Biomechanika a biomateriály 2009

Biomechanika a biomateriály 2009

Biomechanika oběhové soustavy

Lukáš Horný Laboratoř biomechaniky člověka

Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatronikyFakulta Strojní ČVUT v Praze

V této prezentaci jsou použity obrázky z různých zdrojů. Byly-li obrázky získány z internetu a jejich autoři nějakým způsobem omezili autorská práva, je vždy u obrázku vyznačeno URL zdroje a odkaz na licenční úmluvu (nejčastěji GFDL nebo CC), kterou se řídí distribuce těchto obrázků. Obsahuje-li obrázek jen URL, jde o obrázek na který se nevztahují žádná omezení.

Autorská práva

Obrázky označené v pravém horním rohu tímto logem vznikly na pracovišti autora. Tyto obrázky je možno dále šířit za těchto podmínek: 1. nesmí být nijak upraveny kromě zvětšení nebo zmenšení 2. v jejich blízkosti musí být vždy čitelně umístěn tento text: Tento obrázek vznikl jako výsledek výzkumu a vývoje v Laboratoři biomechaniky člověka Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze.V této prezentaci jsou využity výsledky, kterých bylo dosaženo při výzkumu a vývoji v Laboratoři

biomechaniky člověka Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky Fakulty Strojní ČVUT v Praze. Tento výzkum je podporován výzkumným záměrem MŠMT Transdisciplinární výzkum v oblasti biomedicínského inženýrství II MSM6840770012; a grantem GA CR Materiálové vlastnosti žil a jejich remodelace GA106/08/0557 .

Úvod do fyziologie a anatomie

Fyziologie a anatomie OS

Oběhová soustava

•Mízní oběh• jednosměrný

•Krevní oběh• dvousměrný

•vysoko a nízkotlaká část

Schéma krevního oběhu

Schéma lymfatického oběhu

Commons:Reusing content outside Wikimedia


Koronární cévy, kůže,…

Vysokotlaký systém(zásobovacífunkce)

Nízkotlaký systém(zásobovacífunkce)

MozekQ = 13% Vo2 = 23%

Levákomora

Játra a trávící ústrojíQ = 24% Vo2 = 20%

Kosterní svalstvoQ = 21% Vo2 = 20%

Ledviny Q = 20% Vo2 = 7%

Pravákomora

Aorta 16/10.7kPa

Plícnice 3.3/1.3kPa

Q…zásobeníorgánůkrvív %minutového srdečního výdeje

(v klidu, cca 5.5l pro 70kg)

VO2…spotřeba O2orgány v %celkovéspotřeby (0.25l/min)

Vény 64%

Plíce 9%

Kapiláry 5%

Velkéartérie 7%

Maléartérie 8%

Srdce v diastole 64%

Rozděleníobjemu krve v %

Rozděleníodporu řečištěv %Velkéartérie a arterioly

47%

Velkéartérie 19%

Vény 7%Kapiláry 27%


Plicní (malý) oběh

Tělní (velký) oběh


Krev

• koloidní roztok (suspenze) krevní plazma (H2O, bílkoviny, soli,…) částice - erytrocyty, trombocyty, leukocyty

krevní plazma je nositelem elektrického náboje a dipólů

Funkce krve• transport!

O2, stopové prvky, glukóza, metabolity, CO2, kyselina mléčná (imunitní) buňky, teplo

erytrocyt

trombocyt

leukocyt


http://www.britannica.com/EBchecked/topic-art/720793/94920/Red-blood-cells-trapped-in-a-mesh-of-fibrin-threads

Link pro ukázku „spoutání“ erytrocytů fibrinovými

vlákny při koagulaci krve

Krevní částice


Srdce

• dutý svalový orgán sériově zapojená dvě membránová čerpadla pravá/levá síň a komora endokard, chlopně, myokard, epikard, likvor, perikard

