Recenzja pracy doktorskiej. mgra inż. Konrada Kamienieckiego pt.: Fluid-Structure Interaction Modeling of the Cochlea Macro-Mechanics

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Paweł Flaszyński, prof. IMP PAN Zakład Aerodynamiki Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk Tel: Gdańsk, Recenzja pracy doktorskiej mgra inż. Konrada Kamienieckiego pt.: Fluid-Structure Interaction Modeling of the Cochlea Macro-Mechanics Recenzja pracy doktorskiej, przesłanej w załączniku do pisma nr MEiL-377/2018 z dnia 14 marca 2018, została przygotowana na podstawie uchwały Rady Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej z dnia 30 stycznia 2018 roku. 1. Ocena ogólna Praca Pana mgra inż. Konrada Kamienieckiego dotyczy modelowania propagacji fal akustycznych w kanałach ślimaka ucha wewnętrznego człowieka. Praca powstała na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, a promotorem jest Pan prof. dr hab. inż. Janusz Piechna. System słuchowy człowieka określany jest jako drugi pod względem złożoności po systemie układu wzrokowego. Narząd słuchu składa się z trzech głównych części: ucha zewnętrznego, środkowego i wewnętrznego. Ucho wewnętrzne składa się z szeregu połączonych ze sobą przestrzeni, a jednym z elementów jest ślimak. Przewodnictwo dźwięku w połączeniu z problemem interakcji płynu i ciała stałego jest bardzo złożonym zagadnieniem. Poznanie tego procesu wewnątrz ucha oraz możliwość jego modelowania ma istotne znaczenie dla rozwoju metod umożliwiających budowę implantów oraz poprawę lub przywrócenie zdolności słyszenia. Obecny rozwój metod obliczeniowej mechaniki umożliwia uzyskiwanie wyników, które z dobrą dokładnością przewidują wyniki badań eksperymentalnych lub co najmniej zadowalająco przewidują odpowiednie trendy. Należy jednak podkreślić, że problemy interakcji płynu i ciała stałego wciąż stanowią poważne wyzwanie dla tych metod. W ramach pracy doktorskiej Doktorant wykonał obliczenia modelem jednowymiarowym i trójwymiarowym oraz przeprowadził analizę propagacji fal akustycznych w kanałach ślimaka wypełnionych płynem perylimfatycznym uwzględniając odkształcenia elastycznej błony podstawnej (basiliar membrane). Uzyskane wyniki zostały wykorzystane do oceny wpływu parametrów mechanicznych ślimaka na jego działanie. Praca jest oryginalna i można stwierdzić, że ze względu na znaczenie poznawcze i aplikacyjne wybranego obszaru badawczego podjęta tematyka pracy doktorskiej została określona prawidłowo, a złożoność procesu propagacji fal ciśnienia i ich 1

2 oddziaływania na błonę podstawną stanowi interesujący obszar badań o potencjale nowości naukowej. 2. Ocena szczegółowa Praca jest napisana w języku angielskim i została zredagowana na 136 stronach. Materiał dyskutowany w pracy ujęto w 5 rozdziałach, które poprzedzono spisem rysunków, tabel oraz symboli i skrótów. Na końcu zamieszczono bibliografię zawierającą 79 pozycji w tym 3 pozycje, których Doktorant jest współautorem. W Rozdziale 1, Doktorant przedstawił po krótce anatomię i fizjologię narządu słuchu oraz teorie rozpoznawania dźwięków zaproponowane przez Helmholtza i von Bekesy. Na tym tle przedstawiony jest aktualny stań badań wykorzystujących metody numeryczne oraz sformułowany zakres i cel pracy. Celem pracy jest budowa modeli numerycznych ślimaka z uwzględnieniem interakcji płyn- ciało stałe, wykonanie obliczeń oraz zrozumienie dynamiki procesów w uchu wewnętrznym, a w szczególności propagacji fal akustycznych w płynie perylimfatycznym oraz odkształceń błony podstawnej. W kolejnych rozdziałach, drugim i