Recenzja rozprawy doktorskiej mgr. inż. Michała Tomaszewskiego

Transkrypt

1 Wydział Inżynierii Biomedycznej Katedra Biomechatroniki dr hab.inż. Wojciech Wolański prof. PŚ Zabrze, r. Recenzja rozprawy doktorskiej mgr. inż. Michała Tomaszewskiego pod tytułem Numeryczno-eksperymentalne badania przepływu płynu w wybranych odcinkach naczyń wieńcowych Podstawę opracowania stanowi pismo Dziekana Wydziału Mechanicznego Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie z dnia r. podyktowane decyzją Rady Naukowej Wydziału w dniu r. oraz dołączona do niego rozprawa doktorska mgr. inż. Michała Tomaszewskiego napisana pod opieką naukową prof. dr. hab. inż. Jerzego Małachowskiego oraz promotora pomocniczego dr. inż. Kamila Sibilskiego. 1. Ogólna charakterystyka rozprawy Opiniowana praca doktorska poświęcona jest istotnym zagadnieniom związanym z analizą hemodynamiczną przepływu krwi w różnych naczyniach wieńcowych, począwszy od fizjologicznie prawidłowych, poprzez patologicznie zmienione, a skończywszy na naczyniach po przeprowadzonym zabiegu angioplastyki. Podjęta tematyka zalicza się do istotnego nurtu rozwoju współczesnych metod obliczeniowej dynamiki płynów i jest współcześnie ważna zarówno od strony naukowej, jak i praktycznej. Aktualności tematyki pracy należy upatrywać w założeniu poruszanych zagadnień, które dotyczą nowych metod leczenia chorób układu krwionośnego będących wg danych statystycznych z 2017r. główną przyczyną śmierci blisko 2 mln ludzi w Unii Europejskiej. Współczesny stan wiedzy i techniki pozwala na opracowywanie nowych metod angioplastyki balonowej z wykorzystaniem stentu o specyficznych właściwościach dostosowanych do miejsca implantacji w naczyniu, które uległo chorobie. Ich dalszy rozwój jest możliwy dzięki zastosowaniu metod komputerowych pozwalających na zgłębianie i zrozumienie zjawisk oraz procesów zachodzących podczas przepływu krwi w naczyniu. Wyniki symulacji komputerowych pozwalają określić parametry hemodynamiczne m.in. naprężenia ścinające, które uważane są za główny czynnik powodujący restenozę naczyń będącej jednym z najistotniejszych problemów interwencyjnego leczenia chorób wieńcowych. Pomimo aktualnie prowadzonych badań w wielu ośrodkach naukowych brakuje informacji w pełni określających i wyjaśniających to zjawisko. Takiej próby podjął się Doktorant, który w rozprawie przeprowadził badania eksperymentalne i modelowe przepływu płynu przez różne naczynia wieńcowe wykorzystując do tego metody numeryczne (obliczeniowe) mechaniki płynów CFD (ang. Computational Fluid Dynamics). W następstwie tych badań zostały uzyskane nowe informacje zwłaszcza o zjawiskach występujących po wprowadzeniu stentów do naczyń krwionośnych. Na ich podstawie mogą zostać opracowane wymagania i określone wytyczne do poprawy zabiegów angioplastyki wieńcowej. W tym kontekście dobór tematu pracy, uważam za prawidłowy i aktualny, mieszczący się w ważnym i priorytetowym obszarze naukowym, który wpisuje się w dyscyplinę: mechanika. 1

