Dr hab

Dr hab. inż. Grzegorz Milewski, prof. PK
Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki
Instytut Mechaniki Stosowanej
Politechnika Krakowska
Kraków, 23.10.2015
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Marty Kozuń
pt. „Wpływ zmian miażdżycowych na właściwości mechaniczne i strukturalne ścian naczyń
krwionośnych”
Podstawa opracowania: pismo Prodziekana Wydziału Mechanicznego Politechniki
Wrocławskiej Dr inż. Tadeusza Lewandowskiego, nr W10/41d/72/2015 z dn. 29.07.2015 r.
1. Zakres rozprawy
Procesy miażdżycowe naczyń krwionośnych określane mianem choroby
cywilizacyjnej, ze względu na rosnącą częstotliwość ich występowania, aktualnie już nie
tylko w populacji ludzi starszych, oraz towarzyszący mu wysoki odsetek śmiertelności,
stanowią jeden z najbardziej istotny problemów społecznych starzejących się społeczeństw.
Brak jednoznacznych, wiarygodnych i obiektywnych kryteriów oceny stopnia rozwoju tej
jednostki chorobowej jest wyzwaniem współczesnej diagnostyki klinicznej oraz inżynierii
biomedycznej.
W literaturze brak jest jednolitych, spójnych modeli opisujących procesy
miażdżycowe tętnic uwzględniających jednoczesne patologiczne procesy strukturalne
zachodzące w naczyniach krwionośnych oraz towarzyszące, skorelowane z nimi zmiany
własności wytrzymałościowych tworzących je tkanek miękkich. Współczesna diagnostyka
miażdżycy oparta jest głównie na zaawansowanych technikach obrazowania medycznego, w
których ocenie podlegają głównie parametry geometryczne związane z narastającą blaszka
miażdżycową. Drugim kierunkiem badań w tej tematyce jest ocena histopatologicznych
strukturalnych zmian zachodzących w tkance łącznej ścian tętnicy towarzyszących rozwojowi
miażdżycy. Kolejnym kierunkiem są badania własności mechanicznych, sprowadzające się na
ogół do porównawczej analizy parametrów wytrzymałościowych zdrowych i miażdżycowych
ścian naczyń krwionośnych. .
W pracy Autorka starała się połączyć wszystkie te nurty badawcze wychodząc ze
słusznego założenia, że podstawowym i nadrzędnym uwarunkowaniem prawidłowej
diagnostyki klinicznej jest analiza i opis dynamiki zmian ścian aortalnych w procesie rozwoju
miażdżycy
skorelowana
ze
zmianami
morfologicznymi
oraz
własnościami
wytrzymałościowymi tworzącej jej tkanki łącznej.
Doktorantka wykonała bardzo szeroki, jak na rozprawę doktorską, program badań
eksperymentalnych obejmujący grupę badawczą składającą się z 90 naczyń patologicznych i
17 zdrowych aort piersiowych, z których preparowano próbki do poszczególnych rodzajów
badań,.
Autorka swoje opracowanie przedstawiła łącznie na 144 stronach maszynopisu
zawierającego tekst, tabele, rysunki oraz wykaz 143 cytowanych pozycji literaturowych.
2. Ocena merytoryczna rozprawy
Przedstawiona do recenzji rozprawia ma typowo doświadczalny charakter.
Doktorantka zaproponowała własną złożoną procedurę badawczą realizując bardzo szeroki
program badań doświadczalnych. Taka metodyka, wraz z rzetelnie przeprowadzoną
wyczerpująca dyskusją wyników, poparta szerokim studium literaturowym aktualnych prac
naukowych z zakresu badań własności strukturalnych i wytrzymałościowych naczyń
krwionośnych, pozwoliła moim zdaniem na zrealizowanie zasadniczego celu naukowego
pracy, którym była identyfikacja i korelacja zmian własności wytrzymałościowych i
morfologicznych struktur aorty płucnej człowieka dla prawidłowej, zdrowej tętnicy oraz w
różnych etapach zaawansowania jej schorzenia miażdżycowego.
