Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)

Для цитирования:

Паршина И. Ф., Иванов Д. В., Доль А. В., Виндокуров И. В., Бессонов Л. В., Ташкинов М. А. К вопросу об изучении структурных и механических характеристик губчатой костной ткани крупного рогатого скота // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2025. Т. 25, вып. 2. С. 231-245. DOI: 10.18500/1816-9791-2025-25-2-231-245, EDN: QLRACF

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.05.2025
Полный текст:
скачать
(downloads: 38)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Механика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
531/534:[57+61]
DOI: 
10.18500/1816-9791-2025-25-2-231-245
EDN: 
QLRACF

К вопросу об изучении структурных и механических характеристик губчатой костной ткани крупного рогатого скота

Авторы: 
Паршина Ирина Феритовна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Иванов Дмитрий Валерьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Доль Александр Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Виндокуров Илья Владимирович, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Бессонов Леонид Валентинович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Ташкинов Михаил Анатольевич, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Аннотация: 

Натурные эксперименты с человеческими костями затруднены, поэтому многие авторы исследуют механические параметры губчатой кости крупного рогатого скота, которая по своим свойствам близка к кости человека. Известны исследования по оценке эффективного модуля упругости губчатой кости позвонков и других костей коров. Однако ее механические свойства в зависимости от направления нагружения и структурных свойств не изучены. Цель работы состояла в комплексном исследовании механических свойств губчатой кости крупного рогатого скота в зависимости от направления нагружения, объемной минеральной плотности и пористости. Задачами данной работы являлись: разработка требований к размерам образцов при их одноосном сжатии для оценки эффективного модуля упругости в рамках стержневой теории; проведение одноосных механических экспериментов по сжатию образцов костей в трех направлениях; измерение объемной минеральной плотности и пористости образцов; построение регрессионных зависимостей, связывающих механические и структурные свойства губчатой кости. В результате исследования выявлены зависимости, связывающие эффективный модуль упругости с минеральной плотностью, а также пористостью губчатой кости. Была разработана и представлена авторская методика определения пористости губчатой кости. В работе также представлены требования к относительной высоте (отношение высоты к наибольшему размеру поперечного сечения) образцов губчатой кости. Выявлено, что при проведении одноосных экспериментов по сжатию и дальнейшем расчете эффективного модуля упругости по стержневой теории относительная высота образцов должна составлять не менее 5 единиц.