trzecim, Doktorant przedstawia analizę w oparciu o model jednowymiarowy i trójwymiarowy. W obydwu przypadkach zaproponowane są uproszczenia geometrii ślimaka oraz pominięcie jego wybranych elementów. Ze względu na skomplikowany kształt i budowę ślimaka podane uproszczenie jest uzasadnione. Model jednowymiarowy bazuje na rozwiązaniu równań dla przepływ niestacjonarnego i ściśliwego. Natomiast membrana (błona podstawna) jest traktowana jako układ rezonatorów reprezentowanych przez elementy typu masa-sprężyna-tłumik z jednym stopniem swobody. Poszczególne rezonatory tworzące mogą być analizowane jako sprzężone lub niezależne. Geometria modelu w ujęciu jednowymiarowym składa się z okna owalnego, okna okrągłego, błony podstawnej, schodów przedsionka (scala vestibuli), schodów ślimaka (scala tympani), czyli przestrzeni wypełnionych płynem perylimfatycznym po obu stronach błony podstawnej. Istotnym elementem dla propagacji fali ciśnienia jest helikotrema, gdzie następuję przejście pomiędzy schodami przedsionka i schodami ślimaka. W modelu jednowymiarowym ten element został uwzględniony poprzez odpowiedni warunek brzegowy umożliwiający odbicie fal ciśnienia. W rozdziale 2 Doktorant przedstawił interakcję płynu ze strukturą w dwóch wariantach: tzw. interakcję jednokierunkową i dwukierunkową. W pierwszym przypadku ciśnienie w płynie wpływa na deformację membrany, ale jej odkształcenie nie powoduje zmian ciśnienia. W pierwszej części rozdziału Doktorant podaje, że ruch płynu jest generowany przy pomocy warunku brzegowego typu velocity inlet, który zwykle rozumiany jest jako źródło masy. Dopiero w dalszej części pracy pojawia się informacja, że dotyczy to generowanego ruchu oscylacyjnego, a amplituda założonej prędkości podana jest w Tab.2.1 kilka stron dalej, co pozostawia czytelnika przez jakiś czas bez wiedzy odnośnie przyjętej amplitudy prędkości. Ta informacja jest tym bardziej istotna, gdyż Doktorant wykorzystał wyniki badań eksperymentalnych i warto byłoby zamieścić ją wcześniej. Na str. 62 Doktorant podaje, że dla wymuszenia sinusoidalnego ciśnienie zmienia się łagodnie, co nie miałoby miejsca w przypadku wymuszenia cosinusoidalnego. Nasuwa się pytanie, jakiej sytuacji fizycznej odpowiada wymuszenie cosinusoidalne. Takie wyjaśnienie pojawiło się dopiero w części dotyczącej model oddziaływania dwukierunkowego. Analizowane zagadnienie dotyczy propagacji fal akustycznych, a więc istotnym parametrem jest prędkość dźwięku w płynie perylimfatycznym. W podrozdziale 2.4 podano wzór oraz informację, że dokładną wartość prędkości dźwięku wyznaczono w oparciu obliczenia modelem 3D fluid-structure interaction w programie Ansys. Niestety nie jest jasne w jaki sposób wartość prędkości dźwięku została wyznaczona. Model z jednokierunkową interakcją (pominięty wpływ oddziaływania membrany na ciśnienie w płynie) został wykorzystany do analizy rozkładu ciśnienia po obu stronach 2

3 membrany, a także pokazano wpływ modelowania okna okrągłego na odbicie fal. Na rys przedstawiono rozkład amplitudy różnicy ciśnienia wzdłuż membrany, wskazując na spadek wartości wraz z odległością od jej początku. Widoczny jest spadek amplitudy ze wzrostem częstotliwości wymuszenia. Trudno jednak ocenić podane wartości amplitudy dla różnych częstotliwości wobec różnych wartości amplitudy wymuszenia. Wpływ warunku odbicia fali od okna owalnego na różnicę ciśnienia przedstawiono na rys.2.23, a na lokalne odkształcenie membrany na rys 2.24, wskazując jednocześnie na brak zależności pomiędzy elastycznością okna owalnego i położeniem maksimum odkształcenia