Wyniki wyszukiwania - BazTech

Ograniczanie wyników

Powiadomienia systemowe

Sesja wygasła!

Znaleziono wyników: 1

Liczba wyników na stronie

Wyniki wyszukiwania

Wyszukiwano:
w słowach kluczowych: biomechanika kości

Sortuj według:

Ogranicz wyniki do:

Wybrane zagadnienia modelowania w biomechanice kości

Lekszycki T.

Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN

2007

nr 6

3-264

To ze kości wciąż dostosowują w ciągu życia organizmu swą wewnętrzną strukturę i zewnętrzny kształt do obciążeń mechanicznych jest wiadomo od dawna a. systematyczne badania w celu wyjaśnienia tego zjawiska prowadzone są juz od ponad wieku. Ponieważ podstawową i najważniejszą rolą układu kostnego są jego funkcje mechaniczne zapewniające utrzymanie organów we właściwych pozycjach, ich ochronę przed urazami i zapewnienie organizmowi funkcji ruchowych umiejętność adaptacji do zmieniających się w czasie warunków ma ważne implikacje zarówno praktyczne jak i teoretyczne. W ostatnich trzech, dekadach nastąpił niezwykłe szybki postęp badań w dziedzinie biomechaniki kości w dużej mierze spowodowany rozwojem technik eksperymentalnych i komputerowych zaś modelowanie procesów odpowiedzialnych za adaptację zajmuje w nich ważne miejsce. Jednak te zjawiska są niezwykle złożone i zależne zarówno od lokalnych czynników jak i sygnałów z układu centralnego więc mimo intensywnych badań zrozumienie natury i szczegółów7 mechanizmów biorących udział w tych procesach nie jest wciąż pełne. W przeszłości postulowano różne opisy zjawisk odpowiedzialnych za przebudowę tkanki kostnej i związane z tym procesy zmiany kształtu kości i jej mikrostruktury Większość z tych modeli ma charakter fenomenologiczny i w związku, z tym nie nadaje do badań mających doprowadzić do lepszego zrozumienia problemu. Inne podejście intuicyjnie akceptowalne przez niektórych badaczy opiera się na założeniu że kość reprezentuje pewną optymalną konstrukcję. Niestety takie podejście też posiada szereg ważnych wad i nie jest po™ wszechnie stosowane. Z analizy aktualnego stanu wiedzy wynika ze istnieje pewna istotna luka i potrzebne jest jakieś generalne podejście które umożliwi formalne wyprowadzenie matematycznych związków opisujących różne modele funkcjonalnej adaptacji kości przystosowanych do teoretycznych badań wybranych biomechanicznych efektów oraz nadających się do implementacji w programach komputerowych służących do numerycznych symulacji badanych procesów. Praca niniejsza stanowi próbę zapełnienia istniejącej luki. Zaproponowano nowe podejście do problemu modelowania zjawisk przebudowy kości oparte na oryginalnej sformułowanej przez autora hipotezie optymalnej reakcji kości. Zgodnie z tą hipotezą kość nie reprezentuje optymalnego układu jednak spośród wszystkich możliwych w ramach istniejących ograniczeń reakcji, reaguje tak aby zapewnić w każdej chwili najszybszą poprawę wybranego funkcjonału jakości opisującego jakąś określoną cechę kości. Na pierwszą, przeglądową część pracy składają się poza wstępem rozdziały drugi,, trzeci i czwarty. W rozdziałach drugim, i trzecim zamieszczono materiał dotyczący funkcji i budowy kości, jej mikrostruktury procesów przebudowy tkanki oraz roli komórek w tych procesach i mechanizmów odczuwania i przekazywania sygnałów przez wyspecjalizowane komórki kostne. Znajomość tego materiału jest zdaniem autora absolutnie niezbędna przy pracach nad matematycznym i komputerowym modelowaniem adaptacji kości Czwarty rozdział zawiera zwięzły przegląd najważniejszych i powszechnie akceptowanych modeli funkcjonalnej adaptacji kości jakie pojawiły się od czasu sformułowania przez Wolffa tak zwanego "prawa Wolffa", Następne rozdziały począwszy od rozdziału piątego stanowią drugą część pracy i zawierają materiał będący oryginalnym wkładem autora w dziedzinie badań w biomechanice kości. Wariacyjne ogólne sformułowanie problemu modelowania adaptacyjnej przebudowy tkanki kostnej oparte na zaproponowanej hipotezie optymalnej reakcji jest przedstawione w rozdziale piątym. Charakteryzuje się ono szeregiem istotnych zalet; między innymi można wymienić następujące. Zaproponowane podejście umożliwia formalne wyprowadzenie związków dla różnych modeli w zależności od rozpatrywanych efektów biomechanicznych lub mechanobiologicznych. Wykorzystując omawiane sformułowanie można w prosty sposób rozbudowywać wcześniej otrzymane modele w miarę pogłębiania naszej wiedzy o mechanizmach odpowiedzialnych za procesy przebudowy tkanki. Do sformułowania można włączać różne efekty natury mechanicznej, biochemicznej i innej. Sformułowanie wariacyjne niesie poważne zalety gdy rozpatrujemy konieczność implementacji komputerowej i symulacji numerycznych. Wyprowaczone związki opisują procesy, a więc ewolucję w czasie parametrów reprezentujących mikrostrukturę i kształt kości w przeciwieństwie do modeli opartych na założeniu, że kość reprezentuje optymalną strukturę. Zastosowanie ogólnego sformułowania zostało zilustrowane na trzech przykładach - wyprowadzono trzy szczególne modele funkcjonalnej adaptacji kości: model ciągły, beleczkowy i opraty na oddziaływaniach między komórkami, w którym uwzględniono procesy odczuwania sygnałów mechanicznych przez osteocyty i przesyłania odpowiednich sygnałów do osteoblastów i osteoklastów. W następnym rozdziale, szóstym, omówiono związki pomiędzy zadaniami optymalnego projektowania, modelami adaptacji kości a hipotezą optymalnej reakcji kości. Okazuje się, że postulowane modele fenomenologiczne mają wiele wspólnego z modelami formalnie wyprowadzonymi przy użyciu dyskutowanej w pracy medody i nieraz mogą być traktowane jako ich szczególne przypadki. W siódmym rozdziale omówiono przypadek osteoporozy oraz przedstawiono szczegółowy szkic wyprowadzenia związków dla modelu mechanobiologicznego opisującego procesy przebydowy tkanki i rozwoju procesów osteoporotycznych. Następny rozdział zawiera wybrane wyniki symulacji komputerowych przeprowachonych przy użyciu wyprowadzonych modeli. Z analizy tych wyników i obserwacji klinicznych i badań histologicznych wynika, że otrzymane modele prowadzą do struktur bardzo przypominających obserwowane w ludzkich kościach. Pracę zamyka podsumowanie wyników badań oraz dyskusja perspektyw przyszłych prac w tej dziedzinie. Praca zawiera również skorowidz, spis ilustracji, słownik najważniejszych terminów biologicznych i spis oznaczeń stosowanych w związkach matematycznych.

