Dr hab. inż. Grzegorz MILEWSKI, prof. PK Kraków, 24.05.2016 Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki Instytut Mechaniki Stosowanej Wydział Mechaniczny Politechnika Krakowska Al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków 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/ LS- DYNA 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 6- stronnicowej 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), modele sprężystości adaptacyjnej uwzgledniające efekty przebudowy tkanki kostnej, modele kompozytowe, porowate, czy 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