Wobec tak zdefiniowanego celu zasadniczego Autorka postawiła sobie w pracy
ambitne szczegółowe cele do zrealizowania, z których najważniejsze to:
określenie jakościowe i ilościowe zmian strukturalnych w ścianach ludzkich aort
piersiowych przyporządkowanych klasyfikacji Stary’ego określającej stopień
zaawansowania
zmian
miażdżycowych;
badania
histopatologiczne
przeprowadzono we współpracy z Katedrą i Zakładem Biochemii Lekarskiej
Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu z zastosowaniem klasycznej
mikroskopii optycznej,
wyznaczenie charakterystyk wytrzymałościowych ścian aorty oraz
poszczególnych jej warstw w poszczególnych etapach rozwoju miażdżycy w
warunkach obciążeń statycznych,
wykonanie badań zmęczeniowych nisko i średnio cyklowych dla próbek ścian
tętnicy aortalnej w funkcji progresji miażdżycy,
wykonanie badań wytrzymałościowych połączenia pomiędzy poszczególnymi
warstwami aorty zdrowej oraz ze zmianami miażdżycowymi,
weryfikacja założenia o nieściśliwości ściany naczynia krwionośnego oraz
poszczególnych jego warstw.
Moim zdaniem większość tych celów, przynajmniej w zakresie doświadczalnym,
udało się Doktorantce w swojej pracy wypełnić. Do pewnych wątków, które mogą budzić
moje wątpliwości, głównie w zakresie przyjętych założeń oraz próby modelowania,
ustosunkuję się w dalszej części recenzji w punkcie uwagi krytyczne.
Do niewątpliwych zalet przedstawionej rozprawy należą:
przedstawienie własnej złożonej propozycji doświadczalnej metodyki korelacji
dynamiki procesu rozwoju zmian miażdżycowych tętnicy aorty płucnej
człowieka w oparciu o analizę zmian własności mechanicznych i strukturalnych
warstwowej tkanki łącznej tworzącej tętnicę,
aplikacja techniki pozyskiwania złożonych preparatów biologicznych do
zróżnicowanych badań wytrzymałościowych w oparciu dostępne dane
literaturowe – należy podkreślić, że badania takie dotychczas nie podlegają
standaryzowanemu protokołowi badawczemu,
zastosowanie w badaniach wytrzymałościowych procedury przestrzennego
pomiaru aktualnej konfiguracji geometrii próbki z wykorzystaniem
bezkontaktowej metody wideoekstensometrów, ,
jakościowy i ilościowy opis korelacyjny zmian strukturalnych ścian tętnicy
(udział włókien elastylowych i kolagenowych oraz mięśni gładkich), na wartości
wytrzymałości, sztywności i odkształcalności ścian aorty płucnej i jej
poszczególnych warstw w różnych fazach zaawansowania miażdżycy, ze
szczególnym uwzględnieniem IV fazy rozwoju tego schorzenia,
2
wykazanie słuszności założenia o braku zmian objętości, czyli nieściśliwości
materiału tworzącego tętnicę, zarówno zdrową, jak i obarczoną zmianami
miażdżycowymi, co w przypadku tej ostatniej nie było do tej pory jednoznacznie
zweryfikowane literaturowo,
rzetelne opracowanie statystyczne wyników bardzo szerokiego programu badań
z uwzględnieniem testu istotności,
bardzo szeroki przegląd literaturowy przedmiotowego zagadnienia w większości
uwzględniający aktualne pozycje z ostatnich kilkunastu lat,
staranna redakcja i edycja praca napisanej bardzo poprawną polszczyzną.
Podsumowując tę część recenzji mogę jednoznacznie stwierdzić, że przedstawiona do
oceny rozprawa zawiera cenne aspekty poznawcze w zakresie bioinżynierii tkanki miękkiej.
