Российский журнал биомеханики

Заметное увеличение случаев ожирения, происходящее в последние десятилетия в промышленно развитых странах, часто сопровождающееся высокой заболеваемостью и высоким уровнем смертности, сделало ожирение проблемой глобального здравоохранения. Бариатрическая хирургия - наиболее эффективный способ лечения тяжелой степени ожирения. Однако многие проблемы, связанные с хирургическими процедурами, еще не решены. Проведение экспериментов, основанных на новом рациональном подходе с использованием методов биоинженерии, может значительно улучшить хирургические методы, избавляя их от характерных недостатков и осложнений. Целью данной работы является построение персонифицированных компьютерных моделей резецированных желудков после рукавной гастропластики, предназначенных для воспроизведения структурно-механического поведения тканей желудка человека. Применен комбинированный экспериментально-вычислительный подход. Экспериментальные инсуффляционные тесты выполнены на девяти желудках после проведения рукавной гастропластики. С помощью метода обратного проектирования разработаны девять численных персонифицированных моделей. Для вычислительного эксперимента выбран двухслойный, армированный волокном анизотропный гиперупругий материал. Полученные результаты показали, как измененяется давление в зависимости от объема резецированных желудков. Сравнение экспериментальных и численных результатов позволило получить набор определяющих параметров, в том числе данные о напряженно-деформированном состоянии в интересующей области. Реализованный инженерный подход позволяет охарактеризовать механическое поведение тканей желудка человека. Предполагается, что полученные численные модели будут использоваться для понимания биомеханики человеческого желудка и станут клиническим инструментом, призванным помочь медицинскому персоналу оптимизировать бариатрические процедуры.

Для изучения физико-механических свойств штифтовых культевых конструкций из диоксида циркония, изготовленных методом компьютерного моделирования и фрезерования (CAD\\CAM), напряженно-деформированного состояния и их прочностных характеристик были проведены численно- экспериментальные исследования. Образцы представляли собой систему, состоящую из ранее удаленных зубов-премоляров с отсутствующей анатомической коронкой, препарированным корневым каналом и фиксированной в нем штифтовой культевой вкладкой, искусственной коронкой из диоксида циркония, фиксированной на культевой вкладке, и части корня. Препарированные зубы, подготовленные к установке штифтов, сканировались в зуботехнической лаборатории, после чего проводилось фрезерование вкладок из диоксида циркония. Исследовались две группы образцов: в первой группе они подвергались обработке в пескоструйной установке; во второй группе они не были подвержены никакой механической и температурной обработке. Для проведения испытаний прочности образцов на сжатие использовалась универсальная напольная машина для электромеханических испытаний Instron 5982 в статическом режиме в условиях однократной возрастающей нагрузки. Образцы испытывались с вертикальной нагрузкой и под углом 15º с пескоструйной обработкой порошком оксида алюминия и без обработки. Для каждого варианта получено значение силы, при которой происходило разрушение образца. Также было проведено численное исследование методом конечных элементов на разработанной математической модели зависимости напряженно-деформированного состояния образца от приложенной функциональной нагрузки, действующей вертикально на окклюзионную поверхность зуба и под углом 15º. Задача рассматривалась в осесимметричной постановке. Компьютерная модель включала зуб-премоляр с коронкой, корнем и штифтовой культевой вкладкой с учетом механических свойств материалов каждого из этих элементов. При увеличении угла действующей на коронку нагрузки от 0 до 15º разрушение образца наступает при меньших её значениях, примерно на 10-12 %; максимальные значения напряжений определились в верхней части коронки и шейке зуба (соединение коронки с корнем) - в экспериментах разрушение происходило именно в этих местах. Сравнение экспериментальных усредненных значений нагрузок, при которых происходило разрушение образцов, с численными значениями показало их хорошее согласование.

Настоящее исследование описывает комплексный подход к моделированию биомеханики протеза клапана сердца на основе анализа медицинских графических данных (мультиспиральная компьютерная томография), твердотельного моделирования (Abaqus/CAE) и численного анализа потоков крови (OpenFOAM). Объектом исследования стал клинический случай пациента Д. (56 лет), которому хирургическим способом был имплантирован бескаркасный протез клапана аорты «ТиАра». Проводили реконструкцию трехмерных компьютерных моделей функционирования протеза в течение 10 отрезков одного сердечного цикла с последующей постановкой численных экспериментов, воспроизводящих перемещение ключевых точек изделия - комиссуральных стоек, створок. Была показана высокая асимметричная подвижность элементов биопротеза в ходе деформаций сердечного цикла - одна из комиссуральных стоек значительно более подвижна, чем две другие (до 32% по перемещению). Твердотельное моделирование деформации протеза не выявило значимых дефектов функционирования и превышения напряженно-деформированного состояния компонентов: максимум напряжения по Мизесу достигал 0,8 МПа. Распределение показателей напряжения на эпюрах трехмерных моделей выявило основную концентрацию в куполе и комиссуральных стойках створчатого аппарата. Кроме того, качественно работа створчатого аппарата соответствовала условиям функционирования - динамике изменения давлений в структуре сердечного цикла «систола-диастола», созданию контакта створок, и упруго-деформативным свойствам материалов компонентов протеза. Анализ результатов моделирования потоков определил наличие нескольких участков с турбулентной структурой в области синусов Вальсальвы, которые тем не менее не демонстрировали критических количественных характеристик - пристеночных сдвиговых напряжений (до 74 МПа), скоростей тока (0,1-1,0 м/с).

Представлена модель кожного покрова в виде неоднородного по толщине вязкоупругого слоя, в свою очередь состоящего из трех слоев (подкожный жир, дерма и эпидермис). Считалось, что в слое имеется неоднородное одноосное предварительное напряжение, возникшее как результат релаксации после проведения операции по лифтингу (подтяжке) кожи. Постановка задачи записана на основе общей постановки задачи об установившихся колебаниях неоднородного тела с учетом предварительного напряженно-деформированного состояния. Пронцип соотвествия в постановке задачи позволил заменить упругие модели на комплексные аналоги, соответствующие модели стандартного вязкоупругого тела. Обратная задача заключалась в определении механических характеристик (комплексных аналогов параметров Ламе) и предварительного напряжения с использованием информации об акустическом отклике для периодического зондирующего неинвазивного воздействия на поверхности слоя. Исходная задача с применением преобразования Фурье по продольной координате сведена к решению ряда более простых задач в трансформантах. На основе комбинирования различных режимов нагружения построена двухэтапная схема идентификации механических свойств и предварительного напряжения. На первом этапе для идентификации с помощью итерационного подхода и метода регуляризации Тихонова последовательно определяются комплексные аналоги параметров Ламе. На втором этапе, используя функции, найденные на первом этапе, с применением построенного проекционного метода определили предварительные напряжения. Применение разработанного подхода к рассматриваемой задаче о коже проиллюстрировано вычислительными экспериментами, показавшими эффективность созданных методик в диапазонах, соответствующих реальным значениям искомых параметров. Дополнительно даны рекомендации по выбору частотных диапазонов для идентификации на каждом из этапов.