Załącznik 2

AUTOREFERAT

dr inż. Arkadiusz Szarek Politechnika Częstochowska

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Instytut Technologii Mechanicznych,

Częstochowa, wrzesień 2015

2

KWESTIONARIUSZ OSOBOWY Dane osobowe: Imię i nazwisko: Arkadiusz SZAREK Data urodzenia: 12.01.1977 r. Miejsce urodzenia: Jędrzejów Rodzaj ukończonych studiów, uczelnia, data:

1. Studia doktoranckie na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej w latach 2002-2006.

2. Międzywydziałowe Studium Kształcenia i Doskonalenia Nauczycieli, Studium Pedagogiczne, Politechnika Częstochowska, 2006 r.

3. Międzywydziałowe Studium Kształcenia i Doskonalenia Nauczycieli, Studium Przygotowania Pedagogicznego, Politechnika Częstochowska, 2002 r.

4. Dzienne studia magisterskie na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, kierunek Mechanika i Budowa Maszyn, specjalność Inżynieria Biomedyczna, 2002 r. – tytuł mgra inż.

5. Technikum Mechaniczne w Miechowie, kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn, 1997 r. Rozprawa doktorska:

Tytuł: Analiza naprężeń i odkształceń kości udowej po implantacji endoprotezy stawu biodrowego. Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki 2006r.

Promotor: dr hab. inż. Jerzy Włodarski, prof. PCz. Recenzenci: prof. dr hab. inż. Dagmara Tejszerska

dr hab. inż. Jacek Przybylski, prof. PCz. Obecne miejsce pracy: Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki

Instytut Technologii Mechanicznych Przebieg pracy zawodowej:

Nazwa zakładu pracy Okres zatrudnienia

Zajmowane stanowisko

Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Technologii Mechanicznych

01.06.2014 – nadal Adiunkt

Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki

01.04.2014-01.06.2014 Główny specjalista

Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Obróbki Plastycznej Inżynierii Jakości i

Bioinżynierii

01.04.2007-31.03.2014 Adiunkt

Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Obróbki Plastycznej Inżynierii Jakości i

Bioinżynierii

1.10.2006-31.03.2007 Asystent

Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Obróbki Plastycznej Inżynierii Jakości i

Bioinżynierii

01.10.2002-30.09.2006 asystent, doktorant

Wszystkie szczegółowe informacje dotyczące osiągnięć naukowych, dydaktycznych i współpracy naukowej habilitanta znajdują się w załączniku: ,,Wykaz opublikowanych prac naukowych oraz informacja o osiągnięciach dydaktycznych, współpracy naukowej i popularyzacji nauki”

3

dr inż. Arkadiusz Szarek Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Instytut Technologii Mechanicznych

AUTOREFERAT Przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych, dydaktycznych i organizacyjnych

Życiorys

Urodziłem się 12 stycznia 1977 r. w Jędrzejowie. Po ukończeniu studiów magisterskich na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej i obronie pracy magisterskiej z wynikiem bardzo dobrym oraz ukończeniu Studium Przygotowania Pedagogicznego rozpocząłem pracę w Instytucie Obróbki Plastycznej, Inżynierii Jakości i Bioinżynierii PCz.

Po podjęciu pracy na stanowisku asystenta w 2002 r. zostałem oddelegowany na studia doktoranckie prowadzone na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki. Kontynuowałem również naukę na II stopniu Międzywydziałowego Studium Kształcenia i Doskonalenia Nauczycieli.

We wrześniu 2006 roku obroniłem z wyróżnieniem pracę doktorską pt.: Analiza naprężeń i odkształceń kości udowej po implantacji endoprotezy stawu biodrowego, której promotorem był dr hab. inż. Jarzy Włodarski, prof. PCz a recenzentami: prof. dr hab. inż. Dagmara Tejszerska Politechnika Śląska oraz dr hab. inż. Jacek Przybylski, prof. PCz Politechnika Częstochowska. Na wniosek recenzenta zewnętrznego praca doktorska została wyróżniona. Praca uzyskała również Nagrodą Rektora Politechniki Częstochowskiej.

Od początku podjęcia pracy naukowej we współpracy z lekarzami ortopedami oraz radiologami zajmuję się zagadnieniami związanymi z diagnostyką patologicznych stawów, poprawą żywotności i funkcjonalności endoprotez stawu biodrowego oraz wykorzystaniem nowoczesnych materiałów na elementy endoprotez. Jestem autorem i współautorem 100 publikacji (86 po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych), z czego na szczególną uwagę zasługują 3 monografie (monografia habilitacyjna oraz 2 zagraniczne w języku angielskim), 35 artykułów opublikowanych w krajowych i zagranicznych czasopismach naukowych, 43 prace opublikowane w monografiach, pracach zbiorowych oraz innych wydawnictwach. Jestem również redaktorem naukowym 4 materiałów konferencyjnych, członkiem Komitetów Naukowych 3 Konferencji Naukowych propagujących naukę wśród studentów i doktorantów oraz Konferencji Naukowej z dziedziny biocybernetyki i inżynierii biomedycznej.

Jestem recenzentem Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, gdzie recenzowałem projekty badawcze w ramach OSF z dziedziny N518, a także recenzentem NCN i NCBiR.

Wielokrotnie prezentowałem wyniki badań własnych na krajowych i międzynarodowych konferencjach naukowych oraz podczas licznych seminariów naukowych dla lekarzy oraz inżynierów. Prowadziłem również ponad 150 wykładów i laboratoriów dla przedszkoli, uczniów szkól podstawowych, gimnazjalnych oraz szkół średnich, jak również studentów z wymiany międzynarodowej propagując naukę głównie z zakresu biomechaniki, biomateriałów, budowy i konstrukcji implantów, oraz funkcjonowania organizmu ludzkiego po endoprotezoplastyce oraz zdrowy tryb życia.

Biorę czynny udział w życiu naukowym Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki prezentując na Seminariach Wydziałowych wyniki badań realizowanych w ramach prac BS i BW, współpracuję z licznymi firmami w zakresie nowoczesnych biomateriałów, biomechaniki oraz biotribologii, jak również diagnostyki medycznej, działam na rzecz poszerzenia współpracy nauki z firmami, ze szczególnym uwzględnieniem tworzenia interdyscyplinarnych zespołów lekarzy i inżynierów m.in. przez szkolenia i wykłady oraz organizowanie interdyscyplinarnych seminariów i konferencji.

