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