Recenzja autorstwa prof. Grzegorza Milewskiego

Dr hab. inż. Grzegorz MILEWSKI, prof. PK
Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki
Instytut Mechaniki Stosowanej
Wydział Mechaniczny
Politechnika Krakowska
Al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków
Kraków, 24.05.2016
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Rafała PERZA
pt. “Development and Validation of the Human Ribs FE Models Based on Different
X-ray Imaging Techniques”
Podstawa opracowania: pismo Dziekana Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa
Politechniki Warszawskiej Prof. dr hab. inż. Jerzego Banaszka, nr MEiL - 89/2016 z dn.
30.03.2016 r.
1. Umiejscowienie problemu naukowego rozprawy doktorskiej i jej zakres
Przyjęty temat badawczy ma swoją genezę w pracach badawczych związanych z
biomechanika zderzeń, czy szerzej biomechaniką urazów. Zagadnienia identyfikacji i
modelowania mechanizmów uszkodzeń i na ich podstawie określenia kryteriów uszkodzeń
stanowią ciągle aktualną i nie w pełni rozwiązana tematykę badawczą. Nurty badań
eksperymentalnych
w
testach
zderzeniowych
prowadzonych
w
ramach
badań
homologacyjnych określone są różnymi aktami prawnymi, z których obowiązujące w Europie
zawarte są w Regulaminie nr 94 Europejskiej Komisji Gospodarczej, a w Stanach
Zjednoczonych określone są przez rozporządzenie no. 208 Federal Motor Vehicle Safety
Standards.
Prowadzone
są
też
dodatkowo
konsumenckie
testy
zderzeniowe,
w ramach US NCAP oraz Euro NCAP. Dla przedmiotowych w pracy zagadnień biomechaniki
urazów klatki piersiowej sprowadzają się one do fenomenologicznego określenia kryteriów
uszkodzeń, z których najważniejsze to TCC (Thorax Compression Criterion) oraz CSI (Chest
Severity Index). Ostatnie dekady to bardzo intensywny rozwój metod komputerowych, w
oparciu o komercyjne, jak i dedykowane oprogramowanie CAD i MES, pozwalających na
pełniejsze i lepsze zrozumienie mechanizmów urazów, co w konsekwencji prowadzi do
ciągłego rozwoju urządzeń badawczych i modeli komputerowych, rozwoju badań nad
materiałami i strukturami zabezpieczającymi, w tym systemami zabezpieczeń biernych i
1
czynnych. Recenzowana praca należy właśnie do takiego kręgu tematycznego. Kosztochłonne
i czasochłonne badania i obliczenia wymagają tworzenia zintegrowanych zespołów
badawczych. Wynika stad konieczność tworzenia interdyscyplinarnych grup realizujących
projekty, takie jak przytoczone m.in. w pracy Global Human Body Models Consortium
(GHBMC) tworzony przez koncerny samochodowe, branżowy projekt grupy ANSYS/ LSDYNA Total Human Model for Safety (THUMS ), czy wchodzący w skład VII Program
Ramowego EU projekt Development of a Finite Element Model of the Human Thorax and
Upper Extremities (THOMO).
Efektem uczestnictwa Doktoranta i Jego Promotora w
realizacji takich projektów jest przedmiotowa rozprawa.
Doktorant podjął się w swojej pracy istotnego i złożonego zadania opracowania
algorytmu korekcji geometrii izolowanego żebra w oparciu o równoczesna strategię
obrazowania medycznego metodami tomografii komputerowej wysokiej rozdzielczości oraz
mikrotomografii. Udowodnił, że funkcje korekcyjne dotyczące podstawowych charakterystyk
geometrycznych przekroju żebra mogą być opracowane w oparciu o lokalne analizy μCT
wybranych przekrojów i mogą być stosowane globalnie do poprawy modelu numerycznego
żebra otrzymanego tylko w oparciu o obrazowanie metodą CT wysokiej rozdzielczości.
Zaprezentowane w pracy rozwiązanie jest ciekawe, oryginalne i według mojej wiedzy
nowatorskie. Swoje opracowanie Autor przedstawił łącznie na 132 stronach zawierających
tekst pracy, tabele, rysunki, wykresy, wykaz cytowanej literatury oraz aneks. Rozdział 1
zawiera krótkie wprowadzenie do tematu, podstawy fizykalne metody tomografii
komputerowej, zarys anatomii układu żeber, hipotezę naukową, cele pracy do zrealizowania
oraz
wyraźnie
wyartykułowaną
strategię
badawczą.