Czynnie uczestniczę w pracach na rzecz Uczelni i Wydziału, pracując w licznych komisjach, organach kolegialnych oraz pełniąc funkcje powierzone mi przez Dziekana i Rektora:

4

Pełnomocnik Rektora ds. działalności studenckiej od 2010 r. – obecnie, Pełnomocnik Dziekana Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki ds. Praktyk

Programowych na kierunku Mechanika i Budowa Maszyn w latach 2008 - 2012, Senator Politechniki Częstochowskiej w latach 2000 – 2002 oraz od 2012 r. – obecnie, Członek Rady Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki w latach 2000 – 2002 oraz od

2008 r. do 1.04.2014 r., Członek Komisji Stypendialnej dla Doktorantów w latach 2006 - 2010, Członek Sekcji Promocji Wydziału w latach 2004 - 2010, Członek Komisji Nauki Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki w latach 2008 -

2011, Członek Komisji Rozwoju i Termomodernizacji Wydziału IMiI w latach 2008 - 2010, Członek Komisji Parametryzacji Wydziału 2009 r., Opiekun Domów Studenckich w latach 2002 - 2008, Założyciel i Przewodniczący Koła Naukowego Inżynierii Biomedycznej w latach 2000 - 2002, Opiekun Koła Naukowego Inżynierii Biomedycznej od 2002 r. – obecnie, Członek Komisji Dyscyplinarnej Odwoławczej – Komisja Rektorska w latach 2008 – 2012, Opiekun roku kierunku: Inżynieria Biomedyczna w latach 2010r. - 2013r., Uprawniony i upoważniony do udzielania pierwszej pomocy na Wydziale Inżynierii

Mechanicznej i Informatyki od 2004 r. – obecnie. Brałem czynny udział w tworzeniu programu nauczania i kierunku studiów, specjalności i

specjalizacji, w opracowaniu znaczących pomocy dydaktycznych oraz pracach służących ocenie jakości kształcenia:

współudział w tworzeniu kierunku studiów Inżynieria Biomedyczna, współudział w tworzeniu specjalności Inżynieria Rehabilitacyjna, współudział w tworzeniu specjalności Informatyka Medyczna, Członek zespołu ds. wdrażania Krajowych Ram Kwalifikacyjnych dla kierunku Inżynieria

Biomedyczna od 2010 r. – obecnie, Członek Komisji Programowej dla kierunku Inżynieria Biomedyczna od 2010 r. – obecnie. Biorę czynny udział w życiu naukowym środowiska związanego z inżynierią biomedyczną,

biomechaniką oraz nowoczesnymi biomateriałami, jak również działam na rzecz współpracy z przemysłem, zwłaszcza szpitalami oraz polskimi i zagranicznymi firmami produkującymi endoprotezy, jak również małymi i średnimi przedsiębiorstwami.

I. Działalność naukowa

1. Przebieg pracy naukowej przed uzyskaniem stopnia doktora nauk technicznych

Po podjęciu pracy w Instytucie Obróbki Plastycznej, Inżynierii Jakości i Bioinżynierii zostałem skierowany na Studia Doktoranckie. Dzięki podjętej współpracy z lekarzami Oddziału Ortopedii i Chirurgii Urazowej, Wojewódzkiego Szpitala Specjalistycznego w Częstochowie (2003 r.) oraz firmami komercyjnymi produkującymi endoprotezy stawu biodrowego rozpocząłem badania naukowe dotyczące wpływu endoprotezoplastyki stawu biodrowego na stan naprężeń i odkształceń kości udowej po implantacji wybranych rodzajów endoprotez. Badania miały na celu wykazanie wpływu zmiany charakterystyki i wielkości odkształceń kości udowej po implantacji trzpienia na przebudowę struktur kostnych i zostały przeprowadzone w 4 etapach:

Badania doświadczalne na modelach fizycznych umieszczonych na symulatorze stawu biodrowego,

Badania numeryczne z wykorzystaniem oprogramowania ADINA AUI,

5

Komputerowa analiza zdjęć rentgenowskich biodra po całkowitej alloplastyce stawu biodrowego,

Kliniczna i radiologiczna ocena historii choroby pacjentów z zaimplantowaną endoprotezą stawu biodrowego.

Badania doświadczalne wykonane zostały dzięki współpracy z firmami komercyjnymi produkującymi elementy endoprotez oraz Oddziałem Ortopedii i Chirurgii Urazowej Wojewódzkiego Szpitala Specjalistycznego w Częstochowie. Pozyskane w ramach współpracy endoprotezy zostały zaimplantowane do kompozytów kostnych o kształcie i parametrach wytrzymałościowych zbliżonych do kości ludzkich. Badania doświadczalne przeprowadziłem w Laboratorium Wytrzymałości Struktur Kostnych i Implantów, będąc opiekunem (kierownikiem) tegoż Laboratorium na zmodernizowanym według własnego pomysłu symulatorze stawu biodrowego (IOPIJiB 7-1421), uwzględniającym obciążenie kości udowej podczas chodu człowieka. Kompozyty kostne zostały oklejone tensometrami i poddane obciążeniu w symulatorze stawu biodrowego będącego na wyposażeniu IOPJIiB – obecnie Zakład Bioinżynierii i Obróbki Plastycznej.

Badania numeryczne polegały na opracowaniu modeli numerycznych kości udowej anatomicznie prawidłowej oraz po implantacji wybranych rodzajów endoprotez stawu biodrowego oraz określeniu ich stanu naprężeń i odkształceń podczas obciążenia wynikającego z motoryki człowieka. Przy użyciu komercyjnego oprogramowania Mechanical Desktop opracowałem trójwymiarowe modele kości udowej anatomicznie prawidłowej oraz trzpieni. Geometrię endoprotez zaprojektowałem na podstawie danych uzyskanych z pomiarów rzeczywistych trzpieni wykorzystanych w badaniach doświadczalnych, pomiary przeprowadzono na współrzędnościowej maszynie pomiarowej. Uzyskałem w ten sposób współrzędne punktów leżących w przekrojach poprzecznych oddalonych od siebie co 1 mm. Cechy geometryczne kości udowej odwzorowałem na podstawie modelu ,,Standardized Femur’’, opracowanego przez Instituti Ortopedii Rizzoli w Bolonii. Badania numeryczne przeprowadziłem na specjalistycznym narzędziu numerycznym wykorzystującym MES – ADINA - AUI. Zestawienie wyników pozwoliło na określenie zmian stanu naprężeń kości udowej po wszczepieniu wybranych rodzajów endoprotez stawu biodrowego podczas chodu.

