Cz En

Pracoviště

Laboratoř kardiovaskulární biomechaniky

Ing. Hynek Chlup

Vedoucí:

Pracovníci:

Ing. Tereza Voňavková , , Ing. Jakub Kronek Ph.D., Ing. Jan Veselý , Prof. Ing. Rudolf Žitný, CSc., doc. Ing. Lukáš Horný Ph.D.

Popis:

 

Laboratoř kardiovaskulární biomechaniky je součástí Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Laboratoř vznikla za podpory Výzkumného záměru MŠMT a projektu GA ČR.

Práce v laboratoři se zaměřuje na základní i aplikovaný výzkum v oblasti karidovaskulární biomechaniky. Epidemiologické studie v ČR prokázaly, že choroby kardiovaskulárního systému ročně způsobují více jak polovinu všech úmrtí. Výzkum této oblasti je tedy jedním z prvořadých. Naše současné projekty se zabývají především výzkumem mechanických vlastností cévních stěn.

Laboratoř je vybavena experimentální linkou simulující velký krevní oběh s pulzátorem SuperPump řízeným počítačem. Pomocí ovládacího softwaru je možno volit tvar, amplitudu a frekvenci pulzů. Do linky je možno zařadit regulovatelný prvek simulující systémový odpor krevního řečiště skládající se z mnohačetného větvení a kapilárních odporových segmentů. Linka je používána k detekci rychlosti pulzní vlny ve velkých tepnách a k identifikaci materiálových vlastností cévních stěn. Linka může být použita i pro zkoušení umělých chlopní, stentů či cévních náhrad. Linka je koncipována stavebnicovým systémem. Obecně je použitelná pro zkoumání mechanických vlastností libovolných elastických trubic zatěžovaných pulzačním tokem, vnějším tlakem a osovým předpětím. Linka je vybavena tlakovými čidly Cressto (0-10 kPa, 0-25 kPa, 0-200 kPa, 0-500 kPa, 0-2.5 MPa) a Kulite (0-250 kPa). Průtoky lze měřit dopplerovským ultrazvukem HiDop 300 či UVP monitorem Met-Flow.

Dalším zařízením je experimentální linka pro modelování samobuzeného kmitání v elastických trubicích. Zařízení je opět stavebnicového typu, obsahuje hydrodynamické čerpadlo generující kontinuální tok, ustalovací komory k odstínění rušivých jevů v proudu před a za zkoumaným vzorkem. Vzorek je upnut v experimentální komoře, kde může být vyvinut vnější tlak a osové předpětí vzorku a tlak je měřen tlakovými čidly.

Posuvy (resp. deformace) elastických trubic je možno sledovat pomocí laserových snímačů micro-epsilon scanCONTROL 2800 (řádkový laser, 1024b), optoNCDT 2200-50 a 2200-100 (bodové vysokofrekvenční sondy) nebo pomocí konfokálních sond Precitec CHRocodile M4 (4 bodové sondy). Nejširší možnosti měření posuvů ovšem nabízí 3D korelační systém pro korelaci digitálních obrazů DANTEC Q-450, který umožňuje vyhodnocovat pole posuvů na povrchu prostorových objektů.

Laboratoř je vybavena dvouosým zatěžovacím strojem Messphysik (Zwick/Roell) pro tahové a tlakové zkoušky při víceosé napjatosti, které jsou nezbytné pro zjišťování mechanických vlastnsotí anisotropních materiálů. Během tahové zkoušky je možno polohovat čtyřmi aktuátory nezávisle na sobě a zatěžovat silami +/- 250 N. Pro měření deformace zkušební stroj používá vlastní bezkontaktní optický extenzometr (video nebo laser). Je využíván zejména při zkouškách měkkých tkání (tepny, žíly, chlopně, kůže, vazy,...), polymerů (elastomery - silikony, pryže, latex; UHMWPE) a kompozitních materiálů.

Simulační linky lze použít i pro statické inflační-extenzní testy elastických trubic o vnitřních průměrech 3-30 mm. Děje v proudění je možno zkoumat i pomocí disperze vodivých látek v proudu kapaliny. K tomu využíváme přístroj MSV 66, INSA měřící konduktivitu (měrnou vodivost). Přístroj využíváme v přímém potrubí i větvených systémech s pevnou i elastickou stěnou. Výsledky experimentů jsou zpracovávány pomocí programů: PAS systémy - MatLab, Maple, Mathematica; MKP systémy - FEMINA, ANSYS, Abaqus a FELIB; analýza struktury - NIS Elements, BinaryDirection; obecné - Microsoft Visual Studio, FORTRAN.

