Odbor biomechaniky - 13253
Personální obsazení
- prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. – vedoucí odboru
- prof. Ing. Přemysl Janíček, DrSc.
- doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc.
- doc. Ing. Vladimír Fuis, Ph.D.
- Ing. Petr Marcián, Ph.D.
- Ing. Pavel Švancara, Ph.D.
- Ing. Petr Hájek, Ph.D.
- Ing. Jiří Vaverka
Biomechanika je velmi široký hraniční vědní obor spojující postupy teoretické a inženýrské mechaniky s poznatky vědních oborů zabývajících se živými organismy, jako je medicína, biologie, biofyzika atd. Problematiku biomechaniky si přiblížíme na příkladech problémů řešených v několika různých oblastech na Ústavu mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, konkrétně v oblasti srdečně-cévní soustavy, ve svalově-kosterní biomechanice a bioakustice.
Členové výzkumné skupiny dlouhodobě spolupracují s předními lékařskými a výzkumnými pracovišti v ČR (Fakultní nemocnice u sv. Anny Brno, Fakultní nemocnice Bohunice Brno, Úrazová nemocnice Brno, Fakultní nemocnice Olomouc, Všeobecná fakultní nemocnice Praha, Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i., Univerzita Palackého v Olomouci) a prestižními výzkumnými pracovišti v zahraničí (Royal Institute of Technology Stockholm, Nagoya University, Vrije Universiteit Amsterdam, Tokyo Medical & Dental University, Tampere University of Technology, University of Stuttgart). Aktivně se zúčastňují odborných konferencí a seminářů v tuzemsku i zahraničí a výsledky své práce publikují v renomovaných mezinárodních časopisech.
Biomechanika srdečně-cévní soustavy
Základní výzkum v této oblasti se věnuje analýze struktury tepen a vlivu na jejich mechanické chování. Lékaři mají detailní přehled o komponentech, z nichž se stěny tepen skládají, ale nezajímá je směrové uspořádání kolagenních vláken v tepně, které ale určuje její mechanické vlastnosti. Pro lepší popis těchto vlastností kombinujeme dvouosé mechanické zkoušky tkání (viz obr. 1) s analýzou obrazů jejich struktury získaných pod mikroskopem. Naším dosud nejdůležitějším výsledkem je odhalení struktury kolagenních vláken ve vepřové aortě (viz obr. 2), na kterém jsme spolupracovali s kolegy z Fakultní nemocnice u sv. Anny. Aktuálně pracujeme na využití polarizované mikroskopie pro určení vlnitosti kolagenních vláken, která je také zásadní pro mechanickou odezvu cévní tkáně (viz obr. 3).
Aplikovaný výzkum našeho týmu se zaměřuje na analýzu rizika prasknutí aortálních výdutí, což je závažné onemocnění lidské aorty. Cílem tohoto výzkumu je dát lékařům k dispozici nástroj v podobě výpočtového modelování, jak rozlišit rizikové výdutě od těch stabilních. Podobně jako v technických aplikacích se snažíme co nejvěrněji vypočítat napětí v dané výduti (viz obr. 4) a porovnat s její pevností. Kvůli velkým rozptylům v hodnotách je třeba využít statistické metody a s jejich pomocí stanovit pravděpodobnost porušení stěny výdutě. Přitom využíváme data od lékařů, např. CT snímky nebo údaje o krevním tlaku pacienta. Podařilo se nám navrhnout metodiku výpočtu pravděpodobnosti porušení, která se zatím ukázala jako nejlepší ze všech známých postupů. Dále pracujeme na jejím zpřesnění a ověření na větším počtu pacientů. I tento problém řešíme ve spolupráci s Fakultní nemocnicí u sv. Anny a také s prof. T. Christianem Gasserem z Royal Institute of Technology, Stockholm, který je světovou kapacitou v tomto oboru.
Další oblastí našeho zájmu je stanovení rizika ruptury u aterosklerotických plátů (viz obr. 5). Ateroskleróza je zdaleka nejčastější onemocnění tepen a ruptura takového plátu v příslušné tepně vede k život ohrožujícím stavům jako je infarkt myokardu nebo mozková mrtvice. Proto je velmi aktuální otázkou, které pláty jsou ohroženy rupturou a které nikoliv. Kromě toho s Fakultní nemocnicí u sv. Anny a Masarykovou univerzitou spolupracujeme také na výzkumu vlivu elektrických dějů na srdci (EKG) na kontrakci srdečních komor (viz obr. 6).