membrany. W pierwszej części dotyczącej zastosowania modelu sprzężenia dwukierunkowego, Doktorant porównał wyniki dla wybranych częstotliwości wymuszenia z dostępnymi w literaturze wynikami badań eksperymentalnych. Należy podkreślić uzyskaną dobrą zgodność w badanym zakresie częstotliwości. Analiza wyników wskazuje na wyraźną korelację drgań membrany i ruchu membrany okna owalnego. Interesująco przedstawia się porównanie rozkładu różnicy ciśnienia wzdłuż membrany uzyskanego dla modelu ze sprzężeniem dwukierunkowym (rys.2.33) i jednokierunkowym (rys.2.15). Ogólnie można stwierdzić, że trend zmian jest podobny, ale wartości ciśnienia są o rząd wielkości niższe. Istotną różnicą, na jaką wskazuje Doktorant, jest także obecność lokalnego minimum zlokalizowanego w obszarze największego odchylenia membrany. Kolejne podobieństwo pomiędzy modelami obserwuje się w przypadku wpływu odbicia fali od okna okrągłego. Położenie maksymalnego odkształcenia membrany w obu przypadkach dla częstotliwości wymuszenia jest takie samo Natomiast wartość przemieszczenia jest o 2 rzędy wielkości niższa w przypadku modelu ze sprzężeniem dwukierunkowym. Wyniki przedstawione w rozdziale 2 generują następujące pytania: 1. Co powoduje nagłą zmianę ciśnienia na oknie owalnym w chwili ok s przedstawioną na rys. 2.22? Prawdopodobnie to jest efekt fali powracającej, ale dlaczego na wykresie jest tak gwałtowna zmiana, skoro powracająca fala także mam charakter sinusoidy? Podobne pytanie można zadać do wykresu na Rys.2.26 i skokowej zmiany ciśnienia w dla czasu ok ms i ms. 2. W podrozdziale porównano wpływ wymuszenia sinusoidalnego i cosinusoidalnego. Jakiej częstotliwości dotyczy to porównanie? Czy dla 10kHz? Dla którego miejsca membrany przedstawiono ten przebieg? Jakiemu elementowi odpowiada podane (założone do obliczeń) pole powierzchni? 3. Na rys pokazano wpływ przemieszczenia membrany jako efekt warunków w oknie owalnym. Obserwuje się różne zachowanie dla przedstawionych częstotliwości 10 khz i 0.1 khz. Na rys Doktorant przedstawił rozkład różnicy ciśnienia wzdłuż membrany dla tych częstotliwości. Nasuwa się pytanie co jest przyczyną przeciwnego wpływu założonych warunków na przedstawione wartości dla różnych częstotliwości? 4. W paragrafie przedstawiono wpływ wzdłużnej sztywności na odkształcenie membrany. Wyniki są interesujące, ponieważ widać wpływ sztywności na przemieszczenie membrany, ale brak tego wpływu na zmiany w czasie. Doktorant podaje, że sztywność wzdłużna została wyznaczona metodą elementów skończonych. Niestety brakuje szczegółów (lub odnośnika do literatury) dotyczących wykonanych obliczeń oraz informacji w jaki sposób sztywność wzdłużna jest implementowana w modelu. W rozdziale 3 Doktorant omówił wyniki obliczeń modelem trójwymiarowym wykorzystując program Ansys. W pierwszej części rozdziału zamieszczono informacje 3

4 dotyczące budowy modelu, warunków brzegowych i własności materiałów. W modelu pominięto membranę Reisnera (Reisner s membraine) uzasadniając jej pomijalny wpływ na uzyskiwane wyniki, ale jaki wpływ ma pominięcie w modelu obszaru scala media? Brakuje takiego komentarza. Propagacja fal ciśnienia w obszarze płynu zależna jest nie tylko od przyjętego kroku czasowego, ale także od siatki obliczeniowej oraz schematu numerycznego. W pracy zamieszczono widok siatki obliczeniowej, ale brakuje informacji jaka jest ilość elementów. To prowokuje pytanie jak rozdzielczość przestrzeni wpływa na obserwowane fale. Podobne pytanie zadać w odniesieniu do schematu numerycznego. Jaki schemat wybrano do