Období: září 1995 červen 2000 Začal studovat na FSI VUT v Brně. Vybral si specializaci Aplikovaná mechanika se zaměřením na biomechaniku na Ústavu mechaniky těles (ÚMT). Studium ukončil státní závěrečnou zkouškou a obhajobou diplomové práce: Deformačně napěťová analýza tumorové endoprotézy a totální endoprotézy. Období: září 2000 červenec 2004 Začal studovat doktorský studijní program Aplikované vědy v inženýrství Inženýrská mechanika na Ústavu mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky (ÚMTMB) na FSI VUT v Brně. Začal pracovat jako výpočtář-analytik ve firmě L. K. Engineering, s.r.o. v Brně. Doktorské studium ukončil obhajobou disertační práce: Deformačně napěťová analýza fyziologicky a patologicky vyvinutého kyčelního spojení. Období: srpen 2004 březen 2006 Ukončil práci ve firmě L. K. Engineering, s.r.o. Začal pracovat na Ústavu konstruování FSI VUT v Brně. Jako odborný asistent se zapojil do pedagogické a vědecko-výzkumné činnosti na Ústavu konstruování. 2/32
Ústav mechaniky těles Fakulta strojního inženýrství VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Deformačně napěťová analýza tumorové endoprotézy a totální endoprotézy diplomová práce Školitel: Ing. Zdeněk FLORIAN, CSc. Oponent: Ing. Jiří BURŠA, Ph.D. Brno, 12.6.2000 3/32
Modely geometrie a konečnoprvkové sítě endoprotéz kyčelního kloubu Endoprotéza Poldi pro tumorové postižení proximální části femuru Totální endoprotéza Poldi Čech III 4/32
Redukovaná napětí podle podmínky HMH [MPa] v dřících endoprotéz 5/32
Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky Fakulta strojního inženýrství VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Deformačně napěťová analýza fyziologicky a patologicky vyvinutého kyčelního spojení disertační práce Školitel: Ing. Zdeněk FLORIAN, CSc. Oponenti: MUDr. Zbyněk ROZKYDAL, Ph.D. Prof. Ing. Petr HORYL, CSc. Prof. Ing. Přemysl JANÍČEK, DrSc. Brno, 5.5.2004 6/32
Problémová situace Onemocnění kyčelního kloubu V klinické praxi se setkáváme s různými onemocněními kyčelního kloubu. Z lékařského pohledu lze rozdělit onemocnění kyčelních kloubů na onemocnění vyskytující se u dětí a dospívajících a na onemocnění kloubů dospělých. Vady kyčelního kloubu Vady kyčelního kloubu u dětí a dospívajících: Vady kyčelního kloubu u dospělých: Vývojová dislokace kyčelního kloubu Koxartróza Coxa vara congenita Reziduální dysplazie kyčelního kloubu Legg-Calvé-Perthesova choroba Revmatoidní artritida Coxa vara adolescentium Poškození kyčle v důsledku dětské mozkové obrny Nádorová onemocnění Poškození kyčelního kloubu úrazem 7/32
Problémová situace zdravý kyčelní kloub Patologický kyčelní kloub Patologický kyčelní kloub je charakterizován: Ploché a strmé acetabulum s nedostatečně vyvinutým okrajem Proximálně-laterální posuv hlavice femuru Hlavice je deformovaná (coxa plana, coxa magna) Změna kolodiafyzárního úhlu (coxa vara, coxa valga) Změna úhlu antetorze (coxa anteverta) patologický kyčelní kloub patologický kyčelní kloub patologický kyčelní kloub 8/32
