследуется организация ПДУ при выполнении движения. В физиологии движений существуют две точки зрения на организацию двигательного управления в живых системах – управление положением (равновесной пространственной конфигурацией) системы, либо управление движением (ходом изменения этой конфигурации).

Результаты работы показывают, что при выполнении наклона корпуса в сагиттальной плоскости у человека, наблюдаются оба типа организации ПДУ. При этом управление по Н-синергии организовано по первому типу, т.е. достаточно хорошо согласуется с теорией равновесной точки, а управление по А-синергии – по второму типу.

Настоящее исследование поддерживалось грантом РГНФ 09-06-00883а.

БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТАДИЙ АДАПТИВНОЙ

КОМПЕНСАЦИИ НАРУШЕННЫХ ФУНКЦИЙ У БОЛЬНЫХ

С КУЛЬТЯМИ ПАЛЬЦЕВ И КИСТИ ПОСЛЕ РЕКОНСТРУКТИВНЫХ ОПЕРАЦИЙ

ФГУ «Нижегородский НИИ травматологии и ортопедии Росмедтехнологий», Россия ФГУ « НИИ экспериментальной медицины РАМН», Санкт-Петербург, Россия Выявление стадий развития адаптивных процессов имеет важное значение в плане определения возможности управления ими и назначения адекватного лечения после проведения реконструктивно-восстановительной операции.

Цель исследования: обосновать стадии адаптивной компенсации нарушенных функций после реконструктивных операций на культях кисти.

Для определения стадий адаптивной компенсации нарушенных функций и восстановления нового двигательного навыка мы проводили биомеханические, электромиографические исследования в различные сроки после выполнения реконструкции пальца или кисти: в первый год – через один месяц, в последующие годы – через каждые три месяца. Для оценки биомеханических показателей использовали программно-аппаратный комплекс НОКП НППИ-ННИИТО, который позволяет регистрировать максимальное мышечное усилие (ММУ), максимальную скорость сокращения (МСС – максимальная скорость нарастания силы на кривой сила-время), максимальную скорость расслабления (МСР – максимальная скорость уменьшения силы на кривой), силу при максимальной скорости сокращения (величина силы, которой соответствует максимальная скорость ее нарастания на кривой сила – время), силу при максимальной скорости расслабления (сила, соответствующая максимальной скорости уменьшения), коэффициент выносливости (произведение максимального мышечного усилия на время его удержания), а также показатели воспроизведения заданного мышечного усилия (ВЗМУ). В качестве регистрирующей аппаратуры при электромиографических исследованиях применяли двухканальный электромиограф фирмы «Медикор» марки MG– 440, диагностический комплекс «МБН-Нейромиограф».

Наличие корреляционной связи дооперационных амплитудных показателей электромиограммы (ЭМГ), а также биомеханических и биометрических показателей в отдаленные сроки после операции (r=0,43–0,54 для различных показателей) свидетельствует о том, что адаптационный потенциал кисти определяется в основном активностью мышц тенара.

Анализ результатов биомеханических исследований позволил выявить статистически подтвержденную положительную динамику таких составляющих биомеханического паттерна, как ММУ, МСР, среднее отклонение, коэффициент выносливости при сравнении послеоперационных показателей с данными отдаленного периода (р = 0,068 для разных показателей).

С учетом выявленных закономерностей сроки адаптивной компенсации нарушенных функций определялись на основании корреляционного анализа ЭМГ показателей тенара и биомеханических параметров кисти в одинаковых временных интервалах. После операции активность тенара при противопоставлении первого пальца остальным и его отведении коррелировала с силой при МСР, с силой при МСС, а также с коэффициентом выносливости (r=-0,59–0,67 для различных показателей).

В ближайшие сроки после операции биоэлектрическая активность мышц тенара коррелировала с ММУ, МСС, силой при МСР в условиях противопоставления первого пальца остальным, отведения первого пальца (r=-0,64=-0,87для различных движений).

В отдаленные сроки после операции отмечалась прямая корреляционная связь активности мышц тенара с показателем формирования «мышечной памяти» средним отклонением при противопоставлении первого пальца остальным, а также при сгибании пальцев (r=0,45-0,53 для различных функций). Это свидетельствует в определенной степени о формировании двигательного навыка.

Наиболее информативные и однонаправленные показатели были получены в сроки от 35 дней до 231 дня, от 223 дней до 683 дней, 707 дней и выше. С учетом изложенных данных, можно выделить 3 стадии формирования двигательного навыка: 1 стадия (от 35 дней до дня) – начальных проявлений мышечной активности (незначительная активность мышц тенара и предплечья); 2 стадия (от 223 дней до 683 дней) – восстановления биоэлектрической активности, формирования двигательного навыка (в движениях преимущественно принимают участие мышцы предплечья); 3 стадия (от 707 дней и выше) – сформировавшегося двигательного навыка (в движении преимущественно участвуют мышцы тенара).

