Modelowanie biomechaniczne. Dr inż. Sylwia Sobieszczyk Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny KMiWM 2005/2006



Podobne dokumenty
Rozdział 7 MODELOWANIE BIOMECHANICZNE

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Paweł Pełczyński ppelczynski@swspiz.pl

MODEL MATEMATYCZNY DO ANALIZY CHODU DZIECKA NIEPEŁNOSPRAWNEGO*'

BI MECHANIKA UKŁADU KUCHU CZŁOWIEKA

Zdzisław Marek Zagrobelny Woźniewski W ro c ła w iu

Podstawy fizyki wykład 4

Biomechanika. dr n.med. Robert Santorek 2 ECTS F-1-P-B-18 studia

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2013/2014

Mechanika Teoretyczna Kinematyka

Jan Awrejcewicz- Mechanika Techniczna i Teoretyczna. Statyka. Kinematyka

pierwszy termin egzamin poprawkowy

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

15 tyg. 15 tyg. 15 tyg. ECTS. laborat. laborat. semin. semin. ECTS. 15 tyg. ECTS. laborat. laborat. semin. semin. ECTS

Biomechanika Inżynierska

Kształcenie w Szkole Doktorskiej Politechniki Białostockiej realizowane będzie według następującego programu:

Podstawy fizyki wykład 4

Modelowanie jako sposób opisu rzeczywistości. Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechnika Łódzka

Spis treści Przedmowa

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Studia pierwszego stopnia

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

PODSTAWY STATYKI BUDOWLI POJĘCIA PODSTAWOWE

Projektowanie Wirtualne bloki tematyczne PW I

Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych

Spis treści. Przedmowa 11

SYSTEMY MES W MECHANICE

Modelowanie w projektowaniu maszyn i procesów cz.5

15 tyg. 15 tyg. w tym laborat. ECTS. laborat. semin. semin. ćwicz. ćwicz. wykł. ECTS. w tym laborat. 15 tyg. ECTS. laborat. semin. semin. ćwicz.

INSTYTUT TECHNOLOGII MECHANICZNYCH

Dynamika mechanizmów

Modelowanie, sterowanie i symulacja manipulatora o odkształcalnych ramionach. Krzysztof Żurek Gdańsk,

Mechanika teoretyczna

Metoda elementów skończonych

Pytania kierunkowe KIB 10 KEEEIA 5 KMiPKM 5 KIS 4 KPB 4 KTMiM 4 KBEPiM 3 KMRiMB 3 KMiETI 2

Treści programowe przedmiotu

Symulacja Analiza_stopa_plast

HARMONOGRAM EGZAMINÓW

S YL AB US MODUŁ U ( PRZEDMIOTU) I nforma cje ogólne. Biomechanika z elementami ergonomii. Pierwszy

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2013/2014

BIOMECHANIKA NARZĄDU RUCHU CZŁOWIEKA

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

'MAPOSTAW' Praca zespołowa: Sylwester Adamczyk Krzysztof Radzikowski. Promotor: prof. dr hab. inż. Bogdan Branowski

SYLABUS. DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA (skrajne daty)

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

Elementy dynamiki mechanizmów

WPŁYW STABILIZACJI PRZEDNIEJ NA BIOMECHANIKĘ ODCINKA SZYJNEGO KRĘGOSŁUPA CZŁOWIEKA

POLITECHNIKA RZESZOWSKA PLAN STUDIÓW

Mechanika i wytrzymałość materiałów Kod przedmiotu

WYDZIAŁ TRANSPORTU I INFORMATYKI MECHANIKA I BUDOWA MASZYN I STOPIEŃ PRAKTYCZNY

Spis treści WSTĘP... 9

ANALIZA KINEMATYCZNA PALCÓW RĘKI

Symulacja Analiza_belka_skladan a

Mgr inż. Wojciech Chajec Pracownia Kompozytów, CNT Mgr inż. Adam Dziubiński Pracownia Aerodynamiki Numerycznej i Mechaniki Lotu, CNT SMIL

