Přednáška č. 10

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Prof. Ing. Ji ří Křen, CSc.

BIOMECHANIKA

BIOMECHANIKA - V ĚDA 21. STOLETÍ ?

Motto: Biomechanika řeší problémy,aby člověk lépe žil, jejímnejvětším problémem ale je,že člověk žije .

Proč??

Biomechanika nový impuls mechaniky

• Vývoj nových metod, teorií, algoritm ů -současně uplatn ění v neživé oblasti,

• vývoj od „okouzlení“ technikou (kou řícíkomíny) k požadavku zajišt ění kvality života a přežití živých organism ů, člověka především (není pop ření techniky-využití pro člov ěka),

• živý organismus=mikrokosmos, obtížn ě

modelovatelný jako kosmos; BM napl ňuje pot řebu poznání jako nap ř. kosmologie.

Struktura kosterního svalu

Biomotor svalové činnosti

MECHANIKA

• vědní obor, který se zabývá studiem mechanického pohybu objekt ů,

• v aplikaci na oblast techniky = inin žženýrskenýrsk áámechanikamechanika ,

• propojení na bioobory = biomechanikabiomechanika ..

VÝLET DO HISTORIE

Praotec biomechaniky - Aristoteles• (384-322 př. n. l.) „O částech živých tvor ů“,• propojení fyziky se živými objekty,• anatomie a fyziologie orgán ů (peristaltický

pohyb mo čovodu).Hippokrates (400-370 př. n. l.)• obnovení mechanické funkce zlomené kosti,• základ obnovy - kostní d řeň.

Výlet do historie

Otec biomechaniky - Galileo Galilei• 1564-1642, spojení matematiky s p řírodními

vědami, povýšení matematiky na základ vědeckého poznání, konstrukce mikroskopu .

Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679)• matematik a astronom, mechanika sval ů.Marcello Malpighi (1628-1694)• 1661 - cirkulace krve, objevení kapilár.

Výlet do historie

Robert Hooke (1635-1703)• první popis živo čišné bu ňky, „Micrographia“,

mechanika kosterních sval ů.Leonhard Euler (1707-1783)• objevná práce o postupu tlakových a

proudových vln v cévách.Thomas Young (1773-1829)• základy teorie vln ění sv ětla,• popsal a vysv ětlil šilhavost oka.

Výlet do historie

Jan Evangelista Purkyn ě (1787-1869)• mechanismus pukání semeník ů rostlin,

skladba lamel a bu ňek kostí, pohyb epitelových řasinek.

Jean Poiseuille (1797-1869)• zákon te čení vazkých kapalin,• rtu ťový manometr pro m ěření tlaku krve .Hermann von Helmholtz (1821-1894)• tepelné procesy p ři kontrakci sval ů.

Výlet do historie

Ernst Henry Starling (1866-1926)• přenos hmoty biologickými membránami,• činnost srdce p ři zvýšené námaze

(Starling ův 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 srde čně-cévního systému“.

BIOMECHANIKA

• využití poznatk ů, přístup ů, metod a teorií mechaniky v biologii

•• ke studiu struktury a vlastnostke studiu struktury a vlastnost ííbiologických objektbiologických objekt ůů, jejich chov, jejich chov áánníí,,

•• ke studiu a popisu probke studiu a popisu prob ííhajhaj ííccíích procesch proces ůů,,

•• k k řřeeššeneníí problprobl éémmůů na na bioobjektechbioobjektech ,,•• biomechanika biomechanika ččlovlov ěěka, fauny a flka, fauny a fl óóry.ry.

BIOMECHANICKÝ PROBLÉM

• Medicínský problém řešený v sou činnosti s inženýrskou mechanikou,

• je řešen na biomechanickém objektu, který může mít charakter:

� technický objekt v r ůzné interakci s lidským organismem,

� lidský organismus jako celek, jeho neodd ělená, resp. odd ělená část.

Biomechanické problémy - rozd ělení

Řešení v odv ětví biomechanikyProblémy poznávací• informace o vlastnostech a chování objekt ů a

tkání na r ůzných strukturních úrovních (ultra, mikro, mezo, makrostruktura - škálový přístup),

• tkán ě in vivo a in vitro (fyziologické, patologické podmínky), remodelace tkání,

• biotekutiny, interakce s tkání, dynamika svalů.

Biomechanické problémy - rozd ělení

Problémy klinické• problémy implanta ční - klouby ky čelní,

loketní, kolenní, ramenní; um ělé cévnínáhrady, zubní implantáty, vnitrod řeňovéhřeby, fixátory,

• problémy bezimplanta ční - v jednotlivých soustavách a orgánech lidského t ěla; svalov ě-kosterní, srde čně-cévní, mo čovéústrojí, vym ěšovací ústrojí.

Biomechanické problémy - rozd ělení

Problémy konstruktivní• chirurgické a ortopedické nástroje, do časné

nebo trvalé implantáty, udržení fyziologic-kých funkcí organismu (kardiostimulátory)

Problémy interaktivní• nebiologický objekt a t ělo - biokompatibilita

(implantáty, dráty, šrouby, tribologie),• interakce okolí - člov ěk (el. a mag. pole).

Biomechanické problémy - rozd ělení

Problémy sportovní• odezva organismu na sportovní výkon

(tréninkové zatížení, rehabilitace).Problémy kriminalistické• komplexní vyšet řování stop, poran ění.Problémy biomateriálové• vývoj a výroba biomateriál ů (mechanické,

bio-toleran ční, tribologické, s tvarovou pamětí).

