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
Сравнение гиперупругих и формально определенных деформационных моделей сухожилия стременной мышцы среднего уха
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).
- Батуев А. С. Физиология высшей нервной деятельности и сенсорных систем. Москва : Питер, 2012. 316 с. EDN: QKUHPV
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Голубинский А. Н. Методы аппроксимации экспериментальных данных и построения моделей // Вестник Воронежского института МВД России. 2007. № 2. С. 138–143. EDN: JXUUHF
- 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
- 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
- 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
- 28 просмотров