Előfizetés a lapra

Betonok szerkezetétől az emberi szemig

A hét kutatója, biofizika, biológia, fizika, interjú

2014/06/11

Mi köze van a betonok anyagmodelljeinek a szem vizsgálatához? És az épületek tervezésének a fogprotézishez vagy a vörösvértestek ütközéséhez az érfallal? A választ a BME Tartószerkezetek Mechanikája Tanszékén találtuk meg, ahol nemcsak „hagyományos” szilárdságtani, hanem biomechanikai kutatásokat is végeznek és az eredmények nagy részét hasznosítják az orvosi gyakorlatban. A tanszék munkatársával, Bojtár Imrével beszélgettünk az itt folyó tevékenységről.

– Ön korábban mechanikával foglalkozott. Hogy került elé a „bio”?

– A mi tanszékünk az Építőmérnöki Kar része és elsősorban a hallgatók oktatási igényeit szolgálja, de a mechanika eszköztárát az ott felhasznált módszereken kívül másra is tudjuk alkalmazni. Sok évvel ezelőtt egy orvosokkal tartott megbeszélésen vetődött fel először, hogy protézisek ellenőrzésére, tervezésére föl lehet-e használni azokat a numerikus modelljeinket, amelyeket eredetileg épületek tervezésére, ellenőrzésére alkalmaztunk. Természetesen lehet, hiszen a világ számos pontján végeznek hasonló számításokat. Az első vizsgálatok csíráiból a későbbi években sokfelé elágazó kutatás bontakozott ki.

– Gondolt-e arra betonvizsgálat közben, hogy át fog térni a biológiára?

– Sok-sok évvel ezelőtt valóban betonok anyagmodelljeivel foglalkoztam. Közhelyként hangzik, pedig nagyon fontos igazság, hogy a világ „egy”. A műszaki mechanika, ami a fizikának egy speciális ága, a világot írja le az egyenleteivel, akkor is, amikor a szemlencse tulajdonságait vizsgálom, és olyankor is, amikor valamilyen „hagyományos mérnöki” anyagot akarok elemezni. A numerikus módszerek, modellalkotási technikák az egyenletek szintjén nem nagyon különböznek. Bár úgy tűnik, de nem volt éles a váltás, inkább a világ más szempontokat előtérbe helyező vizsgálatáról van szó. Ha magyarázatot kell adni, azt mondanám, nagyon érdekelt olyan szakmák képviselőivel együtt dolgozni, akiknek kicsit más a gondolkodásuk. Jó dolog és hasznos is ugyanarra a feladatra más szakterületek képviselőivel együtt keresni a megoldást. Tényleg szinergikus együttműködés lett belőle, vagyis az 1+1 így kicsit több lesz, mint 2.

– Milyen konkrét témákkal foglalkozik és milyen gyakorlati vonatkozásai vannak ezeknek?

– Egyetemünkön működik a Bio­mechanikai Kutatóközpont, melynek 2003-ban alapítója és négy évig első igazgatója voltam. A Kutatóközpont munkájában, illetve laboratóriumának méréseiben több tanszék képviselői is együttműködnek, és ez a munka az engem követő új vezetők – Borbás Lajos és Kiss Rita – irányításával ma is aktívan folyik.

 A korábbi években elsősorban protézisekkel foglalkoztam: combcsontprotézissel, fogprotézisekkel, aztán bővült a kör. Jött a keringési rendszer vizsgálata, most pedig a szemmel kapcsolatos numerikus modell készítése az egyik fő feladatunk. A fogcsontokkal kapcsolatos mérések egy része is a Laborunkban készült, de dolgoztunk a Szájsebészeti Klinikán, az érrendszeri vizsgálataink pedig a Semmelweis Egyetem Élettani Intézetében folytak.

 Tulajdonképpen az igazi kutatómunkát ma már a diákok (doktoranduszok, TDK-t készítő hallgatók) végzik, az én szerepem sokkal inkább a szervezőé, a segítőé. A hallgatók körében nagy az érdeklődés. Az egyikük az emberi inak és ínszalagok anyagjellemzőinek laboratóriumi vizsgálatát végezte, majd az eredményeket beépítette számítógépes vizsgálataiba a térd mozgásának a leírására. Egy másik kolléga a mellkast érő hatások numerikus modellezésére végzett számításokat, figyelembe véve a mellkas valamennyi csontját, bordákat, gerincet, a hús- és izomszövetet, illetve a benne elhelyezkedő testrészeket, végül a fejet is „rátette”. Úgy modellezte, mintha egy gépkocsiban ülő testről lenne szó, és azt figyelte, hogy a mellkast érő erős ütések hatására hogyan alakulnak a mozgások és feszültségek. Kimutatta, hogy a különböző típusú ütközések milyen veszélyességi osztályba tartoznak, mikor fenyeget a nyaki gerincsérülés komoly esélye és így tovább. Munkája ötvözte az élettani ismereteket és a megoldáshoz szükséges mechanikai módszereket.

