dr hab. inż. Jerzy M endakiew icz prof. nzw. w Pol. SI.
Instytut M echaniki i Inżynierii Obliczeniowej W ydział M echaniczny Technologiczny Politechnika Śląska
G liw ice, dn. 3 0 .0 6 .2 0 14r.
H 7 T R K A N
W yda > Technologicznego
prof. dr hab. il ż. A rkadiusz M ężyk
Recenzja
p ra c y d o k to rsk iej
m g ra inż. Ł u k a sz a T U R C H A N A
Przedm iotem recenzji jest praca doktorska m gra inż. Łukasza Turchana pt. „A naliza num eryczna sztucznej hiperterm ii z wykorzystaniem różnych modeli przepływ u biociepła”. Prom otorem pracy je st prof. dr hab. inż. Ew a M ajchrzak, a podstaw ą opracow ania recenzji je st zlecenie Dziekana W ydziału M echanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej z dnia 11.06.2014r.
1. T em atyka i cel pracy
Tem atyka recenzowanej pracy dotyczy modelowania procesów zachodzących w nagrzew anych tkankach z uw zględnieniem ich niejednorodnej struktury, czyli m odelow ania w skali m akro i mikro. D oktorant podjął się trudnego zagadnienia zw iązanego z opracow aniem takich modeli m atem atycznych analizowanego procesu, które uw zględniają naczynia krwionośne, ich liczbę, wym iary oraz w pływ na rozkłady tem peratury w tkankach miękkich. Podjęta tem atyka jest w ażna zarówno z teoretycznego ja k i praktycznego punktu widzenia, poniew aż bliższe rzeczywistości m odele m atem atyczne opisujące zjaw iska cieplne zachodzące w organizm ach żywych zapew niają bardziej precyzyjne m odelowanie m iędzy innymi zabiegów sztucznej hiperterm ii.
2. O gólna ocena treści, układu i zakresu pracy
Praca liczy 145 stron i składa się z 9 rozdziałów, wykazu literatury, streszczeń w języku polskim i angielskim. Spis literatury obejm uje 129 pozycji, w tym 22, których w spółautorem jest mgr inż. Łukasz Turchan.
A utor poprawnie przyjął kolejność rozdziałów. W rozdziale 1, po krótkim w prow adzeniu, form ułuje cel i tezę pracy oraz jej zakres. Rozdział 2 to przegląd literatury zw iązany z modelami matem atycznym i opisującymi przepływ ciepła w organizm ach żywych. W spomniano tutaj o równaniu Pennesa, równaniu Cattaneo V em otte’a oraz rów naniu z dwom a czasami opóźnień. Przedstawiono również modele bazujące na teorii ciał porowatych, czyli model dwutem peraturowy opisujący rozkład tem peratury tkanki miękkiej i krwi oraz model trój tem peraturowy opisujący rozkład tem peratury tkanki miękkiej oraz krwi tętniczej i żylnej. Omówiono również metody oceny stopnia destrukcji nagrzew anych tkanek. Rozdział ten je st napisany kom petentnie, w sposób zwarty, ale zaw iera wszystkie niezbędne informacje w prow adzające w tem atykę recenzowanej rozprawy doktorskiej.
Pozostałe rozdziały pracy są związane z badaniam i własnymi mgra inż. Łukasza Turchana. W rozdziałach 3, 4 i 5 Autor rozpatruje obszar tkanki miękkiej (sześcian) z centralnie um ieszczonym podobszarem nowotworowym (również sześcian). N ow otw ór je st nagrzewany przez pewien czas nazywany czasem ekspozycji w taki sposób, że w ew nątrz tego podobszaru generowane je st źródło ciepła o stałej wydajności. Rozpatryw ano trzy warianty nagrzewania przyjmując różne czasy ekspozycji oraz różne wartości wew nętrznego źródła ciepła. W ten sposób analizowano szybkie nagrzewanie z dużą w artością źródła ciepła, wariant pośredni oraz w olne nagrzew anie z m ałą w artością źródła ciepła - należy podkreślić, że w każdym przypadku iloczyn tych dwóch wielkości był taki sam (tabela 3.2). Intencją A utora było opisanie tego procesu za pom ocą różnych modeli matematycznych, w yznaczenie rozkładów tem peratury w rozważanym obszarze oraz określenie tzw. dawki termicznej i całki Arrheniusa, które um ożliw iają ocenę stopnia destrukcji tkanki. W tym celu, w rozdziale 3 mgr inż. Łukasz Turchan stosuje równanie Pennesa, równanie Cattaneo V ernotte’a oraz równanie z dwoma czasami opóźnień. W rozdziale 4 prezentuje uogólniony model z dwoma czasami opóźnień, który składa się z dwóch sprzężonych równań opisujących rozkład tem peratury w tkance miękkiej i naczyniach krw ionośnych i w którym czasy relaksacji oraz współczynnik sprzężenia są ściśle związane ze strukturą tkanki biologicznej. Rozwinięciem tego modelu jest uogólniony model z dwoma czasami opóźnień uwzględniający żyły i tętnice, w yprow adzony przez Autora w rozdziale 5. Zadania opisane za pom ocą różnych modeli m atem atycznych rozwiązano stosując jaw ny schemat metody różnic skończonych i w każdym przypadku sform ułowano warunki stabilności rozwiązania.
