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
