Recenzja autorstwa prof. Marka Gzika

Prof. dr hab. inż. Marek Gzik, prof. zw. w Pol. Śl.
Katedra Biomechatroniki
Wydział Inżynierii Biomedycznej
Politechnika Śląska
Gliwice 18.05.2016r.
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgra inż. Rafała Perza
zatytułowanej
„Development and validation of the human ribs FE models based on different X-ray
imaging techniques”
1.
Zakres rozprawy
Modelowanie w biomechanice rozwija się wraz z metodami numerycznymi oraz postępem
techniki komputerowej. Jest alternatywą dla często kosztownych, a w innym przypadku
niebezpiecznych dla życia człowieka badań eksperymentalnych. Pomimo postępu jaki dokonał się
w metodach modelowania, aktualnie nadal trudno sobie wyobrazić badania modelowe bez
weryfikacji doświadczalnej, jak również bez identyfikacji eksperymentalnej właściwości
mechanicznych elementów budowy anatomicznej. O jakości modelowania, szczególnie systemów
biologicznych decyduje wiedza "a posteriori" pochodząca z badań doświadczalnych. Analizując
zalety i wady badań modelowych i eksperymentalnych w odniesieniu do biomechaniki człowieka
należy stwierdzić, że przyszłość należy do badań modelowych. W wielu ośrodkach na świecie, jak
również w kraju prowadzone są badania, których celem jest pogłębienie wiedzy o funkcjonowaniu
i cechach mechanicznych tkanek i organizmów żywych. Wiedza ta jest jednak niepełna
i nieusystematyzowana, wymaga prowadzenia dalszych badań i budowania bazy informacji
potrzebnych w procesie modelowania. Perspektywa badań związanych z aspektami biomechaniki
człowieka jedynie opierająca się na badaniach modelowych wydaje się być odległa. Wpływ na to
ma duża różnorodność tkanek, duże zróżnicowanie pod względem cech osobniczych, a w związku
z tym znaczne rozbieżności cech mechanicznych w definiowanych elementach anatomicznych
uwzględnianych w modelowaniu.
Wyżej wymienione okoliczności są uzasadnieniem, a jednocześnie inspiracją do
podejmowania dalszych badań celem identyfikacji pod względem cech biomechanicznych części
budowy anatomicznej człowieka. Dotychczas formułowane i wykorzystywane w symulacjach
modele często w sposób dalece uproszczony traktują niejednorodne i anizotropowe elementy
kostne. Przyszłość modelowania należy do modeli sięgających do struktur mikro, celem
uszczegółowienia budowy, co sprawi iż modele będą bardzie uniwersalne i bliższe obiektowi
rzeczywistemu.
1
Niniejsza praca wpisuje się w cykl badań z obszaru modelowania w biomechanice
człowieka, której cele szczegółowe koncentrują się na jakości modeli żeber człowieka
formułowanych na podstawie tomografii komputerowej. Żebra to istotny element budowy klatki
piersiowej, której zadania główne dotyczą wspomagania funkcji oddychania oraz ochrony
organów wewnętrznych. Wśród badań modelowych często podejmowanym tematem jest ochrona
człowieka podczas wypadków komunikacyjnych. W tego rodzaju badaniach szczególnie istotna
jest ocena ryzyka urazów głowy, kręgosłupa oraz chronionych przez klatkę piersiową organów
wewnętrznych. Dokładność modeli poszczególnych elementów budowy anatomicznej decyduje
o jakości i dalszej przydatności wyników symulacji numerycznych.
Z uwagi na wymienione okoliczności wybór tematu pracy doktorskiej uważam za aktualny
i niezwykle istotny z punktu widzenia potrzeby rozwoju modeli człowieka do badań
w biomechanice zderzeń. Wiedza z tego zakresu jest niepełna i wymaga prowadzenia dalszych
badań. Uszczegółowienie modeli poszczególnych części budowy anatomicznej jest celowe
i przybliża nas do zbudowania modelu człowieka, będącego numeryczną implementacją żywego
obiektu rzeczywistego.