Kontakt: prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Obr. 1: Vyseknutí vzorků vepřové aorty pro dvouosé mechanické zkoušky
Obr. 2: Trojrozměrné zobrazení rozložení kolagenních vláken ve vepřové aortě. V blízkosti krevního řečiště (lumen) jsou vlákna orientována výrazně do obvodového směru (úhel 90°) a směrem k vnějšímu povrchu tepny se preferenční orientace ztrácí a vlákna jsou orientována téměř náhodně
Obr. 3: Zobrazení zvlněných kolagenních vláken polarizovanou mikroskopií; histogram četností částí vláken v jednotlivých směrech definující jejich vlnitost; vliv vlnitosti na deformačně-napěťovou odezvu tkáně
Obr. 4: První hlavní napětí v aortální výduti při zatížení středním pacientovým tlakem (vnitřní strana (a), vnější strana (b)) a při zvýšeném krevním tlaku, který vede k lokálnímu přetížení stěny výdutě (šipka)
Obr. 5: Pole napětí v idealizované geometrii aterosklerotického plátu odhaluje riziková místa
Obr. 6: Trojrozměrný konečnoprvkový model levé srdeční komory (vlevo), zohledňující vrstevnatost její stěny (uprostřed) a orientaci kontraktilních svalových vláken (vpravo – červeně naznačena orientace svalových vláken ve vrstvě)
Svalově-kosterní biomechanika
Svalově-kosterní biomechanika je obor biomechaniky, který se zaměřuje na mechaniku svalově-kosterní soustavy a jejích prvků, tj. kostí, chrupavek, svalů, vazů apod., případně na mechaniku svalově-kosterní soustavy s aplikovanými umělými náhradami nebo fixátory. Tento vědní obor má na ÚMTMB více než čtvrtstoletí dlouhou tradici, a v současné době je základní i aplikovaný výzkum v tomto oboru zaměřen na následujících šest problémových okruhů:
- náhrady velkých kloubů,
- fixace zlomenin dlouhých kostí,
- páteřní biomechanika a fixace páteře,
- dentální implantáty,
- kraniomaxilofaciální implantáty a fixátory,
- remodelace kostních tkání.
Řešení problémů v těchto oblastech je orientováno jak na konkrétní problémy klinické praxe, tak studie týkající se nových poznatků rozšiřujících teorii svalově-kosterní biomechaniky. Modely řešených problémů jsou na vysoké rozlišovací úrovni. Modely kostních tkání jsou vytvářeny na základě informací z počítačového tomografu (CT), případně mikro CT nebo pQCT, které lépe umožňují určit mechanické vlastnosti kostní tkáně. Na základě informací z těchto zařízení jsou vytvářeny nejen modely geometrie, ale i materiálu. Vysoká rozlišovací úroveň modelů spolu se zkušenostmi a erudicí řešitelů (vědecko-pedagogických pracovníků) umožňuje řešení problémů pro konkrétního pacienta individuálním přístupem, včetně tvorby dlah a fixátorů. Relativně samostatnou problematikou je problematika modelace a remodelace kostní tkáně, která navazuje na řešení řady biomechanických problémů.
Kontakt: Ing. Petr Marcián, Ph.D.
Bioakustika
Výzkumný tým se v této oblasti zaměřuje na výpočtové modelování tvorby lidského hlasu. Především se soustředí na modelování samobuzeného kmitání lidských hlasivek, kde se jedná o řešení interakce mezi tekutinou, strukturou a akustikou. Další oblastí zájmu je modelování šíření zvukových vln přes vokální trakt, až po jejich vyzařování z úst do prostoru okolo hlavy. Modely jsou vytvářeny ve spolupráci s lékaři na základě snímků pacientů z CT a magnetické rezonance a na základě experimentálních dat ze spolupracujících pracovišť: Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i. a Univerzita Palackého v Olomouci. Na těchto modelech je možno zkoumat vliv patologických změn tkáně hlasivek na jejich kmitání a vytvářený hlas, provádět predikci chirurgických zákroků a posoudit chování implantátů.
Kontakt: Ing. Pavel Švancara, Ph.D.