Histologický řez myokardu

GNU Free Documentation License Autor: MesserWoland

GNU Free Documentation License

Legenda1. Superior Vena Cava2. Pulmonary Artery3. Pulmonary Vein4. Mitral Valve5. Aortic Valve6. Left Ventricle7. Right Ventricle8. Left Atrium9. Right Atrium10. Aorta11. Pulmonary Valve12. Tricuspid Valve13. Inferior Vena Cava

Lidské srdce

GNU Free Documentation License

http://commons.wikimedia.org/wiki/User:MesserWoland

Funkce srdce• generátor pohybu krve (hlavní)

Srdeční akce• EKG


Využijte link pro popis srdeční akce +

synchronizace s EKG záznamem a vysvětlení způsobu záznamu EKG

Časová souslednost mezi EKG, tlaky v aortě a komorách,

průtokem a srdečními ozvami

Původní obrázek odstraněn z důvodu ochrany autorských práv. Využijte následující odkazy:

http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/Diseases/hhw/hhw_pumping.html

http://www.physiome.cz/atlas/

http://library.med.utah.edu/kw/pharm/hyper_heart1.html

http://www.eamos.cz/amos/kbf/modules/low/kurz_text.php?identifik=kbf_1526_t&kod_kurzu=kbf_1526&id_kap=1&startpos=5

Cévy


• tepny vs. Žíly

• elastické cévy vs. svalové

Porovnání mezi preparátem žíly a

tepny

Stěna elastické tepny

(transverzálně)

Převzato z http://www.pathguy.com/histo/000.htm

Další zajímavý odkaz http://pathology.mc.duke.edu/research/PTH225.html

Pře

vza

to z

htt

p:/

/ww

w.p

ath

guy.c

om

/his

to/0

00

.htm

Fyziologická a

aterosklerózou postižená

céva

Pře

vza

to z

htt

p:/

/ww

w.n

hlb

i.nih

.gov/h

ealt

h/d

ci/D

isease

s/C

ad

/CA

D_W

hatI

s.htm

l


Cévy

Přenos tepla a působení

vnějšího prostředí

http://www.biosbcc.net/doohan/sample/htm/

vessels.htm

Stránka obsahuje pěkný obrázek

svalové pumpy, čili vlivu okolní tkáně na

zatížení cévy. Obdobně je zatížení okolní tkáně třeba

uvažovat u věnčitých cév umístěných do

rytmicky pracujícího sdrce.

http://www.biosbcc.net/doohan/sample/htm/vessels.htm














K čemu je dobrá biomechanika?

Inženýrské aplikace

Inženýrská biomechanika

• Konvenční technologie

• Biotechnologie

• Výpočetní simulace


Konvenční technologie• Typickým příkladem využití konvenčních technologií jsou původní kuličkové a diskové umělé srdeční chlopně

Použijte odkaz a podívejte se na článek o historii a vizích vývoje návrhu umělé srdeční chlopně.

http://www.vesmir.cz/clanek/nechirurgicke-nahrady-a-

upravy srdecnich-chlopni

Původní obrázek odstraněn z důvodu ochrany autorských práv. Využijte odkazy.

http://www.vesmir.cz/clanek/nechirurgicke-nahrady-a-upravy-srdecnich-chlopni
















Konvenční technologie• Jiným příkladem jsou cévní náhrady

Podívejte se na článek na webu Nemocnice na Homolce http://www.aorta.cz/index.php?show=page&id=29

Odkaz na web českého výrobce cévních náhrad. http://www.vup.cz


http://www.aorta.cz/index.php?show=page&id=29

http://www.vup.cz/


Konvenční technologie

Implantace stent-graftu (kombinace protézy a stentu).