Grantové projekty:

Publikace:

 

Veselý J., Horný L., Chlup H., Adámek T., Krajíček M., Žitný R. (2015). Constitutive Modeling of Human saphenous veins at overloading Pressures. Journal of the Mechanical Behaviour of Biomedical Materials, in press. MANUSCRIPT VERSION

Horný L., Netušil M., Horák Z. (2015)  Limit point instability in pressurization of anisotropic finitely extensible hyperelastic thin-walled tube. International Journal of Non-Linear Mechanics, 77:101-108. DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec.2015.08.003 MANUSCRIPT

 

  • 2014

Horny L, Netusil M, Vonavkova T (2014) Axial prestretch and circumferential distensibility in biomechanics of abdominal aorta. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 13(4):783-799. DOI: 10.1007/s10237-013-0534-8 MANUSCRIPT
Horny L, Netusil M, Daniel M. (2014) Limiting extensibility constitutive model with distributed fibre orientations and ageing of abdominal aorta. Journal of the Mechanical Bahavior of Biomedical Materials, accepted for publiation. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2014.05.021   MANUSCRIPT
Hromadka D, Chlup H, Zitny R. (2014) Identification of relaxation parameter of a physical model of vein from fluid transient experiment. EPJ Web of Conferences, vol. 67, art. no. 02039 Experimental Fluid Mechanics 2013.
Kronek J, Horny L, Adamek T, Chlup H, Zitny R, (2014) Site-Specific Mechanical Properties of Aortic Bifurcation. IFMBE Proceedings 41:939-942. doi: 10.1007/978-3-319-00846-2_232 MANUSCRIPT
Vesely J, Horny L, Chup H, Zitny R (2014) Inflation Test of Vena Saphena Magna for Different Loading Rates. IFMBE Proceedings 41:1041-1044. doi: 10.1007/978-3-319-00846-2_258 MANUSCRIPT
Horny L, Adamek T, Kulvajtova M (2014) Analysis of axial prestretch in the abdominal aorta with reference to post mortem interval and degree of atherosclerosis. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 33:93-98. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2013.01.03 MANUSCRIPT

  • 2013

Horny L (2013) Axial prestretch in aorta and effect on circumferential distensibility. Vyzvaná přednáška na LOEWE PraBionik Seminar, Goethe University, Frankfurt am Main, Germany, 2013-09-23.
Gultová E, Horný L, Chlup H, Žitný R, Adámek T, Kulvajtová M (2013) Presservation of tangent modulus of pericardial tissue during cold storage. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 16(S1):318-319. doi: 10.1080/10255842.2013.815932 MANUSCRIPT 
Horny, L., Adamek, T., & Zitny, R. (2013) Age-related changes in longitudinal prestress in human abdominal aorta. Archive of Applied Mechanics 83(6):875-888. DOI: 10.1007/s00419-012-0723-4
MANUSCRIPT VERSION IN PDF     AXIAL PRESTRETCH ETC XLS WITH RAW DATA
Vesely J, Hadraba D, Chlup H, Horny L, Adamek T, Zitny R (2013) Constitutive Modelling and Histology of Vena Saphena. Applied Mechanics and Materials 486:249-254. Publisher link MANUSCRIPT
Gultova E, Horny L, Chlup H, Filova E, Pirk J, Bacakova L, Zitny R (2013) Mechanical Response of the Cross-Linked Pericardial Tissue Applied Mechanics and Materials 486:255-258. Publisher link
Filova, E., Burdikova, Z., Stankova, L., Hadraba, D., Svindrych, Z., Schornik, et al. (2013) Collagen structures in pericardium and aortic heart valves and their significance for tissue engineering. 4th IEEE E-Health and Bioengineering Conference EHB 2013, Article number 6707382.MANUSCRIPT VERSION