Rozdział
2
dotyczy
badań
eksperymentalnych, które stanowią podstawę przebiegów referencyjnych dla dalszych
wyników symulacji numerycznych wariantowych modeli MES izolowanego żebra.
Fundamentalne dla pracy to rozdziały 3 - 7 zawierające analizy numeryczne oraz algorytmy
proponowanej metody korekcyjnej. Pracę zamyka dyskusja, wnioski podsumowujące oraz
wykaz cytowanej literatury.
2. Ocena merytoryczna rozprawy
Dynamiczny rozwój obrazowania medycznego metodą tomografii komputerowej oraz
pojawienie się tomografów nowej generacji sprawia, że jest możliwe osiągnięcie
rozdzielczości rzędu dziesiątych czy setnych części milimetra, co pozwala na jednoznaczną
detekcję złożonych struktur kostnych. Odbywa się to jednak poprzez bardzo duże zwiększenie
2
dawek promieniowania, które mogą przekraczać nawet 200 – 300 krotnie standardową dawkę
promieniowania w projekcji rentgenograficznej, co może być niebezpieczne dla pacjenta.
Współczesne wymogi standardów radiologicznych są bardzo restrykcyjne w tym względzie.
W pewnych zastosowaniach, ograniczonych do stosunkowo małych obszarów, np. w
stomatologii,
problem
ten
rozwiązała
jednokrotna
projekcja
w
technologii
tzw.
wolumetrycznej tomografii stożkowej. W przypadku jednak klatki piersiowej ze względu na
duże pole diagnostyczne jest to niemożliwe. Z tego względu procedura zaproponowana przez
Doktoranta polegająca na równoczesnym zastosowaniu klinicznej tomografii wysokiej
rozdzielczości oraz mikrotomografii do wybranych obszarów żeber jest jak najbardziej
uzasadniona.
Praca ma charakter numeryczny poparty częścią eksperymentalną o charakterze
walidacyjnym. Na przykładzie izolowanych pojedynczych żeber ludzkich Doktorant podjął
próbę modyfikacji modelu numerycznego żebra człowieka stosowanego w projekcie Global
Human Body Consortium. Model, do którego zastosował ‘hybrydową’ metodykę diagnostyki
obrazowej w tomografii komputerowej został sprowadzony z modelu powłokowo-bryłowego
do modelu belkowego istotnie upraszczającego i przyspieszającego procedury obliczeniowe.
Doktorant wyraźnie sformułował tezę pracy reprezentowaną założonymi hipotezami
badawczymi, jak również bardzo szczegółowo przedstawił przyjętą strategię badawczą, co nie
zawsze jest standardem w rozprawach doktorskich. Część dotycząca badań własnych,
zarówno w zakresie eksperymentów laboratoryjnych jak i obliczeń numerycznych została
przeprowadzona bardzo rzetelnie, właściwie udokumentowana graficznie i tabelarycznie.
Zaproponowana procedura numeryczna korekcji charakterystyk geometrycznych przekrojów
żebra, oparta o złożone metody detekcji krawędzi struktur kostnych, dotyczyła pola przekroju
powłokowej części zbitej oraz głównych centralnych momentów bezwładności przekroju. W
konkluzji Autor stwierdził, że dla tak przyjętego modelu numerycznego kliniczna metoda
tomografii komputerowej wysokiej rozdzielczości jest wystarczającą metodą w procedurze
automatycznej generacji modeli cyfrowych rzeczywistych obiektów biologicznych.
3. Uwagi krytyczne
W punkcie tym przestawię najważniejsze uwagi krytyczne, o charakterze ogólnym oraz
szczegółowym, które nasunęły mi się po zapoznaniu się z recenzowaną pracą.
3
1.
Pierwszą, formalną uwagę można odnieść do układu i treści pracy, która bardziej pasuje
do obszernego, szczegółowego i rzetelnego raportu z badań czy projektu, niż do pracy
doktorskiej. W mojej opinii recenzowanej pracy brakuje pewnego dysertatywnego
charakteru. W pracy praktycznie brak jest standardowego dla rozpraw doktorskich punktu
zawierającego analizę stanu wiedzy z przedmiotowego zagadnienia i jego odniesienia do
przedstawionych w pracy osiągnięć. Wstęp jest napisany jak do artykułu w czasopiśmie
naukowym, a nie w rozprawie doktorskiej. Analogiczna uwaga dotyczy skromnej 6stronnicowej dyskusji podsumowującej całość pracy. Dysertatywność tej rozprawy
można by było osiągnąć poprzez wyeksponowanie szerszej dyskusji literaturowej
dotyczącej samych procedur numerycznych związanych z analizą i obróbką obrazów
medycznych czy metod, modeli oraz kryteriów stosowanych w identyfikacji i opisie
mechanizmów uszkodzeń w biomechanice zderzeń.