Dodatkowym aspektem niezbędnym do realizacji ww. badań była komputerowa analiza obrazów, która stanowiła bardzo duże wyzwanie szczególnie w dobie radiologii analogowej i uzyskanych w ten sposób diametralnie różnych obrazów RTG.

Wykorzystując techniki i narzędzia do obróbki cyfrowej digitalizowałem obrazy analogowe na negatoskopie LED wykonanym według własnego pomysłu, a uzyskane obrazy poddawałem obróbce cyfrowej w celu poprawy jakości zdjęć, dokonywałem niezbędnych pomiarów, co umożliwiło porównywanie wyników badań radiologicznych pacjenta z różnych okresów kontrolnych i ocenę remodelingu kości.

Uczestnicząc w licznych zebraniach naukowych oraz pracach lekarzy ortopedów, analizowałem wyniki badań klinicznych endoprotezoplastyki stawu biodrowego, dzięki czemu mogłem skorelować badania doświadczalne prowadzone na kompozytach kostnych z zaimplantowanymi endoprotezami, symulacji numerycznych z wykorzystaniem narzędzi MES, oraz wyniki badań klinicznych i radiologicznych pacjentów WSzS w Częstochowie.

Na podstawie przeprowadzonych badań oraz uzyskanych wyników przygotowałem dysertację doktorską: „Analiza naprężeń i odkształceń kości udowej po implantacji endoprotezy stawu biodrowego”. Przed uzyskaniem stopnia doktora wyniki moich badań zaprezentowałem na 14 konferencjach i opublikowałem w 14 artykułach naukowych.

Zwiększająca się liczba reoperacji, a w konsekwencji zwiększenie ilości elementów endoprotez usuniętych z organizmu ludzkiego, jak również dostęp do nowoczesnej aparatury badawczej pozwoliły mi na określenie coraz to nowych czynników obluzowania i zużycia sztucznego stawu biodrowego. Doskonała współpraca z lekarzami ortopedami oraz coraz liczniejszymi firmami sprawiły, iż po zakończeniu pracy doktorskiej kontynuowałem tematykę związaną z endoprotezoplastyką stawu biodrowego, zwiększając zakres badań oraz wykorzystując coraz to nowocześniejsze techniki badawcze do określenia biomechanicznych i biomateriałowych czynników wpływających na zniszczenie sztucznego stawu biodrowego człowieka.

6

2. Opis dotyczących osiągnięć wynikających z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz.U. Nr 65, poz. 595 ze zm.)

Jako osiągnięcie naukowe wynikające z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz.U. Nr 65, poz. 595 ze zm.) stanowiące podstawę ubiegania się o uzyskanie stopnia naukowego doktora habilitowanego wskazuje się dzieło opublikowane w całości w postaci monografii pt. „Biomechaniczne i biomateriałowe determinanty aseptycznego obluzowania endoprotez stawu biodrowego człowieka”, autor: Arkadiusz Szarek, wydanej przez Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2015, 345s., ISBN 978-83-7193-633-3, oraz cykl jednotematycznych 33 publikacji przygotowanych w latach 2007 – 2015 z zakresu „Biomechanicznych i biomateriałowych aspektów aseptycznego obluzowania endoprotez stawu biodrowego człowieka”.

W skład rozważanego cyklu wchodzą następujące publikacje:

1. Szarek A. (100%), Biomechaniczne i biomateriałowe determinanty aseptycznego obluzowania endoprotez stawu biodrowego człowieka, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2015, 345 s., ISBN 978-83-7193-633-3. Monografia 24 pkt.

2. Szarek A. (100%), Chosen Aspects of Biomaterials, Publish. House Education and Science, Praha 2011, 141 s., ISBN 5-98674-010-6. Monografia 25 pkt.

3. Szarek A. (100%), Hip Joint Replacement in Biomechanical and Clinical Approach, Rusnauckniga, Belgorod 2010, 134 s., ISBN 5-98674-008-6. Monografia 25 pkt.

4. Szarek A. (50%), Postawa P. (25%), Stradomski G. (25%), Assessment of biochemical processes and the influence of cyclic loads on the strength of PMMA used for attaching the prosthesis to the bone, STEEL RESEARCH INTERNATIONAL, 2012, ISBN 978-3-514-00797-0, s. 1263-1265, ISBN 978-3-514-00797-0, lista A 25pkt., IF: 0,493

5. Stradomski G. (60%), Nowak K. (10%), Soiński M.S. (10%), Szarek A. (20%), The Assessment of Tendency to Develop Hot Cracks in the Duplex Casts. Steel Research International. SI Special Edition Metal Forming, 2012, s.1231-1234, ISSN 1611-3683 ISBN 978-3-514-00797-0, lista A 25 pkt., IF: 0,493

6. Szarek A. (60%), Kwiatkowski D. (40%), Analiza rozkładu naprężeń oraz rozwoju i propagacji pęknięcia poli(metakrylanu metylu) po użytkowaniu w organizmie ludzkim = Analysis of Stress Distribution and Crack Development and Propagation of Poly(Methyl Methacrylate) After the Use in Human Body, Polimery, T.57, nr 10, 2012, s.740-746 - lista B 10 pkt., IF pięcioletni: 0,6

7. Korytkowski M. (25%), Rutkowski L. (25%), Scherer R. (25%), Szarek A.(25%), Neural Natwork-Based Assessment of Femur Stress after Hip Joint Alloplasty, Lecture Notes in Computer Science, Subseries: Lecture Notes in Artificial Intelligence, nr 6113, 2010, s.621-626, ISSN 0302-9743, ISBN 978-3-642-13207-0, lista A 13 pkt.

8. Szarek A. (30%), Korytkowski M. (20%), Rutkowski L. (20%), Scherer R. (20%), Szyprowski J. (10%), Application of Neural Wear of Head and Acetabulum in Hip Joint Implant Around Implant After Total Hip Arthroplasty, Artificial Intelligence and Soft Computing, Eds. L. Rutkowski, M. Korytkowski, R. Scherer, R. Tadeusiewicz, L. A. Zadeh, J. M. Zurada, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2012, s.335-340, ISSN 0302-9743, ISBN 978-3-642-29349-8, Lecture Notes in Artificial Intelligence 7268, Subseries of Lecture Notes in Computer Science - Referat Web of Science 10 pkt.