2 2. Struktura i zawartość rozprawy Recenzowana praca została napisana na 147 stronach maszynopisu w formie zwartej publikacji złożonej z ośmiu rozdziałów w skład, której wchodzi streszczenie w języku polskim i angielskim, spis bibliografii, a także załącznik zawierający charakterystyki ciśnienia i natężenia przepływu uzyskane w trakcie badania eksperymentalnego oraz kod programu pracy pompy. Tytuły poszczególnych rozdziałów są następujące: (1) Wprowadzenie; (2) Geneza i cel pracy; (3) Analiza stanu zagadnienia; (4) Badanie eksperymentalne przepływu płynu przez sztuczne naczynie; (5) Metoda numerycznego modelowania przepływu płynu przez różnego rodzaju tętnice; (6) Wyniki badań eksperymentalnych; (7) Porównanie wyników badań eksperymentalnych z wynikami obliczeń numerycznych; (8) Podsumowanie i wnioski. Pracę kończy spis literatury zawierający 90 pozycji. W pierwszym rozdziale Doktorant zawarł wprowadzenie do problematyki podjętej w pracy doktorskiej. Dokonał omówienia prac naukowych, zagadnień dotyczących procesów hemodynamicznych, a także metod stosowanych do analizy przepływu krwi w naczyniach. Pozwoliło mu to zaplanować badania przepływu płynu w wybranych odcinkach naczyń wieńcowych. W drugim rozdziale została przedstawiona geneza i cel rozprawy, którym są badania numeryczne oraz eksperymentalne przepływu krwi w różnego rodzaju naczyniach. Do ich realizacji Doktorant widzi potrzebę wykonania zadań cząstkowych, co umożliwi walidację wyników numerycznych oraz zrozumienie zjawisk zachodzących podczas przepływu płynu przez naczynia. Rozdział trzeci zawiera analizę aktualnego stanu wiedzy na gruncie przeglądu literatury, który swoim zakresem obejmował zagadnienia dotyczące fizjologii układu krwionośnego, metod pomiaru przepływu płynów, a także metod i analiz numerycznych przepływu przez naczynia. Przedstawiono w nim również ocenę stanu zagadnienia oraz wytyczne/założenia do zaplanowanych badań. W rozdziale czwartym zostały zawarte badania eksperymentalne przepływu płynu przez sztuczne naczynia. Przedstawiono w nim projekt i budowę stanowiska doświadczalnego, a także warunki badań, tj. nastawy pompy, parametry układu pomiarowego oraz obiektu badań. Jednakże, wyniki badań eksperymentalnych i ich analiza zostały przedstawione w rozdziale szóstym. Natomiast w rozdziale piątym została zaprezentowana metoda numerycznego modelowania przepływu płynu przez tętnice. Przedstawiono w nim siedem różnych modeli naczyń, które zostały podzielone na dwie grupy: (i) modele naczyń przed i po zabiegu angioplastyki (ii) modele sztucznych naczyń użytych w badaniach eksperymentalnych. Zaprezentowano w nim również wyniki symulacji przepływu dla analizowanych przypadków, dla których uzyskano rozkłady prędkości, ciśnienia, a także naprężenia ścinającego powstałe na skutek przepływu płynu przez naczynie. Rozdział siódmy zawiera porównanie wyników badań eksperymentalnych z wynikami obliczeń numerycznych, na podstawie których dokonano weryfikacji symulacji komputerowych. W ostatnim rozdziale przedstawiono podsumowanie rozprawy oraz wnioski wynikające z jej realizacji. W rozdziale tym zostały również podkreślone oryginalne efekty rozprawy, a także zaplanowano dalsze badania. Przedstawioną rozprawę doktorską pod względem układu, podziału na rozdziały oraz poziomu edytorskiego oceniam bardzo pozytywnie. Należy przy tym podkreślić dbałość Doktoranta o stronę redakcyjną pracy, której cenną zaletą jest zwięzła i przejrzysta prezentacja treści ze sporą ilością kolorowych i dużych rysunków, które sprawiają, że recenzowaną dysertację czyta się z dużą przyjemnością. 2