Doktorant sformułował trzy hipotezy i cztery główne cele pracy. Hipotezy w pracy
koncentrują się na tomografii i mikro tomografii komputerowej jako narzędziach decydujących
o jakości budowanych modeli numerycznych kostnych części anatomicznych.
Sformułowane zostały następujące cele pracy:
 Ocena porównawcza ilościowa różnicy wymiarów geometrii żeber uzyskanych
w przypadku zastosowania wysokiej rozdzielczości tomografii komputerowej oraz
mikro tomografii komputerowej.
 Określenie wpływu różnicy wymiarów żeber na wyniki symulacji numerycznej.
 Opracowanie prostej i efektywnej metody korekcji geometrii żeber pozyskiwanych
na podstawie obrazów wysokiej rozdzielczości tomografii komputerowej.
 Badanie przydatności metody budowania modeli numerycznych na podstawie
obrazów pozyskanych z wysokiej rozdzielczości tomografii komputerowej oraz
dalszy rozwój tej metody.
Zakres zrealizowanych zadań w pracy obejmował:
 skanowanie żeber, a następnie niszczące badania eksperymentalne, celem określenia
ich sztywności oraz wytrzymałości,
 badania modelowe skanowanych i testowanych żeber, modele sformułowane zostały
w oparciu metodę elementów skończonych,
 analizę uzyskanej geometrii żeber na podstawie obrazów z wysokiej rozdzielczości
tomografii komputerowej oraz rozwój metody korekcji kształtu,
 ocena wrażliwości modelu numerycznego żebra na zmiany parametrów
geometrycznych. Komputerowa analiza z wykorzystaniem profesjonalnego pakietu
modeli człowieka GHBMC (Global Human Body Models Consortium),
 badania wrażliwości i testowanie cech mechanicznych modeli numerycznych żeber
w odniesieniu do badań eksperymentalnych,
 analiza parametrów geometrycznych mających największy wpływ na właściwości
mechaniczne w modelach numerycznych żeber.
2
Rozprawa doktorska obejmuje 128 stron tekstu wraz z bibliografią w liczbie 60, 10 stron
internetowych, spis stosowanych oznaczeń, spis rysunków i tabel oraz trzy załączniki. Praca
podzielona została na 9 rozdziałów wraz z podrozdziałami.
Recenzowana rozprawa mieści się w szeroko pojętej dyscyplinie naukowej – mechanika,
w specjalności biomechanika.
2.
Ocena merytoryczna rozprawy
W rozdziale pierwszym Doktorant dokonał wprowadzenia do zagadnień modelowania
szczególnie w odniesieniu do biomechaniki zderzeń. Uzasadnił potrzebę rozwoje modeli klatki
piersiowej, jako istotnego elementu w budowie anatomicznej, pełniącego rolę ochronną narządów
wewnętrznych przed urazami w trakcie wypadków komunikacyjnych. Modele stosowane
w biomechanice zderzeń bazują na metodzie multibody oraz metodzie elementów skończonych.
Geometria modeli zwykle jest pozyskiwana z metod obrazowania tomografii komputerowej,
rezonansu magnetycznego czy ultrasonografii 3D. Najdokładniejsza dla pozyskania geometrii
kości jest tomografia komputerowa. Doktorant zwraca słusznie uwagę na niedoskonałości
i niedokładności tej metody wymagające dalszym badań i doskonalenia. W dalszej części
rozdziału Doktorant scharakteryzował ogólne cechy anatomiczne klatki piersiowej i żeber.
Omówił podstawy fizyczne diagnostyki TK. W sposób oszczędny zaledwie wspomniał
o badaniach prowadzonych w związku z tworzeniem modeli człowieka na potrzeby biomechaniki
zderzeń. Przeprowadzona skromna analiza stanu wiedzy była podstawa sformułowania hipotez
oraz celów i zakresu pracy doktorskiej.
