Laboratoř aplikovaných výpočtů a simulací je tradiční součástí odboru biomechaniky. Poskytuje široké spektrum podpůrných analýz a simulací především prostřednictvím metody konečných prvků. Jejich uplatnění je po celou fázi výzkumu a vývoje zdravotních prostředků a implantátů, stejně tak v dalších odvětvích – v počáteční fázi ověřují první konstrukční vzorky, dále popř. vzorky, dále pak napomáhají při optimalizaci a ověřování výrobků.
Výsledky výpočtů a simulací pomáhají lépe pochopit vlastnosti a chování studovaných případů a jejich další úpravu na základě získaných dat, především pak hodnot napětí a deformací a jejich rozložení na povrchu a uvnitř struktur.
Analýzám často předchází biomechanická studie zaměřená na popis kinematiky, silových poměrů zkoumaného problému a materiálové modely a modely struktur. Obvyklé bývá sestavení vlastního 3D CAD modelu z dostupných lékařských snímků tkání (RTG, CT, MRI).
Tradiční zaměření je na oblast výzkumu a vývoje v oblasti náhrad kloubů, protéz, dlah, náhrad cév a dalších implantátů, analýza pohybu a kosterně svalových systémů. Aktuálními oblastmi výzkumu jsou dále mechanicko-biologické modely živých tkání, přírodou inspirované struktury (tzv. biomimetika) a vývoj v oblasti zvířecích náhrad.
Laboratoř svou činností přispívá k časově efektivnímu výzkumu a vývoji za současného snížení ekonomické náročnosti.
Kolegové
Ing. Júlia Bodnárová
Ing. Tomáš Goldmann, Ph.D.
Ing. Martin Havránek
Ing. Zdeněk Petřivý
Ing. Pavel. Růžička, Ph.D.
Metoda konečných prvků umožňuje provést širokou škálu složitých biomechanických simulací a vyhodnocovat tak průběhy deformací a napjatostí, proudění tekutin nebo i růstu tkání. Princip metody spočívá v diskretizaci spojitého kontinua do určitého počtu prvků. Složitost modelu je pak dána na jedné straně především rozsahem známých vstupních informací (zatížení, materiálové vlastnosti apod.) a na druhé straně mírou přijatých a přijatelných zjednodušení. Lze tak simulovat statické i dynamické úlohy a výsledky použít např. v optimalizaci.
Svalově-kosterní modelování je výpočetní přístup, který slouží ke studiu mechanického zatížení člověka během pohybu. Jeho hlavní aplikací je odhad svalových sil a reakcí v kloubech, které je obtížné či nemožné přímo měřit in vivo. K těmto výpočtům lze využít různé matematické a výpočetní metody, jako například statickou optimalizaci, dynamickou optimalizaci či optimální řízení. Svalově-kosterní modelování nachází uplatnění nejen při návrhu a optimalizaci umělých kloubů či ortéz a jejich následnému vlivu na pohyb člověka, ale také ve sportovní vědě a ergonomii, kde umožňuje lépe porozumět mechanice pohybu a tím maximalizovat efektivitu či snižovat riziko zranění. Spojením biomechaniky, fyziologie a výpočetních metod tak tento přístup poskytuje silný nástroj pro rozvoj klinických aplikací i základního výzkumu v oblasti lidského pohybu.
Laboratoř je vybavena řadou pokročilých programů pro řešení konečněprvkových úloh, 3D modelování, zpracování lékařských snímků, programování a vyhodnocování výsledků, zpracování pohybových analýz aj.:
Abaqus FEA, Ansys, Siemens NX CAD/ CAM, Materialise Mimics, 3D Slicer, Matlab, Maple, Python, OpenSim.
