ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE BIOMECHANIKA

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE BIOMECHANIKA"

Dana Marková
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE Přednáška č. 10 BIOMECHANIKA Prof. Ing. Jiří Křen, CSc.

2 BIOMECHANIKA - VĚDA 21. STOLETÍ? Motto: Biomechanika řeší problémy, aby člověk lépe žil, jejím největším problémem ale je, že člověk žije.

3 Proč??

4 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.

a přežití živých organismů, člověka především (není popření techniky-využití pro člověka), živý

5 Struktura kosterního svalu

6 Biomotor svalovéčinnosti

7 MECHANIKA vědní obor, který se zabývá studiem mechanického pohybu objektů, v aplikaci na oblast techniky = inženýrsk enýrská mechanika, propojení na bioobory = biomechanika.

8 VÝLET DO HISTORIE Praotec biomechaniky - Aristoteles ( př. n. l.) O částech živých tvorů, propojení fyziky se živými objekty, anatomie a fyziologie orgánů (peristaltický pohyb močovodu). Hippokrates ( př. n. l.) obnovení mechanické funkce zlomené kosti, základ obnovy - kostní dřeň.

fyziologie orgánů (peristaltický pohyb močovodu). Hippokrates (400-370 př.

9 Výlet do historie Otec biomechaniky - Galileo Galilei , spojení matematiky s přírodními vědami, povýšení matematiky na základ vědeckého poznání, konstrukce mikroskopu. Giovanni Alfonso Borelli ( ) matematik a astronom, mechanika svalů. Marcello Malpighi ( ) cirkulace krve, objevení kapilár.

10 Výlet do historie Robert Hooke ( ) první popis živočišné buňky, Micrographia, mechanika kosterních svalů. Leonhard Euler ( ) objevná práce o postupu tlakových a proudových vln v cévách. Thomas Young ( ) základy teorie vlnění světla, popsal a vysvětlil šilhavost oka.

Leonhard Euler (1707-1783) objevná práce o postupu tlakových a

11 Výlet do historie Jan Evangelista Purkyně ( ) mechanismus pukání semeníků rostlin, skladba lamel a buňek kostí, pohyb epitelových řasinek. Jean Poiseuille ( ) zákon tečení vazkých kapalin, rtuťový manometr pro měření tlaku krve. Hermann von Helmholtz ( ) tepelné procesy při kontrakci svalů.

Jean Poiseuille (1797-1869) zákon tečení vazkých kapalin, rtuťový manometr pro

12 Výlet do historie Ernst Henry Starling ( ) přenos hmoty biologickými membránami, činnost srdce při zvýšené námaze (Starlingův zákon). August Krogh ( , Nobelova cena) teorie mikrocirkulace krevní suspenze. A. Vivian Hill ( , Nobelova cena) základní principy svalové činnosti.

13 SOUČASNÍ BADATELÉ Yuan-Cheng Fung Biodynamics: Circulation Biomechanics: Motion, Flow, Stress, and Growth Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues. Prof. Ing. Jaroslav Valenta, DrSc Biomechanika, Biomechanika srdečně-cévního systému.

Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues. Prof. Ing.

14 BIOMECHANIKA využití poznatků, přístupů, metod a teorií mechaniky v biologii ke studiu struktury a vlastností biologických objektů,, jejich chování, ke studiu a popisu probíhaj hajících ch procesů, k řešení problémů na bioobjektech, biomechanika člověka, fauny a flóry.

jejich chování, ke studiu a popisu probíhaj hajících ch procesů, k

15 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.

může mít charakter: technický objekt v různé interakci s lidským

16 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.

(ultra, mikro, mezo, makrostruktura - škálový přístup), tkáně in vivo a in vitro

17 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.

vnitrodřeňové hřeby, fixátory, problémy bezimplantační - v jednotlivých soustavách

18 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).

(kardiostimulátory) Problémy interaktivní nebiologický objekt a tělo -

19 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).

Problémy kriminalistické komplexní vyšetřování stop, poranění.

20 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.

Vytvoření systému relevantních veličin přímé řešení (pokus-omyl,

21 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.

22 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.

23 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.

24 Interakce kontinuí různých fází Nesdružená metoda řešení samostatné řešení úlohy proudění Newtonovy kapaliny a úlohy deformace stěny MT. proudění Newtonovy kapaliny Iteračním postupem postupně řešíme úlohu proudění tekutiny a úlohu deformace stěny, až do nalezení rovnováhy na hranici interakce. deformace stěny

25 Proudění kapalin Zobecněná Newtonova kapalina

26 Proudění Newtonovy kapaliny (laminární proudění) Rovnice zapíšeme v maticovém tvaru řešíme aplikací modifikované Newtonovy-Raphsononovy metody

27 PODPORA MEDICÍNY Rozvoj v oblasti kloubních náhradn Většina operací závisí na zkušenosti a šikovnosti chirurga Optimalizace polohy náhradyn Optimalizace tvaru náhradyn Interakce náhrady n a lidského těla t (biomedic( biomedicína) Posouzení výsledků léčby (z mechanického ho hlediska)

28 MKP model mužské uretry

29 Modelování močového traktu

30 Modelování močového traktu

31 Modelování v biomechanice

32 Stěna krevní cévy

33 Krevní cévy - kompozity Index Tsai-Hillovo kriteria porušení (media (vlevo),adventitia (vpravo) )

34 FIXACE PERTROCHANTERICKÉ ZLOMENINY STEHENNÍ KOSTI Posouzení namáhání kosti a náhradyn Statická nebo dynamická fixace

35 Aloplastika kolenního kloubu

36 TOTÁLNÍ KOLENNÍ NÁHRADA slitina CoCrMo F76 a polyethylen 1, 2 a 3 křivosti v laterálním a mediálním směru statická zátěž

37 TOTÁLN LNÍ KOLENÍ NÁHRADA Posouzení namáhání umělého kolena 1 o 2 o 3 o Stabilita a životnost umělého kolena po operaci s ohledem na sklon osy náhrady n vůčv ůči anatomické ose nohy 1 o 2 o 3 o

38 SIMULACE CHŮZE Kyčel Koleno

39 SIMULACE CHŮZE Podpora návrhu n optimáln lního tvaru kloubní náhrady Popis úspěšnosti léčbyl (biomedicína) Aktivní svalový model pro simulaci chůze

40 SIMULACE CHŮZE ZÁTĚŽ KOLENA MODEL MENISKŮ Odladěný a validovaný model kolenních menisků v interakci s kolenním m kloubem

41 DĚKUJI VÁMV ZA POZORNOST Jiří Křen

Podobné dokumenty

Ukázka knihy z internetového knihkupectví www.kosmas.cz

Ukázka knihy z internetového knihkupectví www.kosmas.cz U k á z k a k n i h y z i n t e r n e t o v é h o k n i h k u p e c t v í w w w. k o s m a s. c z, U I D : K O S 1 8 0 7 8 1 (tištěná SBN 978-80-247-7952-2