It has been observed over hundred years ago that bones adapt their shape and internal structure according to mechanical demands and loading conditions. Since one of the most important roles of skeletal system is its mechanical function this observation has important implications both in the theoretical as well as in the applied research. The progress in bone mechanics in last three decades has been extraordinary and modeling of functional adaptation process plays a significant role in it. However this phenomenon is very complex and dependent on both local and central factors and despite over hundreed years research the understanding of its nature and details of mechanisms involved is not complete yet. Different-approaches have been proposed to enable approximate description of the phenomena responsible for tissue remodeling and their effect in bone shape and micro-structure evolution due to variable conditions. Most of the models are of phenomenological nature and thus they do not contribute to big extent in better understanding of the problem. Another approach that is intuitively acceptable for some researchers is based on the assumption that bone represents a kind of "optimal structure". Unfortunately this approach suffers also significant disadvantages. It follows from the analysis of the actual state of art that a gap exists and a general approach is needed which enables S5/stematicJ formal derivation of mathematical formulas describing different models of bone functional adaptation suitable for theoretical investigations of variety of biomechanical effects and for computer implementation and simulations. In a present work a new approach is proposed. This approach is based on the optimal response hypothesis proposed by the author according to which the bone does not represent an optimal structure but from the variety of possible reactions to variable in time conditions the one which assures the fastest improvement of assumed feature is realized, In the first part of the work including chapters 2 and 3 the macro- and micro-structure of the bones and their functions including functional adaptation are discussed, Chapter 4th includes the comprehensive review of the most popular and accepted models of bone functional adaptation, The second part starts with chapter 5 and includes the original results of author's research. The variational general formulation proposed m this work has several advantages, among the others one can mention the following. It enables formal derivation of a complete set of mathematical relations for different models depending of the choice of the effects under investigation. Using this approach the extension of previously derived models when our knowledge concerning mechanisms involved in tissue remodeling grows is natural and simple. Different effects of various nature, mechanical, biochemical and others can be easily incorporated in the formulation. Variational formulation is associated with significant advantages when computer implementation is considered. Derived in this way formulas describe time evolution of the bone structure so they are suitable for investigations of the processes and not only the final effect. The application of the general approach proposed in this work is illustrated using three examples, the specific models for continuous material, trabecular material and the model including interactions at the cellular level are derived and examined using computer simulations and results of clinical observations and histological investigations. An important case of modeling of osteoporosis is also discussed and an outline of derivation of improved model including interactions between cells is presented as well. It follows from this works that the approach proposed is convenient in use, offers big freedom in a choice of effects that are to be investigated and is well suited for numerical computations, The results of calculations compared with the structures of real human bones display great similarity of both structures. Before the end of this work a discussion of obtained results is included and perspectives and possible future interesting and important research is discussed. The index5 dictionary of the most important biological terms, list of figures and a list of mathematical notation are included as well.