Projekty badawcze

 

Opracowanie trójwymiarowego modelu stawu skroniowo-żuchwowego w celu odwzorowania działania aparatu kostno-chrzęstno-więzadłowego dla efektywnej komercjalizacji wyników w protetyce, ortodoncji i chirurgii ortognatycznej

 

Przedmiotem projektu jest opracowanie trójwymiarowego, cyfrowego modelu stawu skroniowo-żuchwowego (SSŻ) z wyznaczeniem geometrii oraz parametrów ruchu dla struktur kostno-chrzęstno-więzadłowych, ze wzbogaceniem o odkształcalność tych struktur. 

W ramach projektu zostaną wykonane badania ruchu żuchwy, z uwzględnieniem zachowania krążka stawowego, z wykorzystaniem zestawu czujników, CBCT (tomografia wiązki stożkowej) i MR (rezonans magnetyczny) oraz wyznaczone charakterystyki właściwości mechanicznych kości i mięśni. Na podstawie tych badań zostaną opracowane modele numeryczne sztywne podstawy czaszki i żuchwy oraz przeprowadzone pełne analizy numeryczne odwzorowujące rzeczywiste ruchy układu stomatognatycznego pacjentów. Pozwoli to na wyznaczenie obwiedni ruchu kłykci stawu s-ż na poziomie każdego pacjenta indywidualnie. Otrzymane wyniki badań zostaną zweryfikowane i zwalidowane oraz wykorzystane do opracowania prototypu nowej w skali świata technologii dla wykorzystania jej w protetyce, ortodoncji i chirurgii ortognatycznej dla wytwarzania medycznych produktów (w tym świadczenia usług) spersonalizowanych do stosowania głównie w terapii chorób cywilizacyjnych.

Kierownik projektu przy PG: Izabela Lubowiecka

Badanie mechanicznych właściwości kości oczodołu i numeryczna analiza dynamiczna urazów oczodołu typu blow-out weryfikowana obserwacjami klinicznymi

 

Celem projektu jest przeprowadzenie kompleksowej analizy zachowania ścian kostnych oczodołu oraz przylegających do niego innych kości twarzoczaszki u człowieka w wyniku urazu tej okolicy. Analiza ma obejmować zarówno wytrzymałościowe próby laboratoryjne zakończone identyfikacją parametrów fizycznych kości budujących ściany oczodołu, jak również wspomaganą komputerowo analizę (nieliniowa analiza dynamiczna) urazów tej okolicy. Celami dodatkowymi będą również: określenie praw konstytutywnych opisujących mechaniczne zachowanie kości okolic oczodołu, numeryczne ustalenie najbardziej niebezpiecznych schematów urazów kości oczodołu oraz ustalenie rozmieszczenia potencjalnych stref uszkodzeń w zależności od kierunku i wielkości działania siły.

Realizacja projektu będzie przebiegała w pięciu etapach. W pierwszym wykonane zostaną laboratoryjne mechaniczne badania kości oczodołu pozyskanych ze zwłok ludzkich, czego efektem będzie kolejny etap, polegający na przeprowadzeniu identyfikacji parametrów fizycznych kości budujących ściany oczodołu. Na tej podstawie, w etapie trzecim, zbudowane zostaną modele komputerowe (wykorzystujące metodę elementów skończonych – element powłokowy oraz bryłowy) czaszki. Następnie, w ramach etapu czwartego przeprowadzona zostanie nieliniowa analiza dynamiczna założonych typów obciążeń impulsowych (o dużym, krótkotrwałym wzroście i spadku wartości siły w funkcji czasu), w efekcie której, w ostatnim etapie, określone zostaną najbardziej niebezpieczne schematy działania sił w okolicach oczodołu w zależności od ich cech (wielkości, kierunku, odstępu pomiędzy poszczególnymi uderzeniami) oraz wynikające stąd potencjalne obszary uszkodzeń kości twarzoczaszki.

Niewątpliwym atutem projektu jest jego interdyscyplinarny charakter, gdyż realizacja zadań będzie możliwa dzięki stworzeniu zespołu złożonego zarówno z lekarzy specjalistów, jak i specjalistów zajmujących się badaniami właściwości fizycznych i mechanicznych materiałów oraz modelowania komputerowego metodą elementów skończonych. Badania stanowić będą uzupełnienie i rozszerzenie dotychczasowych badań wstępnych prowadzonych przez nasz zespół badaczy. Dzięki planowanym badaniom spodziewane jest wyjaśnienie wielu hipotez dotyczących urazów oczodołu między innymi: lokalizacji złamań, wielkości sił potrzebnych do ich wywołania w obrębie poszczególnych jego ścian, odpowiedź na pytanie: dlaczego większość złamań ściany dolnej ma kształt elipsy, czy określenie przyczyn obecności powietrza we wnętrzu oczodołu po niektórych urazach. Takie badania dotychczas nie były prowadzone, co sprawia, że w dużej mierze mają one charakter innowacyjny i interdyscyplinarny. Uzyskane wyniki mogą w przyszłości poszerzyć stan wiedzy w dziedzinie nauk podstawowych, dotyczących zagadnień z pogranicza medycyny oraz mechaniki. Ponadto, posłużyć mogą również do budowy zabezpieczeń ochronnych oka, oraz do stworzenia indywidualnych „wzorców” zniszczeń w obrębie oczodołu, na podstawie których będzie możliwe określenie kierunku i wielkości działania siły w oparciu o obrazy badania klinicznego i radiologicznego chorych po takich urazach, co ma duże znaczenie w orzecznictwie sądowo - lekarskim. Planowane jest ukończenie w ramach grantu co najmniej dwóch prac doktorskich oraz publikacja wyników w czasopismach z listy Web of Science a także prezentowanie rzeczonych rezultatów na konferencjach naukowych, zarówno medycznych, inżynierskich, jak i interdyscyplinarnych (biomechanika).

