Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

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


Для цитирования:

Муслов С. А., Сухочев П. Ю. Сравнение гиперупругих и формально определенных деформационных моделей сухожилия стременной мышцы среднего уха // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2026. Т. 26, вып. 2. С. 251-264. DOI: 10.18500/1816-9791-2026-26-2-251-264, EDN: PRWOZZ

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст:
(downloads: 5)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
531/534+577.354
EDN: 
PRWOZZ

Сравнение гиперупругих и формально определенных деформационных моделей сухожилия стременной мышцы среднего уха

Авторы: 
Муслов Сергей Александрович, Российский университет медицины
Сухочев Павел Юрьевич, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова
Аннотация: 

В настоящей статье рассматриваются некоторые нерешенные вопросы механических свойств органов среднего уха — его сухожилий, в частности сухожилия стременной мышцы (стременного сухожилия). Механические свойства биологических тканей являются центральной темой биомеханики и биоинженерии. Механические характеристики выступают важными параметрами при компьютерном моделировании органов и тканей в процессе их функционирования или при внешнем воздействии. Механические свойства стременного сухожилия среднего уха человека рассмотрены в рамках наиболее часто встречающихся в литературе гиперупругих, а также формально определенных деформационных моделей, позволяющих описать экспериментальную кривую с наименьшей погрешностью. Расчеты выполнены в системе компьютерной алгебры Mathcad 15.0 с помощью специально разработанного функционала. Соответствие данных механических испытаний и модельных данных оценивали с помощью показателей описательной статистики. Результаты показали, что модели полиномиальная и Веронда – Вестманн, а также экспоненциальная являются наиболее точными в плане  подгонки экспериментальных данных. Критерию Хилла – Друкера $E>0$ и условию $\partial{E}/\partial\lambda>0$ удовлетворяют модели Огдена, Йео, Веронда – Вестманн, Фанга и Гента, а также одна из формально определенных (экспоненциальная модель). Не рекомендовано применение 2-параметрической модели Муни – Ривлина в недеформированном состоянии и при небольших деформациях из-за потери моделью механической устойчивости в этом диапазоне $\lambda$. Полученные в работе результаты могут быть использованы в практических целях при создании физической модели и конечно-элементном моделировании среднего уха, а также в реконструктивно-восстановительной хирургии при подборе искусственных замещающих материалов для протезирования и пластики (стапедопластики).