Doktorantka rozwiązuje problem opartego na eksperymencie identyfikacyjnego opisu
dynamiki rozwoju zmian miażdżycowych aorty płucnej człowieka, przydatnego do oceny
stopnia zaawansowania tej choroby wraz z towarzyszącą jej analiza własności
wytrzymałościowych ścian aortalnych.
3. Uwagi krytyczne
W punkcie tym chciałem przedstawić pewne wątpliwości i uwagi krytyczne, które
nasunęły mi się po zapoznaniu się z recenzowaną pracą. Najważniejsze z nich to:
Moim zdaniem tytuł rozprawy w zakresie dopełnienia … ścian naczyń
krwionośnych … jest przedmiotowo zbyt obszerny i stanowi pewną
nadinterpretację w stosunku do przedmiotu badań, którym jest tylko aorta
płucna; naczynia krwionośne tworzą tętnice, żyły i naczynia włosowate i są one
istotnie zróżnicowane strukturalnie i czynnościowo, a co za tym idzie również w
zakresie własności mechanicznych,
Dyskusyjnym, ale równocześnie i fundamentalnym założeniem jest przyjęcie
modelu wytrzymałościowego tętnicy jako elementu cylindrycznego; czy jest to
element cienkościenny pracujący w warunkach stanu błonowego, czy jednak
przy skończonej, ale istotnej w stosunku do średnicy grubości ścianki
wielowarstwowego naczynia krwionośnego nie bliżej mu do cylindra
grubościennego analizowanego w warunkach tzw. zadania Lamego determinuje to z kolei przyjęcie płaskiego stanu odkształcenia; Autorka w
zależności od rodzaju zadania badawczego przyjmuje oba podejścia: założenie
ortogonalności w badaniach w kierunku obwodowym i wzdłużnym, a
uwzględnienie naprężeń radialnych w teście wytrzymałości połączenia
adhezyjnego pomiędzy poszczególnymi warstwami ścianki aorty, czy 3
ortogonalnego kierunku w weryfikacji założenia nieściśliwości; prosiłbym o
komentarz i przekonanie mnie co do słuszności przyjętych w pracy założeń,
Doktorantka niezbyt precyzyjnie, często wymiennie, używa pojęcia deformacja,
wydłużenie czy współczynnik odkształcenia, a pojęciem odkształcenie – a nie są
to określenia tożsame; może to prowadzić do niezgodności wymiarowej jak
przykładowo w równaniach (5), (6), (18) czy (19),
W nawiązaniu do poprzedniej uwagi nie jest też do końca jasne jakiej miary
odkształceń używa Doktorantka w swojej pracy – z charakteru eksperymentu
wynika pomiar aktualnej konfiguracji geometrii próbki; ale jakim
aproksymacjom będzie podlegała wielkość przemieszczeń i ich gradientów – od
tego będzie zależało czy związki geometryczne będą liniowe, czy nie i czy opis
przestrzenny będzie tożsamy z opisem materialnym, czy nie; w nawiązaniu do
3
powyższego Autorka w podpisie do tabeli 4.3 podaje tensor deformacji
Cauchego-Greena; takiego tensora nie ma: w teorii sprężystości we
współrzędnych materialnych (układ Lagrange’a) tensor deformacji określa się
pojęciem tensora Green’a, a we współrzędnych przestrzennych (układ Eulera)
tensorem Cauchy’ego; analogicznie, dla tensora odkształcenia to odpowiednio
tensor Greena – de Saint Venanta oraz tensor Almanasiego – Hamela; podobna
uwaga może dotyczyć tensorów naprężeń Cauchy’ego czy Pioli-Kirchoffa I lub
II rodzaju;
Szkoda, że Doktorantka dysponując wynikami tak obszernego materiału
badawczego nie podjęła próby pewnego modelowania konstytutywnego
materiału tkanki łącznej tworzącej zdrową i miażdżycową aortę, przynajmniej w
zakresie propozycji funkcji materiałowych zależnych od cech strukturalnych na
danym stopniu zaawansowania miażdżycy;