  • 2012

L. Horny, J. Vesely, H. Chlup, K. Janouchova, M. Vyšanská (2012) Single fiber pull-out test of nitinol-silicon-textile composite. Bulletin of Applied Mechanics 8:77-80.
L. Horny (2012) How ageing is reflected by longitudinal pretension in human abdominal aorta. PhD thesis, Czech Technical University in Prague.
H. Chlup, P. Novotny, R. Zitny (2012) Accuracy of tracer stimulus response experiments in laminar flows. International Journal of Heat and Mass Transfer 55:6458-6462. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.06.042
L. Horny, T. Adamek, H. Chlup, R. Zitny, J. Vesely, E. Gultova, J. Kronek, D. Hromadka (2012) Longitudinal prestretch in human infrarenal aorta. Journal of Biomechanics 45(Supp.1):S24. DOI: 10.1016/S0021-9290(12)70025-8
L. Horny, H. Chlup, R. Zitny, T. Vonavkova, J. Vesely, P. Lanzer (2012) Ex vivo coronary stent implantation evaluated with digital image correlation. Experimental Mechanics 52(9):1555-1558. DOI: 10.1007/s11340-012-9620-6
MANUSCRIPT VERSION IN PDF
L. Horny, T. Adamek, H. Chlup, R. Zitny (2012) Age estimation based on a combined arteriosclerotic index. International Journal of Legal Medicine, 126(2):321-326. DOI: 10.1007/s00414-011-0653-7
MANUSCRIPT VERSION IN PDF
L. Horny, T. Adamek, J. Vesely, H. Chlup, R. Zitny and S. Konvickova (2012) Age-related distribution of longitudinal pre-strain in abdominal aorta with emphasis on forensic application. Forensic Science International, 214(1-3):18-22. DOI: 10.1016/j.forsciint.2011.07.007
MANUSCRIPT VERSION IN PDF

  • 2011

E. Gultova, L. Horny, H. Chup, R. Zitny (2011) A comparison between the exponential and limiting fiber extensibility pseudoelastic model for the Mullins effect in arterial tissue. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 49:1203-1216.
L. Horny, T. Adamek, E. Gultova, R. Zitny, J. Vesely, H. Chlup and S. Konvickova (2011) Correlations between age, prestrain, diameter and atherosclerosis in the male abdominal aorta. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 4(8):2128-2132. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2011.07.011
MANUSCRIPT VERSION IN PDF
L. Horny, H. Chlup, J. Kronek, E. Gultova, L. Heller, R. Zitny and D. Vokoun (2011) Inflation-Extension Test of Silicon Rubber-Nitinol Composite Tube. IFMBE Proceedings 37:1027-1030. DOI: 10.1007/978-3-642-23508-5_267
MANUSCRIPT VERSION IN PDF
L. Horny, H. Chlup, J. Vesely, E. Gultova, J. Kronek, R. Zitny, T. Vonavkova, T. Adamek, P. Lanzer, D. Hromadka (2011) In vitro Coronary Stent Implantation: Vessel Wall-Stent Interaction. IFMBE Proceedings 37:795-798. DOI: 10.1007/978-3-642-23508-5_207
MANUSCRIPT VERSION IN PDF
L. Horny, E. Gultova, T. Adamek, R. Zitny, H. Chlup (2011) In Situ Longitudinal Pretension in Human Aorta. IFMBE Proceedings 37:430-433. DOI:10.1007/978-3-642-23508-5_112
Vesely, J., Horny, L., Chlup, H., & Zitny, R. (2011). Collagen orientation and waviness within the vein wall. Paper presented at the Computational Plasticity XI - Fundamentals and Applications, COMPLAS XI, 720-728.
Gultova, E., Horny, L., Chlup, H., & Zitny, R. (2011). An anisotropic pseudo-elastic model for the mullins effect in arterial tissue. Paper presented at the Computational Plasticity XI - Fundamentals and Applications, COMPLAS XI, 713-719.
Horný, L., Chlup, T. A., Žitný, R., Gultová, E., & Veselý, J. (2011). Longitudinal prestrain in male abdominal aorta from pulse wave velocity viewpoint. Paper presented at the Computational Plasticity XI - Fundamentals and Applications, COMPLAS XI, 757-763.

  • 2010

L. Horny, E. Gultova, H. Chlup, R. Sedlacek, J. Kronek, J. Vesely and R. Zitny (2010) Mullins effect in human aorta described with limiting extensibility evolution. IFMBE Proceedings, vol. 29, p. 768-771
L. Horny, J. Kronek, H. Chlup, R. Zitny and M. Hulan (2010) A distribution of collagen fiber orientations in aortic histological section. IFMBE Proceedings, vol. 29, p. 772-775
J. Kronek, R. Žitný, L. Horný, H. Chlup, M. Beran (2010) Mechanical properties of artery-artery connection based upon transglutaminase cross-linked collagen. Metalurgija, vol. 49, no. 2, p. 356-360
L. Horný, H. Chlup, R. Žitný, T. Adámek (2010) Constitutive modeling of coronary artery bypass graft with incorporated torsion. Metalurgija, vol. 49, no. 2, p. 273-277
L. Horny, E. Gultova, H. Chlup, R. Sedlacek, J. Kronek, J. Vesely and R. Zitny (2010) The Mullins effect in aorta and limiting extensibility evolution. Bulletin of Applied Mechanics, vol. 6, no. 21, p. 1-5
L. Horny, J. Kronek, H. Chlup, R. Zitny, J. Vesely and M. Hulan (2010) Orientations of collagen fibers in aortic histological section. Bulletin of Applied Mechanics, vol. 6, no. 22, p. 25-29