 Az emberi állkapocsban végzett elemzések célja, hogy ha betesznek egy protézist az alsó, szivacsos részbe, akkor annak a környezete hogyan alakul át, a csontszövet hogyan nő össze a protézissel, illetve a csontszövet hogyan módosul külső terhelések hatására, és együtt az egész hogyan viselkedik. Kapcsolódó feladat annak elemzése, hogy ha több ilyen protézis együtt van – mondjuk híddal összekapcsolva –, akkor annak milyen lesz a mechanikai viselkedése, vagy egy szájsebészeti műtét után a behelyezett fémlemezek hogyan befolyásolják az emberi állkapocs mechanikai viselkedését.

 A csontvizsgálatok között szerepel az emberi combcsont is, melyre normál körülmények között – lépésnél, járásnál, ugrásnál, esésnél – feszültségtöbbletek hatnak, elsősorban a combcsont fejére. Az itt alkalmazott orvosi szögelések, csavarozások pozicionálását segítette például egy korábbi vizsgálat. Ebben egy gyerekkori combfej-betegség gyógyítási technikáját vizsgáltuk, aminél rögzíteni kellett alulról becsavarozott eszközzel a csontokat, és nem mindegy, hogy ezt milyen irányból, milyen mélységgel és milyen csavarral végzik.

– Ezeken „érezhető” a klasszikus mechanikai jelleg, de voltak más kísérleteik is, például vörösvértestekkel – vagy akár az emberi szemmel.

– A SE Humán Élettani Intézetével, az Országos Idegtudományi Intézettel és a BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszékével együttműködve az agyi erek aneurizmáinak (ütőértágulat) vizsgálatát végeztük, hogy becsülhető legyen a feszültségek és alakváltozások ismeretében az érfalrepedés veszélye. Ma ezt a munkát elsősorban a Hidrodinamikai Tanszék folytatja, mi most hasi aneurizmáknál végzünk hasonló elemzéseket, az aneurizma kialakulását vizsgálva. Ehhez a témához kapcsolódott egy másik kutatás, az érben mozgó vörösvértestek hatásának modellezése. Ezek úgy mozognak az artériákban, mint apró, rugalmas testek és az ütközésük a falakkal komoly élettani jelző a szervezet számára, hogy az ér milyen tágulást végezzen, milyen kémiai anyagokat bocsásson a vérbe stb.

Az emberi szem numerikus modellje

Legújabban az emberi szemmel kapcsolatos kutatásban – szemészekkel együttműködve – azt vizsgáljuk, melyik szemészeti modell felel meg legjobban a valóságnak például az öregedő szem fizikai tulajdonságainak modellezésére, vagy hogyan lehet a beültetett műlencsék, illetve lézeres műtétek hatásának szimulálását megoldani.

– Meddig fejleszthetők ezek a bio­me­cha­ni­kai kutatások?

– Az ilyen típusú vizsgálatok iránti igény folyamatosan nő az egész világon. Magyarországon sajnos nincs igazi háttéripara, de az orvosok körében is egyre nagyobb az érdeklődés, és nálunk is egyre több tanszéken foglalkoznak vele a kollégák. Amikor megalapítottuk a Biomechanikai Kutatóközpontot, mindössze másfél tucatnyian jöttünk össze, ma már a Biomechanikai Társaság – Csernátonyi Zoltánnak, a Debreceni Egyetem kiváló ortopéd kutatóorvosának vezetésével – közel száz ember munkáját koordinálja.  Rendszeresen tartunk konferenciákat, és van egy folyóiratunk, a Bio­me­cha­nica Hungarica. Azt gondolom, hogy ez a fajta gondolkodásmód lassan itthon is elfogadott lesz, és egyre gyakrabban alkalmazzák a műszaki gyakorlatban. Hasonló a helyzet az oktatásban is. A Villamosmérnöki Kar irányításával az Egészségügyi Mérnökképzés (alapítói között én is ott voltam), a Gépészmérnöki Karon pedig biomechatronika képzés folyik hasonló célokkal. Van tehát igény ilyen jellegű képzésre és kutatásra is.

– A klasszikus sci-fikben gyakran szerepeltek kiborgok, vagyis az embert gépekkel egészítették ki a hatékonyabb működés érdekében. Ez a korszak még nagyon messze van?

– Szerintem nincs már olyan nagyon messze, de ez nem a mi területünk, hanem a biológiai rendszerek élettanával foglalkozó informatikusok világa. Mi a kiborgoknál legfeljebb az alkatrészek mechanikai jellemzőit tudnánk megvizsgálni. Én úgy látom, hogy nem évszázadok, hanem évtizedek választanak el attól, hogy ezek a megjelenjenek, és komoly filozófiai kérdés, hogy a gép „emberesedik” vagy az ember „gépiesedik”, esetleg a kettő fúziójából jön létre valami gyökeresen új. Ezt gyermekeink vagy unokáink már a saját bőrükön is megélhetik. De hogy ez jó lesz vagy rossz, azt eldönteni már csak utódaink fogják.

 TRUPKA ZOLTÁN

2014/22