Problémová situace Léčba Po vyčerpání konzervativní léčby je zpravidla nutno přistoupit k chirurgickému zákroku. Kromě repozice, acetabuloplastiky, implantace kyčelních náhrad atd. se často používají tzv. osteotomie. Cílem osteotomií je zlepšit (modifikací geometrie) nepříznivé anatomické a biomechanické poměry v patologickém kloubu tak, aby se přiblížily fyziologickému stavu. Aplikace osteotomií mnohdy oddaluje implantaci totální náhrady. Kyčelní osteotomie Pánevní osteotomie Femorální osteotomie Salterova, Pembertonova, Chiariho, dvojitá varizační, valgizační, osteotomie pánve dle Sutherlanda, trojitá derotační, Imhäuser-Weber, osteotomie pánve dle Steela, Eppright osteotomie, Southwick. periacetabulární osteotomie pánve dle Ganze. Salter Pemberton varizační Sutherland Kombinace pánevních a femorálních osteotomií Imhäuser-Weber Steel Eppright valgizační 9/32
Výpočtové modelování Křížová kost Model geometrie fyziologického kyčelního kloubu Pánevní kost Nasnímání pomocí CT a úprava dat (DICOM IGES) Sharpův úhel = 50 Wibergův úhel = +40 CCD úhel = 127 5 mm 2,5 mm Femur Vysušená pánev a stehenní kost (femur) dospělého člověka Pánev a proximální femur ve formátu IGES 10/32
Výpočtové modelování Úprava tvaru acetabula u geometrického modelu fyziologického kyčelního kloubu Snížila se styková plocha mezi acetabulem a hlavicí femuru Sharpův úhel = 50 Wibergův úhel = +40 CCD úhel = 127 Sharpův úhel = 50 Wibergův úhel = +30 CCD úhel = 127 Model geometrie patologického kyčelního kloubu Využití voskových odlitků k vytvoření geometrického modelu patologického kyčelního kloubu Výroba sádro-pryžové formy pro odlití proximální části femuru Sádro-pryžová forma Voskové odlitky proximálního femuru 11/32
Výpočtové modelování Model geometrie patologického kyčelního kloubu Vytvoření geometrického modelu patologického kyčelního kloubu na základě dat z počítačové tomografie (CT) Vzdálenost řezů 1,6 mm Geometrický model patologického kloubu Poškozený pravý kyčelní kloub 52-leté pacientky s degenerativními změnami (cysty, osteofyty, subchondrální skleróza) Sharpův úhel = 75 Wibergův úhel = 0 CCD úhel = 141 Segmentace tkání v software RHINOCEROS (pánev a proximální femur ve formátu IGES) 12/32
Výpočtové modelování Fyziologický kloub Patologický kloub Model materiálů kyčelního kloubu Modely materiálů jednotlivých prvků kyčelního kloubu byly vytvořeny na úrovni izotropních, lineárně pružných materiálových charakteristik. tl. corticalis na pánvi: 1 a 2 mm tl. corticalis na epifýze a metafýze femuru: 1, 1.5, 2 a 3 mm 9 svalů 3 svaly Jsou modelovány svaly, které jsou podstatné při stoji člověka na jedné dolní končetině a při pomalé chůzi Svaly jsou modelovány pomocí přímých prutů, které spojují počátky a úpony jednotlivých svalů Pruty mají v ANSYSu charakter lanových prvků, přenášejí tedy pouze tahové síly Model svalů odpovídá izometrické kontrakci, což je proces, při kterém se ve svalech zvyšuje napětí bez podstatné změny jejich délky (vysoká tuhost prutů) Po zatížení kloubu uvedou svaly model kyčelního kloubu do statické rovnováhy 13/32
Výpočtové modelování Konečnoprvková síť Složení konečnoprvkové sítě modelu fyziologického a patologického kyčelního kloubu Typ konečného prvku Síť fyziologického kyčelního kloubu Počet Počet prvků Warning prvků Síť patologického kyčelního kloubu Počet Počet prvků Warning prvků SOLID45 6 356 427 3 536 122 SOLID92 SOLID95 33 269 17 248 29 0 119 502 528 49 5 8 559 18 71 0 15 110 18 16 0 6 0 8 0 1 216 768 0 0 3 400 3 862 0 0 527 145 964 SHELL181 LINK10 LINK8 TARGE170 CONTA174 Celkem Počet uzlů Počet DOF 67 440 126 419 397 641 192 184 147 575 655 14/32