9. Szarek A. (30%), Korytkowski M. (20%), Rutkowski L. (20%), Scherer R. (20%), Szyprowski J. (10%), Forecasting Wear of Head and Acetabulum in Hip Joint Implant, Artificial Intelligence and Soft Computing, Eds. L. Rutkowski, M. Korytkowski, R. Scherer, R. Tadeusiewicz, L. A. Zadeh, J. M. Zurada, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2012, s.341-

7

346, ISSN 0302-9743, ISBN 978-3-642-29349-8, Lecture Notes in Artificial Intelligence 7268, Subseries of Lecture Notes in Computer - Referat Web of Science 10pkt.

10. Szarek A. (40%), Korytkowski M. (15%), Rutkowski L. (15%), Scherer M. (15%), Szyprowski J. (10%), Kostadinov D. (5%), Customization of Joint Articulations Using Soft Computing Methods, Springer International Publishing Switzerland, 2015, Eds. L. Rutkowski et al., ICAISC 2015, Part II, LNAI 9120, s.151–160, 2015, DOI: 10.1007/978-3-319-19369-4_15 - Referat Web of Science 10 pkt.

11. Szarek A. (100%): Analysis of Porosity and Critical Decohesion Force in HAp Layers Present in Human Body, METAL 2014, Conference METAL 2014 Proceedings, 23rd International Conference on Metallurgy and Materials, May 21st - 23rd, Brno, Czech Republic, Ostrava, TANGER Ltd., 2014, ISBN 978-80-87294-52-9 - Referat Web of Science 10 pkt.

12. Postawa P. (45%), Szarek A. (55%), Analysis of Changes in Bone Cement Damping Factor and its Effect on Bone Load, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 23, nr 1, 2007, s.35-38 - lista B 9 pkt.

13. Szarek A. (50%), Kwiatkowski D. (30%), Dębski H. (20%), Assessment of Fracture Toughness and Microstructure of Bone Cements = Ocena odporności na pękanie oraz mikrostruktury cementów kostnych, Kompozyty = Composites R.11, nr 3, 2011, s.192-196 - lista B 7 pkt.

14. Postawa P. (50%), Szarek A. (40%), Koszkul J. (10%), DMTA Method in Determining Strength Parameters of Acrylic Cements, Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 28, nr 5, 2007, s.309-312 - lista B 9 pkt.

15. Szarek A. (60%), Stradomski G. (30%), Włodarski J. (10%), The Analysis of Hip Joint Prosthesis Head Microstructure Changes During Variable Stress State as a Result of Human Motor Activity, Materials Science Forum, Vol. 706-709, 2012, s.600-605, ISSN 0255-5476, ISSN 1662-9752 - czasopismo on-line Wydawca: Scientific.net

16. Postawa P. (60%), Szarek A. (40%), Influence of the Change of Temperature on Tensions in the Area of Bone Cement, Int. Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering, Vol.1, nr 6, 2007, s.692-705, ISSN: 1753-3473 - czasopismo on-line

17. Szarek A. (60%), Postawa P. (40%), Composites PMMA - Carbon Fibre as an Alternative to Connection of Endoprosthesis with Bone, Kompozyty, Vol. R.10, nr 1, 2010 s.46-51 - lista B 9 pkt.

18. Postawa P. (40%), Stachowiak T. (30%), Szarek A. (30%), Badania właściwości kompozytów drewno-polimer metodą DMTA, Kompozyty = Composites, R.10, nr 3, 2010, s.266-269 - lista B 9 pkt.

19. Szarek A. (80%), Włodarski J. (10%), Szyprowski J. (10%), Optymalizacja i dobór materiału na endoprotezy stawu biodrowego, Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna. XV Krajowa Konferencja Naukowa. Wrocław 2007, s.284, ISBN 978-83-87982-52-2 - publikacja w materiałach konferencyjnych.

20. Szarek A. (60%), Włodarski J. (20%), Szyprowski J. (20%), Wytrzymałość zmęczeniowa polimetakrylanu metylu po modyfikacji wypełniaczami. Przegląd Lekarski, T.64, 2007, s.173-175; ISSN 0033-2240 - publikacja w materiałach konferencyjnych

21. Szarek A.(100%), Ocena czasu i temperatury polimeryzacji modyfikowanych cementów akrylowych, Przegląd Lekarski, T.64, 2007, s.170-172, ISSN 0033-2240 – publikacja w materiałach konferencyjnych

22. Szarek A. (100%), Wpływ kształtu endoprotezy stawu biodrowego na procesy przebudowy kości udowej, Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna, XV Krajowa Konferencja Naukowa, Wrocław 2007, s.283 - 288, ISBN 978-83-87982-52-2 – publikacja w materiałach konferencyjnych

23. Szarek A. (100%), Analiza procesu polimeryzacji kompozytowego cementu akrylowego z różnym udziałem polimeru i monomeru, Kompozyty = Composites, R.8, nr 2, 2008, s.206-209, ISSN 1641-861 - lista B 6 pkt.

24. Szarek A. (100%), Application of Image Transformation in Medical Diagnostics, Computational Intelligence, Methods and Applications, Eds. L. Rutkowski, R. Tadeusiewicz,

8

L. A. Zadeh, J. Zurada, Wyd. EXIT, Warszawa 2008, s.584-589, ISBN 978-83-60434-50-5 – fragment w książce

25. Szarek A. (100%), Ocena zużycia metalowych głów endoprotez stawu biodrowego usuniętych z organizmu ludzkiego z powodu aseptycznego obluzowania, Engineering of Biomaterials = Inżynieria Biomateriałów, Vol.11, nr 74, 2008, s.6-10, ISSN 1429-7248 – lista B 6 pkt.

26. Szarek A. (100%), Assessment of Mechanical Parameters of PMMA Used in Human Body, Advanced Materials Research, Vol.409, 2012, s.877-882, ISSN 1662-8985 - lista B 7 pkt.