Полученные данные свидетельствуют о целесообразности проведения после реконструктивных операций адаптивной тренировки с электромиографической обратной связью (ЭМГ БОС), направленной на повышение активности мышц тенара в первую и вторую стадии восстановления двигательного навыка. В результате применения метода достигнута положительная динамика амплитуды биоэлектрической активности всех тренируемых мышц после реконструкции пальцев различными методами (р=0,04–0,0002 для различных движений). Выявлена тенденция к уменьшению среднего значения воспроизведения заданного мышечного усилия (р=0,11), что можно рассматривать как результат улучшения проприоцептивной чувствительности, а также совершенствования «мышечной памяти».

Вывод. Результаты исследования и эффективность ранней адаптивной тренировки с ЭМГ БОС свидетельствуют о правомочности выделения трех стадий восстановления двигательного навыка после реконструктивных операций на кисти.

ОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК КОСТНОЙ ТКАНИ

НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Южный Федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия В настоящее время одной из актуальных проблем является развитие неинвазивных методов контроля за физиологическим состоянием костной ткани человека с целью прогнозирования и диагностики различных заболеваний. Учитывая тесную взаимосвязь между резонансными частотами, формами колебаний и механическими характеристиками твёрдых тканей, акустический метод, не являясь травматическим и не имея противопоказаний, считается одним из простых в реализации методов для достижения поставленных целей. Подобные задачи об определении механических свойств материала по его динамическим характеристикам относятся к обратным коэффициентным задачам, представляющим особую сложность в случае резко меняющихся (на несколько порядков) характеристик в зоне сращивания.

В настоящей работе рассмотрена проблема идентификации механических характеристик костной ткани (модуля Юнга и плотности) на основе анализа вибрационных характеристик. Идентификация основана на исследовании задачи о поперечных колебаниях бедренной кости при различных физиологических состояниях, в частности, кости, ослабленной костной мозолью, локализованной на малом по сравнению с длиной рабочей области участке. Бедренная кость моделируется балкой переменной жёсткости. Колебания вызываются сосредоточенной нагрузкой, приложенной в некоторой точке, а сама балка считается шарнирно опертой по краям, что соответствует схеме нагружения в реальных устройствах диагностики. Материал кости считался изотропной неоднородной упругой (вязкоупругой) средой, а наличие различных физиологических состояний моделировалось зависимостью модуля Юнга и плотности от продольной координаты.

Решение прямой задачи о нахождении амплитудно-частотной характеристики сведено к решению интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода с непрерывным ядром.

Рассмотрена обратная коэффициентная задача, состоящая в нахождении модуля Юнга и плотности бедренной кости по известному смещению под нагрузкой в некотором частотном диапазоне. Начальное приближение определено в классе непрерывных функций на основе генетического алгоритма. Для уточнения искомых характеристик построен итерационный процесс, основанный на методе регуляризации А. Н. Тихонова. Приведены результаты вычислительных экспериментов для различных законов распределения модуля Юнга и плотности, иллюстрирующие возможности предлагаемого подхода.

ПРИБОР ДЛЯ ЗВУКОВОГО КОНТАКТА С ПЛОДОМ В УТРОБЕ МАТЕРИ

Известно, что зародыш, находящийся в утробе, слышит голос матери и реагирует на него [1]. В результате последних исследований внутриутробного развития человеческих эмбрионов были выявлены новые возможности для поддержки развития малыша до его рождения, что обусловило открытие многочисленных «пренатальных университетов» по всему миру. Для еще неродившихся малышей разработана специальная программа дородового обучения. Программа основана на звуковом общении матери с ребенком.

Благодаря этому после рождения дети привыкают к окружающему миру гораздо быстрее и более эффективно развиваются в нем. Однако из-за того, что разница акустических импедансов воздуха и биологических тканей очень велика звуки внешнего мира очень плохо проникают в материнскую утробу. Поэтому прочие родственники младенца лишены возможности такого дородового контакта с ребенком, который доступен матери.

Предлагаемая разработка направлена на создание прибора, благодаря которому человеческий зародыш мог бы слышать голоса и других людей. Для этого предполагается преобразовывать акустический сигнал, возникающий во внешнем мире, в вибрационный, который может быть введен в материнскую утробу с помощью простого согласующего устройства. При этом амплитудно-частотные характеристики преобразования внешних звуков должны обеспечивать приблизительное совпадение диапазонов амплитудночастотных характеристик полей внутри утробы таким, которые создаются в ней при тканевом проведении голоса матери.