  • 2009

L. Horny, M. Hulan, R. Zitny, H. Chlup, S. Konvickova and T. Adamek (2009) Computer-Aided Analysis of Arterial Wall Architecture. IFMBE Proceedings, vol. 25/4, p. 1494-1497
MANUSCRIPT VERSION IN PDF
 L. Horny, H. Chlup, R. Zitny, S. Konvickova and Tomas Adamek (2009) Constitutive Behavior of Coronary Artery Bypass Graft. IFMBE Proceedings, vol. 25/4, p. 181-184
MANUSCRIPT VERSION IN PDF

  • 2008

L. Horny, R. Zitny and H. Chlup (2008) Strain energy function for arterial walls based on limiting fiber extensibility. IFMBE Proceedings, vol. 22, p. 1910-1913
MANUSCRIPT VERSION IN PDF

  • 2007

H. Macková, H. Chlup, R. Žitný (2007) Numerical model for verification of constitutive laws of blood vessel wall. Journal of Biomechanical Science and Engineering, vol. 2, no. suppl. 1, p. S66

  • 2006

L. Horny, R. Zitny, H. Chlup and H. Mackova (2006) Identification material parameters of an aortic wall. Bulletin Appl Mechan, vol. 2, p. 173–182
H. Chlup, H. Macková, M. Vilímek, P. Kubový, R. Žitný, S. Konvičková (2006) Pulse wave velocity in elastic tube. In: Proceedings of the IASTED International Conference on Modelling, Identification, and Control, 2006, p. 484-488

Aplikované výsledky

  • 2009

M. Hulan, H. Chlup (2009) Imcontour 7. Druh výsledku R: Autorizovaný software pro analýzu obrazu určený pro digitální histomorfometrii.
R. Žitný, L. Horný (2009) BIOMAT 2. Druh výsledku R: Autorizovaný software pro určování materiálových parametrů nelineárních, anizotropních materiálů.

  • 2008

H. Chlup, L. Horný (2008) Přípravek pro detekci zbytkové deformace v tepenné stěně. Druh výsledku F: Užitný vzor zařízení pro měření zbytkové deformace cév registrovaný Úřadem průmyslového vlastnictví.
R. Žitný (2008) FEMINA 1D. Druh výsledku R: Obecný víceúčelový software pro FEM a FVM analýzy v biomechanice.

 

Výuka v Laboratoři kardiovaskulární biomechaniky

 

Patobiomechanika srdečněcévního systému

- v akademickém roce 2013/2014 je pro vás připraven nově otvíraný volitelný předmět pod vedením Ing. Lukáše Horného, Ph.D.

Předmět je zaměřen na výklad souvislostí mezi mechanickými vlastnostmi (zejména) krevních cév, interakcí cév s okolím (a to jak mehcanickou, tak biochemickou interakci zprostředkovanou látkovou výměnou), vznikem a rozvojem chorob a porjevy stárnutí.

Anotace: Mechanika kontinua pro (pato) biomechaniku - studijní text I únor 2014
Kinematika konečných deformací - studijní materiál 
tenzor napětí v různých popisech - studijní materiál
bilanční zákony v kontinuu - studijní materiál
konstrukce konstitutivních rovnic - studijní materiál
anisotropní chování nelineárního materiálu
anatomie a fyziologie srdce a cév
mechanické vlastnosti tepen a žil in vivo
mechanické vlastnosti tepne a žil ex vivo
mechanika srdce
mechanobiologie aterosklerózy a jejích důsledků
aneuryzmata z pohledu mechaniky
pricipy a důsledky stárnutí
mechanobiologie remodelace cév
inženýrské aplikace pro terapii

K předmětu jsou srdečně zváni všichni zájemci.

 

Další výuka:

V současnosti se účastníme výuky v těchto předmětech: Projekt II, Biomechanika I a Biomechanika II pro studijní obor Biomechanika a lékařské přístroje (magisterské studium). Kromě toho se členové laboratoře podílejí na zajišťování předmětů Závěrečný projekt, Bakalářská práce a Diplomová práce.