• Dalším příkladem jsou stenty. Jde o malé drátěné kostřičky, které vyztuží cévu v místě jejího zúžení. Mohou být vybaveny povrchovou vrstvou schopnou emitovat farmaka.

htt

p:/

/ww

w.n

hlb

i.nih

.gov/h

ealt

h/d

ci/D

isease

s/arm

/arm

_tre

atm

ents

.htm

l

htt

p:/

/com

mons.

wik

imed

ia.o

rg/w

iki/File

:PTC

A_s

tent_

NIH

.gif

http://en.wikipedia.org/wiki/Coronary_stent

Auto

r: F

rank C

. M

ülle

r

Cre

ati

ve C

om

mons

Att

rib

uti

on

Share

Alik

e 2

.5

http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Frank_C._M%C3%BCller

http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Frank_C._M%C3%BCller

http://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons



http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/





Biotechnologie• Příkladem biotechnologií mohou být chlopenní náhrady připravené z hovězího perikardu. Obdobným způsobem lze vytvářit i cévní náhrady…

Podívejte se na článek o chlopenních náhradách na stránkách Kardiocentra IKEMu

http://www.ikem.cz/www?docid=1004155


Výpočetní simulace interakce stent-céva a stent-balónek


Kiousis, D.E. Wulff, A.R. Holzapfel, G.A. (2009) Experimental studies and numerical analysis of the inflation and interaction of vascular balloon catheter-stent systems. Annals of Biomedical Engineering, 37(2):315-330

Z důvodu ochrany autorských práv zde mohu umístit pouze odkazy na publikace, nikoliv obrázky z publikací samotných.

• Příkladem aplikace biomechaniky jsou nejenom konkrétní produkty, ale třeba i výpočetní simulace směřující k terapeutických léčebných postupů.Příklady simulací jsou převzaty z pracoviště prof. GA Holzapfela - Institute of Biomechanics Graz University of Technology http://www.biomech.tugraz.at/people/gerhard_holzapfel

G.A. Holzapfel, M. Stadler and T.C. Gasser (2005) Changes in the mechanical environment of stenotic arteries during interaction with stents: Computational assessment of parametric stent designs. ASME Journal of Biomechanical Engineering, 127:166-180, 2005.


Výpočetní simulace napojování koronárního bypassu• Jiným příkladem aplikace biomechaniky je simulace připojení koronárního bypassu (řeší se úloha o optimalizaci geometrie napojení a optimalizaci mechanických vlastností graftu pro dosažení stavu napjatosti a deformace stěny a proudění krve blízkých fyziologickým hodnotám).

http://www.youtube.com/watch?v=3Nf6Q2skGOM

F. Cacho, M. Doblaré and G.A. Holzapfel (2007) A procedure to simulate coronary artery bypass graft surgery. Medical and Biological Engineering and Computing, 45:819-827

http://en.wikipedia.org/wiki/Coronary_artery_bypass_grafting

http://www.britannica.com/EBchecked/topic-art/138255/94948/Double-coronary-artery-bypass-surgery-showing-the-grafting-of-a

htt

p:/

/ww

w.n

hs.

uk/C

ond

itio

ns/

Coro

nary

-art

ery

-byp

ass

/Pag

es/

How

-is-

it-p

erf

orm

ed

.asp

x

NHS Choices terms and conditions

Biomechanika elastické cévy

Ilustrační příklad

Mechanická odezva

Funkce

Věk

Patologie

Historie podmiňující stav (aktivace SMC)

Vnitřní struktura

cévy

Vnější zatížení


Vnější zatížení

Přenos tepla a působení

vnějšího prostředí


• Samozřejmě že při posuzování mechanického chování cévy je třeba uvážit i aktivní vlastnosti (inervace svalových buněk), porozitu materiálu a distribuci vody a chemických látek ve stěně!