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Karta (sylabus) przedmiotu Kierunek studiów Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Mechanika Techniczna Rodzaj przedmiotu: Podstawowy Kod przedmiotu:

KARTA PRZEDMIOTU. zaliczenie na ocenę WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI

pierwszy termin egzamin poprawkowy

Katedra Mechaniki i Mechatroniki Inżynieria mechaniczno-medyczna. Obszary kształcenia

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Procedura modelowania matematycznego

Ogłoszenie. Egzaminy z TEORII MASZYN I MECHANIZMÓW dla grup 12A1, 12A2, 12A3 odbędą się w sali A3: I termin 1 lutego 2017 r. godz

Modelowanie i obliczenia techniczne. dr inż. Paweł Pełczyński

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

Politechnika Poznańska Wydział Inżynierii Zarządzania. Wprowadzenie do techniki tarcie ćwiczenia

MODELE I MODELOWANIE

Inżynieria Biomedyczna I stopnia (stacjonarne). Siatka obowiązuje od roku akademickiego 2016/2017. Zatwierdzone przez Radę WM i WEiI (22.06.

Nowoczesne narzędzia obliczeniowe do projektowania i optymalizacji kotłów

SYLABUS. DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA (skrajne daty)

PLANOWANE EFEKTY KSZTAŁCENIA DLA KIERUNKU Inżynieria Biomedyczna

1. Obliczenia wytrzymałościowe elementów maszyn przy obciążeniu zmiennym PRZEDMOWA 11

Optymalizacja wież stalowych

MT 2 N _0 Rok: 1 Semestr: 1 Forma studiów:

SYLABUS. DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA (skrajne daty) Biomechanika kliniczna i ergonomia pracy

Politechnika Poznańska

I nforma c j e ogólne. Biomechanika. Nie dotyczy. Pierwszy. Wykłady - 30 godz., Ćwiczenia 20 godz. Dr hab. n. zdr. Anna Lubkowska

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie D - 4. Zastosowanie teoretycznej analizy modalnej w dynamice maszyn

Jacek Skorupski pok. 251 tel konsultacje: poniedziałek , sobota zjazdowa

PODSTAWY SKRAWANIA MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

KIERUNKI I SPECJALNOŚCI NAUKOWE UPRAWNIAJĄCE DO WYSTĄPIENIA O STYPENDIUM PREZYDENTA MIASTA SZCZECIN

Zasady i kryteria zaliczenia: Zaliczenie pisemne w formie pytań opisowych, testowych i rachunkowych.

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA 2016/ /20 (skrajne daty)

RECENZJA. rozprawy doktorskiej mgr inż. Magdaleny Żuk p.t. Spersonalizowane badanie i modelowanie chodu człowieka

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

Rozdział 10 GRAFIKA KOMPUTEROWA DO MODELOWANIA BIOMECHANICZNEGO

Plan studiów na kierunku inżynieria biomedyczna studia stacjonarne WL CM UMK obowiązujący studentów rozpoczynających naukę w roku akad.

Podstawy fizyki sezon 1

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: EIB s Punkty ECTS: 5. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Modelowanie systemów mechatronicznych Platformy przetwarzania danych

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

4.1. Modelowanie matematyczne

Mechanika Analityczna

Spis treści. Wstęp 13. Część I. UKŁADY REDUKCJI DRGAŃ Wykaz oznaczeń 18. Literatura Wprowadzenie do części I 22

Recenzja. rozprawy doktorskiej mgr inż. Yanfei Lu pt. Biomechaniczne i strukturalne aspekty modelowania zrostu i regeneracji kości.