Kierownik projektu: Paweł Kłosowski

Geometryczno-wytrzymałościowa analiza połączeń ciesielskich

 

Celem projektu jest przeprowadzenie kompleksowych, interdyscyplinarnych badań tradycyjnych połączeń ciesielskich w aspektach: historyczno – architektonicznym, geometryczno – technologicznym oraz statyczno – wytrzymałościowym.

Badania obejmować będą szczegółowe pomiary geometryczne autentycznych złączy wraz z dokładną oceną stanu technicznego, badania laboratoryjne z użyciem nowoczesnej aparatury pomiarowej oraz nieliniową analizę numeryczną. Celem projektu będzie również porównanie wyników uzyskanych we wspomnianych badaniach w odniesieniu do stanu faktycznego autentycznych połączeń.

Kierownik projektu: Izabela Lubowiecka

Powierzchniowe krzywe osobliwe w wypadkowej termodynamice powłok

 

Podstawowe cele projektu:

Sformułowanie nowych, termodynamicznych warunków skoku (ciągłości) na stacjonarnych i ruchomych krzywych osobliwych w ramach termodynamiki powłok.

Rozwinięcie 6-polowej teorii powłok wielopłatowych, zawierających przegubowo złączone i odkształcalne połączenia oraz połączenia wzmocnione belkami.

Opracowanie równań konstytutywnych liniowej i geometrycznie nieliniowej teorii powłok sprężystych i sprężysto-plastycznych, zgodnych z wypadkową teorią powłok wielopłatowych.

Opracowanie powierzchniowego zagadnienia brzegowego procesów przejść fazowych w powłokach w ramach termodynamiki powłok.

Kierownik projektu: Violetta Konopińska-Zmysłowska

Modelowanie ściany brzucha z przepukliną i implantem w ujęciu stochastycznym

 

Przepukliny brzuszne są współcześnie dosyć powszechnym problemem medycznym, szczególnie jako komplikacje po innych operacjach. Niestety w ich leczeniu lekarze wciąż borykają się nawrotami przepukliny, pooperacyjnym bólem i dyskomfortem. Aby wspomóc chirurgów zastosowano podejście mechaniczne i inżynierskie. Jednak pomimo dosyć wielu badań w kontekście mechanicznym przeprowadzonych w ostatnich latach wciąż nie są znane optymalne właściwości ani sposób mocowania implantów. Jednym z problemów w modelowaniu i symulacjach numerycznych jest dużo niepewności o różnych źródłach wynikających m.in. z dużej różnorodności właściwości mechanicznych ściany brzucha, problemów w identyfikacji właściwości in vivo u ludzi itp. W projekcie zastosowano podejście probabilistyczne,  uwzględniono niepewności i zbadano ich wpływ na interesujące z punktu widzenia klinicznego wyniki np. maksymalne siły w łącznikach z uwagi na fakt, iż nawroty są najczęściej spowodowane zerwaniem połączenia implantu z tkanką ludzką

Zastosowano metodę rozwinięcia w chaos wielomianowy w nieinwazyjnym wariancie opartym na regresji. Metoda która pozwala na znaczne zmniejszenie czasu obliczeń w porównaniu do popularnej metody Monte Carlo. Dokładność tej metody zależy jednak od liczby i sposobu wyboru punktów. W projekcie porównano różne strategie wyboru punktów i wyłoniono metodologię, która będzie mogła być używana w dalszych obliczeniach z użyciem podobnych modeli.

Za pomocą globalnej analizy wrażliwości określono wpływ niepewności poszczególnych zmiennych na niepewność wyniku. Wyniki  te będą podstawą do planowania badań doświadczalnych. Rezultaty zostały tez wykorzystane do redukcji modeli pod względem liczby zmiennych losowych co zmniejsza koszt i obliczeniowy. Przyda się to w dalszych pracach nad optymalizacja uwzględniająca niepewności. 

Kierownik projektu: Katarzyna Szepietowska

Optymalizacja leczenia przepuklin brzusznych z użyciem implantów syntetycznych

 

Konsorcjum naukowe Akademii Medycznej w Gdańsku (reprezentowane przez zespół Katedry i Kliniki Chirurgii Ogólnej, Endokrynologicznej i Transplantacyjnej) oraz Politechniki Gdańskiej (reprezentowane przez zespół Katedry Mechaniki Budowli) w latach 2009-2012 realizowało Projekt: Optymalizacja leczenia przepuklin brzusznych z użyciem implantów syntetycznych HAL 2010 w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka finansowanego z funduszy strukturalnych UE. Celem projektu było stworzenie systemu eksperckiego wspomagającej decyzje chirurga w laparoskopowych zabiegach naprawczych przepuklin brzusznych. Wartość dofinansowania wyniosła około 2,8 mln PLN.

W projekcie HAL 2010 wykonano badania przedniej ściany jamy brzusznej w warunkach fizjologicznych i przy współistniejącej przepuklinie. Wykonano również analizę materiałów syntetycznych i biologicznych stosowanych w naprawie przepuklin. Stworzony system ekspercki wskazuje optymalny wybór połączenia implantu w czasie rzeczywistym podczas operacji.

W rezultacie realizacji projektu powstało wiele publikacji naukowych, w tym 8 notowanych w bazie WoS, jedno zgłoszenie patentowe, 8 aplikacji rezultatów w procedurach medycznych. Stworzony system ekspercki został skomercjalizowany.

Kierownik projektu przy PG: Agnieszka Tomaszewska