obliczeń? Przedstawione wyniki prezentują złożony charakter propagacji fal oraz oddziaływanie ciśnienia na membranę i odpowiednio na obszar płynu po drugiej stronie membrany. Doktorant stwierdza, że pomimo sinusoidalnego wymuszenia trudno jest zaobserwować sinusoidalny przebieg sygnału, co wyraźnie widać na wykresach 3.5. Brakuje jednak wyjaśnienia dlaczego ciśnienie po obu stronach membrany od połowy jej długości jest takie samo. Pewnym wyjaśnieniem mogą być wyniki na rys. 3.17, gdzie pokazano ciśnienie w całym obszarze obliczeniowym w wybranych krokach czasowych, ale to nie wyjaśnia jednoznacznie tej wątpliwości. Przedstawiony obraz znowu prowokuje pytanie o rozdzielczość siatki obliczeniowej i jej ewentualny wpływ na uzyskany rozkład ciśnienia. Interesująco przedstawia się porównanie wyników obliczeń modelem jednowymiarowym i trójwymiarowym. Przebieg zmian ciśnienia w wybranym punkcie schodów przedsionka (rys. 4.1) wskazuje na duże podobieństwo w trakcie pierwszej fazy, później różnica narasta. Z kolei na rys. 4.2 pokazano porównanie z wynikami eksperymentu Bekesy. Parametry modelu jednowymiarowego były dobierane w oparciu o charakterystyki wyznaczone przez Bekesy, stąd jego lepsza zgodność z eksperymentem. Doktorant wyjaśnia gorszą zgodność modelu trójwymiarowego wpływem geometrii modelu i własnościami mechanicznymi, natomiast brakuje krótkiej dyskusji, czy wspomniane parametry numeryczne modelu mają lub mogą mieć wpływ na wyniki. Ten problem jest istotny w kontekście praktycznego zastosowania modelu jaki Doktorant omawia w paragrafie 3.8 i możliwości ilościowego przewidywania wpływu zmian konstrukcyjnych stosowanych protez słuchu. Praca została napisana poprawnie, ale Doktorant nie ustrzegł się pomyłek edytorskich lub błędów gramatycznych. Wybrane sformułowania w języku angielskim mogłyby być zmienione, np.: - measurement points - raczej powinno być control points, ponieważ wspomniane punkty nie są punktami pomiarowymi, - określenie pressure migration through membrane nie jest właściwe w odniesieniu do oddziaływania płynu na membranę i następnie membrany na płyn. Niektóre wykresy lub rysunki byłyby lepiej czytelne gdyby dodano opis krzywych, np.: - brak oznaczeń na rys i 2.36, - oznaczenie linii na rys nie jest czytelne, - trudno interpretować dla jakich przypadków przedstawiono krzywe na rys Podsumowanie Podsumowując recenzowaną pracę uważam, że Pan mgr inż. Konrad Kamieniecki przedstawił w rozprawie rozwiązanie interesującego i złożonego zagadnienia propagacji fal ciśnienia w kanałach ślimaka ucha wewnętrznego wypełnionych płynem perylimfatycznym, uwzględniając odkształcenia elastycznej błony podstawnej. Zbudował model jednowymiarowy z różnymi wariantami sprzężenia pomiędzy płynem i ciałem stałym oraz model trójwymiarowy. Uzyskane wyniki umożliwiły ocenę wpływu parametrów mechanicznych ślimaka na jego działanie, a także zakres funkcjonowania obu modeli obliczeniowych. 4

5 Przedstawione rozwiązanie problemu może wpływać na lepsze zrozumienie zjawisk zachodzących w uchu wewnętrznym, a w efekcie na rozwój protez i aparatów słuchowych, które istotnie poprawiają jakość życia osób z wadami słuchu. Natomiast uwagi krytyczne zawarte w recenzji nie pomniejszają wartości przedstawionej pracy doktorskiej. Uważam, że praca doktorska Pana mgra inż. Konrada Kamienieckiego pt.: Fluid- Structure Interaction Modeling of the Cochlea Macro-Mechanics w pełni odpowiada warunkom określonym w Ustawie o Stopniach Naukowych i Tytule Naukowym stawiane rozprawom doktorskim i wnoszę o dopuszczenie jej do publicznej obrony. 5