27. Szarek A.(100%), Evaluation of Changes in Properties Knee Replacement Created with UHMWPE Working in the Human Body, Pridneprovskij Naucnyj Vestnik = Pridneprovsky Research Journal, nr 3 (150), 2014, s.81-85, ISSN 1561-6940 – czasopismo zagraniczne w języku obcym

28. Szarek A. (50%), Lis M. (50%), Evaluation of Mechanical Properties in Layers of Ceramic Implants Used in Hip Joint, Sovremennyj Naucnyj Vestnik, Tehniceskie Nauki, Sovremennye Informacionnye Tehnologii, nr 19 (215), 2014, s.150-156, ISSN 1561-6886 – czasopismo zagraniczne w języku obcym

29. Szarek A. (80%), Szyprowski J. (20%), Assessment of Wear in Acetabulum of Hip Joint After Reimplantation in the Aspect of Friction Between Head and Acetabulum, Sovremennyj Naucnyj Vestnik, nr 3 (115), 2012, s.46-55, ISSN 1561-6886 – czasopismo zagraniczne w języku obcym

30. Szarek A. (80%), Szyprowski J. (20%), Hip Joint Replacement in Biomechanical and Clinical Approach. Oraldyn Fylym Zarsysy, Tehniceskie Nauki, Fizika, Sovremennye Informacionnye Tehnologii, nr 9 (36), 2011, s.12-20, ISSN 1561-6908 – czasopismo zagraniczne w języku obcym

31. Szarek A. (55%), Szyprowski J. (15%), Kopuliński Ł. (10%), Radecki M. (10%), Bednarek B. (10%), Analysis of Strains in the Femur in Selected Group of Patients After Hip Joint Replacement, Oraldyn Fylym Zarsysy, Tehniceskie nauki, Ekologia, nr 18 (66), 2013, s.41-50 – czasopismo zagraniczne w języku obcym

32. Szarek A. (55%), Szyprowski J. (15%), Kopuliński Ł. (10%), Radecki M. (10%), Bednarek B. (10%), Evaluation of Peri-Implant Changes After Hip Joint Replacement, Case Study, Pridneprovskij Naucnyj Vestnik = Pridneprovsky Research Journal, nr 8 (144), 2013, s.26-33, ISSN 1561-6940 – czasopismo zagraniczne w języku obcym,

33. Szarek A. (30%), Wolański W. (20%), Szyprowski J. (20%), Kopuliński Ł. (10%), Radecki M. (10%), Bednarek B. (10%), Using Engineering Tools for Choosing Hip Joint Endoprosthesis, Sovremennyj Naucnyj Vestnik, Tehniceskie Nauki, Stroitel'stvo i Arhitektura, Fizika, Matematika, nr 32 (171), 2013, s.82-92, ISSN 1561-6886 – czasopismo zagraniczne w języku obcym

34. Szarek A. (70%), Szyprowski J. (30%), Assessment of Surface Topography of Hap, Sovremennyj Naucnyj Vestnik, nr 16 (112), 2011, s.21-26, ISSN 1561-6886 – czasopismo zagraniczne w języku obcym

Liczba cytowań publikacji oraz Indeks Hirscha (bez autocytowań) według baz: Web of Science - cytowania 8, Indeks Hirscha – 1 Google Scholar - cytowania 42, Indeks Hirscha – 4 Zestawienie wg baz: Web of Science, SCOPUS, Google Scholar, BazTech i inne – cytowania 48, Indeks Hirscha – 4

Liczba cytowań publikacji oraz Indeks Hirscha (z autocytowaniami) według baz:

Web of Science - cytowania 21, Indeks Hirscha – 2 Google Scholar - cytowania 50, Indeks Hirscha – 5 Zestawienie wg baz: Web of Science, SCOPUS, Google Scholar, BazTech i inne – cytowania 75, Indeks Hirscha – 5

Liczba cytowań publikacji oraz Indeks Hirscha według baz danych potwierdzone przez Bibliotekę Główną PCz. - Załącznik nr 7.

9

3. Omówienie celu naukowego i osiągniętych wyników przedstawionych w monografii i cyklu publikacji

3.1. Wprowadzenie XXI wiek przyniósł ze sobą szybki rozwój wielu dziedzin życia. Warunki cywilizacyjne,

szczególnie starzejące się społeczeństwo, zwiększająca się liczba osób otyłych, chorób i wypadków wymusiły powstanie interdyscyplinarnych zespołów naukowych pracujących nad nowoczesnymi materiałami, mogącymi zastąpić uszkodzone lub zmienione chorobowo układy fizjologiczne człowieka. Jednym z najdynamiczniej rozwijających się obszarów wiedzy w tym zakresie są inżynieria biomedyczna i materiałowa, zajmujące się wykorzystaniem różnych tworzyw na elementy i układy zastępcze człowieka.

Miniona dekada, tj. lata 2000-2010, ogłoszona została przez WHO dekadą kości i stawów. Spowodowało to znaczną intensyfikację badań nad chorobami kostno-stawowymi i przyczyniło się do utworzenia na całym świecie wielu interdyscyplinarnych zespołów naukowych, składających się głównie z lekarzy i inżynierów, próbujących rozwiązać liczne problemy występujące podczas leczenia zachowawczego i operacyjnego. Niestety, pomimo licznych wysiłków problemy związane z chorobami kostno-stawowymi nie zostały w pełni rozwiązane. Eskalacja implantowanych rocznie endoprotez na całym świecie oraz ilość operacji zakończonych niepowodzeniem lub powikłaniami stanowi ciągle zbyt duży odsetek. Ilość osób, u których absencja zawodowa wynika z chorób układu kostno-stawowego, jest niepokojąco duża. Skala implantowanych endoprotez stawu biodrowego w latach 1990-2000 w USA i wybranych krajach Europy oraz w obecnym okresie mimo intensyfikacji prac w tym zakresie nie uległa znaczącym zmianom.

Na podstawie publikowanych przez NFZ raportów dotyczących ewidencji endoprotezoplastyk stawów w latach 2005-2013 można wskazać, iż największą liczbę zabiegów tego typu przeprowadzono dla stawów biodrowych i kolanowych. Dokonując ich analizy, można wnioskować, że w latach 2005-2013 w Polsce przeprowadzono 404 865 endoprotezoplastyk stawów, a łączny koszt zrealizowanych świadczeń w tym zakresie wyniósł blisko 5 mld zł. W przypadku stawu biodrowego w analizowanym okresie przeprowadzono 313 117 zabiegów, co stanowi 78% wszystkich endoprotezoplastyk wykonanych w Polsce w analizowanym okresie.

