Spis treści

Słowo od Redakcji

Inżynieria biomedyczna / Biomedical Engineering

Szybkie zmiany rozkładu krzywizny rogówki podczas bezkontaktowego badania tonometrem Corvis ST − analiza numeryczna / Fast change of corneal curvature distribution during noncontact examination using Corvis ST tonometer − numerical analysis (183–191)

Autorzy: Agnieszka Boszczyk, Henryk Kasprzak

STRESZCZENIE
Kształt rogówki oka wpływa bezpośrednio na właściwości optyczne oka oraz na jakość widzenia. Geometria przedniej powierzchni rogówki, a głównie rozkład jej promieni krzywizn, jest uwarunkowana przez wartość ciśnienia wewnątrzgałkowego oraz przez osobniczo zmienne właściwości biomechaniczne przedniego odcinka oka. Właściwości te mają wpływ na pomiar tonometryczny ciśnienia wewnątrzgałkowego. W pracy używano nowoczesnego, bezkontaktowego tonometru Corvis ST. Urządzenie to pozwala na rejestrację bardzo szybkich zmian kształtu poziomego profilu rogówki wywołanych impulsem strumienia powietrza. Celem niniejszej pracy jest analiza szybkich zmian rozkładu krzywizny profilu rogówki w czasie wywołanych podmuchem powietrza, wykonana na podstawie sekwencji zdjęć uzyskanych z tonometru Corvis ST. W badaniu uczestniczyło dziesięciu zdrowych ochotników. Każdy z nich został poddany serii 9 pomiarów na jedno oko. Uzyskane sekwencje zdjęć przeanalizowano numerycznie za pomocą pakietu Matlab. Czasowo-przestrzenne rozkłady krzywizny wyznaczono na podstawie dwóch metod wygładzania krawędzi rogówki: funkcją wielomianową oraz filtrem gaussowskim. Następnie wyznaczono szereg parametrów opisujących krzywiznę i jej rozkład oraz poddano je analizie statystycznej pod kątem powtarzalności dla poszczególnego pacjenta.

Słowa kluczowe: krzywizna rogówki, tonometr Corvis ST, ciśnienie wewnątrzgałkowe

Analityczno-numeryczne wyznaczanie sił wymaganych do uniesienia głowy niemowlęcia w pozycji supinacyjnej przy podciąganiu za kończyny górne / Analytical and numerical determination of forces required for lifting an infant head in supone position during rising for upper limbs (192–197)

Autorzy: Małgorzata Anna Czajkowska, Andrzej Antoni Czajkowski, Joanna Pierzak-Sominka

STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono symulacje sił wymaganych do uniesienia głowy niemowlęcia w pozycji supinacyjnej przy podciąganiu za kończyny górne. Symulację przeprowadzono dla 3-miesięcznego niemowlęcia o sile naturalnego obciążenia 47,1 N. Założono, że kąt nachylenia linii działania siły przy podciąganiu za kończyny górne do poziomu wynosi od 15°−60°, a siły mostkowo-obojczykowo-sutkowej wynosi od 5°−15°. Materiał oparto na literaturze z neonatologii. W pracy zastosowano metodę analityczno-numeryczną i symulację komputerową. Pokazano analityczno-numeryczne modelowanie sił mostkowo-obojczykowo-sutkowej i podciągającej kończyny górne. Dla 3-miesięcznego niemowlęcia o sile naturalnego obciążenia 47,1 N i kąta 5° między linią działania siły mięśni mostkowo-obojczykowo-sutkowych oraz kąta 15° między linią działania siły potrzebnej do uniesienia niemowlęcia za kończyny górne a poziomem, obserwuje się ok. 2,5−2,6 razy większą wartość tych sił w porównaniu z siłą naturalnego obciążenia.

Słowa kluczowe: biomechanika, niemowlęcie, siły podnoszące głowę, symulacja, Mathematica

Analiza właściwości tłumiących chrząstki w stawie skokowym / Damping properties of articular cartilage in ankle (198–206)

Autorzy: Tomasz Klekiel, Romuald Będziński

STRESZCZENIE
Niniejszy artykuł przedstawia analizę mechanizmu rozpraszania energii przez chrząstkę stawu skokowego człowieka. Wykonano analizę mającą na celu określenie prawdopodobieństwa powstawania urazu powierzchni stawowej pod wpływem obciążenia silnym impulsem. Opracowano model numeryczny stawu uwzględniający kość piszczelową, kość skokową, powierzchnie stawowe oraz więzadła. Sztywność układu uzyskano uwzględniając więzadła w postaci elementów sprężystych. Na podstawie opracowanego modelu, dokonano analizy wpływu zmian właściwości chrząstki i więzadeł na stopień tłumienia energii obciążenia. Wyniki badań numerycznych uwzględniają zarówno zmiany sztywności poszczególnych struktur, jak również zmiany modeli konstytutywnych materiałów użytych w modelu. Wyznaczono zależność pomiędzy strukturą geometryczną chrząstki a jej zdolnością do rozpraszania energii. Na drodze eksperymentów numerycznych wyznaczono warunki, przy których wystąpi uraz powierzchni stawowej.

