ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE BIOMECHANIKA

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE
Přednáška č. 10
BIOMECHANIKA
Prof. Ing. Jiří Křen, CSc.
BIOMECHANIKA - VĚDA
21. STOLETÍ ?
Motto: Biomechanika řeší problémy,
aby člověk lépe žil, jejím
největším problémem ale je,
že člověk žije.
Proč?
?
Biomechanika nový impuls mechaniky
• Vývoj nových metod, teorií, algoritmů současně uplatnění v neživé oblasti,
• vývoj od „okouzlení“ technikou (kouřící
komíny) k požadavku zajištění kvality života
a přežití živých organismů, člověka
především (není popření techniky-využití pro
člověka),
• živý organismus=mikrokosmos, obtížně
modelovatelný jako kosmos; BM naplňuje
potřebu poznání jako např. kosmologie.
Struktura kosterního svalu
Biomotor svalové činnosti
MECHANIKA
• vědní obor, který se zabývá studiem
mechanického pohybu objektů,
• v aplikaci na oblast techniky = inženýrská
mechanika,
mechanika
• propojení na bioobory = biomechanika.
VÝLET DO HISTORIE
Praotec biomechaniky - Aristoteles
• (384-322 př. n. l.) „O částech živých tvorů“,
• propojení fyziky se živými objekty,
• anatomie a fyziologie orgánů (peristaltický
pohyb močovodu).
Hippokrates (400-370 př. n. l.)
• obnovení mechanické funkce zlomené kosti,
• základ obnovy - kostní dřeň.
Výlet do historie
Otec biomechaniky - Galileo Galilei
• 1564-1642, spojení matematiky s přírodními
vědami, povýšení matematiky na základ
vědeckého poznání, konstrukce mikroskopu.
Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679)
• matematik a astronom, mechanika svalů.
Marcello Malpighi (1628-1694)
• 1661 - cirkulace krve, objevení kapilár.
Výlet do historie
Robert Hooke (1635-1703)
• první popis živočišné buňky, „Micrographia“,
mechanika kosterních svalů.
Leonhard Euler (1707-1783)
• objevná práce o postupu tlakových a
proudových vln v cévách.
Thomas Young (1773-1829)
• základy teorie vlnění světla,
• popsal a vysvětlil šilhavost oka.
Výlet do historie
Jan Evangelista Purkyně (1787-1869)
• mechanismus pukání semeníků rostlin,
skladba lamel a buňek kostí, pohyb
epitelových řasinek.
Jean Poiseuille (1797-1869)
• zákon tečení vazkých kapalin,
• rtuťový manometr pro měření tlaku krve.
Hermann von Helmholtz (1821-1894)
• tepelné procesy při kontrakci svalů.
Výlet do historie
Ernst Henry Starling (1866-1926)
• přenos hmoty biologickými membránami,
• činnost srdce při zvýšené námaze
(Starlingův zákon).
August Krogh (1874-1949, Nobelova cena)
• teorie mikrocirkulace krevní suspenze.
A. Vivian Hill (1886-1977, Nobelova cena)
• základní principy svalové činnosti.
SOUČASNÍ BADATELÉ
Yuan-Cheng Fung
• 1984 - „Biodynamics: Circulation“.
• 1990 - „Biomechanics: Motion, Flow, Stress,
and Growth“
• 1994 - Biomechanics: Mechanical Properties
of Living Tissues“.
Prof. Ing. Jaroslav Valenta, DrSc.
• 1985 - „Biomechanika“, 1992 „Biomechanika srdečně-cévního systému“.
BIOMECHANIKA
• využití poznatků, přístupů, metod a
teorií mechaniky v biologii
• ke studiu struktury a vlastností
biologických objektů, jejich chování,
• ke studiu a popisu probíhajících procesů,
•
•
k řešení problémů na bioobjektech,
biomechanika člověka, fauny a flóry.
BIOMECHANICKÝ PROBLÉM
• Medicínský problém řešený v součinnosti
s inženýrskou mechanikou,
• je řešen na biomechanickém objektu, který
může mít charakter:
technický objekt v různé interakci s lidským
organismem,
lidský organismus jako celek, jeho
neoddělená, resp. oddělená část.
Biomechanické problémy - rozdělení
Řešení v odvětví biomechaniky
Problémy poznávací
• informace o vlastnostech a chování objektů a
tkání na různých strukturních úrovních (ultra,
mikro, mezo, makrostruktura - škálový
přístup),
• tkáně in vivo a in vitro (fyziologické,
patologické podmínky), remodelace tkání,
• biotekutiny, interakce s tkání, dynamika
svalů.
Biomechanické problémy - rozdělení
Problémy klinické
• problémy implantační - klouby kyčelní,
loketní, kolenní, ramenní; umělé cévní
náhrady, zubní implantáty, vnitrodřeňové
hřeby, fixátory,
• problémy bezimplantační - v jednotlivých
soustavách a orgánech lidského těla;
svalově-kosterní, srdečně-cévní, močové
ústrojí, vyměšovací ústrojí.
