budowa modelu dynamicznego klatki piersiowej z wykorzystaniem

Edyta ZIÓŁKOWSKA. Studenckie Koło Naukowe Biomechatroniki „Biokreatywni” przy
Katedrze Biomechatroniki Politechniki Śląskiej, Gliwice,
Bożena GZIK-ZROSKA, Katedra Biomateriałów i Inżynierii Wyrobów Medycznych,
Kamil JOSZKO, Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Gliwice.
BUDOWA MODELU DYNAMICZNEGO KLATKI PIERSIOWEJ
Z WYKORZYSTANIEM METODY MULTIBODY
USING MULTIBODY METHODS TO BUILDING A DYNAMIC
MODEL OF CHEST
Słowa kluczowe: model dynamiczny, klatka piersiowa, multibody
1. WSTĘP
Modelowanie dynamiczne najczęściej wykorzystywane jest w branży motoryzacyjnej, ze
względu na możliwość otrzymania wartości przemieszczeń, prędkości i przyspieszeń
analizowanych podczas wypadków samochodowych. Najczęściej wykorzystywanymi
programami do symulacji wypadków i projektowania systemów bezpieczeństwa
wykorzystywane są programy MADYMO i PAM-CRASH. Modelowanie daje możliwość
przewidywania skutków i analizy zachowań badanych obiektów, bez konieczności
prowadzenia drogich, niepowtarzalnych i często inwazyjnych eksperymentów [4,5,6]. Takie
badania nie tylko wspomagają branżę motoryzacyjną, ale także świat medyczny.
Opracowywane modele dają możliwość wszechstronnej analizy między innymi
przewidywania skutków działań zderzeń na człowieku [1,3]. Modele stały się narzędziami
wszechstronnego użytku, pozwalające na zdobywanie informacji o badanym obiekcie.
2. METODYKA BADAŃ
Celem pracy była budowa modelu dynamicznego klatki piersiowej z wykorzystaniem
metodyki układów wieloczłonowych – multibody.
Budowę modelu klatki piersiowej rozpoczęto od opracowania geometrii 3D na podstawie
zdjęć z tomografii komputerowej dorosłego mężczyzny w programie Mimisc. Model
uwzględniał następujące elementy:
- 11 kręgów piersiowych (od Th1 do Th11),
- 11 par żeber,
- żebra chrzęstne,
- mostek z wyszczególnieniem rękojeści, trzonu i wyrostka mieczykowatego.
Model geometryczny następnie wyeksportowano do programu Madymo, w celu
opracowania modelu dynamicznego. W modelu dynamicznym kości zamodelowano jako
bryły sztywne – nieodkształcalne, które połączone są przegubami oraz elementami typu
sprężysto-tłumiącego. Przeguby pełnią rolę stawów, występujących pomiędzy kręgami a
żebrami, oraz w miejscach połączenia fragmentów żeber, natomiast elementy sprężystotłumiące zastępują mięśnie i zostały umieszczone w przestrzeni międzyżebrowej (Rys.1).
Masy elementów kostnych i chrzęstnych obliczono w programie Ansys na podstawie
uśrednionej gęstości ρ=1.375 g/cm3 dla kości i ρ=1.3 g/cm3 dla chrząstki, a pozostałe
XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 148
elementy potraktowano jako bezmasowe. Model został zweryfikowano na podstawie danych
literaturowych pozyskanych z testu Kroell`a opisanego w pracy Cavanaugh’a [2]. Po
zweryfikowaniu modelu, kolejnym etapem było przeprowadzenie symulacji numerycznych
odzwierciedlających proces resuscytacji. Przeprowadzone obliczenia dają możliwość
przeanalizowania sił występujących w miejscach połączeń elementów klatki piersiowej.
Rys.1. Model klatki piersiowej w programie Madymo: a) widok z przodu, b) widok izometryczny
3. PODSUMOWANIE
Opracowany model dynamiczny klatki piersiowej daje możliwość analizy sił
powstających w połączeniach poszczególnych elementów podczas procesu resuscytacji, ale
nie tylko. Model może zostać również wykorzystany do analizy urazów powstających w
trakcie wypadków samochodowych. Dzięki swej uniwersalnej budowie model może również
posłużyć do symulowania lejkowatej oraz kurzej deformacji klatki piersiowej dokonując
zmian jego geometrię, poprzez zmianę położenia poszczególnych części anatomicznych, tak
aby odwzorowywały dane schorzenie.
LITERATURA
[1] Tejszerska D., Świtoński E., Gzik M.: Biomechanika narządu ruchu człowieka. Wyd.1.
Instytut Technologii Eksploatacji - PIB, Radom, 2011
[2] Cavanaugh J.M.: Biomechanics of Thoracic Trauma. Accidental Injury. Springer Science
+ Business Media New York 2002 s.374-404
[3] Watras T., Gzik-Zroska B.: Badania numeryczne stanu naprężeń prawidłowej klatki
piersiowej. Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 6/2012 s. 157-162
[4] Gzik M.: Modelowanie oraz nowoczesne metody inżynierskiego wspomagania leczenia
wad narządu ruchu człowieka. Biblioteka problemów eksploatacji. Gliwice-Radom 2013
[5] Forbes P.A., Cronin D.S., Deng Y.C. Boismenu M.: Numerical human model to predict
side impact thoracic trauma. IUTAM Proceedings on Impact Biomechanics: From
Fundamental Insights to Applications, 441–450, 2005 Springer
[6] Han Y., Yang J., Mizuno K., Matsui Y.: A study on chest injury mechanism and the
effectiveness of a head form impact test for pedestrian chest protection from vehicle
collisions. Safety Science 50 (2012) 1304–1312
[7] Wytyczne resuscytacji 2010. red. nauk. Andres J. Polska Rada Resuscytacji. FALL
Kraków 2010.