3 3. Wartość merytoryczna rozprawy Po zapoznaniu się z treścią całej rozprawy można zauważyć, że skoncentrowana jest na badaniach modelowych i eksperymentalnych (doświadczalnych) dotyczących analizy przepływu płynu przez naczynia krwionośne. Przedstawiony przez Autora dobór narzędzi i metod badawczych jest prawidłowy. Wyniki badań Doktorant zaprezentował w sposób bardzo czytelny, dokonując przy tym ich interpretacji na tle literatury przedmiotu. Natomiast przeprowadzone porównanie wyników obliczeń numerycznych z wynikami eksperymentalnymi pozwoliło Doktorantowi dokonać weryfikacji symulacji komputerowych, a także sformułować ciekawe i poprawne wnioski. Głównym zagadnieniem naukowym, które w rozprawie Doktorant rozpatruje jest analiza parametrów hemodynamicznych przepływu krwi przez różnego rodzaju naczynia wieńcowe. Przeprowadzona analiza literatury światowej pozwoliła Doktorantowi zaznajomić się z aktualnym stanem wiedzy rozpatrywanej problematyki i twórczo rozwinąć sposoby modelowania zwłaszcza naczyń stentowanych. Doktorant opracował metodykę badań modelowych i doświadczalnych oraz warunki początkowo-brzegowe dla ich przeprowadzenia, które odpowiadają współcześnie przyjętym standardom. W zaplanowanym programie badań Doktorant swoją uwagę skupił na kilku aspektach naukowych, a mianowicie na wyznaczeniu wskaźników hemodynamicznych związanych z przepływem płynu przez naturalne i stentowane naczynia, a także na określeniu wpływu stentów oraz stanów chorobowych na zmiany tych wskaźników. Realizacja zaplanowanego programu badań stanowi samodzielny i oryginalny dorobek Autora, których wyniki uzupełniają aktualny stan wiedzy dotyczący zjawisk zachodzących podczas przepływu płynu przez naczynia wieńcowe. Do istotnych i oryginalnych elementów rozprawy należy zaliczyć: opracowanie stanowiska badawczego do eksperymentalnej analizy przepływu przez sztuczne naczynie bez stentu oraz z zaimplantowanym stentem o czterech różnych konstrukcjach, dzięki któremu zostały określone warunki początkowo-brzegowe dla analizowanych przypadków; symulacje komputerowe przepływu płynu przez naczynia ze zwężeniem oraz po angioplastyce z różnymi stentami, na podstawie których wyznaczone zostały parametry hemodynamiczne takie, jak: WSS - wall shear stress, TAWS - time average wall shears stress, OSI - oscillatory shear index, RRT - relative residence time. Przedstawione w rozprawie badania modelowe i eksperymentalne umożliwiły Doktorantowi sformułowanie przekonywujących spostrzeżeń i wniosków, które poparte uzyskanymi wynikami stanowią potwierdzenie realizacji przyjętego celu. W rozprawie uwidoczniono zmiany parametrów hemodynamicznych przepływu krwi wewnątrz naczynia chorobowo zmienionego, czy też z zaimplementowanym stentem. Dokonana analiza wyników pozwoliła określić wpływ implantacji stentów na zmiany parametrów hemodynamicznych, a także opracować zalecenia do projektowania konstrukcji stentów by minimalizować negatywne skutki ich implantacji. Efekty i wyniki rozprawy posiadają duży potencjał aplikacyjny, gdyż mogą stanowić wsparcie w procesie opracowywania nowych konstrukcji stentów naczyniowych, które będą stosowane w leczeniu niedokrwiennych chorób serca. Doktorant również zauważa potrzebę prowadzenia dalszych badań dla pełnego zrozumienia zjawisk zachodzących podczas przepływu płynu w naczyniu zwłaszcza w kontekście doświadczalnych pomiarów parametrów hemodynamicznych po implantacji stentu w naczyniu. 3