Aparaty słuchowe Hi-Fi z Multiphysics Modeling

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

ODWZOROWANIE RZECZYWISTOŚCI

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Teoria Maszyn i Mechanizmów

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Transkrypt:

Modelowanie biomechaniczne Dr inż. Sylwia Sobieszczyk Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny KMiWM 2005/2006

Zakres: Definicja modelowania Modele kinematyczne ruch postępowy, obrotowy, przemieszczenie, prędkość modele kinetyczne siły wewnętrzne, przyspieszenia, praca, energia, moc, tarcie modelowanie metodą elementów skończonych modelowanie metodą elementów sztywnych

MODELOWANIE Obiekt rzeczywisty Model fizyczny Model matematyczny

Modelowanie Model może być zdefiniowany jako obiekt, istniejący lub abstrakcyjny, który podczas badań, dostarcza informacji na temat rzeczywistego obiektu i powiązanych z nim zjawisk. Model biomechaniczny reprezentacja (mikroskopowa i makroskopowa) systemu biologicznego

Dlaczego modelowanie biomechaniczne? Uproszczenie zrozumienia struktury i funkcji układu biologicznego Uproszczenie analizy kinematycznej i kinetycznej układu biologicznego Obserwacja zachowania układu pod wpływem działania różnych czynników, bez ponoszenia bezpośredniego ryzyka Uproszczenie reprezentacji złożonego układu biologicznego

Do czego służy modelowanie biomechaniczne? Do celów medycznych: monitorowanie funkcji fizjologicznych: ruch człowieka, przepływ krwi, wzrost i rekonstrukcja kości; diagnoza nieprawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka: choroby, wiek, zużycie, wypadki; leczenie, terapia, rehabilitacja, ortopedia; zastępowanie utraconych kończyn i organów: protetyka

Do czego służy modelowanie biomechaniczne? Do celów nie-medycznych: wytrzymałość człowieka na obciążenia: tolerowana siła, przyspieszenie, napięcie, kryteria uszkodzeń głowy, szyi, itd.; inżynieria projektowania bezpiecznych pojazdów: zachowanie ciała ludzkiego podczas wypadków; zapobieganie urazom: kaski, pasy bezpieczeństwa, poduszki powietrzne, bezpieczeństwo produkcyjne, itd.;

Modelowanie biomechaniczne Informacja do budowy modeli biomechanicznych: wiedza (od ogółu do szczegółu) dane eksperymentalne (od szczegółu do ogółu) Parametry wejściowe do budowy modeli biomechanicznych: pomiary bezpośrednie pomiary pośrednie dynamika odwrotna

Model biomechaniczny biomechanika mięśni badanie chrząstek biomechanika stawów lokomocja badanie kończyn mechanika tkanek miękkich przepływy w arteriach

Model biomechaniczny mechanika teoretyczna mechanika płynów elektrotechnika teoretyczna elektronika teoria sterowania cybernetyka techniczna informatyka i bionika mechatronika symulacje komputerowe badania doświadczalne (elektrotensometria, metody ultradźwiękowe, ultrasonograficzne i tomografii komputerowej, itd.)

sztuczne sieci neuronowe metoda elementów sztywnych Modele połączonych segmentów Modelowanie w biomechanice metoda elementów skończonych modele mięśni symulacja dynamiki odwrotnej

Etapy modelowania biomechanicznego 1. Definicja układu 2. Przegląd istniejącej wiedzy (przegląd literatury) 3. Wybór procedury (modelu), która ma zostać zastosowana do dania odpowiedzi na postawione pytanie, wybranie metody badawczej. 4. Ustalenie uproszczeń i założeń, decyzja co powinno znaleźć się w modelu a co można pominąć 5. Sformułowanie matematycznego podejścia (metody statystyczne), które zostanie zastosowane do danych 6. Opracowanie rozwiązania matematycznego (wyniki) 7. Oszacowanie modelu 8. Dyskusja, interpretacja, zastosowanie wyników 9. wnioski

Kategorie modeli biomechanicznych Statyczne i dynamiczne Rodzaje wielkości obiektów punkt linia płaszczyzna bryła Wymiary przestrzeni jednoosiowa dwuosiowa trójosiowa Kinematyczne i dynamiczne Jednosegmentowe i wielosegmentowe

Ograniczenia modeli biomechanicznych Ograniczona liczba zmiennych; wiele kroków przetwarzania do opracowania związków pomiędzy zmiennymi sterowania oraz działaniami EMG; Wiele modeli oszacowań nie jest zdolnych do brania pod uwagę indywidualnych cech.