Biomechanické problémy - rozdělení
Problémy konstruktivní
• chirurgické a ortopedické nástroje, dočasné
nebo trvalé implantáty, udržení fyziologických funkcí organismu (kardiostimulátory)
Problémy interaktivní
• nebiologický objekt a tělo - biokompatibilita
(implantáty, dráty, šrouby, tribologie),
• interakce okolí - člověk (el. a mag. pole).
Biomechanické problémy - rozdělení
Problémy sportovní
• odezva organismu na sportovní výkon
(tréninkové zatížení, rehabilitace).
Problémy kriminalistické
• komplexní vyšetřování stop, poranění.
Problémy biomateriálové
• vývoj a výroba biomateriálů (mechanické,
bio-toleranční, tribologické, s tvarovou
pamětí).
ŘEŠENÍ BIOMECHANICKÝCH
PROBLÉMŮ MODELOVÁNÍM
Problém
• formulace cíle, úroveň řešení, omezení.
Vytvoření systému relevantních veličin
• přímé řešení (pokus-omyl, pokus-naděje),
• nepřímé řešení - na modelovém objektu.
Volba typu modelování
• experimentální modelování,
• výpočtové (počítačové) modelování.
Řešení problémů modelováním
Experimentální modelování
• výběr měřicí metody,
• zajištění SW a HW,
• aktivace objektu, řízení měření,
• realizace experimentu,
• vyhodnocení výsledků experimentu,
• verifikace správnosti výsledků,
• implementace výsledků řešení.
Řešení problémů modelováním
Výpočtové (počítačové) modelování
• výběr teorie (hypotézy, řešitelnost) - (E),
• zajištění SW a HW,
• zajištění vstupních údajů - (E),
• realizace výpočtu,
• vyhodnocení výsledků výpočtu - (E),
• verifikace správnosti výsledků - (E),
• implementace výsledků řešení.
OBECNÁ ÚLOHA INTERAKCE
•
•
•
•
•
•
Interakce kontinuí různých fází.
Úlohy s volnou hranicí.
Interakce silně vázaných systémů.
Nesdružená metoda řešení interakce.
Sdružená metoda řešení interakce.
Newtonova a nenewtonovské kapaliny.
Interakce kontinuí různých fází
Nesdružená metoda řešení – samostatné
řešení úlohy proudění Newtonovy kapaliny
a úlohy deformace stěny MT.
proudění Newtonovy kapaliny
deformace stěny
Iteračním postupem postupně řešíme
úlohu proudění tekutiny a úlohu
deformace stěny, až do nalezení
rovnováhy na hranici interakce.
Proudění kapalin
Zobecněná Newtonova kapalina
Proudění Newtonovy kapaliny
(laminární proudění)
Rovnice zapíšeme v maticovém tvaru
řešíme aplikací modifikované Newtonovy-Raphsononovy metody
PODPORA MEDICÍNY
Rozvoj v oblasti kloubních náhrad
Většina operací závisí na zkušenosti
a šikovnosti chirurga
Optimalizace polohy náhrady
Optimalizace tvaru náhrady
Interakce náhrady a lidského těla (biomedicína)
Posouzení výsledků léčby (z mechanického hlediska)
MKP model mužské uretry
Modelování močového traktu
Modelování močového traktu
Modelování v biomechanice
Stěna krevní cévy
Krevní cévy - kompozity
Index Tsai-Hillovo kriteria porušení (media (vlevo),adventitia (vpravo) )
FIXACE PERTROCHANTERICKÉ
ZLOMENINY STEHENNÍ KOSTI
Posouzení namáhání kosti a náhrady
„Statická“ nebo
„dynamická“ fixace
Aloplastika kolenního kloubu
TOTÁLNÍ KOLENNÍ NÁHRADA
• slitina CoCrMo F76 a polyethylen
• 1°, 2° a 3° křivosti v laterálním a mediálním směru
• statická zátěž
TOTÁLNÍ KOLENÍ NÁHRADA
Posouzení
namáhání
„umělého“
kolena
Stabilita a
životnost
„umělého“
kolena po operaci s ohledem na sklon
osy náhrady vůči anatomické ose nohy
o
1
2o
3o
1o
2o
3o
SIMULACE CHŮZE
Kyčel
Koleno
SIMULACE CHŮZE
Podpora návrhu optimálního
tvaru kloubní náhrady
Popis úspěšnosti léčby
(biomedicína)
Aktivní svalový model pro simulaci chůze
SIMULACE CHŮZE – ZÁTĚŽ KOLENA – MODEL MENISKŮ
Odladěný a validovaný model kolenních menisků v interakci s kolenním kloubem
DĚKUJI VÁM
ZA POZORNOST
Jiří Křen