2.
W kontekście pierwszej uwagi wykaz cytowanej literatury jest również ograniczony do
minimum i nie reprezentuje w pełni aktualnych osiągnięć innych autorów zarówno w
pracach zagranicznych jak i krajowych. Brak jest również konsekwencji w formacie
cytowanej bibliografii.
3.
Weryfikacja doświadczalna rozważanych w pracy modeli numerycznych dokonywana
jest tylko w oparciu o próbę zginania żebra w konfiguracji ‘in plane’. Z tekstu pracy
wynika, że były wykonywane badania tensometryczne, jak również stosowano
bezkontaktową metodę optyczną cyfrowej korelacji obrazu. Jak pisze Autor nie są one
przedmiotem tej prac, ale nic nie stało przeszkodzie by wyniki tych eksperymentów w
zakresie porównania pól przemieszczeń i ich gradientów wykorzystać jako dodatkowe
kryteria walidacyjne. Z pewnością dałoby to szansę na pełniejszą analizę problemu.
Analogiczna uwaga dotyczy pomiaru wszystkich sił reakcji i momentów, co umożliwia
konfiguracja stanowiska badawczego. Prosiłbym o komentarz do tego punktu.
4.
Autor przyjął model ciała idealnie sprężysto-plastycznego, zarówno dla struktury zbitej
jak i trabekularnej. W przypadku struktur kostnych, szczególnie istoty zwartej, trudno
mówić o plastyczności, raczej o sprężystości lub lepkosprężystości. Kość nie wykazuje
własności plastycznych. Modele, które się rozważa to modele sprężyste (o różnym
stopniu
anizotropii),
przebudowy
tkanki
modele
sprężystości
kostnej,
modele
adaptacyjnej
kompozytowe,
uwzgledniające
porowate,
czy
efekty
właśnie
lepkosprężyste. Stosowane przez Autora określenie ‘yield force/stress’ powinno
właściwie być zastąpione przez ‘ultimate force’ czy ‘force to fracture’. Również przyjęte
4
wartości modułu sprężystości (40 GPa) oraz stałej Poissona (0.45) dla kości trabekularnej
nie są poprawne. Ta pierwsza stała jest o ok. 2-rzędy wielkości zawyżona, a taka stała
Poissona zbliża kość do ciała nieściśliwego, a takim ona z pewnością nie jest.
5.
W jednym z modeli numerycznych struktura gąbczasta modelowana jest elementami
bryłowymi. Orientacja struktury trabekularnej jest silnie stochastyczna, a przyjęty w
pracy schemat architektury trabekularnej jest bardzo arbitralny. Czy w tej sytuacji nie
lepiej było uśrednić własności i wartości materiałowe poprzez zastosowanie np. teorii
homogenizacyjnej?
6.
Brak jest też próby dyskusji i uogólnienia wyników pracy na pełny model układu żeber,
uwzględniający mostek oraz połączenia stawowe i chrzęstne. Krótki akapit dotyczący
kierunków przyszłych badań w mojej opinii nie jest wystarczający.
Praca jest napisana starannie edycyjnie, bardzo dobrze zredagowana w języku
angielskim. Powyższe uwagi krytyczne mają charakter polemiczny, których zadaniem jest
poprawa wartości naukowej rozprawy i nie obniżają one zasadniczo jej wartości
merytorycznej jako całości.
4. Wniosek końcowy
Po zapoznaniu się z treścią rozprawy stwierdzam, iż w moim przekonaniu praca jest
poprawna, a przyjęta w niej teza naukowa została udowodniona. Autor realizując założone
cele badawcze pokazał, że funkcje korekcyjne dotyczące podstawowych charakterystyk
geometrycznych przekroju żebra mogą być opracowane w oparciu o lokalne analizy μCT
wybranych przekrojów i mogą być stosowane globalnie do poprawy modelu numerycznego
żebra otrzymanego tylko w oparciu o obrazowanie metodą CT wysokiej rozdzielczości.
Doktorat swoją rozprawą z pewnością wniósł własny wkład w rozwój metod
doświadczalnych i numerycznych w biomechanice zderzeń. Jego dorobek naukowy można
umieścić w dziedzinie nauk technicznych w dyscyplinie mechanika.
Opiniowana praca odpowiada wymaganiom stawianym rozprawom doktorskim i w
nawiązaniu do Ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w
zakresie sztuki wnoszę o jej przyjęcie i dopuszczenie Autora do publicznej obrony przed
stosowną Komisją powołaną przez Radę Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa
Politechniki Warszawskiej.
5