Słowa kluczowe: staw skokowy, chrząstka, naprężenia w chrząstce, kontakt w stawie skokowym, element skończony, nieliniowy model materiału, materiał hipersprężysty

Dobór cech diagnostycznych dla klasyfikatora SVM w zadaniu klasyfikacji stanu przetoki tętniczo-żylnej na podstawie sygnału akustycznego /Selection of features for SVM classifier in the arteriovenous fistula state estimation on the basis of acoustic signal (207–212)

Autorzy: Marcin Grochowina, Lucyna Leniowska

STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono proces selekcji cech diagnostycznych dla klasyfikatora SVM. Badania przeprowadzone zostały z użyciem zbioru danych zawierającego próbki sygnału dźwiękowego emitowanego przez przetokę tętniczo-żylną. Celem prac było stworzenie rozwiązania klasyfikacji wieloklasowej w oparciu o klasyfikator z rodziny SVM pozwalającego na skuteczną i wiarygodną ocenę stanu przetoki tętniczo-żylnej.

Słowa kluczowe: klasyfikator SVM, przetoka tętniczo-żylna, selekcja cech

Optymalizacja elementu aktywnego w przegubie robota ROCH-3 / Optimization of the active element in the joint of ROCH-3 robot (213–225)

Autorzy: Dominik Mazan, Lucyna Leniowska

STRESZCZENIE
ROCH-3 to robot przeznaczony do wspomagania chirurgii małoinwazyjnej, projektowany w Katedrze Mechatroniki i Automatyki na Uniwersytecie Rzeszowskim. Jest następcą opatentowanej w 2014 roku konstrukcji ROCH-1. W artykule przedstawiono proces optymalizacji jednego z jego przegubów, który posiada dwa stopnie swobody. Dzięki optymalizacji geometrii, odpowiedniemu dobraniu wymiarów parametrów decyzyjnych uzyskano znacznie mniejsze naprężenia w elemencie wykonanym ze stali chirurgicznej, co przełożyło się na zwiększenie wartości współczynnika bezpieczeństwa. Wykonano również symulacje dla materiałów innych niż stal chirurgiczna.

Słowa kluczowe: optymalizacja, robot chirurgiczny, modelowanie CAD

Modelowanie endoprotez – drukarki 3D i 5D w zastosowaniach medycznych / Modelling of endoprotheses − applications of 3D and 5D printers in medicine (226–233)

Autorzy: Ryszard Leniowski, Seweryn Nitek, Marcin Rzeszutek, Łukasz Ryk, Krzysztof Tomecki, Michał Wroński, Mariusz Kucharczyk

STRESZCZENIE
Praca przedstawia autorskie podejścia do modelowania powłok oraz obiektów wolumetrycznych o porowatej strukturze, wytwarzanych za pomocą drukarek 3D i 5D, które mogą być wykorzystane jako endoprotezy w zastosowaniach medycznych. W pierwszej kolejności zaproponowano generowanie otwartych oraz częściowo zamkniętych powłok opartych na trzech rodzajach siatek: trójkątnej, czworokątnej i heksagonalnej. Dla tej ostatniej, korzystając z notacji Bravisa, podano trzy równania generujące struktury Armchair, Chiral, Zig-zag. Dla wolumetrycznych obiektów porowatych rozważano metody wytwarzania bazujące na strukturach krystalograficznych oraz parametrycznych funkcjach generacyjnych. Zaproponowano optymalizację kształtu przestrzennych łączników, które opisano analitycznymi powierzchniami czwartego rzędu, poprawiających własności mechaniczne struktury. Dla powłok przeprowadzono szacowanie kosztów wykonania przedmiotu biorąc pod uwagę ilość zużytego materiału. Opisano również etapy procesu przetwarzania danych od momentu wczytania pliku STL (niezwiązana lista trójkątów) do wytworzenia zapisu poleceń (w standardzie G-code) dla drukarki 3D. Zasygnalizowano również tematykę technologii druku 5D przewidzianą do realizacji na nowatorskiej drukarce 5D.