Pokazano wyniki obliczeń, przeprow adzono analizę otrzymanych rozwiązań i na tej podstaw ie w każdym z om awianych rozdziałów sformułowano wnioski.
N ieco inny charakter m a rozdział 6 pracy doktorskiej, który dotyczy nagrzewania tkanki skórnej poddanej działaniu zew nętrznego źródła ciepła. Autor wykorzystał tutaj doświadczenie zdobyte przy rozw ijaniu modeli m atem atycznych bazujących na teorii ciał porow atych (rozdziały 4 i 5 pracy doktorskiej) i uwzględnił w modelu m atem atycznym procesu różny stopień ukrwienia kolejnych warstw skóry. Podobnie ja k w rozdziałach poprzednich, zadanie rozwiązano stosując schemat jaw ny metody różnic skończonych, tym razem dla obszarów w ielow arstw ow ych zorientowanych we w spółrzędnych w alcow ych (zadanie potraktow ano jako osiowo-symetryczne).
W rozdziale 7 opisano sposób przeprow adzenia badań eksperymentalnych, które A utor w ykonał i pokazano porów nanie wyników obliczeń z danymi eksperym entalnym i. D la badanej tkanki biologicznej (wątroba), która była silnie ukrwiona, m gr inż. Łukasz Turchan wykazał, że uogólniony model z dwoma czasami opóźnień lepiej opisuje rozkłady tem peratury w nagrzewanej tkance niż powszechnie dotychczas stosowany model Pennesa.
Rozdział 8 pośw ięcono aspektom inform atycznym , tzn. opisano autorskie program y kom puterow e, om ówiono m iędzy innymi czasow ą i pam ięciow ą złożoność obliczeniow ą algorytm ów oraz pokazano sposób prow adzenia obliczeń równoległych.
W rozdziale 9 przedstaw iono wnioski oraz kierunki dalszych badań. Pracę kończy w ykaz literatury oraz streszczenia w języku polskim i angielskim.
3. O cena pracy doktorskiej
Pracę doktorską m gra inż. Łukasza Turchana oceniam wysoko i stanowi ona istotny wkład w rozwój metod m odelow ania procesów cieplnych zachodzących w organizm ach żywych. Prezentuje treści związane z inżynierią biom edyczną i należy j ą zaliczyć do dyscypliny „M echanika” . Pragnę jeszcze podkreślić, że rozprawa doktorska została w ykonana w ram ach projektu badawczego „Analiza num eryczna sztucznej hiperterm ii z wykorzystaniem różnych modeli przepływu biociepła” finansow anego ze środków Narodow ego Centrum Nauki (DEC- 2 0 1 1/01/N /ST6/05231), którego m gr inż. Łukasz Turchan je st kierownikiem, co świadczy o Jego umiejętności pozyskiw ania środków na prowadzenie własnych badań naukowych.
Podsum ow ując ocenę ogólną chciałbym w skazać na zalety recenzowanej pracy stanow iące jednocześnie osiągnięcia jej Autora:
• Kom pleksow e podejście do problem atyki m odelowania procesów cieplnych zachodzących w nagrzew anych tkankach,
• A naliza porów naw cza modeli matem atycznych opisujących procesy cieplne w skali makro i mikro zachodzące w nagrzewanych tkankach (zadania 3D), • W yprowadzenie w łasnego uogólnionego modelu z dwoma czasami opóźnień
uw zględniającego żyły i tętnice, pokazanie sposobu jego rozwiązania i wyników obliczeń (rozdział 5),
• Przeprow adzenie badań doświadczalnych związanych z nagrzewaniem tkanek, • O pracow anie autorskich program ów kom puterow ych do wyznaczania
rozkładów tem peratury, dawki termicznej i całki Arrheniusa, ocena złożoności obliczeniowej i pamięciowej algorytmów, realizacja obliczeń równoległych, • D uża liczba publikacji, których mgr inż. Łukasz Turchan jest współautorem
i które ściśle w iążą się z tem atyką rozprawy doktorskiej.
W ocenie ogólnej pracy nie m ożna nie odnieść się do dużej objętości pracy (145 stron). Uznaję, że rozbudow anie niektórych rozdziałów wynika z chęci przedstawienia w szystkich zagadnień, z którym i A utor musiał się zapoznać analizując poszczególne m odele m atem atyczne opisujące przepływ ciepła w organizmach żywych dotyczące sztucznej hipertermii oraz realizując badania. Jednak niektóre fragmenty, moim zdaniem, m ożna było pominąć. Autor, każdy rozdział pracy potraktował jako niezależną część, w zw iązku z tym pewne treści, np. w rozdziałach 3, 4, 5 i 6, pow tarzają się (wyjaśnienia dotyczące param etrów termofizycznych, wariantów nagrzew ania itp.).
U w agi dyskusyjne:
1. Pojawiająca się w tytule pracy „sztuczna hiperterm ia” jako metoda leczenia ciepłem, w pracy doktorskiej nie została należycie uwypuklona. Autor założył, że podobszar now otw orow y je st nagrzewany przez pewien czas, ale nie wnikał w sposób realizacji tego nagrzewania. Poproszę o komentarz.
2. W rozdziałach 3, 4 i 5 rozpatrywano obszar przestrzenny z symetrycznymi w arunkam i brzegowym i (rys. 3.1) - obliczenia wystarczyło prowadzić dla 1/8 tego obszaru.
3. D yskretyzacja obszaru przedstaw iona na rys. 3.2 je st niepoprawna.
4. Badania eksperym entalne przeprow adzono dla silnie ukrwionej tkanki (wątroba) i pokazano, że uogólniony model z dwoma czasami opóźnień daje lepsze wyniki niż model Pennesa. Czy, zdaniem Autora, w przypadku innych tkanek rów nież tak będzie?
o niezrozum iałych sform ułow aniach lub wyrażeniach, np. „param etr dawki term icznej”, „param etr całki A rrheniusa”, „Próbkę m ięsa umieszczono w prostopadłościanie
4. P odsum ow an ie recenzji i w n iosek końcow y
Podsum ow ując recenzję chciałbym odwołać się do zasadniczych osiągnięć Autora pracy, a w szczególności do zastosowania kom pleksowego podejścia do problematyki m odelow ania przepływu biociepła. Rozw iązując zadania wynikające z tem atu i celu pracy, A utor w ykazał się um iejętnością samodzielnego prowadzenia rozbudowanych badań m odelow ych i planow ania badań empirycznych. Treść pracy ujawnia także dużą determ inację i zaangażow anie Autora w rozpoznaw anie i dyskusję podjętej tematyki. Jak to zostało zaznaczone w poprzedniej części recenzji, większość uwag do treści pracy nie ma charakteru w skazań na błędy, a stanowi raczej przyczynek do dalszych dyskusji i rozważań.
U w zględniając niniejsze kom entarze oraz ocenę ogólną pracy i uwagi szczegółowe uważam, że recenzow ana praca doktorska zdecydowanie zasługuje na pozytyw ną ocenę. Jednocześnie jestem przekonany, że praca doktorska m gra inż. Łukasza Turchana pt. „A naliza num eryczna sztucznej hipertermii z wykorzystaniem różnych modeli przepływ u biociepła” spełnia wym agania stawiane pracom doktorskim w obowiązującej Ustawie o Stopniach Naukowych i Tytule Naukowym oraz o Stopniach i Tytule w Zakresie Sztuki i wnoszę o dopuszczenie pracy do publicznej obrony.
W nioskuję o wyróżnienie pracy. W niosek znajduje swoje uzasadnienie w przytoczonych w recenzji zasadniczych osiągnięciach Autora pracy. Odnosząc się natom iast do uwag szczegółowych wskazanych w recenzji zaznaczyć można, iż podejm ow anie się rozwiązania trudnych zadań i proponowanie oryginalnych rozwiązań prowadzi zazwyczaj do ujaw niania różnych wątpliwości i pytań. W świetle tego stw ierdzenia podkreślić należy, że wspom niane uwagi m ają w większości przypadków charakter dyskusyjny i nie obniżają wysokiej oceny recenzowanej pracy.