2 i HAJ 2018
r /
Ir:
T T !N ^ i^ .x jc /,u k :,
p*- nJę’ w Pol. SI.
Prof. dr hab. inż. Tadeusz BURCZYŃSKI, czł. koresp. PAN
Instytut P odstaw ow ych P roblem ów Techniki PAN ul. A. Paw ińskiego 5B
02-106 W arszaw a
e-m ail: tb u r c z v n s k i( a ) ip p t.p a n .p l
W arszaw a, 19.05.2018
Recenzja
rozprawy doktorskiej
mgra inż. Łukasza Cyganika
Wyznaczanie własności mechanicznych tkanki kostnej gąbczastej na
podstawie obrazowania mikrotomograjicznego
1. Uwagi ogólne
R ozpraw a doktorska m gra inż. Ł ukasza C yganika je st pośw ięcona opracow aniu m etody um ożliw iającej w yznaczanie w łasności m echanicznych tkanki kostnej gąbczastej na podstaw ie obrazów pozyskanych za pom ocą ilościowej m ikrotom ografii kom puterow ej.
Podjęcie tej tem atyki badaw czej należy uznać za niezw ykle trafne z uw agi na
prow adzone badania nad opracow aniem now ych nieinw azyjnych m etod w yznaczania
w łasności m echanicznych tkanki kostnej gąbczastej.
Praca pow stała na W ydziale M echanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej, a je j prom otorem je st dr hab. inż. G rzegorz Kokot.
Biorąc pod uw agę cel i zakres rozpraw y, m ożna ją z całą pew nością zakw alifikow ać do dyscypliny m echanika.
2. Zakres rozprawy
R ozpraw a zaw iera 97 stronic. Składa się ze spisu treści, ośm iu rozdziałów , bibliografii oraz streszczeń w j. polskim i angielskim .
R ozdział 1. m a charakter w prow adzenia i zaw iera zw ięzłe, syntetyczne inform acje dotyczące zagadnień zw iązanych z badaniem w łasności m echanicznych kości, cel i tezę rozpraw y oraz przegląd treści rozpraw y.
^
0
z d z i ^ ^ ,- - p o ś w i^ je st opisow i podstaw tom ografii kom puterow ej w badaniach‘^S H O ^M H eG b an iczn y ch tkanek kostnych. W rozdziale tym przedstaw iono istniejące
2018 -0 5 - 2 1
w literaturze przedm iotu zależności opisujące w łasności m echaniczne tkanki kostnej, a także w yprow adzono now ą zależność opartą na pracy W agnera.
O gólną koncepcję opracow anego podejścia przedstaw ił D oktorant w rozdziale 3.
Rozdział 4. pośw ięcony je st opisow i przebiegu badań eksperym entalnych jak ie w ykonał D oktorant, połegających na próbach ściskania próbek z kości gąbczastej w raz z pom iaram i odkształceń i przem ieszczeń m etodą cyfrowej korełacji obrazu.
Podstaw y M ES przedstaw ił D oktorant w rozdziałe 5.
R ozdział 6. zaw iera opis sym ulacji kom puterow ych prób ściskania próbek.
Porów nanie odkształceń i naprężeń z prób eksperym entalnych i sym ulacji kom puterow ych przedstaw ił D oktorant w rozdziale 7.
W rozdziałe 8. znajduje się om ów ienie uzyskanych wyników. Podsum ow anie uzyskanych w yników znajduje się w rozdziale 9.
Bibliografia zaw iera 83 pozycje literaturowe, w tym 2 pozycje są w spółautorstw a
Doktoranta.
3. Ocena merytoryczna
O ceniana rozpraw a doktorska pośw ięcona je st ważnej i aktualnej problem atyce badaw czej zw iązanej z opracow aniem m etody oceny param etrów m echanicznych tkanki kostnej gąbczastej na podstaw ie nieinw azyjnych badań opartych na obrazow aniu za pom ocą ilościow ej m ikrotom ografii kom puterow ej.
Ilościow a m ikrotom ografia kom puterow a um ożliw ia określenie struktury kości gąbczastej oraz rozkładu gęstości m ineralnej tkanki kostnej. Stosując odpow iedniej zależności pom iędzy m odułem Y ounga, a gęstością m ineralną tkanki kostnej, m ożna następnie w yznaczyć m odułu Y ounga w ew nątrz struktury kości gąbczastej.