Благодарности: 
Авторы выражают признательность врачу оториноларингологу Шуебу Насру Гаировичу за консультации по вопросам анатомии органов среднего уха.
Список источников: 
  1. Батуев А. С. Физиология высшей нервной деятельности и сенсорных систем. Москва : Питер, 2012. 316 с. EDN: QKUHPV
  2. Prendergast E. J., Ferris E., Rice H. J., Blayney A. W. Vibro-acoustic modeling of the outer and middle ear using the finite element method // Audiol Neurootol. 1999. Vol. 4. P. 185–191. DOI: https://doi.org/10.1159/000013839
  3. Селянинов А. А., Еловиков А. М., Чарнцева О. В., Еловиков В. А. Биомеханическое моделирование функционирования стремени среднего уха человека // Российский журнал биомеханики. 2016. Т. 20, № 4. С. 358–367. DOI: https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2016.4.08, EDN: XXMNZN
  4. Howard J., Roberts W. M., Hudspeth A. J. Mechanicoelectrical transduction by hair cells // Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry. 1988. Vol. 17. P. 99–124. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.bb.17.060188.000531
  5. Funnell W. R. J., Maftoon N., Decraemer W. F. Modeling of middle ear mechanics // The Middle Ear / eds. S. Puria, R. Fay, A. Popper. New York : Springer Handbook of Auditory Research, 2013. P. 171–210. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4614-6591-1_7
  6. Lobato L. C., Paul S., Cordioli J. A. Statistical analysis of the human middle ear mechanical properties // The Journal of the Acoustical Society of America. 2022. Vol. 151, iss. 3. Art. 2043. DOI: https://doi.org/10.1121/10.0009890
  7. Ebrahimian A., Mohammadi H., Maftoon N. Material characterization of human middle ear using machine-learning-based surrogate models // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2024. Vol. 153. Art. 106478. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2024.106478
  8. Gentil F., Natal Jorge R., Ferreira A. J. M., Parente M. P. L., Martins P. A. L. S., Almeida E. Biomechanical simulation of middle ear using hyperelastic models // Journal of Biomechanics. 2006. Vol. 39, iss. 1. P. S388–S389. DOI: https://doi.org/10.1016/S0021-9290(06)84569-0
  9. Martins P. A. L. S., Jorge R. M. N., Ferreira A. J. M., Figueiredo M., Fernandes R. A. A., Figueiredo M., Silva R. Modelling the mechanical behavior of soft tissues using hyperelastic constitutive models // International Conference on Computational Bioengineering (ICCB2005) / eds. H. Rodrigues [et al.]. Lisbon, Portugal, 2005. P. 403–410.
  10. Zhang J., Jiao C., Zou D., Ta N., Rao Z. Assigning viscoelastic and hyperelastic properties to the middle-ear soft tissues for sound transmission // Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2020. Vol. 19, iss. 3. P. 957–970. DOI: https://doi.org/10.1007/s10237-019-01263-w
  11. Cheng T., Gan R. Z. Mechanical properties of stapedial tendon in human middle ear // Journal of Biomechanical Engineering. 2007. Vol. 129, iss. 6. P. 913–918. DOI: https://doi.org/10.1115/1.2800837
  12. Wang B., Lu H., Kim G. A damage model for the fatigue life of elastomeric materials // Mechanics of Materials. 2002. Vol. 34, iss. 8. P. 475–483. DOI: https://doi.org/10.1016/S0167-6636(02)00175-8
  13. Шмурак М. И., Кучумов А. Г., Воронова Н. О. Анализ гиперупругих моделей для описания поведения мягких тканей организма человека // Master‘s Journal. 2017. № 1. С. 230–243. EDN: YUOPFB
  14. Иванов Д. В., Фомкина О. А. Определение постоянных для моделей Нео-Гука и Муни – Ривлина по результатам экспериментов на одноосное растяжение // Математика. Механика : сб. науч. тр. Саратов : Изд-во Саратовского ун-та, 2008. Вып. 10. С. 114–117. EDN: UIRZIV
  15. Ogden R. W., Saccomandi G., Sgura I. Fitting hyperelastic models to experimental data // Computational Mechanics. 2004. Vol. 34, iss. 6. P. 484–502. DOI: https://doi.org/10.1007/s00466-004-0593-y
  16. Rackl M. Material testing and hyperelastic material model curve fitting for Ogden, polynomial and Yeoh models // Proceedings of the ScilabTEC, 7th International Scilab Users Conference At: Paris, France, May 2015. DOI: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.29552.25600/1
  17. Yeoh O. H. Some forms of the strain energy function for rubber // Rubber Chemistry and Technology. 1993. Vol. 66, iss. 5. P. 754–771. DOI: https://doi.org/10.5254/1.3538343
  18. Veronda D., Westmann R. Mechanical characterizations of skin-finite deformations // Journal of Biomechanics. 1970. Vol. 3, iss. 1. P. 111–124. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9290(70)90055-2
  19. Bone A., Kaoye M. B.-A. L., Baidi B. B., Samon J.-B. Comparison of hyperelastic models for analysis of human and pig skins behavior // Journal of Applied Mathematics and Physics. 2025. Vol. 13, iss. 6. P. 2045–2062. DOI: https://doi.org/10.4236/jamp.2025.136114
  20. Arruda E. M., Boyce M. C. A three-dimensional model for the large stretch behavior of rubber elastic materials // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1993. Vol. 41, iss. 2. P. 389–412. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-5096(93)90013-6
  21. Gent A. N. A new constitutive relation for rubber // Rubber Chemistry and Technology. 1996. Vol. 69, iss, 1. P. 59–61. DOI: https://doi.org/10.5254/1.3538357
  22. Fung Y.-C. Biomechanics: Mechanical properties of living tissues. New York : Springer, 1993. 586 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4757-2257-4
  23. Муслов С. А., Перцов С. С., Арутюнов С. Д. Физико-механические свойства биологических тканей / под ред. О. О. Янушевича. Москва : Практическая медицина, 2023. 456 с. DOI: https://doi.org/10.17513/np.594, EDN: MNOSIQ
  24. Wang X., Cheng T., Gan R. Z. Finite-element analysis of middle-ear pressure effects on static and dynamic behavior of human ear // The Journal of the Acoustical Society of America. 2007. Vol. 122, iss. 2. P. 906–917. DOI: https://doi.org/10.1121/1.2749417
  25. Муслов С. А., Никишенко А. Н., Перцов С. С. Калькулятор параметров гиперупругих моделей биотканей. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2025613849, 17.02.2025. Заявка № 2025611314 от 30.01.2025. EDN: SJTYQQ
  26. Wex C., Arndt S., Stoll A., Bruns C., Kupriyanova Yu. Isotropic incompressible hyperelastic models for modelling the mechanical behaviour of biological tissues: A review // Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik. 2015. Vol. 60, iss. 6. P. 577–592. DOI: https://doi.org/10.1515/bmt-2014-0146
  27. Муслов С. А., Арутюнов С. Д., Маев И. В., Золотницкий И. В., Солодов А. А., Раснер П. И. Гиперупругие свойства биологических тканей / под ред. С. С. Перцова, С. В. Панина. Москва : Практическая медицина, 2025. 232 с. EDN: BPALJZ
  28. Голубинский А. Н. Методы аппроксимации экспериментальных данных и построения моделей // Вестник Воронежского института МВД России. 2007. № 2. С. 138–143. EDN: JXUUHF
  29. Муслов С. А., Гветадзе Р. Ш., Арутюнов С. Д., Корнеев А. А., Чистяков М. В., Зайцева Н. В., Сухочев П. Ю. К вопросу о билинейной модели, механизмах деформации и параметрах эластин-коллагенового перехода в биологических тканях // Молекулярная медицина. 2025. Т. 23, № 2. С. 48–58. DOI: https://doi.org/10.29296/24999490-2025-02-08, EDN: UAOALC
  30. Hill R. A general theory of uniqueness and stability in elastic-plastic solids // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1958. Vol. 6, iss. 3. P. 236–249. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-5096(58)90029-2
  31. Drucker D. C. A definition of a stable inelastic material // Journal of Applied Mechanics. 1959. Vol. 26, iss. 1. P. 101–195. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4011929
Поступила в редакцию: 
26.09.2023
Принята к публикации: 
02.03.2026
Опубликована: 
01.06.2026