Aspekt opisu konstytutywnego tkanki aortalnej jest stosunkowo najsłabszym
elementem pracy; przedstawiona tabela 4.3 czy równania (3) – (6) zawierają
sporo nieścisłości, czy braków w objaśnieniach stosowanych oznaczeń; nie jest
też dla mnie jasne operowanie większą liczbą niż 3 niezmienników tensora
deformacji; dla ciała sprężystego w sensie Greena (a takim jest rozważana w
pracy grupa materiałów sprężystych czy hipersprężystych) potencjał
sprężystości, zarówno dla materiałów izotropowych jak i anizotropowych, zależy
tylko od punktu oraz 3 niezmienników (I1 – ślad tensora, I2 – suma dopełnień
algebraicznych elementów tensora na diagonali oraz I3 – wyznacznika tensora;
dla materiału nieściśliwego wynosi on 1); dla materiałów anizotropowych
występuje jeszcze dodatkowa zależność od bazy układu materialnego, czyli
wersorów tego układu;
Można się było moim zdaniem w pracy pokusić o uzupełnienie jej o elementarną
analizę numeryczną, np. metodą elementów skończonych; geometria fragmentu
aorty jest stosunkowo prosta, a przy wyznaczonych własnych stałych
materiałowych analiza odkształcalności i wytężeń struktur naczynia w różnych
stopniach miażdżycy dawałaby szansę na bardziej rozbudowane wnioski,
Z uwag szczegółowych można mieć tylko zastrzeżenia do prezentowania w
tabelach wyników badań/obliczeń z dokładnością do 3 miejsc po przecinku; nie
jest to uprawnione w sytuacji gdy liczba cyfr znaczących dla danych
wejściowych (chociażby geometrii próbki) dana jest z dokładnością do 1
miejsca po przecinku.
Praca jest napisana bardzo starannie edycyjnie, więc moje uwagi w tym aspekcie mogą
się tylko odnosić do nielicznych błędów redakcyjnych, głównie interpunkcyjnych,
zauważalnych braków bibliograficznych w cytowanych pozycjach literaturowych, czy nie
zawsze konsekwentnego używania jednostek SI. Błędów tych nie eksponuje jako nieistotnych
dla całości pracy.
4. Wniosek końcowy
Podsumowując pragnę stwierdzić, że przedstawiona do oceny rozprawa zawiera cenne
aspekty poznawcze w szeroko rozumianej dyscyplinie mechanika, w zakresie specjalności
biomechanika i inżynieria biomedyczna. W moim przekonaniu praca jest zasadniczo
poprawna, a jej podstawowy cel został zrealizowany, tzn. zastosowano własną metodykę
badawczą opisu procesu rozwoju zmian miażdżycowych aorty płucnej w oparciu o analizę
zmian własności wytrzymałościowych i morfologicznych tkanki łącznej tworzącej tą tętnicę.
4
Praca będąc oryginalnym rozwiązaniem postawionego zadania badawczego stanowi autorski
przyczynek naukowy w zakresie biomechaniki tkanki miękkiej i metod doświadczalnych w
inżynierii biomedycznej.
Biorąc powyższe pod uwagę stwierdzam, że opiniowana praca Pani mgr inż. Marty
Kozuń odpowiada wymaganiom stawianym rozprawom doktorskim i w nawiązaniu do
aktualnie obowiązującej Ustawy o stopniach i tytułach naukowych wnoszę o jej przyjęcie
oraz dopuszczenie do publicznej obrony przed stosowną Komisją powołaną przez Radę
Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej.
Przedstawione w poprzednim punkcie uwagi mają w większości charakter polemiczny
i nie umniejszają one wartości pracy. W zakresie eksperymentalnym praca jest bardzo
obszerna, poprawna i wartościowa, co skłaniałoby mnie do postawienia wniosku o jej
wyróżnienie. Na ostateczną decyzję o tym wniosku będzie miał jednak wpływ przebieg jej
obrony i wyjaśnienia Doktorantki na moje uwagi.
5