Vnitřní struktura

G.A. Holzapfel, T.C. Gasser and R.W. Ogden (2000) A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models. Journal of Elasticity, 61:1-48

Vizte obrázek č. 1 v publikaci níže.

htt

p:/

/en.w

ikip

ed

ia.o

rg/w

iki/File

:Anato

my_a

rtery

.png

Anatomy overview of a human artery made for PhD project. Maastricht, november 2005. Stijn A.I. Ghesquiere www.applesnail.net

Cre

ati

ve C

om

mons

Att

rib

uti

on

Share

Alik

e 2

.5

Tunica intima

Tunica media

Tunica media

Tunica adventitia

(Vpravo) Dva příčné řezy stěnou lidské aorty. Měřítkový ukazatel udává 100m. Barveno van Gieson. (Jedná se o

totožnou aortu.) Obrázky vznikly jako výsledky výzkumu a vývoje v Laboratoři biomechaniky člověka Ústavu

mechaniky, biomechaniky a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze.









Vnitřní strukturaHistologický řez

aorty

Prahování na jádra SMC

Prahování na kolagen

Výsledky počítačové analýzy rozložení kolagenních fibril ve stěně aorty. Obrázek ukazuje empirickou hustotu pravděpodobnosti (svislá osa), že v daném směru (vodorovná osa) leží kolagenní

fibrily. Výsledky byly získány pomocí programu BinaryDirections 2.1, který vznikl jako výsledek výzkumu a vývoje v Laboratoři

biomechaniky člověka Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze. Různé křivky odpovídají

různému N, což je parametr vyhodnocovacího algoritmu (má význam průměru okolí bodu v pixelech).

Anizotropie


z

t

Anizotropie TA

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25

λ [-]

σ [

MP

a]

σ - axiální

σ - obvodové

Různé vlastnosti v různých směrech – jednoosá tahová zkouška lidské aorty. Svislá osa napětí, vodorovná osa stretch. Zkoušená céva byla tužší

v axiálním směru (čili podélný směr cévy v těle). Obrázek vznikl jako výsledek výzkumu a vývoje v Laboratoři biomechaniky člověka Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Geometrický model cévy – trubice vyztužená vlákny vedenými ve šroubovicích. Naznačen válcový

souřadný systém.

Nelinearita

Závislost σ - λ při jednoosé tahové zkoušce

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5

λ [-]

σ [

MP

a]

φ1φ2


Komplikovaná struktura materiálu vede k nelineární odezvě. Fáze

deformace:

1. rozplétání vláken 2. narovnávání vláken

3. přeuspořádání vláken 4. protažení vláken

5. Ruptura

Viskoelasticita


Závislost na rychlosti deformace. Jednoosá tahová zkouška postupně pro frekvence:

10 cyklů 1Hz, 10 cyklů 2Hz, 10 cyklů 5Hz a opakovaně 10 cyklů 1Hz (lidská aorta). Při frekvenci zatěžování 5Hz dochází k významnému

nárůstu hodnot napětí (svislá osa). Překmitnutí do záporných hodnot je způsobeno setrvačnými efekty. Výsledek výzkumu

a vývoje v Laboratoři biomechaniky člověka Ústavu mechaniky, biomechaniky

a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Mullinsův efekt - inelasticita

Mullinsův efekt - vzorek 3 (TAA)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45

λ [-]

σ [

MP

a]


Inelastický stress softening (snížení hodnoty napětí při opakovaném zatěžování na již dříve dosaženou hodnotu deformace – tzv. Mullinsův efekt) při cyklické jednoosé tahové zkoušce lidské hrudní aorty. TAA – hrudní aorta axiální vzorek, TAO –

hrudní aorta obvodový vzorek. Tyto obrázky vznikly jako výsledek výzkumu a vývoje v Laboratoři biomechaniky člověka Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Mullins efekt – pomocí Google books náhled do Elasticity and inelasticity of rubber, in Mechanics and Thermomechanics of Rubberlike Solids (edited by G. Saccomandi and R.W. Ogden), pp. 135-185. CISM Courses and Lectures Series 452, Springer, Wien (2004).