D oktorant staw ia tezę, że:
„ M e t o d a w y z n a c z a n i a w ł a s n o ś c i m e c h a n ic z n y c h tk a n k i k o s t n e j g ą b c z a s t e j n a p o d s t a w i e
ilo ś c io w e g o o b r a z o w a n i a m i k r o to m o g r a fic z n e g o , w y k o r z y s t u j ą c a n o w ą , o p r a c o w a n ą
z a l e ż n o ś ć p o m i ę d z y m o d u ł e m Y o u n g a i g ę s t o ś c i ą t k a n k i k o s tn e j, u m o ż liw ia s k u te c z n e
i e fe k t y w n e w y z n a c z a n i e w ł a s n o ś c i m e c h a n i c z n y c h tk a n k i k o s t n e j g ą b c z a s t e j ”.
W literaturze przedm iotu istnieje w iele form uł opisujących zależność m odułu Y ounga od gęstości tkanki kostnej, ale do tej pory nie m a jednoznacznych w yników badań w skazujących, która zależność je st najbardziej w iarygodna. D latego głów ną trudnością w opracow aniu m etody oceny w łasności tkanki kostnej gąbczastej je st w ykreow anie odpow iedniej załeżności korelującej m oduł Y ounga z gęstością o wysokiej dokładności przew idyw ania w łasności m echanicznych.
W ram ach badań przeprow adzonych przez D oktoranta zaproponow ano now ą zależność łączącą m oduł Y ounga z gęstością m ineralną tkanki kostnej oraz zw eryfikow ano ją pod
w zględem dokładności przew idyw ania w łasności m echanicznych. Przy okazji zhadano także kilka innych zależności dostępnych w literaturze. B adania przeprow adzone przez D oktoranta obejm ow ały eksperym entalne testy m echaniczne przeprow adzane na sześciennych próbkach kości gąbczastej, w których w ykorzystano m etodę cyfrowej korelacji obrazu do pom iaru rzeczyw istych pól przem ieszczeń i odkształceń próbek kości poddanych statycznem u ściskaniu. N astępnie D oktorant przeprow adził szereg anałiz num erycznych, w których sym ułow ał statyczne próby ściskania próbek kości gąbczastych w ykonanych w ram ach eksperym entów m echanicznych. M odełe num eryczne próbek kości, oparte na m etodzie ełem entów skończonych, zbudow ane zostały na podstaw ie danych pozyskanych z iłościowej tom ografii kom puterow ej, która um ożliw iła w ygenerow anie przestrzennych m odełi 3D struktury gąbczastej próbek oraz ocenę rozkładu gęstości w ew nątrz tkanki kostnej. Do tego cełu zastosow ano oprogram ow anie M im ics 15.0. W łasności m echaniczne tkanki kostnej w yznaczano w m odelach num erycznych na podstaw ie w ytypow anych przez D oktoranta sześciu zależności m odułu Y ounga od gęstości tkanki kostnej.
Sym ulacje kom puterow e przeprow adzone za pom ocą m etody elem entów skończonych za pom ocą M SC .M arc& M entat dla tak przygotow anych m odeli, pozw oliły uzyskać num eryczne
rozkłady pół przem ieszczeń i odkształceń. W yniki te były dla D oktoranta danymi
porów naw czym i do rozkładów tych pól zm ierzonych za pom ocą m etody cyfrowej korelacji obrazu. Porów nanie w yników otrzym anych z pom iarów eksperym entalnych oraz w yników sym ulacji num erycznych dla łącznie ł ł . różnych próbek kości, pozw oliło D oktorantow i na oszacow anie dokładności przew idyw ania w łasności m echanicznych tkanki kostnej dla każdej badanej zależności. N ajw iększą dokładność uzyskał D oktorant dla zaproponow anej przez siebie m odyfikacji form uły W agnera opisującej zależność m odułu Y ounga od gęstości tkanki kostnej. W ten sposób D oktorant potw ierdził postaw ioną tezę, że zastosow anie tej zależności w połączeniu z ilościow ą tom ografią kom puterow ą tw orzy now ą m etodę nieinw azyjnego w yznaczania w łasności m echanicznych tkanki kostnej gąbczastej.
Do najw ażniejszych osiągnięć D oktoranta należy zaliczyć:
• zaproponow anie m odyfikacji form uły W agnera opisującej zależność m odułu Y ounga
od gęstości tkanki kostnej gąbczastej,
• przeprow adzenie eksperym entalnych badań m echanicznych ściskania 11 próbek,
• zbudow anie m odeli num erycznych i przeprow adzenie sym ulacji kom puterow ych prób
ściskania próbek kości gąbczastej,
• porów nanie w yników eksperym entalnych z w ynikam i sym ulacji kom puterow ych
• podsum ow anie w yników badań oraz zaproponow anie m etodologii badań
nieinw azyjnych w łasności m echanicznych tkanki kostnej.