Rozdział drugi opisuje przeprowadzone badania eksperymentalne na preparatach 12 żeber
pobranych ze zwłok 59 letniego mężczyzny. Żebra przed badaniami wytrzymałościowymi zostały
zeskanowane tomografią komputerową, a następnie przebadane pod względem masy i długości.
Do dalszych badań wybrane zostały żebra 3, 4 i 5. Żebra następnie po usunięciu tkanki miękkiej
zostały zamocowane w maszynie wytrzymałościowej po uprzednim oznaczeniu dla potrzeb
rejestracji odkształceń wykorzystując korelację obrazu. Maszyna wykonywała ruch wzdłuż jednej
osi, aż do momentu zniszczenia próbki. Wynik w postaci wykresu siła do przemieszczenia dla
trzech badanych żeber ilustruje rys. 18.
W rozdziale trzecim opisane zostały sformułowane modele MES trzech badanych żeber.
Geometria pozyskana z tomografii komputerowej za pośrednictwem programu Mimics została
zaimplementowana do programu, a następnie wykonane symulacje w warunkach
odpowiadających badaniom eksperymentalnym. Na rys. 21 przedstawiono porównanie wyników
siła/przemieszczenie trawersy maszyny i wyników symulacji. Wyniki wskazują na istotne różnice.
Rozdział czwarty obejmuje analizę przyczyn różnic wyników symulacji numerycznej oraz
przeprowadzonych badań eksperymentalnych. Autor koncentruje swoją uwagę na przyczynach
związanych z modelem geometrycznym żeber utworzonym na podstawie klinicznej tomografii
komputerowej, wysokiej rozdzielczości tomografii komputerowej i mikrotomografii. Autor
wykazał jak istotne różnice w udziale kości korowej w przekroju żebra występują w zależności od
zastosowanej diagnostyki.
Rozdział piąty zawiera badania modelu żebra, będącego częścią zweryfikowanego modelu
człowieka GHBMC (Global Human Body Models Consortium). Autor przeprowadził interesująca
analizę zachowania modelu żebra ze względu na sposób dyskretyzacji na elementy skończone.
3
Następnie dokonał zmiany udziału kości korowej w budowie żebra i analizował wpływ na
moment bezwładności.
W szóstym rozdziale Doktorant koncentruje się nad korekcją modeli opisanych
w rozdziale 3 na podstawie wniosków z badań opisanych w rozdziale 5. Korygując udział kości
korowej w przekroju budowy żebra uzyskał zmianę momentu bezwładności a wraz z nią poprawę
wyników próby wytrzymałościowej.
Rozdział siódmy jest sentencją rozdziałów poprzednich. Doktorant podsumowuje
i słusznie potwierdza istotność cech geometrycznych i ich wpływ na mechanikę żeber.
Jednocześnie wskazuje na różnice w budowaniu modeli w oparciu o jakość badania tomografii
komputerowej.
Rozdział ósmy i dziewiąty zawiera przeprowadzona analizę badań oraz podsumowujące
wnioski do pracy. Doktorant przeprowadził dojrzałą dyskusję wyników oraz wskazał potrzebę
dalszych badań.
3.







Uwagi do pracy
Praca dotyczy złożonych i trudnych zagadnień, co zrodziło szereg pytań i wątpliwości:
Uwagi do pracy:
Niezwykle ubogo Doktorant potraktował przegląd dotychczasowego stanu wiedzy na temat
badań biomechaniki żeber, zarówno badań eksperymentalnych jak również modelowych. Stąd
też trudno na podstawie pracy ocenić osiągnięcia pracy na tle innych autorów. Podobne
badania prowadzone były między innymi przez Sebastiena Laporte i in. we Francji.
Skromny przegląd literatury, brakuje miedzy innymi badań dotyczących biomechaniki klatki
piersiowej prowadzonych w Katedrze Biomechatroniki Politechniki Śląskiej (dr Bożena GzikZroska), w Zakładzie Inżynierii Biomedycznej i Mechaniki Eksperymentalnej Politechnice
Wrocławskiej (prof. Celina Pezowicz), jak również w Katedrze Automatyki i Biomechaniki
Politechniki Łódzkiej (prof. Jan Awrejcewicz).