Słowa kluczowe: siatkowe powłoki, porowate obiekty wolumetryczne, modelowanie geometryczne, drukowanie 3D, dedykowane implanty

Strukturalna optymalizacja wektorowa narzędzia robota medycznego z wykorzytaniem metody elementów skończonych / Structural vectorial optimization of medical robot’s tool using finite element method (234–244)

Autorzy: Grzegorz Ilewicz, Zbigniew Nawrat

STRESZCZENIE
Praca przybliża analizy strukturalne z wykorzystaniem algorytmu metody elementów skończonych, która a priori daje prawidłowe wyniki dla układów o skomplikowanej geometrii, dla której trudno jest uzyskać rozwiązanie analityczne lub dla której przeprowadzenie testów fizycznych jest utrudnione. Eksperymenty numeryczne zostały przeprowadzone dla narzędzia robota kardiochirurgicznego Robin Heart 1, który został przetestowany podczas operacji na zwierzętach. W artykule pokazano wyniki analizy deformacji, częstotliwości drgań własnych oraz optymalizację wektorową mającą na celu określenie ekstremum w oparciu o algorytm genetyczny. Wykorzystano również metodę powierzchni odpowiedzi, globalny front Pareto i metodę elementów skończonych. Zaprezentowany model optymalizacji wielokryteralnej umożliwia uzyskiwanie struktury o minimalnej masie i maksymalnej sztywności oraz odstrajanie układu od częstotliwości bliskich rezonansowym. Przy minimalnym wzroście masy, co skutkuje minimalizacją amplitudy drgań podczas ruchu narzędzia. Celem pracy jest wyjaśnienie zjawiska rezonansu dla wyznaczonych częstotliwości drgań własnych narzędzia do serwisowania sztucznego narządu i wektorów własnych, które przedstawiają kształty deformacji przy pojawieniu się tego negatywnego zjawiska.

Słowa kluczowe: narzędzie robota medycznego, zjawisko rezonansu, optymalizacja wektorowa, powierzchnia odpowiedzi, metoda elementów skończonych

Modelowanie realistycznej przestrzeni operacyjnej na podstawie obrazów DICOM / Modelling of realistic surgical space based on DICOM images (245–252)

Autorzy: Ryszard Leniowski, Jakub Meissner

STRESZCZENIE
Praca przedstawia metody modelowania realistycznej przestrzeni medycznej na podstawie danych diagnostyki obrazowej zgodnych ze standardem DICOM. Zawiera krótki przegląd współczesnych zastosowań trójwymiarowych wizualizacji w medycynie oraz opisuje metodę pozwalającą na odczytywanie zdjęć diagnostyki obrazowej zapisanych w plikach DICOM. Dla ciągu dwuwymiarowych obrazów następuje wyznaczenie konturów ludzkich narządów. Kontury łączy się względem osi Z i w efekcie otrzymuje się trójwymiarowa siatkę obiektów w przestrzeni ograniczonej powierzchnią skóry. Jednym z tych obiektów jest również przestrzeń operacyjna. Implementację komputerową metody wykonano w języku C++ przy wykorzystaniu bibliotek SFML, SFGUI, Boost, DCMTK oraz OpenGL. Aplikacja odczytuje ciągi zdjęć procedury diagnostycznej, a następnie określa granice interesującego obszaru, wylicza wierzchołki węzłowe siatki modelu trójwymiarowego i renderuje scenę.

Słowa kluczowe: przetwarzanie obrazów medycznych, DICOM, modelowanie ciała człowieka, oprogramowanie medyczne

A platform for joint analysis of biosignals ensembles on real-time using FPGA / Platforma do analizy całości biosygnałów za pomocą FPGA (253–260)

Autorzy: Konrad Mierzejewski, Andrés Véjar

STRESZCZENIE
We present the design of a platform for acquisition and digital processing of biosignals. The objective of this platform is to process biosignals in real-time to obtain quantitative indicators for joint analysis of biosignals ensembles. An important indicator of non-linear dependence between signals is the mutual information. The estimation of the mutual information between signals is time- and resource-consuming when using standard software implementations on normal computers. To circumvent the calculation limitations on standard software implementations we use a reconfigurable computing unit of type FPGA, were the calculation of mutual information is specified in hardware.