Podział ciała na segmenty Głowa/szyja Tułów Ramię górne Przedramię Obiekt Udo Środek ciężkości Łydka Stopa

Założenia dla statycznej analizy Znane anatomiczne osie obrotu Jedna grupa mięśni dominuje sterowaniem stawu (połączenia) Znane punkty zaczepienia mięśni Linia działania naprężenia mięśni znana Znane wagi segmentów oraz ich środki cieżkości Brak tarcia w połączeniach Brak rozważania dynamicznych aspektów Analiza 2D Ignorowane odkształcenie mięśni, ścięgien, kości itd.. Wykorzystanie zasady prawej dłoni (reguła śruby)

Modele kinematyczne stopnie swobody (w zależności od kształtu powierzchni i liczby stawów) ruch segmentów i stawów 1 stopień swobody (kolano) 2 stopnie swobody (łokieć, nadgarstek) 3 stopnie swobody (ramię, biodro) nagrania ruchu wizualizacja 3 stopnie swobody 1 stopień swobody

model kinematyczny ramienia Modele kinematyczne

Modele dynamiczne model dynamiki odwrotnej równania ruchu dynamika mięśni optymalizacja dynamiki wprost i odwrotnej Typy modeli: symulacja struktury anatomicznej symulacja zachowania mechanicznego Cechy modeli dynamicznych: brak oszacowania udziału mięśni lub obciążenia stawów, użyteczne dla optymalizacji wejść kinematycznych dla modeli kinetycznych użyteczne do ewaluacji i opisu ruchu patologicznego

Modelowanie metodą elementów skończonych Metody MES używa się do określenia: naprężeń w materiale problemów związanych z kontaktem różnych materiałów optymalizacji projektowania rekonstrukcja geometrii siatka elementów skończonych dla kości i mięśni siatka elementów skończonych dla kości

Symulacja implantu dentystycznego

Analiza FEA trzonu endoprotezy stawu biodrowego 200 kg Geometria Mesh Siatka, materiały, Odkształcenia Rozłożenie warunki brzegowe naprężeń

Symulacja komputerowa: remodeling kości Zdjęcie rentgenowskie Model FEM Zmiana gęstości kości w czasie

Symulacja komputerowa: remodeling kości (cd.) symulacja rekonstrukcji kości Po 6 miesiącach czerwony: wzrost kości niebieski: resorpcja kości

Modelowanie metodą elementów sztywnych Techniki modelowania elementami sztywnymi są użyte do określenia napięć, deformacji, sił, napięcia i ustawień w systemach biomechanicznych, składających się z komponentów strukturalnych takich jak kości, połączenia i wiązadła. Model sztywny jest matematycznym i graficznym opisem pewnego obiektu geometrycznego. Po zbudowaniu modelu sztywnego może on zostać pokryty siatką i przekształcony w model elementów skończonych. m 1, I 1 m 2, I 2 m 3, I 3

Problem dynamiki wprost Całka podwójna F(t) SF= ma r(t) Znane siły Równania ruchu Przemieszczenia

Problem dynamiki odwrotnej Podwójne różniczkowanie r(t) SF= ma F(t) d 2 /dt 2 Znane przemieszczenia Równania ruchu Siły

Podsumowanie Model biomechaniczny: Róźnią się złożonością Bazują na II prawie dynamiki Newtona Wymagają logicznego myślenia Informacja o obciążeniu połączeń i mięśni