Biomechanika a biomateriály 2009

1. Biomechanika oběhové soustavy Biomechanika a biomateriály 2009 Lukáš Horný Laboratoř biomechaniky člověka Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatronikyFakulta Strojní ČVUT v Praze

2. Autorská práva 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. 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, biomechanky 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 .

3. Úvod do fyziologie a anatomie

4. Fyziologie a anatomie OS Oběhová soustava • Krevní oběh • dvousměrný • vysoko a nízkotlaká část • Mízní oběh • jednosměrný Commons:Reusing content outside Wikimedia Commons:Reusing content outside Wikimedia Schéma krevního oběhu Schéma lymfatického oběhu

5. Fyziologie a anatomie OS Plicní (malý) oběh Tělní (velký) oběh

6. Fyziologie a anatomie OS Krev Krevní částice • koloidní roztok (suspenze)krevní plazma (H2O, bílkoviny, soli,…) částice - erytrocyty, trombocyty, leukocyty krevní plazma je nositelem elektrického náboje a dipólů http://www.britannica.com/EBchecked/topic-art/720793/94920/Red-blood-cells-trapped-in-a-mesh-of-fibrin-threads Funkce krve erytrocyt Link pro ukázku „spoutání“ erytrocytů fibrinovými vlákny při koagulaci krve • transport! • O2, stopové prvky, glukóza, metabolity, CO2, kyselina mléčná (imunitní) buňky, teplo leukocyt trombocyt Commons:Reusing content outside Wikimedia

7. Fyziologie a anatomie OS GNU Free Documentation License Srdce • dutý svalový orgánsériově zapojená dvě membránová čerpadla pravá/levá síň a komoraendokard, chlopně, myokard, epikard, likvor, perikard GNU Free Documentation License GNU Free Documentation License Autor: MesserWoland Legenda 1. 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 Histologický řez myokardu

8. Fyziologie a anatomie OS Funkce srdce Časová souslednost mezi EKG, tlaky v aortě a komorách, průtokem a srdečními ozvami • generátor pohybu krve (hlavní) Srdeční akce Původní obrázek odstraněn z důvodu ochrany autorských práv. Využijte následující odkazy: • EKG http://www.physiome.cz/atlas/ http://www.eamos.cz/amos/kbf/modules/low/kurz_text.php?identifik=kbf_1526_t&kod_kurzu=kbf_1526&id_kap=1&startpos=5 http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/Diseases/hhw/hhw_pumping.html http://library.med.utah.edu/kw/pharm/hyper_heart1.html Využijte link pro popis srdeční akce + synchronizace s EKG záznamem a vysvětlení způsobu záznamu EKG

9. Fyziologie a anatomie OS Cévy Fyziologická a aterosklerózou postižená céva • tepny vs. Žíly • elastické cévy vs. svalové Převzato z http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/Diseases/Cad/CAD_WhatIs.html Převzato z http://www.pathguy.com/histo/000.htm Stěna elastické tepny (transverzálně) Porovnání mezi preparátem žíly a tepny Další zajímavý odkaz http://pathology.mc.duke.edu/research/PTH225.html Převzato z http://www.pathguy.com/histo/000.htm

10. Přenos tepla a působení vnějšího prostředí Fyziologie a anatomie OS Cévy 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.

11. K čemu je dobrá biomechanika?

12. Inženýrské aplikace Inženýrská biomechanika • Konvenční technologie • Biotechnologie • Výpočetní simulace

13. Inženýrské aplikace Konvenční technologie • Typickým příkladem využití konvenčních technologií jsou původní kuličkové a diskové umělé srdeční chlopně Původní obrázek odstraněn z důvodu ochrany autorských práv. Využijte odkazy. 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

14. Inženýrské aplikace 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 Původní obrázek odstraněn z důvodu ochrany autorských práv. Využijte odkazy. Odkaz na web českého výrobce cévních náhrad. http://www.vup.cz