Choroby zwyrodnieniowe kości i stawów dotykają coraz młodszej grupy społeczeństwa i średniorocznie w Polsce wykonuje się blisko 900 endoprotezoplastyk stawu biodrowego osobom przed 40 rokiem życia, co przy obecnej przeżywalności protez wskazuje, iż osoby te będą musiały mieć wykonane operacje rewizyjne.

Wprowadzenie endoprotezy do kości powoduje zakłócenia fizjologiczne mechanizmów przenoszenia obciążeń w stawie biodrowym. Szczególny problem stanowi prawidłowy dobór endoprotezy ze względu na stan odkształceń i naprężeń występujących w tkance okołoprotezowej. Decydujące znaczenie mają tu indywidualne cech osobnicze, tj. kształt i wielkość kości, jej gęstość oraz rodzaj i wielkość uszkodzenia, jak również osobnicze cechy antropometryczne i goniometryczne. Liczne badania wskazują na istotny wpływ konstrukcji implantu i związaną z nią sztywność na sposób przekazywania obciążeń w sztucznym stawie biodrowym.

Połączenie tych wszystkich czynników sprawia, iż wprowadzenie tej samej protezy u różnych pacjentów może generować różne stany naprężeń i odkształceń kości, powodując jej diametralnie różną przebudowę, komfort użytkowania oraz trwałość połączenia komponentów endoprotez z kością.

Bardzo istotnym problemem z punktu widzenia eksploatacji stawu biodrowego jest również optymalny dobór elementów głowy i panewki. Opory tarcia oraz powstające w jego wyniku produkty zużycia mają znaczący wpływ na eksploatację sztucznego stawu biodrowego człowieka. Wielkość oraz intensywność zużycia warunkują żywotność sztucznego stawu biodrowego. Rozmiar i liczebność produktów zużycia oraz ich migracja do organizmu wpływają zarówno na stan stawu, jak również na zdrowie lub nawet życie pacjenta. Wnikanie drobin zużytej artykulacji między tkankę a implant wywołuje reakcję zapalną i rozwój tkanki ziarninowej, która powoduje odseparowanie implantu od kości. Z kolei produkty zużycia w artykulacji metal-metal gromadzą się w tkankach miękkich, tworząc odczyny zapalne i metalozę, co klinicznie rozpoznawane jest jako pseudoguzy i kwalifikuje endoprotezę do reimplantacji. Przebieg metalozy może być zróżnicowany i jeśli np. pacjent jest

10

alergikiem, uczulonym na którykolwiek z pierwiastków stopowych, może dojść do bardzo rozległych infekcji i powikłań.

Pomimo licznych badań nad wydłużeniem żywotności endoprotez nie udało się opracować takich endoprotez oraz technik rekonstrukcji stawów, aby sztuczny staw mógł być użytkowany przez całe życie pacjenta. Obluzowanie protez związane jest z osteolizą tkanki kostnej, znajdującej się w bezpośredniej bliskości wszczepu poprzez aktywację osteoklastów, które silnie zakwaszają środowisko i uwalniając enzymy proteolityczne rozpuszczają substancje mineralne i trawią macierz zewnątrzkomórkową tkanki kostnej. Za aktywację procesów obluzowania protezy odpowiedzialne mogą być zarówno czynniki mechaniczne, wynikające z niewspółmiernego do właściwości fizjologicznych obciążenia w miejscu połączenia materiałów o różnych właściwościach mechanicznych, np. wszczep – cement kostny – kość, oddziaływanie cząstek metalu czy polietylenu przenikających do okolicznych tkanek, jak i toksyczne działanie związków chemicznych uwalnianych z cementu kostnego.

Wtórne zabiegi na stawie biodrowym po uprzedniej alloplastyce są bardzo trudnym i poważnym problemem we współczesnej ortopedii. Wzrastająca liczba realloplastyk stawu biodrowego jest spowodowana z jednej strony wzrastającą liczbą alloplastyk biodra, a z drugiej wraz z wydłużeniem się czasu obserwacji narastającą liczbą obluzowań. Obecnie spośród wykonywanych na świecie alloplastyk biodra od 10 do 20% stanowią realloplastyki stawu biodrowego. Z badań klinicznych wynika, iż około 77% realloplastyk wiąże się z koniecznością wymiany kompletnej endoprotezy, 13% reimplantacji wykonywanych jest dla samego trzpienia, a 10% dla samej panewki.

3.2. Cel i zakres badań Przeprowadzone badania miały na celu określenie czynników powodujących utratę funkcjonalności

sztucznego stawu oraz konieczność przeprowadzania zabiegów rewizyjnych. Określenie i usystematyzowanie tych czynników pozwala na personalizację endoprotezoplastyki przez dopasowanie protezy do osobniczych cech pacjenta z wykorzystaniem inżynierskiego systemu wspomagania endoprotezoplastyki stawu biodrowego, powstałego w wyniku oceny determinant biomechanicznych i biomateriałowych, warunkujących jakość i trwałość funkcjonowania sztucznego stawu biodrowego, jak również usprawnienie procesu diagnostycznego oraz monitorowania istotnych statystycznie zmian kostnych okołoprotezowych oraz biomateriałowych wpływających na funkcjonowanie i żywotność sztucznego stawu biodrowego. Wymagało to przeprowadzenia licznych i specjalistycznych badań z zakresu oceny utraty stabilności pierwotnej elementów endoprotez w wyniku zmian kostnych lub materiałowych oraz oceny zużycia węzła tarcia.