4 4. Uwagi szczegółowe i krytyczne Praca zredagowana jest poprawnie w sposób zrozumiały z właściwą systematyką rozwiązywanych zagadnień. Niemniej jednak, dobrą praktyką jest umieszczenie w pracy wykazu skrótów i oznaczeń, które zostały zawarte w treści rozprawy, lecz jego brak nie umniejsza jej wartości. Zwięzłość opracowania naukowego świadczy o dużej dojrzałości naukowej Autora. Dowodem jest samodzielność w generowaniu programu badawczego i jego realizacji, aż do wyciągania konstruktywnych wniosków. Mały niedosyt budzi proponowany kierunek dalszych działań skupionych tylko na rozwoju metod doświadczalnych celem zobrazowania przepływu płynu w pobliżu stentu umieszczonego we wnętrzu naczynia. W mojej opinii, również formułowany cel rozprawy jest mało ambitny. Przy jego formułowaniu Doktorant powinien sugerować się zasadą SMART, według której cel powinien być: specyficzny, mierzalny, osiągalny, istotny oraz określony w czasie. Przyjęty cel cyt. modelowanie przepływu w różnego rodzaju naczyniach przy wykorzystaniu numerycznej mechaniki płynów oraz zbudowanie stanowiska eksperymentalnego umożliwiającego przeprowadzenie analizy dla różnego rodzaju naczyń ze stentem, a także walidacja opracowanych modeli numerycznych nie wyczerpuje w pełni istoty problemu, a raczej jest asekuracyjną wersją tak, jakby Doktorant nie był przekonany w jego osiągnięcie. Jednakże, efekty pracy oraz przeprowadzone badania i uzyskane wyniki z nadwyżką potwierdzają jego realizację. Praca zawiera także pewne fragmenty wymagające dyskusji i wyjaśnienia ze względu na ujęte skróty myślowe lub zawarte ograniczenia, które nie ujęto w części opisowej poszczególnych rozdziałów. Szerszego wyjaśnienia wymaga ogólne przedstawienie modeli dyskretnych rozpatrywanych domen, a w szczególności tworzenie warstw przyściennych (granicznych), gdyż brakuje opisu sposobu doboru wielkości elementów, ilości warstw, a także ich grubości. Również w opisie badań i budowie modeli Doktorant dokonał wielu uproszczeń. Na przykład, nie został w pełni uzasadniony wybór modelu naczynia ze sztywną ścianą pomijając relacje odkształceniowe na skutek oddziaływania płynu (fluid-structure interaction - FSI). Ponadto, nie doprecyzowano sposób modelowania płynu symulującego krew, pomijając przy tym dwufazowy charakter przepływu. Biorąc pod uwagę wielkość erytrocytów krwinek czerwonych, których średnica wynosi 6-9 μm, a grubość 2-2,5 μm, są one zbliżone do najmniejszych wielkości objętości skończonych wynoszących 4 μm modeli dyskretnych rozpatrywanych naczyń. W tej skali przy zastosowaniu dwufazowego modelu przepływu dodatkowo można byłoby podjąć próbę wyjaśnienia zjawiska osadzania się krwinek czerwonych wokół stentu tj. procesów trombolizacji. Kolejna uwaga dotyczy opisu badań eksperymentalnych. Stosowane skróty myślowe wymagają wyjaśnienia, jak np. w opisie obiektu badań doprecyzowania wymaga zwężenie przepływu w postaci włókna materialnego (str. 45). Podobna uwaga dotyczy podawanych wymiarów średnicy sztucznych naczyń bez wyjaśnienia czy jest to średnica wewnętrzna czy zewnętrzna. Zastanawiająca jest także postać wykresu prędkości zaprezentowanej na Rys.5.29a, który zawiera ujemne wartości, co może świadczyć o przepływie w przeciwnym kierunku. Dyplomant powinien także wyjaśnić, dla której fazy przepływu zostały wyznaczone rozkłady wskaźników hemodynamicznych prezentowane na rys (str. 76). Podobna uwaga dotyczy prezentacji profili prędkości na rys zawierające różne ilości linii pomiarowych, a których opisy niejednoznacznie precyzują jakich przypadków dotyczą i to samo dotyczy rys Wyjaśnienia wymagają zagadnienia techniczne, które wystąpiły w trakcie pomiaru, umożliwiając uzyskanie pomiarów jedynie dla ekspozycji pojedynczej (str. 93). 4

