Математические модели ростового деформирования

Аннотация


В настоящее время биология и медицина становятся одними из самых привлекательных областей применения математики. Для исправления некоторых патологий развития у детей первостепенными являются вопросы моделирования роста живой ткани и управления ростом. В процессе роста само растущее тело испытывает деформацию, что определяет принципиальное отличие механики растущих тел от классической механики тел постоянного состава. В работе представлен анализ публикаций, в которых предложены различные модели механизма биологического роста живых тканей. Кратко проанализировано понятие биологического роста. Рассмотрены основные принципы моделирования роста и выделены основные направления, в рамках которых разработаны те или иные модели объемно-растущей ткани. Авторы приводят следующую классификацию моделей роста живой ткани: модели, основанные на гипотезе о влиянии на рост ткани внутриклеточного давления как стимулирующего фактора; модели многофазных сред, так называемые mixture theory ; модели, основанные на гипотезе о влиянии остаточных напряжений на рост ткани как стимулирующего фактора; модели, связывающие зависимость скорости роста от механических напряжений, известную из наблюдений и экспериментов. На основе анализа литературных данных выделены факторы, влияющие на рост живой ткани. Таковыми являются химический состав, концентрация, транспорт и напряжения в материале тела. Напряжения являются существенным фактором, оказывающим влияние на рост. Практическая ценность механической модели ростового деформирования обусловлена возможностью широкого ее применения для описания нормального и патологического роста твердых тканей организма человека. В таком случае с точки зрения механики становится возможным моделирование и управление ростом.

Об авторах

О Ю Долганова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

Email: aoy85@yandex.ru
614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29 аспирант кафедры теоретической механики Пермского национального исследовательского политехнического университета

В А Лохов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

Email: valeriy.lokhov@yandex.ru
614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29 кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической механики Пермского национального исследовательского политехнического университета

Список литературы

  1. Ambrosi D., Vitale G. The theory of mixtures for growth and remodeling compression // Mini-Workshop: The mathematics of growth and remodelling of soft biological tissues. - 2008. - No. 39 - P. 9-10.
  2. Ateshian G.A. The role of mass balance equations in growth mechanics illustrated in surface and volume dissolutions // Journal of Biomechanics Engineering. - 2011 - Vol. 133. - No. 1 - P. 381-390.
  3. The correspondence between equilibrium biphasic and triphasic material properties in mixture models of articular cartilage / G.A. Ateshian, N.O. Chahine, I.M. Basalo, C.T. Hung // Journal of Biomechanics. - 2004. - Vol. 37. - No. 3 - P. 391-400.
  4. Chuong C.J., Fung Y.C. On residual stresses in arteries // Journal of Biomechanical Engineering. - 1986. - Vol. 108. - P. 189-192.
  5. Residual Strain Effects on the Stress Field in a Thick Wall Finite Element Model of the Human Carotid Bifurcation / A. Delfino, N. Stergiopulos, J.E. Moore, J.J. Meister // Journal of Biomechanics. - 1997. - Vol. 30. - No. 8 - P. 777-786.
  6. Elastic growth models / A. Goriely, M. Robertson-Tessi, M. Tabor, R. Vandiver // Program in Applied Mathematics. RUMMBA, University of Arizona, 2010. - 45 p.
  7. Experimental Investigation of the Distribution of Residual Strains in the Artery Wall / S.E. Greenwald, J.E. Moore, A. Rachev, T.P.C. Kane, J.J. Meister // Transactions of the ASME. Journal of Biomechanical Engineering. - 1997. - Vol. 119 - P. 438-444.
  8. Hoger A. Residual Stress in an Elastic Body: a Theory for Small Strains and Arbitrary Rotations // Journal of Elasticity. - 1993. - Vol. 31 - P. 1-24.
  9. Hsu F. The influence of mechanical loads on the form of a growing elastic body // Journal of Biomechanics. - 1968. - Vol. 1. - No. 4. - P. 303-311.
  10. Klarbring A., Olsson T., Stalhad J. Theory of residual stresses with application to an arterial geometry // Arch. Mech. - 2007. - Vol. 59. - No. 4 - P. 341-364.
  11. Lanyon L.E., Magee Р.Т., Baggott D.G. The relationship of functional stress and strain to the processes of bone remodelling. An experimental study on the sheep radius // J. Biomech. - 1979. - Vol. 12. - No. 8 - P. 593-600.
  12. Lockhart J.A. An analysis of irreversible plant cell elongation // J. Theoretical Biology. - 1965. - Vol. 8. - No. 2 - P. 264-275.
  13. Lubarda A., Hoger A. On the mechanics of solids with a growing mass // International Journal of Solids Structure. - 2002. - Vol. 39.
  14. Mura T. Micromechanics of Defects in Solids. - Dordrecht: Kluwer Academic Publ, 1991.
  15. Rodriguez E.K., Hoger A., McCulloch A.D. Stress-dependent finite growth in soft elastic tissues // Journal Biomech. - 1994. - Vol. 27. - No. 4 - P. 455-467.
  16. Taber L.A., Eggers D.W. Theoretical Study of Stress-Modulated Growth in the Aorta // Journal of Theoretical Biology. - 1996. - Vol. 180. - P. 343-357.
  17. Кизилова Н.Н., Логвенков С.А., Штейн А.А. Математическое моделирование транспортно-ростовых процессов в многофазных биологических сплошных средах // Механика жидкости и газа. - 2012. - № 1 - С. 3-13.
  18. Логвенков С.А., Штейн А.А. Управление биологическим ростом как задача механики // Российский журнал биомеханики. - 2006. - Т. 10, № 2. - С. 9-19.
  19. Лохов В.А., Долганова О.Ю. Алгоритм поиска оптимальных усилий для лечения двусторонней расщелины твердого неба // Российский журнал биомеханики. - 2012. -Т. 16, № 3 (57). - С. 42-56.
  20. Лычев С.А. Краевые задачи механики растущих тел и тонкостенных конструкций: автореф. дис.. д-ра физ.-мат. наук. - М., 2012. - 32 с.
  21. Масич А.Г. Математическое моделирование ортопедического лечения врожденной расщелины твердого неба у детей: дис.. канд. физ.-мат. наук. - Пермь, 2000. - 132 с.
  22. Регирер С.А., Штейн А.А. Методы механики сплошной среды в применении к задачам роста и развития биологических тканей // Современные проблемы биомеханики. - 1985. - Т. 2 - C. 5-67.
  23. Штейн А.А., Юдина Е.Н. Математическая модель растущей растительной ткани как трехфазной деформируемой среды // Российский журнал биомеханики - 2011. - Т. 15, № 1 - С. 42-51.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 112

Cited-By


PlumX


© Долганова О.Ю., Лохов В.А., 2014

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах