axial prestretch and biomechanics of abdominal...
TRANSCRIPT
![Page 1: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/1.jpg)
Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta
Axiální předpětí a biomechanika břišní aorty
Lukáš Horný 15.10.2015Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky ČVUT v Praze, fakulta strojní
![Page 2: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/2.jpg)
Podélně obvodově
Elastické tepny jsou v těle významně předepjaté
Podélné předpětí lzZ
ini = l/L
l
L
D
![Page 3: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/3.jpg)
Tradice na FS ČVUT
90. léta – prof. Ing. Jaroslav Valenta, DrSc.• zejména obvodové zbytkové napětí• růst, remodelace, stárnutí• věnčité tepny
Lukáš Horný, Tomáš Adámek (LF3 UK) cca od 2009• zejména podélné předpětí• forenzní aplikace
![Page 4: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/4.jpg)
Východiska: Na čem podélné předpětí závisí?
Wagenseil, J. E., et al. (2009). Reduced vessel elasticity alters cardiovascular structure and function in newborn mice.Circ Res, 104(10), 1217-1224. Wagenseil, J. E., et al. (2005). Effects of elastin haploinsufficiency on the mechanical behavior of mouse arteries. Ame J Physiol Heart Circ Physiol, 289(3 58-3), H1209-H1217.
Podstatný je elastin (elastická vlákna/membrány)
![Page 5: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/5.jpg)
Východiska: Stárnutí
Tepny tuhnou Předpětí klesá
Věk [rok]
Bader 1967
Horný a kol. 2014
Jak působí souhra těchto vlivů?
![Page 6: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/6.jpg)
Cíl: Simulace zohledňující stárnutí – analyticky
Výpočtový model v Maple
• Hyperelastický materiál nelinearita, anizotropie
• Silnostěnná/tenkostěnná nádoba s/bez úhel rozevření
• 17 dárců z literatury stáří 38 – 77 let
• Pokles předpětí podle statistiky 365 pitev Horný et al. 2014
2 2 2
1 20 12
ZZ RRc E c E E
GMW
cW e
TW
p
F F IE
![Page 7: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/7.jpg)
Výsledky: Deformace během inflace-extenze M38
![Page 8: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/8.jpg)
Výsledky: Deformace mezi systoloua diastolou
Věk [rok]
lzZ
SYS
–l
zZD
IA[-
]
40 60 80
0.4
0.6
0.8
Věk [rok]
zz
SYS
–
zzD
IA)/
zzD
IA[-
]
![Page 9: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/9.jpg)
Výsledky: Podélné předpětí zvyšujevariaci deformace DIA-SYS
lq
SYS
–lq
DIA
[-]
Věk [rok]
Co je podstatou tohoto jevu?
![Page 10: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/10.jpg)
Simulace inflace: Postupná redukce modelu
• Exponenciální anizotropní → Exponenciální izotropní
• Exponenciální izotropní → Neo-Hooke
• Neo-Hooke→ Lineární elasticita II. řádu
• Lineární elasticita II. řádu → Lineární elasticita I. řádu
2 2 2
1 2 1 30 1 12 2
ZZ RRc E c E E b IcW e W e
b
1 3
11 32 2
b IW e W I
b
![Page 11: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/11.jpg)
Redukce modelu: výsledky nafukováníN
orm
ova
ný
tlak
P/
[-]
0.5
1
1
0.0
25
0.05
0.05
0.05
0.1
1.5 1 1.5 2 -0.1 0.1 -0.1 0.2
lq [-] eqq [-]
lzZini = 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2 ezz
ini = 0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1, 0.12, 0.14, 0.16, 0.18, 0.2
![Page 12: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/12.jpg)
Axiální předpětí a biomechanika břišní aorty
• Axiální předpětí si drží svou fyziologickou funkci i ve stáří:(1) snižuje variaci axiálního napětí během tlakování(2) vede k větší/menší variaci obvodové/axiální deformace
• Fyzikální podstatou vlivu axiálního předpětí je nelinearita (geometrická, materiálová)
![Page 13: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/13.jpg)
Axiální předpětí a biomechanika břišní aorty
Výsledky byly uplatněny v zahraničních impaktovaných časopisech:
• Horný, L., Netušil, M., Voňavková, T. (2014). Axial prestretch and circumferential distensibility in biomechanics of abdominal aorta. Biomech Model Mechanobiol13(4):783-799. IF 3.145
• Horný L., Netušil M. (2015). How does axial prestretching change the mechanical response of nonlinearly elastic incompressible thin-walled tubes. Int J Mech Sci, in press. IF 2.034
![Page 14: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/14.jpg)
Vztahy (5) na str. 29 popisují určité uspořádání inflačního experimentu (protažení aorty závažím, tedy Fred = konst.), ale publikace Humphrey (2009) používá předpoklad konstantního axiálního napětí (viz 4. řádek zdola na str. 2), který je podle názoru oponenta v lepším souladu s realitou. Použijete-li předpoklad konstantní délky podle Dobrina (1978,1990), dostanete opačný trend obvodové tuhosti. Můžete analyzovat, jak by změny okrajových podmínek ovlivnily Vaše výsledky a závěry?
1 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
red
Fkonst
zzkonst
zZkonst
l
![Page 15: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/15.jpg)
1 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Pql
zZP l
zzP
redF P
redF konst
zzkonst zZ
konstl 38M
![Page 16: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/16.jpg)
1 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
16 10 16 10
red zz
kPa kPa kPa kPa
F konst konstq q q q l l l l
redF konst
zzkonst
zZkonstl
Tlak
P[k
Pa]
lq [-]
![Page 17: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/17.jpg)
1 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Věk [rok]
16 10 kPa kPa
q ql l 16 10 kPa kPa
zZ zZl l
●
●
□
□
ini
ini
zZ ,U
zZ ,EX
L
Pl
l
ini
ini
zZ ,U
zZ ,EX
L
Pl
l
ini
ini
zZ ,U
zZ ,EX
L
Pl
l
16 10 16 kPa kPa kPa
zz zz zz/
R ↑↓ signifikantnívždy R ↑↑ signifikantní
ini
ini
zZ ,U
zZ ,EX
L
Pl
l
□ ini
ini
zZ ,U
zZ ,EX
L
Pl
lR ↑↑ signifikantní
![Page 18: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/18.jpg)
2 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Můžete analyzovat omezení použitého modelu daná zvoleným popisem materiálu?
Materiálový model:• Nelineárně pružný – hyperelastický• Anizotropní• Homogenní stěna
Nezahrnuje: • Vazkou složku odezvy• Smykové složky• Vrstevnatost• Rozložení vnitřních sil do stavebních složek „kompozitní“ stěny:
kolagen, elastin, SMC,…• Interpretace vzhledem ke komponentám (aging, remodelace)
TWp
F F I
E
2 2 2
1 20 12
ZZ RRc E c E E
GMW
cW e
![Page 19: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/19.jpg)
2 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
V publikaci: Horny, L., Netusil, M., Daniel, M. (2014). Limiting extensibility constitutive model with distributed fibre orientationsand ageing of abdominal aorta. J Mechan Behav Biomed Mater, 38:39-51.
jsme provedli vyrovnání předpovědí WGMW modely:
2
2 1 1 3 111
4 6 2
3 12 2
jk I I
GOH
j ,
kW I e
k
2
1
1
4 6
1 3 13 1
2 2
pro přípustné deformace
jmHND
j , m
I IJW I ln
J
z
b
0
cos
,sin
,
b
b
N
0
cos,sin
,
bb
M
0cos ,sin ,b bM
Fm M 2
4 MI l CM M m m
2
6 NI l CN N n n
1I tr C
![Page 20: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/20.jpg)
3 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Lze považovat předpoklad rostoucího zatížení na jednu elastinovou membránu ve stěně arterie (uvedený na str. 20 a nepodložený žádnou citací) za oprávněný i s ohledem na rostoucí tlustostěnnost tepen v distálním směru?
Víme:• Předpětí distálně roste• Přenášejí ho elastické
membrány• Počet membrán ↓
40-60 vs. 27
KONSTANTNÍ AXIÁLNÍ SÍLA/ZMENŠUJÍCÍ SE POČET A OBVOD MEMBRÁN ⇒ ROSTE ZATÍŽENÍ
Han H, Fung Y. 1995
Kassab G 2006
![Page 21: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/21.jpg)
4 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Jak se v principu liší výsledky modelu silnostěnné nádoby se zbytkovým napětím od modelu skořepiny? Membránová skořepina vychází z předpokladu rovnoměrného rozložení napětí po tloušťce, k čemuž zbytková napětí přispívají. Jak vysvětlujete váš výsledek, že zbytková napětí jejich gradient po tloušťce dokonce zvyšují, i když s opačným znaménkem?
Asi nelze obecně říci, že by zbytková napětí homogenizovala rozložení napětí po tloušťce stěny. Homogenizace platí jen za fyziologických podmínek.
Důsledkem existence patologických stavů je nutně ztráta fyziologických podmínek.
![Page 22: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/22.jpg)
4 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Efekt zbytkové deformace/napjatostiv silnostěnné nádobě
![Page 23: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/23.jpg)
4 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
kPa
0
360
zzkP
a
rrkP
a
0
80
Radius mm Radius mm
Labrosse, M. R., Gerson, E. R., Veinot, J. P., Beller, C. J. 2013. Mechanical characterization of human aortas from pressurization testing and a paradigm shift for circumferential residual stress. J Mechan Behav Biomed Mater, 17, 44-55.
![Page 24: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/24.jpg)
5 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Proč nebyl použitý model validován porovnáním s experimentem (inflační test), když byly k dispozici stovky vyšetřovaných lidských aort? Uvádíte i možnost porovnání s ultrazvukově snímanou tepnou in vivo.
Finanční realita…
![Page 25: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/25.jpg)
6 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Jakou vypovídací schopnost má poměr Cθθθθ/Czzzz vyjádřený v závislosti na radiální souřadnici (str. 57), když byl určen z předpokladu homogenního materiálu? Co vlastně vyjadřuje Cθθθθ nebo Czzzz v obr. 11,12,13 na vnitřním nebo vnějším poloměru? Není zjištěná (přibližná) nezávislost tohoto poměru na vnitřním tlaku spíše vlastností použitého modelu než samotné aorty?
1
2W
p
S E IE
S
EC
![Page 26: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/26.jpg)
Vlastnosti Cθθθθ/Czzzz byly zkoumány pro formulaci podmínky využitelné v regresní analýze in vivozjišťovaných materiálových parametrů.
Jistě jde o vlastnost modelu.
6 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
2 2
o
i
o
i
r
rr
r
r
red i zz
r
P drr
F r P rdr
![Page 27: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/27.jpg)
7 prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.
Jaká byste očekával axiální protažení u aneurysmat břišní aorty a jaká by v nich byla axiální napětí v porovnání se srovnatelnou zdravou aortou?
Očekával bych: ztrátu předpětí; nelineární, nehomogenní, neuniformní = napjatost = ?
![Page 28: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/28.jpg)
1 doc. Ing. Tomáš Mareš, Ph.D.
Ano, ačkoliv Holzapfel ve své monografii Nonlinear Solid Mechanics uvádí oba termíny… s. 111
![Page 29: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/29.jpg)
2 doc. Ing. Tomáš Mareš, Ph.D.
2 2 2
1 20 12
ZZ RRc E c E E
GMW
cW e
2
2 1 1 3 111
4 6 2
3 12 2
jk I I
GOH
j ,
kW I e
k
2
1
1
4 6
1 3 13 1
2 2
pro přípustné deformace
jmHND
j , m
I IJW I ln
J
Možná ano, ale (1) elastin ∼ I1, ačkoliv existují studie uvažující anizotropii elastinu…
![Page 30: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/30.jpg)
3-4 doc. Ing. Tomáš Mareš, Ph.D.
Ano, v celé práci se pracuje s fyzikálními složkami tenzorů (ortonormální báze)
Mocninný model dosáhl nejvyššího koeficientu determinace z 2-parametrických modelů
ini b
zZ axl
![Page 31: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/31.jpg)
5-6 doc. Ing. Tomáš Mareš, Ph.D.
Ano, materiálovým popisem se myslí vzhledem k beznapěťové konfiguraci, tj. se zahrnutím zbytkové deformace (rozevřeno)
Inflační-extenzní test ex vivo(uzavřeno)
In vivo? Uzavřená je obvyklý model
![Page 32: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/32.jpg)
7 doc. Ing. Tomáš Mareš, Ph.D.
Výsledky pro horní mez (1) nevykazují agingový trend(2) jsou značně rozptýlené(3) a snad i nerealisticky velké
![Page 33: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/33.jpg)
8-9 doc. Ing. Tomáš Mareš, Ph.D.
Labrosse, M. R., Gerson, E. R., Veinot, J. P., Beller, C. J. 2013. Mechanical characterization of human aortas from pressurization testing and a paradigm shift for circumferential residual stress. J Mechan Behav Biomed Mater, 17, 44-55.
1
2W
p
S E IE
S
EC
abcd aA bB cC dD ABCDF F F Fc C
i iK K
: d d
dx F dX
F X x
![Page 34: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/34.jpg)
9 doc. Ing. Tomáš Mareš, Ph.D.
1ini
zZl
1 1ini
zZ .l
1 2ini
zZ .l
1 3ini
zZ .l
1 4ini
zZ .l
, qqqqC c
ZZZZ zzzz,C c
![Page 35: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/35.jpg)
10-11 doc. Ing. Tomáš Mareš, Ph.D.
AnoIn
flač
ní-
exte
nzn
íte
st e
x vi
vo
Hu
mp
hre
y&
Na
20
02
![Page 36: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/36.jpg)
12 doc. Ing. Tomáš Mareš, Ph.D.
Úroveň interpretace je součástí „modelu“Elastostatika = prodlužování/zkracování trubiceVlnová formulace = závislost na r i z
![Page 37: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/37.jpg)
1 prof. Ing. František Maršík, DrSc.
![Page 38: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/38.jpg)
1 prof. Ing. František Maršík, DrSc.
(1) Za předpětí je zodpovědný elastin- geneticky modifikované zvířecí modely- post mortem je předpětí stabilní v rozsahu 0 – 160 h
(2) Pokles předpětí s rostoucím napětím není znám- s axiálním předpětím (deformace) klesá i axiální napětí
![Page 39: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/39.jpg)
1 prof. Ing. František Maršík, DrSc.
(3) „Konformační změny“
Weisbecker, H., Pierce, D. M., Regitnig, P., & Holzapfel, G. A. (2012). Layer-specific damage experiments and modeling of human thoracic and abdominal aortas with non-atherosclerotic intimal thickening. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 12, 93-106.
![Page 40: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/40.jpg)
1 prof. Ing. František Maršík, DrSc.
(3) „Konformační změny“kolagen2 SHG
Chen, H., Slipchenko, M. N., Liu, Y., Zhao, X., Cheng, J. -., Lanir, Y., & Kassab, G. S. (2013). Biaxial deformation of collagen and elastin fibers in coronary adventitia. Journal of Applied Physiology, 115(11), 1683-1693.
![Page 41: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/41.jpg)
2 prof. Ing. František Maršík, DrSc.
ElastostatikaVsVlnová rovnice
![Page 42: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/42.jpg)
2 prof. Ing. František Maršík, DrSc.
1
1 rR zZ rR
zZ
J det q
q
l l l ll l
F
Nestlačitelnost vs stlačitelnost
12W
p
S C
C
1W W p J C C
isoch volumW W W J C
2 2
isoch volumW W J
C CS
C C
1 3 / TJ F I F C F F
![Page 43: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/43.jpg)
2 prof. Ing. František Maršík, DrSc.
Styren butadien
Merckel, Y., Diani, J., Brieu, M., & Caillard, J. (2013). Constitutive modeling of the anisotropic behavior of mullinssoftened filled rubbers. Mechanics of Materials, 57, 30-41.
![Page 44: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/44.jpg)
Habilitační přednáška
Stárnutí a jeho projevy v biomechanice cév
Lukáš Horný 15.10.2015Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky ČVUT v Praze, fakulta strojní
![Page 45: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/45.jpg)
Stárnutí
1969 (33) 2014 (78) 1976 (40)
![Page 46: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/46.jpg)
Stárnutí
• Organizmus
• Orgánové soustavy
• Orgány a tkáně
• Buněčná a nebuněčnáhmota
![Page 47: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/47.jpg)
Stárnutí
• Stárnutí = úpadek
Stárnutí je postupný úpadek fyziologických funkcí, který vede ke zvyšujícíse úmrtnosti a současněklesající schopnosti reprodukce(M.R. Rose)
Robert 2012
![Page 48: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/48.jpg)
Příčiny stárnutí
Kdybychom je přesně znali, byly by součástí definice…
• Programované stárnutí
• Kumulace poškození
![Page 49: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/49.jpg)
Programované stárnutí
• Telomerová teorie
o Telomera ukončuje chromozom
o Konečná délka telomery
o Bez telomery nelze dokončit replikaci chromozomu
o Hayflickův limit vs. telomeráza
![Page 50: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/50.jpg)
Teorie kumulujících se poškození
…, která organizmus postupně není schopen opravovat a vedou k jeho zániku
Poškození genomu, buněk, tkání, orgánů…
o Ionizující záření
o Oxidační stress (ROS, „volné radikály“)
o Sesíťování (cross-linking)
o Chemo-mechanické poškození (cyklické zatížení + proteolýza)
![Page 51: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/51.jpg)
Stárnutí
KUMULACE POŠKOZENÍ + KONEC BUNĚČNÉHO DĚLENÍ
NESCHOPNOST SYNTETIZOVAT „BÍLKOVINY“ PRO FYZIOLOGICKY
OPTIMÁLNÍ FUNKCI
NESCHOPNOST ZAJISTIT HOMEOSTÁZU
![Page 52: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/52.jpg)
Krevní oběhová soustava
• Srdce a cévy → tepny, tepénky, vlásečnice, žilky, žíly
• Funkce: přenos energie mechanická je využita k distribuci chemické a tepla
O2/CO2, bílkovin, cukrů, tuků, signálních a regulačních sloučenin, imunitních buněk
![Page 53: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/53.jpg)
Krevní oběhová soustava
• Fáze přenosu
předat m-energii pojmout utlumit předat/převzít ch-energii odvádět ke zdroji m-energie rezervoár
AortaVzestupná Hrudní Břisní
Stehenní tepna
Ryc
hlo
st [
cm/s
]Tl
ak[m
mH
g]Mills a kol. 1970
![Page 54: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/54.jpg)
Krevní oběhová soustava
•
S
t
ě
n
a
Gasser a kol. 2006
![Page 55: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/55.jpg)
Nemoci stárnoucích cév
• Ateroskleróza (tepny)
o Intima
o Zánět
o Akumulacelipidů, vápníku
o Ruptura
o Napjatost stěny + smykové napětí W
ang
a B
enn
ett
20
12
![Page 56: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/56.jpg)
Nemoci stárnoucích cév
• Ateroskleróza (tepny)
![Page 57: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/57.jpg)
Nemoci stárnoucích cév
• Arterioskleróza (tepny)
o Médie
o Kalcifikace a fragmentace elastických vláken
o Změna fenotypu SMC
O’Rourke a Hashimoto 2007, Persy a D’Haese 2009, Avolio a kol. 1998
![Page 58: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/58.jpg)
Projevy stárnutí v biomechanice cév
Mechanické změnyzatížení přenáší kolagen
• Strukturální změny
degradace elastinu⇒
![Page 59: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/59.jpg)
Projevy stárnutí v biomechanice cév
• Mechanické vlastnosti ex vivo Horný a kol. 2013
M26F29 F38
M52F48
M61F53
M58
F58d
dF
x
X
TWp
F IF
1 31
2
m
m
J IW ln
J
R(Věk,Jm) = – 0.861
p < 0.03
Jm ∈ (0.09,0.79)
![Page 60: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/60.jpg)
Projevy stárnutí v biomechanice cév
• Mechanické vlastnosti ex vivo
Horný a kol. 2014
![Page 61: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/61.jpg)
Projevy stárnutí v biomechanice cév
• Mechanické vlastnosti in vivo
Sonessona kol. 1994
McEniery a kol. 2007
![Page 62: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/62.jpg)
Projevy stárnutí v biomechanice cév
• Mechanické vlastnosti in vivo
Greenwald 2007
![Page 63: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/63.jpg)
Projevy stárnutí v biomechanice cév
• Hypertenze
Hamilton a kol. 1954
Wilkins a kol. 2010
![Page 64: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/64.jpg)
Shrnutí
Omezení buněčného dělení
Kumulace poškozeníROS, glykace, digesce fragmentace elastinu
Progrese patologiíateroskleróza, arterioskleróza
Zvyšování energetickénáročnosti distribuce
obstrukce řečištěztráta poddajnosti
ST
Á
R
N
U
T
Í
T
E
P
E
N
BIOLOGIE MECHANIKA
![Page 65: Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aortausers.fs.cvut.cz/~hornyluk/files/Horny-L-Habilitace...Axial Prestretch and Biomechanics of Abdominal Aorta Axiální předpětí](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061000/60af54f7df0f394a496e3538/html5/thumbnails/65.jpg)
Stárnutí a jeho projevy v biomechanice cév
Lukáš Horný
Pracoviště: Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky FS ČVUT
Pedagogická činnost: přednášky v Biomechanika I a II, Projekt I, II a III,
vlastní předmět Patobiomechanika srdečněcévního systému
Vědecká výchova: 4 x školitel specialista
Vědecké zaměření: nelineární elasticita, biomechanika cév
Publikační činnost: 13 impaktovaných článků 2011-2015, IF 1.5 – 3.5,Web of Science H-index 4