Výpočtové modelování Model spojení Kontaktní prvky: TARGE170 a CONTA174 Součinitel tření v kontaktu: v základních variantách 0,025 v citlivostních analýzách 0,01 1 Zamezení posuvu uzlových bodů v distálním konci femuru ve směru Z (předo-zadní směr) je pouze u výpočtových modelů, kde je modelována skupina svalů m. glutaeus 15/32
Výpočtové modelování Model zatížení Zatížení soustavy fyziologického a patologického kyčelního spojení Člověk stojí na jedné dolní končetině a je ve statické rovnováze Uvažovaná hmotnost člověka je pro základní varianty výpočtových modelů 75 kg (u citlivostní analýzy 60 130 kg) Je uvažována tíha člověka FG a tíha dolní končetiny FGdk (FGdk je staticky ekvivalentní se soustavou sil FGs a FGb+n) Stykovou sílu od podložky FA určíme z podmínky statické rovnováhy celého člověka Silové působení je vyjádřeno u fyziologického kloubu do bodu K, u patologického kloubu do bodu B Fyziologický Patologický Síla Kloub Moment FK [N] FB [N] MK [N mm] MB [N mm] Fyziologický 600,961-55 045,283 - Patologický - 599,489-71 682,175 16/32
Výpočtové modelování Model zatížení Realizace zatížení ve výpočtovém systému ANSYS pro modely fyziologického a patologického kyčelního kloubu Fyziologický kyčelní kloub Patologický kyčelní kloub 17/32
Prezentace a analýza výsledků Model fyziologického kyčelního kloubu F1 Kontakt mezi chrupavkou acetabula a chrupavkou hlavice femuru, skupina svalů m. glutaeus pmax = 1,5 MPa pmax = 1,5 MPa Kontaktní tlak na chrupavce femuru (pohled shora) Kontaktní tlak na chrupavce acetabula (pohled shora a zepředu) tahové napětí tlakové napětí (Adamsův oblouk) Radiální napětí v kyčelním kloubu (frontální řez) Tlakové a tahové napětí v krčku femuru (řez středem krčku) 18/32
Prezentace a analýza výsledků Model fyziologického kyčelního kloubu F1 Kontakt mezi chrupavkou acetabula a chrupavkou hlavice femuru, skupina svalů m. glutaeus Velikos t výsledné stykové síly FR [N] 1975,438 Souřadnice FR [N] FRX FRY FRZ Poloha FR úhel osa X α Y β Z γ -624,461-1868,020-151,342 Velikost tíhové síly FG Poměr FR / FG 2-D analytický výpočet na úrovni silových výslednic: FR = 1925 N FS = 1349 N [ ] 71,572 18,982 94,394 [N] 735,750 [1] 2,685 Pokud není v modelu zatížení uvažována tíha dolní končetiny FGdk: pmax, FR se zvýší o 11 % FS se zvýší o 6,6 % FS = 1468 N Velikost sil ve svalech m. glutaeus Deformace kyčelního spojení 19/32
Prezentace a analýza výsledků Model patologického kyčelního kloubu P1 Kontakt mezi chrupavkou acetabula a chrupavkou hlavice femuru, skupina svalů m. glutaeus pmax = 30,7 MPa pmax = 30,7 MPa Kontaktní tlak na chrupavce acetabula (pohled shora) Kontaktní tlak na chrupavce acetabula (pohled zepředu) Radiální napětí v kyčelním kloubu (frontální řez) Radiální napětí v kyčelním kloubu (řez) 20/32
Prezentace a analýza výsledků Model patologického kyčelního kloubu P1 Kontakt mezi chrupavkou acetabula a chrupavkou hlavice femuru, skupina svalů m. glutaeus pmax = 30,7 MPa Nárůst o 29 MPa 20-ti násobně pmax = 1,5 MPa Stykový tlak na chrupavkách acetabula (pohled shora) Destrukce chrupavky a kostní tkáně patologického kyčelního kloubu 21/32