Všichni zájemci o spolupráci z řad studentů (o kvalifikační práce z oblasti biomechaniky nebo o přímé zapojení do výzkumu krevních cév, chlopní, nových materiálů atd.) jsou srdečně zváni. Osobně (bez předchozí domluvy) mohou každý pátek v 10:00 - 12:00 naši laboratoř navštívit. Také mohou kontaktovat zadavatele tématu kvalifikační práce (nebo řešeitele jim atraktivního tématu výzkumu) emailem pro jiný termín návštěvy.

Studijní materiály pro srdečněcévní biomechaniku:

Projekt II

 

 

 




(1)
Modelování a experimentální zjišťování mechanických vlastností nelineárních materiálů: Teorie (pdf)
(2) Modelování a experimentální zjišťování mechanických vlastností nelineárních materiálů: Příklad experimentu pro identifikaci parametrů konstitutivního modelu (pdf)
(3) Modelování a experimentální zjišťování mechanických vlastností nelineárních materiálů: Vyhodnocení dat (Maple 15, mw)
(4) Modelování a experimentální zjišťování mechanických vlastností nelineárních materiálů: Měření deformací a digitální korelace obrazu (pdf)


Biomechanika I


(1) Srdečněcévní soustava a konstitutivní modelování: Úvod (pdf)
(2) Srdečněcévní soustava a konstitutivní modelování: Mechanické vlastnosti (pdf)
(3) Srdečněcévní soustava a konstitutivní modelování: Teoretický popis mechanické odezvy I (pdf)
(4) Srdečněcévní soustava a konstitutivní modelování: Teoretický popis mechanické odezvy II (pdf)

 

Ppt verze s URL linky na zdroje (1) (2) (3) (4)

 

Biomechanika II

 

 

 

 

 

 

Pdf llink http://www.biomechanika.cz/materials/Biomechanika%20II.pdf

Maple 16 podpůrné soubory
Artery thin walled tube http://www.biomechanika.cz/materials/artery-thin-walled-tube.mw
Artery thick walled tube http://www.biomechanika.cz/materials/artery-thick-walled-tube.mw

Okruhy ke zkoušce podzim/zima (2012/2013) Biomechanika II Srdečněcévní kapitoly

 

 


Otevřená laboratořZvětšit obrázek

 

Kde nás najdete:



Spolupráce:


Na řešení grantového projektu GA106/08/0557 - Materiálové vlastnosti žil a jejich remodelace spolupracujeme s Ústavem termomechaniky AV ČR, vvi., který je hlavním řešitelem projektu. Ústav termomechaniky patří k špičkovým českým institucím zabývajícím se termomechanikou poddajných těles a prostředí. Je to již druhý grantový projekt z oblasti biomechaniky cév mezi našimi pracovišti.

 

V GA106/08/0557 - Materiálové vlastnosti žil a jejich remodelace probíhá spolupráce s Ústavem soudního lékařství 3. lékařské fakulty Univerzity Karlovy.

 

 

Při výzkumu hybridních textílií s NiTi vlákny (celý název je poněkud komplikovaný: Projekt GA108/10/1296 - Vývoj a charakterizace aktivních hybridních textilií s integrovanými NiTi vlákny mikronových průměrů s nanozrnnou strukturou) jsme partnerem Fyzikálního ústavu AV ČR, vvi. (Oddělení funkčních materiálů).

 

Optimalizace mechanických vlastností pro tkáňové inženýrství - spolupráce s Fyziologickým ústavem AV ČR, vvi. (Oddělení růstu a diferenciace buněčných populací, společně s IKEM)

 

 

Optimalizace mehcanických vlastností bioarteficiální chlopně a vývoj bioreaktoru pro její kultivaci - Institut klinické a experimentální medicíny (spolu s FgU AV ČR).

 

Ze soukromé sféry spolupracujeme například s:

Oprox, a.s.

 

Aortix, a.s.

femCalc je aktivita našich bývalých kolegů v oblasti komericalizace numerických analýz úloh mechaniky pro simulace materiálově a geometricky nelineárních struktur. Typicky jde o FSI (fulid-structure interaction), čili o interakci proudící kapaliny s poddajnou stěnou, která může být anisotropní. Kromě toho femCalc nabízí řešení i lineárních/nelineárních úloh čisté elasticity a viskoelasticity (reps. elasto-plasticity).

 

 

 

 

Od listopadu 2012

TOPlist

 

Projekty v realizaci