Zam ieszczone w rozpraw ie w yniki badań św iadczą o bardzo dobrej znajom ości problem atyki badaw czej, dużej pom ysłow ości i profesjonalności Doktoranta.
Struktura rozpraw y je st logiczna i dobrze przem yślana, chociaż sam odzielny rozdział 5. dotyczący podstaw m etody elem entów skończonych (M ES) w ydaje się zbyteczny, poniew aż m etoda je st dobrze znana i w ystarczyłoby podać kilka istotnych faktów na jej tem at w
rozdziale 6. Z w raca uw agę duża pieczołow itość w przygotow aniu w yników badań
eksperym entalnych i obliczeń num erycznych.
Uwagi dyskusyjne
Zaproponow ana przez D oktoranta m odyfikacja form uły W agnera opisująca zależność m iędzy m odułem Younga, a gęstością tkanki kostnej je st niew ątpliw ie istotnym postępem w poszukiw aniu dokładniejszych relacji m iędzy tym i dw om a param etram i. Biorąc jed nak pod uw agę w iększe lub m niejsze osobnicze w łasności m echaniczne tkanki kostnej, w ynikające m.in. z genetycznych i zależnych od w ieku uw arunkow ań, sform ułow anie w iarygodnej determ inistycznej relacji m iędzy m odułem Y ounga i gęstością tkanki kostnej je st praktycznie niem ożliwe. W ydaje się, że jedynym w yjściem je st zaproponow anie niedeterm inistycznej relacji m iedzy m odułem Y ounga, a gęstością tkanki kostnej, uw zględniającej m odele niepew ności bazujące na m odelu probabilistycznym , przedziałow ym lub rozm ytym , np. poprzez w prow adzenie w spółczynników w postaci liczb losow ych, liczb interw ałow ych łub licz rozm ytych.
- Przeprow adzone sym ulacje kom puterow e próby ściskania próbek bazują na złożonych
geom etrycznie m odelach 3D, ale nie uw zględniają podejścia bazującego na m odelu w ielkoskalow ym , które coraz częściej stosow ane je st w analizie tkanek kostnych.
Jakiej zm ianie uległyby w yniki sym ulacji kom puterow ych, gdyby uw zględnić
podejście w ielkoskalow e oraz faktyczną anizotropow ość tkanki kostnej?
Pory żywej tkanki kostnej gąbczastej w ypełnione są płynem (szpik kostny). W jaki sposób m ożna uw zględnić ten fakt w m odelu num erycznym i na ile zm ieniłby on ostateczne w yniki sym ulacji kom puterow ych?
4. W niosek końcowy
R ozpraw a doktorska m gra inż. Ł ukasza Cyganika je st interesującym studium
z zakresu opracow ania m etody oceny param etrów m echanicznych tkanki kostnej gąbczastej na podstaw ie nieinw azyjnych badań opartych na obrazow aniu za pom ocą ilościowej m ikrotom ografii kom puterow ej.
Z am ieszczone w rozpraw ie badania eksperym entalne i sym ulacyjne św iadczą o bardzo dobrym rozeznaniu D oktoranta w obszarze objętym rozpraw ą.
G łów ny cel rozpraw y polegający na udow odnieniu, że zaproponow ana m odyfikacja zależności pom iędzy m odułem Y ounga, a gęstością tkanki kostnej gąbczastej w połączeniu z iłościow ą tom ografią kom puterow ą, m oże być podstaw ą nowej m etody nieinw azyjnego w yznaczania w łasności m echanicznych tkanki kostnej, został osiągnięty, a uzyskane w yniki badań eksperym entałnych i sym ulacji kom puterowej potw ierdzają tę tezę.
D oktorant w ykazał się bardzo dużą w iedzą i dośw iadczeniem oraz posiada istotny i w artościow y dorobek publikacyjny.
Biorąc pod uw agę przedstaw ioną opinię stw ierdzam , iż rozpraw a doktorska m gra inż.
Ł ukasza C yganika w pełni odpow iada w ym ogom staw ianym rozpraw om doktorskim . D oktorant je st dobrze przygotow any do prow adzenia sam odzielnych badań naukow ych.
D latego uw ażam , że przedstaw iona rozpraw a doktorska w pełni spełnia w arunki stawiane rozpraw om doktorskim przez obecnie obow iązującą ustaw ę o stopniach naukow ych i tytule naukow ym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki i w noszę o dopuszczenie jej do publicznej obrony przed R adą W ydziału M echanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej.