Prezentace a analýza výsledků Model patologického kyčelního kloubu P1 Kontakt mezi chrupavkou acetabula a chrupavkou hlavice femuru, skupina svalů m. glutaeus Velikos t výsledné stykové síly FR [N] 3282,540 Souřadnice FR [N] FRX FRY FRZ Poloha FR úhel osa X α Y β Z γ -1549,920-2887,400-189,034 Velikost tíhové síly FG Poměr FR / FG [ ] 61,825 28,403 93,301 [N] 735,750 [1] 4,461 2-D analytický výpočet na úrovni silových výslednic: FR = 3307 N FS = 2737 N Pokud není v modelu zatížení uvažována tíha dolní končetiny FGdk: pmax se zvýší o 7,6 % FR se zvýší o 11 % FS se zvýší o 8,7 % Porovnání s fyziologickým kloubem: FR se zvýšila o 66 % FS se zvýšila o 98 % FS = 2907 N Velikost sil ve svalech m. glutaeus Deformace kyčelního spojení 22/32
Interakce umělá jamka kostní tkáň Zatížení pod úhlem 0 Zatížení pod úhlem 60 23/32
Výuka na Ústavu konstruování I. stupeň, 3. ročník: Části a mechanismy strojů I Části a mechanismy strojů II Části a mechanismy strojů III II. stupeň, 1. ročník: MKP a ANSYS Výpočtové nadstavby pro CAD 24/32
Vedení diplomových prací v oblasti pevnostních výpočtů ozubení pomocí MKP 25/32
Deformačně napěťová analýza vybraných prvků protézy dolní končetiny pomocí MKP ve výpočtovém systému ANSYS a COSMOS team: D. Paloušek, M. Vrbka, M. Vaverka 26/32
Výpočet tlaku z experimentálně stanovené tloušťky EHD mazacího filmu team: M. Vrbka, M. Vaverka, I. Křupka, M. Hartl, R. Poliščuk, L. Urbanec Tlak v mazacím filmu Výpočet pomocí MKP Tloušťka mazacího filmu 27/32
Výpočet tlaku z experimentálně stanovené tloušťky EHD mazacího filmu team: M. Vrbka, M. Vaverka, I. Křupka, M. Hartl, R. Poliščuk, L. Urbanec Tlak v mazacím filmu Inverse elastic theory Tloušťka mazacího filmu Geometrie dentu 28/32
Výpočet tlaku z experimentálně stanovené tloušťky EHD mazacího filmu team: M. Vrbka, M. Vaverka, I. Křupka, M. Hartl, R. Poliščuk, L. Urbanec Modelování vyrážení dentů 29/32
Výpočet rychlomontovatelného stavebního věžového jeřábu MB 1030.11 team: M. Vrbka, T. Návrat (ÚMTMB), P. Pokorný (ÚDT OSTZS), J. Kašpárek (ÚDT OSTZS) 30/32
Výpočet rychlomontovatelného stavebního věžového jeřábu MB 1030.11 team: M. Vrbka, T. Návrat (ÚMTMB), P. Pokorný (ÚDT OSTZS), J. Kašpárek (ÚDT OSTZS) 31/32
Řešené projekty Spolupráce GAČR 101/01/0974 (2001-2003, řešitel Prof. Janíček) - Specifické biomechanické problémy kyčelních endoprotéz a jejich řešení modelováním MSM262100024 (2002-2004, řešitel Prof. Kratochvíl) - Výzkum a vývoj mechatronických soustav GAČR 101/03/0525 (2003-2005, řešitel Doc. Hartl) - Studium únavového poškození elastohydrodynamicky mazaných třecích povrchů narušených vtiskem cizí částice GAČR 101/05/0136 (2005-2007, řešitel Prof. Janíček) - Klinické biomechanické problémy velkých kloubů člověka MSM0021630508 (2005-2010, řešitel Prof. Cihlář) - Anorganické materiály a nanostruktury: vytváření, analýza, vlastnosti Řešitel FP 330019 (2003) - Napěťově deformační analýza fyziologického a patologického kyčelního kloubu BD 134 3022 (2004) - Deformačně napěťová analýza fyziologicky a patologicky vyvinutých kyčelních kloubů dětí a dospělých GAČR 101/06/P035 (2006-2008) - Studium vlivu defektů třecích povrchů na rozložení tlaku v mazacích filmech 32/32