5 Przeprowadzona w rozprawie weryfikacja wyników obliczeń numerycznych poprzez porównanie z wynikami badań eksperymentalnych jest prawidłowa. Jednakże, Autor powinien wyjaśnić jak został obliczony błąd względny wynoszący 5% pomiędzy maksymalnymi wartościami prędkości dla rozpatrywanych przypadków (str.103), gdyż nie wynika to z wykresów przedstawionych na rys Dodatkowo Autor powinien podać dla jakich płaszczyzn (linii) pomiarowych były porównywane wyniki. Ponadto, porównując maksymalne uśrednione wartości prędkości przedstawione na rys.7.5 błąd również dla niektórych nastawów pompy jest większy, np. przy 50 obr./min różnica względna wynosi ok. 20%. Podobna sytuacja występuje dla przypadku G2.2, gdyż różnice pomiędzy wynikami numerycznymi a doświadczalnymi wynoszą ok. 10%. Ogólnie, gdyby brać pod uwagę jedynie profile prędkości, to widać dużą zgodność jakościową pomiędzy wynikami. Jednak, aby powoływać się na ilościową zgodność wyników należałoby dokonać szerszej analizy statystycznej wyników. W pracy zauważalne są też pewne błędy natury redakcyjnej, do których można zaliczyć m. in.: - podpis rysunku 5.12 zawiera błąd w podpisie, jest sten, a powinno być stentu; - błędne użycie określenia trójwęzłowe do elementów tetragonalnych, które z natury posiadają cztery węzły wierzchołkowe (str. 51); - na rysunku 7.12 maksymalna wartość prędkości przepływu w badaniu eksperymentalnym wynosi 2,07 m/s, a w tekście została użyta wartość 1,76 m/s (str. 108); - podobny błąd popełniono w odniesieniu do rys przyjmując w treści rozprawy jednakowe wartości prędkości przepływu dla badań numerycznych i eksperymentalnych; - sporządzony spis literatury wg kolejności cytowania utrudnia jego ocenę, lepszą formą jest alfabetyczne uporządkowanie literatury wg nazwisk pierwszych autorów. Pozostałe drobne uwagi i błędy redakcyjne zostały zaznaczone w pracy i przekazane Autorowi. 5. Ocena koocowa Podsumowując, uważam, że rozprawa Pana mgr. inż. Michała Tomaszewskiego w sposób oryginalny rozwiązuje podjęty problem naukowy dotyczący wpływu zmian chorobowych i angioplastyki ze stentem na parametry hemodynamiczne przepływu w naczyniach wieńcowych. To świadczy o dobrej wiedzy Doktoranta w zakresie metod numerycznych wykorzystywanych w mechanice płynów. Pragnę zaakcentować jakość i dobór zarówno standaryzowanych metod badawczych, jak i własnego autorstwa, opracowanych na potrzeby niniejszej pracy, które są dowodem samodzielnego prowadzenia pracy naukowej. Na szczególne podkreślenie zasługuje opracowanie stanowiska laboratoryjnego do badania przepływów, które może być wdrożone do walidacji stentów. Reasumując stwierdzam, że recenzowana rozprawa doktorska stanowi istotny przyczynek do badań naukowych przepływu krwi przez naczynia po agioplastyce ze stentami stosowanymi w leczeniu niedokrwiennych chorób serca. Natomiast przedstawione w recenzji uwagi mają znaczenie porządkujące oraz stanowią element do dyskusji z Autorem rozprawy. Wobec powyższego uważam, że praca mgr. inż. Michała Tomaszewskiego pt.: Numerycznoeksperymentalne badania przepływu płynu w wybranych odcinkach naczyń wieńcowych spełnia warunki stawiane rozprawom doktorskim i wnioskuję do Rady Wydziału Mechanicznego Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie o dopuszczenie jej do publicznej obrony. Ponadto, biorąc pod uwagę aktualność tematu, oryginalność użytej metodyki badawczej i dojrzałą interpretację wyników pracy wnioskuję o jej wyróżnienie. 5