Na str. 22 Doktorant wymienia modele człowieka: matematyczne, multi-body oraz
numeryczne, jakie były przesłanki dla dokonania takiego podziału?
W pracy C. Pezowicz, M. Głowacki "The mechanical properties of human ribs in young adult"
(Acta of Bio. and Biomech. 2012) próbę doświadczalną wykonano na żebrach dokonując
ugięcia podobnie jak ma to miejsce podczas wypadków komunikacyjnych i uderzeń np
w kierownicę. Dlaczego Doktorant wybrał w badaniach eksperymentalnych inny sposób
zginania, mało prawdopodobny w warunkach wypadków komunikacyjnych? Jak to uzasadnił
w swojej pracy Matt Kinding? na którego powołuje się Doktorant. Do czego Matt Kinding
wykorzystał swoje wyniki pracy?
W pracy rys. 15 przedstawia badania z wykorzystaniem korelacji obrazu, niezwykle cenna
byłaby weryfikacja modeli numerycznych z wykorzystaniem wyników stanu odkształceń,
a w pracy brak w dalszej treści odniesienia. Dlaczego Doktorant nie skorzystał z wyników
prowadzonych badań z wykorzystaniem korelacji?
Na stronie 47 (ostatnie zdanie) Autor wspomina o sztywności, co tak naprawdę miał na myśli?
na str. 53 wspomina o 20-60% większej sztywności modelu od żeber podczas eksperymentu?
W jakim programie były realizowane badania symulacyjne?
4


Ogólna uwaga do zrealizowanych badań modelowych dotyczy sposobu prezentowania
wyników. Doktorant odnosi się jedynie do badania przemieszczenia jednego z mocowanych
końców żebra, nie podaje rozkładu naprężeń i odkształceń, które byłoby cennie porównać
z wynikami właśnie z korelacji. Znacznie ubogaciłoby to pracę. Ta uwaga jest tym bardziej
istotna, że praca będzie broniona w dyscyplinie "Mechanika".
Spis bibliografii w formie niespełniającej standardy.
Uwagi krytyczne nie umniejszają osiągnięć Autora, mają również charakter dyskusji
naukowej. Ponadto należy stwierdzić, że praca została zredagowana zgodnie z zasadami
przygotowania rozpraw o charakterze naukowym.
4.
Wniosek końcowy
Doktorant w ramach pracy zrealizował interesujące badania modelowe poparte
eksperymentem. Praca doktorska wnosi nowe walory poznawcze i utylitarne. Szczególnie zwraca
uwagę na aspekt często bezkrytycznego korzystania z tomografii komputerowej jako narzędzia
budowania modeli geometrycznych elementów kostnych. Wykazał istotny wpływ jakości
obrazowania na budowę modeli struktur tkanek biologicznych i ich właściwości mechaniczne.
Pozytywnie oceniam dojrzałość naukową Doktoranta, szczególnie co do umiejętności
realizacji i wyboru kierunków prowadzonych badań, szczególnie w tak trudnych zagadnieniach
jak biomechaniczne aspekty modelowania części budowy anatomicznej człowieka. Doktorant
wykazała się umiejętnością właściwego przygotowania warsztatu naukowego, przeprowadził
badania poprzez eksperyment z wykorzystaniem nowoczesnej aparatury badawczej.
Zatem uważam, że przedłożona do oceny rozprawa doktorska Pana mgra inż. Rafała Perza
zatytułowana „Development and validation of the human ribs FE models based on different Xray imaging techniques” odpowiada w pełni wymogom stawianym pracom doktorskim w myśl
ustawy i na tej podstawie stawiam wniosek Wysokiej Radzie Wydziału Mechanicznego
Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej o dopuszczenie jej do publicznej obrony.
Recenzent
5