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