Preconditioning - inelasticita

Výsledek jednoosé tahové zkoušky se vzorkem lidské hrudní

aorty (svislá osa napětí, vodorovná osa poměrné

prodloužení = l/l0). Mechanicky stabilní odezvy (opakovatelné) je

dosaženo až po několika cyklech. I přesto že byl vzorek cyklován 10x

stále je patrný rozdíl mezi zatěžování a odlehčováním, což

znamená, že chování není elastické, ale dochází k disipaci

energie. Obrázek vznikl jako výsledek výzkumu a vývoje v

Laboratoři biomechaniky člověka Ústavu mechaniky, biomechaniky

a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Uniaxial tension - aorta

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

stretch [1]

stre

sss

[M

Pa] 1st cycle

2nd cycle

10th cycle

Loadin

g

Unload

ing


Vlastnosti jednotlivých vrstev

• Samozřejmě že mechanická odezva cévy jako celku je determinována vlastnostmi jednotlivých komponent (elastin, kolagen, proteoglykanová matrix, SMC…). Ty jsou v každé vrstvě uspořádány různě, tudíž i vlastnosti jednotlivých vrstev se různí…

Podrobnější výklad s obrázky naleznete např. v: G.A. Holzapfel and R.W. Ogden (eds.) "Biomechanical Modeling at the Molecular, Cellular and Tissue Levels", CISM Courses and Lectures No. 508. Springer: Wien, New York, 2009.

Aktivní změna odezvy – SMC – krátkodobá

Biomechanika elastické cévyTah

ová

zkou

ška

Inflačn

í te

st(n

afu

kován

í tr

ub

ice) Maximální kontrakce

například po podání norepinefrinucéva je nejtužší

Bazální tonusMaximální dilatacenapříklad po podání papaverinucéva je nejpoddajnější

Upraveno podle: P. Fridez, A. Makino, D. Kakoi, H. Miyazaki, J.-J. Meister, K. Hayashi and N. Stergiopulos 2002 Adaptation of Conduit Artery Vascular Smooth Muscle Tone to Induced Hypertension Annals of Biomedical Engineering 30:7, 905 – 916.

SMC=Smooth Muscle Cell


Dlouhodobá změna odezvy – aging a remodelace

Remodelace cévy v průběhu života – jednoosá tahová zkouška. Céva se postupně vyztužuje (především díky glykaci kolagenů a ateroskleróze). Obrázky vznikly jako výsledek výzkumu a vývoje v Laboratoři biomechaniky člověka

Ústavu mechaniky Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Remodelace indukovaná hypertenzí


Vliv dlouhodobé hypertenze na mechanickou odezvu u

krysí karotidy

Maximální kontrakcenapříklad po podání norepinefrinucéva je nejtužší

Bazální tonusMaximální dilatacenapříklad po podání papaverinucéva je nejpoddajnější

Upraveno podle: P. Fridez, A. Makino, D. Kakoi, H. Miyazaki, J.-J. Meister, K. Hayashi and N. Stergiopulos 2002 Adaptation of Conduit Artery Vascular Smooth Muscle Tone to Induced Hypertension Annals of Biomedical Engineering 30:7, 905 – 916.


Konstitutivní model

• Založené na energetickém popisu

•Ve shodě s 1. (resp. 2.) termodynamickým principem

• Kompozitní materiál ECM (proteoglykany) vyztužená vlákny (kolagen, elastin)

• Porézní materiál s redistribucí kapaliny uvnitř

• Krátkodobá změna vlastností v čase (aktivace hladkého svalstva)

• Evoluce vlastností v čase (dlouhodobá remodelace)

z

t

z

t

Závěr

V případě dotazů a nejasností kontaktujte autora. Taktéž, prosím, kontaktujte autora v případě, že zjistíte, že došlo ke změnám úpravy autorských práv u použitých obrázků, aby mohl zjednat nápravu.

Pokud se při prohlížení náhodou stane, že na stránkách, na něž tato prezentace odkazuje, nenaleznete obsah, který byste čekali, přijměte prosím autorovu omluvu. Obsah je aktuální k prosinci 2009.

Lukas.Horny(at)fs.cvut.cz

Documents

Biomechanika a biomateriály 2009