Tak szeroki zakres badań nie jest spotykany w literaturze światowej oraz krajowej. Dostępne, wąskie, acz wnikliwe badania bardzo specjalistycznych zagadnień (np. odkształcenia kości w wyniku implantacji, ocena właściwości mechanicznych wybranych biomateriałów, tarcie i zużycie w sztucznym stawie itp.) nie stanowiły bowiem materiału pozwalającego na opracowanie jednoznacznych i spójnych determinant ze względu na brak informacji na temat sposobu prowadzonych badań, parametrów i procedur badawczych. Rozważania przedstawione w opracowanych badaniach podjąłem, współpracując z ortopedami, widząc rosnące kolejki osób oczekujących na endoprotezę biodra oraz dostrzegając konieczność rozwiązania licznych problemów eksploatacyjnych sztucznych stawów. Uwzględniłem również fakt, iż rezultaty badań firm komercyjnych i producentów zajmujących się problematyką alloplastyki są utajnione, a prezentowane w różnych czasopismach naukowych wyniki eksploatacji nie traktują tematyki kompleksowo, lecz stanowią jedynie wąski wycinek zagadnienia rozwiązanego z użyciem różnorodnych technik, metod modelowania oraz analizy wyników. Stąd konieczne było wprowadzenie innowacji w zakresie opracowania wytycznych i personalizacji endoprotezoplastyki do konkretnych parametrów antropometrycznych i goniometrycznych pacjentów oraz wyrugowanie newralgicznych determinant, mogących ograniczyć żywotność protezy u danego pacjenta. W celu uzyskania wyników stanowiących podstawę do ich porównania i odniesienia do grupy pacjentów WSzS w Częstochowie zaplanowałem i przeprowadziłem eksperymenty oraz badania numeryczne pozwalające na zestawienie wyników i ich weryfikację o wyniki badań klinicznych. W przeprowadzonych badaniach doświadczalnych i numerycznych wykorzystałem nowoczesne narzędzia, techniki i metody badawcze.

11

W kontekście wzmożonego w ostatnich latach nurtu badań naukowych dotyczących problemów zwiększenia liczby osób oczekujących na endoprotezoplastykę, wzrastającej liczby realloplastyk, wynikającej z wydłużenia okresu obserwacji endoprotez zaimplantowanych w poprzednich latach, szybkiej degradacji oraz postępującej dysfunkcji endoprotez stawu biodrowego, podjęta w przedłożonych publikacjach tematyka wydaje się niezmiernie aktualna.

Problem naukowo-badawczy stanowiło określenie czynników mechanicznych i materiałowych, mających wpływ na utratę funkcjonalności sztucznego stawu biodrowego człowieka i konieczność reimplantacji biodra. Problem aplikacyjny stanowiło opracowanie determinant pozwalających lekarzom ortopedom na personalizację endoprotezoplastyki i dopasowanie endoprotezy stawu biodrowego do indywidualnych cech pacjenta, uwzględniając czynniki eksploatacyjne i finansowe. Podsumowaniem łączącym problem naukowo-badawczy i aplikacyjny było opracowanie sieci neuronowo-rozmytej wspomagającej diagnostykę patologii stawowych oraz dobór protezy dla indywidualnych potrzeb pacjenta.

Realizacja przyjętego celu i zakresu badań wymagała ścisłej współpracy z ortopedami i firmami produkującymi endoprotezy, stworzenia interdyscyplinarnego zespołu specjalistów prezentujących nurtujące problemy, które napotykają podczas pracy zawodowej. Pozwoliło to na opracowanie przeze mnie wieloaspektowej metodologii badawczej niespotykanej dotychczas w literaturze krajowej i zagranicznej. Ocena i analiza najistotniejszych determinant była możliwa dzięki wykorzystaniu najnowocześniejszych technik badawczych do oceny zniszczenia elementów sztucznych stawów usuniętych z organizmu ludzkiego oraz przeprowadzeniu licznych badań doświadczalnych i numerycznych pozwalających na ustalenie ich przyczyn. Odniesienie tych wyników do badań klinicznych i radiologicznych umożliwiło przeanalizowanie zmian zachodzących w układzie kostno-stawowym podczas znanego cyklu użytkowania protezy, co pozwoliło na określenie jakości i trwałości funkcjonowania różnych biomateriałów podczas eksploatacji sztucznego stawu biodrowego wewnątrz organizmu.

Należy bowiem podkreślić, że przedmiotem podjętych rozważań było wielopłaszczyznowe i wieloaspektowe, uwzględniające szereg kryteriów, usystematyzowanie tych determinant z punktu widzenia pacjenta, lekarzy ortopedów oraz inżynierów. Istotne okazało się opracowanie metodologii badań pozwalającej na wartościowanie złożonych i niejednorodnych czynników warunkujących jakość i komfort użytkowania endoprotez stawu biodrowego, ich identyfikację oraz weryfikację dla indywidualnych potrzeb pacjenta. Jednakże nie byłoby to możliwe, gdyby nie kilkunastoletnia współpraca z lekarzami ortopedami, w szczególności z Wojewódzkiego Szpitala Specjalistycznego im. Najświętszej Maryi Panny w Częstochowie (WSzS) oraz licznymi firmami produkującymi endoprotezy. Pozyskany w wyniku współpracy bogaty materiał kliniczny poddany został badaniom statystycznym, doświadczalnym i numerycznym, co umożliwiło opracowanie bazy danych, pozwalających na gruntowną i szczegółową ekspertyzę wpływu czynników biomechanicznych i biomateriałowych na jakość i trwałość funkcjonowania sztucznego stawu biodrowego w konkretnych warunkach użytkowania (u pacjenta o znanej historii eksploatacji).

Ze względu na tematykę badawczą istotne okazało się określenie współzależności pomiędzy zmiennymi opisującymi na przykład wiek, ciężar ciała, ból, ruchomość, zdolność chodzenia, aktywność fizyczną itp. pacjentów przed i po zabiegu całkowitej endoprotezoplastyki stawu biodrowego. Określenie zależności tychże czynników było możliwe dzięki przeprowadzeniu wywiadu lekarskiego pacjentów przed i po endoprotezoplastyce stawu biodrowego. Wywiad przeprowadzony został przez lekarzy ortopedów na opracowanej według mojego pomysłu ankiecie. Ze względu na bardzo dużą liczbę informacji diagnostycznych zawartych w ankiecie konieczne było ich pogrupowanie i zaszeregowanie do odpowiednich kategorii, przy czym należy wskazać, że dokonałem ich klasyfikacji o odpowiednie skale, współczynniki i kryteria oceny, a mianowicie:

skalę Harris Hip Score, skalę Postel Merle d'Aubigné (PMA), ocenę długości kończyn, samoocenę wyników leczenia wykonaną przez pacjenta według kryteriów Tappera, współczynnik przemieszczenia panewki dla wybranych sposobów jej mocowania w kości, zmiany alokacji wybranych rodzajów trzpieni po określonym okresie eksploatacji, ocenę skostnień pozaszkieletowych według Brookera,