15. Inženýrské aplikace Konvenční technologie • Dalším příkladem jsou stenty. Jde o malé drátěné kostřičky, které vyztuží cévu v místě jejího zúžení. Mohou být vybaveny povrchovou vrstvou schopnou emitovat farmaka. Autor: Frank C. Müller Creative CommonsAttribution ShareAlike 2.5 http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/Diseases/arm/arm_treatments.html http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PTCA_stent_NIH.gif Implantace stent-graftu (kombinace protézy a stentu). http://en.wikipedia.org/wiki/Coronary_stent

16. Inženýrské aplikace Biotechnologie • Příkladem biotechnologií mohou být chlopenní náhrady připravené z hovězího perikardu. Obdobným způsobem lze vytvářit i cévní náhrady… Původní obrázek odstraněn z důvodu ochrany autorských práv. Využijte odkazy. Podívejte se na článek o chlopenních náhradách na stránkách Kardiocentra IKEMu http://www.ikem.cz/www?docid=1004155

17. Inženýrské aplikace Výpočetní simulace interakce stent-céva a stent-balónek • 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 Z důvodu ochrany autorských práv zde mohu umístit pouze odkazy na publikace, nikoliv obrázky z publikací samotných. 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   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.

18. Inženýrské aplikace 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). 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://www.nhs.uk/Conditions/Coronary-artery-bypass/Pages/How-is-it-performed.aspx http://en.wikipedia.org/wiki/Coronary_artery_bypass_grafting http://www.youtube.com/watch?v=3Nf6Q2skGOM http://www.britannica.com/EBchecked/topic-art/138255/94948/Double-coronary-artery-bypass-surgery-showing-the-grafting-of-a NHS Choices terms and conditions

19. Biomechanika elastické cévy Ilustrační příklad

20. Funkce Vnitřní struktura cévy Věk Patologie Mechanická odezva Biomechanika elastické cévy Historie podmiňující stav (aktivace SMC) Vnější zatížení

21. Přenos tepla a působení vnějšího prostředí Biomechanika elastické cévy Vnější zatížení • 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!

22. Biomechanika elastické cévy Vnitřní struktura Tunica intima Vizte obrázek č. 1 v publikaci níže. 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 Tunica media http://en.wikipedia.org/wiki/File:Anatomy_artery.png Creative CommonsAttribution ShareAlike 2.5 Tunica media Tunica adventitia Anatomy overview of a human artery made for PhD project. Maastricht, november 2005. Stijn A.I. Ghesquiere www.applesnail.net (Vpravo) Dva příčné řezy stěnou lidské aorty. Měřítkový ukazatel udává 100mm. 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.

23. Biomechanika elastické cévy Vnitřní struktura Histologický 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).

24. z b t Biomechanika elastické cévy Anizotropie 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.

25. Biomechanika elastické cévy Nelinearita Komplikovaná struktura materiálu vede k nelineární odezvě. Fáze deformace: 1. rozplétání vláken 2. narovnávání vláken 3. přeuspořádání vláken 4. protažení vláken 5. Ruptura

26. Biomechanika elastické cévy 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.

27. Biomechanika elastické cévy Mullinsův efekt - inelasticita 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). 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.

28. Biomechanika elastické cévy Preconditioning - inelasticita Výsledek jednoosé tahové zkoušky se vzorkem lidské hrudní aorty (svislá osa napětí, vodorovná osa poměrné prodloužení e = Dl/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.

29. Biomechanika elastické cévy 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.

30. Biomechanika elastické cévy Aktivní změna odezvy – SMC – krátkodobá Maximální kontrakcenapříklad po podání norepinefrinucéva je nejtužší Inflační test(nafukování trubice) Bazální tonus Maximální dilatacenapříklad po podání papaverinucéva je nejpoddajnější SMC=Smooth Muscle Cell Tahová zkouška 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.

31. Biomechanika elastické cévy 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.

32. Biomechanika elastické cévy Remodelace indukovaná hypertenzí Vliv dlouhodobé hypertenze na mechanickou odezvu u krysí karotidy Maximální kontrakcenapříklad po podání norepinefrinucéva je nejtužší Bazální tonus Maximální 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.

33. Biomechanika elastické cévy 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)

34. 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