ŘEŠENÍ BIOMECHANICKÝCH PROBLÉMŮ MODELOVÁNÍM

Problém• formulace cíle, úrove ň řešení, omezení.Vytvo ření systému relevantních veli čin• přímé řešení (pokus-omyl, pokus-nad ěje),• nepřímé řešení - na modelovém objektu.Volba typu modelování• experimentální modelování,• výpo čtové (po čítačové) modelování.

Řešení problém ů modelováním

Experimentální modelování• výb ěr měřicí metody,• zajišt ění SW a HW,• aktivace objektu, řízení měření,• realizace experimentu,• vyhodnocení výsledk ů experimentu,• verifikace správnosti výsledk ů,• implementace výsledk ů řešení.

Řešení problém ů modelováním

Výpočtové (po čítačové) modelování• výb ěr teorie (hypotézy, řešitelnost) - (E),• zajišt ění SW a HW,• zajišt ění vstupních údaj ů - (E),• realizace výpo čtu,• vyhodnocení výsledk ů výpo čtu - (E),• verifikace správnosti výsledk ů - (E),• implementace výsledk ů řešení.

OBECNÁ ÚLOHA INTERAKCE

• Interakce kontinuí r ůzných fází.• Úlohy s volnou hranicí.• Interakce siln ě vázaných systém ů.• Nesdružená metoda řešení interakce.• Sdružená metoda řešení interakce.• Newtonova a nenewtonovské kapaliny.

Interakce kontinuí r ůzných fází

Nesdružená metoda řešení – samostatnéřešení úlohy proudění Newtonovy kapalinya úlohy deformace stěny MT.

Iteračním postupem postupně řešíme úlohu proudění tekutiny a úlohu deformace stěny, až do nalezenírovnováhy na hranici interakce.

proudění Newtonovy kapaliny

deformace stěny

Proud ění kapalinZobecn ěná Newtonova kapalina

Proud ění Newtonovy kapaliny(laminární proud ění)

Rovnice zapíšeme v maticovém tvaru

řešíme aplikací modifikované Newtonovy-Raphsononovy metody

PODPORA MEDICPODPORA MEDICÍÍNYNY

Rozvoj v oblasti kloubnRozvoj v oblasti kloubn íích nch n ááhradhrad

VVěěttššina operacina operac íí zzáávisvis íí na zkuna zku ššenostienostia a ššikovnosti chirurgaikovnosti chirurga

Optimalizace polohy nOptimalizace polohy n ááhradyhrady

Optimalizace tvaru nOptimalizace tvaru n ááhradyhrady

Interakce nInterakce n ááhrady a lidskhrady a lidsk éého tho t ěěla (la (biomedicbiomedic íínana))

PosouzenPosouzen íí výsledkvýsledk ůů llééččby (z mechanickby (z mechanick éého hlediska)ho hlediska)

MKP model mužské uretry

Modelování mo čového traktu

Modelování mo čového traktu

Modelování v biomechanice

Stěna krevní cévy

Krevní cévy - kompozity

Index Tsai-Hillovo kriteria porušení (media (vlevo),adventitia (vpravo) )

FIXACE PERTROCHANTERICKFIXACE PERTROCHANTERICK ÉÉZLOMENINY STEHENZLOMENINY STEHENNNÍÍ KOSTIKOSTI

PosouzenPosouzen íí namnam ááhháánníí kosti a nkosti a n ááhradyhrady

„„ StatickStatick á“á“ nebonebo„„ dynamickdynamick á“á“ fixacefixace

Aloplastika kolenního kloubu

TOTÁLNÍ KOLENNÍ NÁHRADA

• slitina CoCrMo F76 a polyethylen

• 1°, 2° a 3° křivosti v laterálním a mediálním směru• statická zátěž

11oo22oo 33oo

11oo22oo 33oo

PosouzenPosouzen íínamnam ááhháánníí„„ umuměěllééhoho ““kolenakolena

Stabilita aStabilita ažživotnostivotnost„„ umuměěllééhoho ““

kolenakolena popo operaci s ohledemoperaci s ohledem na sklonna sklonosy nosy n ááhrady vhrady v ůčůčii aanatomicknatomick éé ose nohyose nohy

TOTTOTÁÁLNLNÍÍ KOLENKOLEN ÍÍ NNÁÁHRADAHRADA

SIMULACE CHSIMULACE CHŮŮZEZE

Kyčel Koleno

SIMULACE CHSIMULACE CHŮŮZEZE

Podpora nPodpora n áávrhu optimvrhu optim áálnln ííhohotvaru kloubntvaru kloubn íí nnááhradyhrady

Popis Popis úúspspěěššnosti lnosti l ééččbyby((biomedicbiomedic íínana))

AktivnAktivn íí svalový modelsvalový model pro simulaci chpro simulaci ch ůůzeze

SIMULACE CHSIMULACE CHŮŮZE ZE –– ZZÁÁTTĚŽĚŽ KOLENA KOLENA –– MODEL MENISKMODEL MENISKŮŮ

OdladOdlad ěěný a validovaný model kolennný a validovaný model kolenn ííchch mmeniskenisk ůů v interakci s kolennv interakci s kolenn íím kloubemm kloubem

DDĚĚKUJI VKUJI V ÁÁMMZA POZORNOSTZA POZORNOST

JiJi řříí KKřřenen