Ключевые слова: 
губчатая кость
позвонки
коленный сустав
эффективный модуль упругости
коэффициент Пуассона
одноосное сжатие
Благодарности: 
Исследование выполнено при финансовой поддержке Государственного задания (проекты № FSRR-2023-0009 и № FSNM-2025-0001). Эксперименты по сжатию образцов выполнены при поддержке Фондом Потанина (проект № ПР23-000397).
Список источников: 
  1. Haseltine K. N., Chukir T., Smith P. J., Jacob J. T., Bilezikian J. P., Farooki A. Bone mineral density: Clinical relevance and quantitative assessment // Journal of Nuclear Medicine. 2021. Vol. 62, iss. 4. P. 446–454. https://doi.org/10.2967/jnumed.120.256180
  2. Park C. S., Kang S. R., Kim J. E., Huh K. H., Lee S. S., Heo M. S., Han J. J., Yi W. J. Validation of bone mineral density measurement using quantitative CBCT image based on deep learning // Scientific Reports. 2023. Vol. 13, iss. 1. Art. 11921. https://doi.org/10.1038/s41598-023-38943-8
  3. Toyras J., Nieminen M. T., Kroger H., Jurvelin J. S. Bone mineral density, ultrasound velocity, and broadband attenuation predict mechanical properties of trabecular bone differently // Bone. 2002. Vol. 31, iss. 4. P. 503–507. https://doi.org/10.1016/s8756-3282(02)00843-8
  4. Haba Y., Lindner T., Fritsche A., Schiebenhofer A. K., Souffrant R., Kluess D., Skripitz R., Mittelmeier W., Bader R. Relationship between mechanical properties and bone mineral density of human femoral bone retrieved from patients with osteoarthritis // The Open Orthopaedics Journal. 2012. Vol. 6. P. 458–463. https://10.2174/1874325001206010458
  5. Бессонов Л. В., Кириллова И. В., Фалькович А. С., Иванов Д. В., Доль А. В., Коссович Л. Ю. Методология «Планирование – Моделирование — Прогнозирование» для предоперационного планирования в травматологии-ортопедии // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2024. Т. 24, вып. 3. С. 359–380. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2024-24-3-359-380, EDN: IQBZWJ
  6. Rho J. Y., Hobatho M. C., Ashman R. B. Relations of mechanical properties to density and CT numbers in human bone // Medical Engineering & Physics. 1995. Vol. 17, iss. 5. P. 47–55. https://doi.org/10.1016/1350-4533(95)97314-f
  7. Ivanov D. V., Kirillova I. V., Kossovich L. Yu., Bessonov L. V., Petraikin A. V., Dol A. V., Ahmad E. S., Morozov S. P., Vladzymyrskyy A. V., Sergunova K. A., Kharlamov A. V. Influence of convolution kernel and beam-hardening effect on the assessment of trabecular bone mineral density using quantitative computed tomography // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2020. Т. 20, вып. 2. С. 205–219. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2020-20-2-205-219, EDN: BFUICL
  8. Lu Y., Engelke K., Puschel K., Morlock M. M., Huber G. Influence of 3D QCT scan protocol on the QCT-based finite element models of human vertebral cancellous bone // Medical Engineering & Physics. 2014. Vol. 36, iss. 8. P. 1069–1073. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2014.05.001
  9. Giambini H., Dragomir-Daescu D., Nassr A., Yaszemski M. J., Zhao C. Quantitative computed tomography protocols affect material mapping and quantitative computed tomography-based finite-element analysis predicted stiffness // Journal of Biomechanical Engineering. 2016. Vol. 138, iss. 9. Art. 0910031. https://doi.org/10.1115/1.4034172
  10. Zhang A., Zhang S., Bian C. Mechanical properties of bovine cortical bone based on the automated ball indentation technique and graphics processing method // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018. Vol. 78. P. 321–328. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2017.11.039
  11. Endo K., Yamada S., Todoh M., Takahata M., Iwasaki N., Tadano S. Structural strength of cancellous specimens from bovine femur under cyclic compression // PeerJ. 2016. Vol. 25, iss. 4. Art. e1562. https://doi.org/10.7717/peerj.1562
  12. Yu B., Zhao G. F., Lim J. I., Lee Y. K. Compressive mechanical properties of bovine cortical bone under varied loading rates // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H. 2011. Vol. 225, iss. 10. P. 941–947. https://doi.org/10.1177/0954411911415470
  13. Arnold E. L., Clement J., Rogers K. D., Garcia-Castro F., Greenwood C. The use of CT and fractal dimension for fracture prediction in osteoporotic individuals // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2020. Vol. 103. Art. 103585. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2019.103585
  14. Öhman-Mägi C., Holub O., Wu D., Hall R. M., Persson C. Density and mechanical properties of vertebral trabecular bone-A review // JOR Spine. 2021. Vol. 4, iss. 4. Art. e1176. https://doi.org/10.1002/jsp2.1176
  15. Mosekilde L., Bentzen S. M., Ortoft G., Jørgensen J. The predictive value of quantitative computed tomography for vertebral body compressive strength and ash density // Bone. 1989. Vol. 10, iss. 6. P. 465–470. https://doi.org/10.1016/8756-3282(89)90080-x
  16. Bessonov L. V., Golyadkina A. A., Dmitriev P. O., Dol A. V., Zolotov V. S., Ivanov D. V., Kirillova I. V., Kossovich L. Y., Titova Yu. I., Ulyanov V. Yu., Kharlamov A. V. Constructing the dependence between the Young’s modulus value and the Hounsfield units of spongy tissue of human femoral heads // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2021. Т. 21, вып. 2. С. 182–193. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2021-21-2-182-193, EDN: SNBJNB
  17. Islam M., Zunair H., Mohammed N. CosSIF: Cosine similarity-based image filtering to overcome low inter-class variation in synthetic medical image datasets // Computers in Biology and Medicine. 2024. Vol. 172. Art. 108317. https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2024.108317
  18. Zhao S., Arnold M., Ma S., Abel R. L., Cobb J. P., Hansen U., Boughton O. Standardizing compression testing for measuring the stiffness of human bone // Bone & Joint Research. 2018. Vol. 7, iss. 8. P. 524–538. https://doi.org/10.1302/2046-3758.78.BJR-2018-0025.R1
  19. Keaveny T. M., Borchers R. E., Gibson L. J., Hayes W. C. Theoretical analysis of the experimental artifact in trabecular bone compressive modulus // Journal of Biomechanics. 1993. Vol. 26, iss. 4–5. P. 599–607. https://doi.org/10.1016/0021-9290(93)90021-6
  20. Currey J. D. The effect of porosity and mineral content on the Young’s modulus of elasticity of compact bone // Journal of Biomechanics. 1988. Vol. 21, iss. 2. P. 131–139. https://doi.org/10.1016/0021-9290(88)90006-1
  21. Nazarian A., von Stechow D., Zurakowski D., Müller R., Snyder B. D. Bone volume fraction explains the variation in strength and stiffness of cancellous bone affected by metastatic cancer and osteoporosis // Calcified Tissue International. 2008. Vol. 83, iss. 6. P. 368–379. https://doi.org/10.1007/s00223-008-9174-x
  22. Hodgskinson R., Currey J. D. The effect of variation in structure on the Young’s modulus of cancellous bone: A comparison of human and non-human material // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H. 1990. Vol. 204, iss. 2. P. 115–121. https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1990_204_240_02
Поступила в редакцию: 
20.12.2024
Принята к публикации: 
19.02.2025
Опубликована: 
30.05.2025
  • 367 просмотров