Słowa kluczowe: biosignals, joint analysis, mutual information, DSP, FPGA

Medycyna fizykalna / Physical medicine

Analiza wpływu równoczesnego oddziaływania pola magnetycznego i światła podczerwonego na właściwości relogiczne krwi w warunkach in vitro / Analysis of the influence of simultaneous application of the magnetic field and IR light radiation on rheological properties of blood in vitro (261–266)

Autorzy: Anna Marcinkowska-Gapińska, Honorata Nawrocka-Bogusz

STRESZCZENIE
Własności reologiczne krwi warunkują przepływ krwi w naczyniach krwionośnych. Głównymi czynnikami wpływającymi na przepływ krwi w naczyniach krwionośnych są: lepkość krwi pełnej, lepkość osocza, odkształcalność erytrocytów i zdolność erytrocytów do agregacji. W niniejszej pracy badano wpływ metod wykorzystywanych w fizykoterapii takich jak światło podczerwone (855 nm) i pole magnetyczne (44,5 μT) niskich częstotliwości wykorzystywane w magnetostymulacji na własności reologiczne krwi w warunkach in vitro. Krew wykorzystywana do badań pobierana była od osób zdrowych zgłaszających się do Stacji Krwiodawstwa i Krwiolecznictwa w Poznaniu. Łącznie badaniom poddano 14 próbek krwi. Dla każdej próbki przeprowadzano pomiar wartości hematokrytu oraz dwukrotnie lepkości krwi pełnej i osocza (przed i po równoczesnej aplikacji pola magnetycznego i światła podczerwonego). Analiza uzyskanych wyników wskazuje na wpływ łącznego działania światła podczerwonego i pola magnetycznego na lepkość krwi i osocza oraz zdolność erytrocytów do deformacji i agregacji.

Słowa kluczowe: magnetostymulacja, światłoterapia, lepkość krwi, lepkość osocza, hemoreologia

Medycyna spersonalizowana / Personalized medicine

Krwotok podpajęczynówkowy i neurogenne powikłania kardiologiczne − przegląd / Subarachnoid haemorrhage and neurogenic cardiovascular disorders − review (267–272)

Autorzy: Agnieszka Uryga, Magdalena Kasprowicz, Małgorzata Burzyńska

STRESZCZENIE
Krwotok podpajęczynówkowy (SAH), związany jest z wynaczynieniem się krwi do przestrzeni, która obejmuje obszar pomiędzy oponą pajęczą i miękką i wypełniona jest płynem mózgowo-rdzeniowym. Do krwotoku dochodzi najczęściej wskutek pęknięcia tętniaka, zlokalizowanego w obrębie koła tętniczego Willisa. U pacjentów po SAH rozwija się wiele patologicznych zmian, obejmujących zaburzenia śródczaszkowe oraz uogólnione zaburzenia układu sercowo-naczyniowego oraz płuc. W niniejszej pracy omówione zostały podstawowe mechanizmy prowadzące do wystąpienia SAH oraz towarzyszące im reakcje biochemiczne. Przedstawiono również najczęściej występujące w tej grupie pacjentów patologie układu sercowo-naczyniowego. Z punktu widzenia skuteczności leczenia istotne jest bowiem poznanie charakterystycznych zmian w układzie krążenia oraz mechanizmów ich powstawania.

Słowa kluczowe: krwotok podpajeczynówkowy, układ sercowo-naczyniowy, tętniak mózgu

Monitoring parametrów chodu osób w podeszłym wieku wsparciem dla ich opiekunów i fizjoterapeutów / Monitoring gait parameters of the elderly as a support for caregivers and physiotherapists (273–280)

Autorzy: Marcin Rudzki, Agnieszka Nawrat-Szołtysik

STRESZCZENIE
Starzenie się społeczeństw rozwiniętych stawia nowe wyzwania w zakresie opieki nad seniorami. Monitorowanie codziennej aktywności, w tym parametrów chodu, daje istotne informacje o kondycji. Praca prezentuje pilotażowe pomiary aktywności seniorów Domu Pomocy Społecznej Św. Elżbieta w Rudzie Śląskiej. Pomiarom poddano 38 osób o zróżnicowanym poziomie sprawności i aktywności ocenianej według wiedzy ich opiekunów. Pozyskane dane pomiarowe poddano analizie celem wydzielenia czasów aktywności oraz wybranych parametrów chodu. Dzięki wyznaczanym wartościom liczbowym opiekun może zrewidować opinię o swoich podopiecznych. Otrzymane wyniki wskazują na przydatność takich rozwiązań w codziennej opiece nad seniorami oraz w planowaniu rehabilitacji.

Słowa kluczowe: geriatria, monitorowanie aktywności, analiza parametrów chodu, czujniki inercyjne

Biuletyn Polskiego Towarzystwa Inżynierii Biomedycznej / Bulletin of the Polish Society of Biomedical Engineering

Jubileuszowa X edycja konkursu organizowanego przez PTIB na najlepszą pracę magisterską (281−282)

Autorzy: Ewa Zalewska, Krzysztof Jakub Pałko