Для обеспечения такого соответствия были исследованы амплитудно-частотные характеристики сигналов, возникающих на поверхности живота матери под воздействием ее голоса, что (подобно работе [2]) позволило определить граничные значения амплитуд и частот виброакустических полей, возникающих под действием естественного голоса.

Экспериментальная установка включала в себя два высокочувствительных датчика.

Первый из них являлся обыкновенным воздушным микрофоном с равномерной частотной характеристикой в слышимом диапазоне частот, регистрировавшим аудиосигнал, воспроизводимый матерью. Второй датчик-акселерометр размещался на поверхности живота матери и регистрировал вибрации брюшной стенки, возникающие под действием ее голоса.

Проведение временного и спектрального анализа синхронно записанных сигналов с сигналов позволило получить достоверную информацию, достаточную для составления технических требований к характеристикам устройства для преобразования внешних звуковых сигналов в вибрации, которые позволят сделать эти звуки доступными для восприятия плодом.

1. Logan B. Fetal Sonic Stimulation // The Royal College of General Practitioners Official Reference Book, London, 1995.

2. Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Костив А.Е. и др. // Приборы и техника эксперимента. 2008. № 2, мартапрель. С. 147–154.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АНТИСИПАТОРНЫХ И КОМПЕНСАТОРНЫХ НАСТРОЕК

В УПРАВЛЕНИИ ПОЗОЙ

Практически любая пертурбация, связанная с быстрым движением сегментов тела или движением поверхности, на которой мы стоим, способна нарушить равновесие тела.

Центральная нервная система использует два типа позных настроек при поддержании равновесия. Первый тип настроек, наблюдаемый как активность позных мышц до начала ожидаемой пертурбации, описывается как антисипаторные настройки (APAs ) [1]. Второй тип настроек связан с восстановлением позы, после того как на тело подействовала пертурбация, и называется компенсаторными настройками (CPAs); компенсаторные настройки инициируются сигналами сенсорной обратной связи.

Мы изучали взаимосвязь между APAs и CPAs и роль этой взаимосвязи в управлении позы. Здоровые испытуемые подвергались воздействию силы, приложенной к их вытянутым верхним конечностям, с использованием приделанного к потолку маятника. Испытуемые стояли с открытыми и закрытыми глазами; в первом случае момент контакта маятника с руками был известен, а во втором испытуемые не получали информации о моменте контакта.

Електромиограммы, перемещения ценра масс и центра давления регистрировались с помощью системы Vicon [2].

В экспериментах с открытыми глазами испытуемые генерировали антисипаторные настройки в результате чего компенсаторные настройки были небольшими. В экспериментах же с закрытыми глазами антисипаторной активности позных мышц не было и мы наблюдали значительную активность мышц и большие перемещения центра масс и центра давления во время компенсаторной фазы [3].

Результаты экспериментов показали что антисипаторные настройки играют важную роль в управлении позы.

1. Belen'ki V., Gurfinkel V., Pal'tsev Y. Elements of control of voluntary movements // Biofizika 1967. Vol.10.

P.135–141.

2. Santos M.J., Kanekar N., Aruin A.S. The Role of Anticipatory Postural Adjustments in Compensatory //Control of Posture. 1. Electromyographyc Analysis. Journal of Electromyography and Kinesiology. 2009. Aug 4. [Epub ahead of print].

3. Santos M.J., Kanekar N., Aruin A.S. The Role of Anticipatory Postural Adjustments in Compensatory //Control of Posture. 2. Biomechanical Analysis. Journal of Electromyography and Kinesiology. 2010/ Feb 13. [Epub ahead of print].

УЛУЧШЕНИЕ СИЛЫ ЗАХВАТА У БОЛЬНЫХ РАССЕЯННЫМ СКЛЕРОЗОМ

Возможность управления силой захвата является одним из необходимых условий для выполнения различних важных жизненых функций, таких как удержание стакана и ложки во время еды или застегивание рубашки и осуществление различных рабочих операций.

Успешное манипулирование объектами зависит от приложения такой силы захвата, величина которой достаточна для предотвращения выскальзывания объекта и в то же время не приводит к усталости мышц или повреждению объекта или пальцев. Возможность управления силой захвата изменяется с возрастом и появлением болезней. Так, пожилые люди и те, кто страдают неврологическими заболеваниями, прикладывают большую силу, чем молодые здоровые люди, когда поднимают предметы домашнего обихода. В частности, значительно большую силу прикладывают больные рассеянным склерозом во время подъема небольших объектов [1]. Мы разработали метод, помогающий больным оптимизировать величину силы захвата во время подъема и манипулирования объектами. Метод основан на