12

ocenę radiogramów - trzpień w strefach Gruena oraz panewka w strefach De Lee. Badania rozpoczęto w 2003 r. Objęły one 962 pacjentów (653 kobiety (68%), 309 mężczyzn

(32%)) Wojewódzkiego Szpitala Specjalistycznego w Częstochowie po całkowitej endoprotezoplastyce stawu biodrowego. Losową próbę badawczą stanowiło 189 pacjentów w wieku od 38 do 94 lat (średnia wieku 68,9 lat), którą poddałem analizie statystycznej. W pierwszej kolejności podjąłem badania w zakresie określenia podstawowych miar statystyki opisowej, takich jak: średnia arytmetyczna, mediana, odchylenie standardowe badanych zmiennych, a następnie przeprowadziłem wnioskowanie statystyczne, wykorzystując testowanie hipotez istotności różnic średnich za pomocą testu t-Studenta i testu Wilcoxona. Ponieważ wybrane cechy statystyczne charakteryzują się nieparametrycznością, zastosowałem bardziej odpowiednie miary, takie jak: współczynnik korelacji rang Spearmana, współczynnik Tau Kendalla czy współczynnik korelacji rangowej gamma.

W przeprowadzonych badaniach zweryfikowałem także statystyczną zależność pomiędzy określonymi cechami, np. aktywnością fizyczną pacjentów a oceną radiologiczną stawu biodrowego; wpływem wieku i ciężaru pacjentów na jakość funkcjonowania stawu biodrowego po zabiegu całkowitej endoprotezoplastyki i przyczyn ewentualnej realloplastyki.

Przedstawiony materiał badawczy pozwolił na opracowanie podstawowej bazy determinant warunkujących funkcjonowanie i jakość użytkowania stawu biodrowego przez pacjentów WSzS po zabiegu całkowitej endoprotezoplastyki. Baza ta wykorzystana została w przedłożonej monografii 1, szczególnie w procesie implementacji metod inteligencji obliczeniowej w endoprotezoplastyce stawu biodrowego. Może także stanowić przykładowy wzorzec implikacji determinant pozwalających w sposób kompleksowy, np. ortopedom, ocenić jakość i komfort użytkowania wybranych rodzajów endoprotez stawu biodrowego i artykulacji stawowych przez pacjentów o różnych parametrach antropometrycznych i goniometrycznych, charakteryzujących się skrajnie różnymi warunkami eksploatacji (np. ciężar ciała, tryb życia, intensywność użytkowania itp.). Wyniki badań opublikowano w pracach: 1, 3, 7, 8, 9, 22, 24, 32.

Jedną z podstawowych informacji pozwalających na określenie wpływu implantacji endoprotezy na przebudowę kostną w rejonie endoprotezy jest określenie zmian kostnych okołoprotezowych. W celu określenia tych zmian dla kontrolnej grupy pacjentów, wykorzystując obrazy RTG, dokonałem analizy zmian kostnych w obrębie panewki wg klasyfikacji Eftekhara, systematyzując określone zmiany w obszarach De Lee. Przeprowadzone badania w zakresie oceny położenia środka głowy kości udowej w stosunku do łzy Köhlera oraz alokację sztucznej panewki w płaszczyźnie pionowej i poziomej, zrealizowałem dla obrazów RTG wykonanych bezpośrednio po implantacji protezy oraz obrazów RTG wykonanych podczas badań kontrolnych po określonym czasie eksploatacji sztucznego stawu. W tym celu wykorzystałem współczynnik MWK. Analizując zmiany alokacji panewki podczas użytkowania niezbędne było wyznaczenie kąta inklinacji panewki oraz kąta antewersji panewki. Dodatkowo określiłem charakter oraz wielkość odwapnień kostnych w obszarze kości miedniczej, jak również na styku panewki zgodnie ze strefami De Lee. Uzyskane wyniki badań pozwoliły na wyznaczenie przemieszczenia panewki względem kości miedniczej i zmian kostnych w obszarze panewki. Odwapnienia kostne typu nabytego w obszarze panewki stanowią poważny problem i mogą się przyczynić do obluzowania komponenty panewkowej w kości miedniczej. Ma to bardzo duży wpływ na profil naprężeń i odkształceń generowanych w obszarze kości miedniczej podczas motoryki człowieka. Implantacja panewki powoduje zmianę profilu naprężeń we wszystkich strefach De Lee bez względu na rodzaj i sposób zamocowania sztucznej panewki w kości miedniczej. W celu określenia tych zmian przeprowadziłem modelowanie numeryczne kości miedniczej prawidłowej i po implantacji sztucznej panewki. Modelowanie przeprowadzono z wykorzystaniem narzędzia MES – ADINA AUI, a cechy geometryczne kości miedniczej odwzorowano na podstawie TK pacjenta Oddziału Ortopedii i Chirurgii Urazowej WSzS w Częstochowie. W oparciu o dane dotyczące geometrii kości, przy użyciu komercyjnego oprogramowania Mimics®, kość miednicza zamodelowana została jako element o właściwościach mechanicznych liniowo-sprężystych, izotropowy, jednorodny, o parametrach wytrzymałościowych określonych w literaturze. Przyjęto aktywny model obciążenia stawu biodrowego. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń numerycznych określono wpływ implantacji wybranej panewki na zmianę wielkości i charakteru naprężeń kości miedniczej konkretnego pacjenta. Wyniki badań opublikowano w pracy 1.

Kolejnym etapem badań było wyznaczenie przebiegu zmian okołokostnych oraz alokacji trzpienia wewnątrz kości udowej. Optymalizacja doboru kształtu i wielkości protezy do indywidualnych cech

13

geometrycznych i wytrzymałościowych kości udowej powinna zapewnić charakterystykę odkształceń kości udowej po implantacji zbliżoną do charakterystyki odkształceń kości przed implantacją. Alokacja protezy w jamie szpikowej ma bardzo istotne znaczenie zarówno w przypadku endoprotezoplastyki cementowej, jak i bezcementowej. W celu określenia przebudowy kości udowej na skutek implantacji endoprotezy oraz przemieszczenia trzpienia wewnątrz kości udowej wykonałem analizę ww. parametrów dla obrazów RTG wykonanych bezpośrednio po implantacji protezy oraz obrazów RTG wykonanych podczas badań kontrolnych po określonym czasie eksploatacji sztucznego stawu. Ocenie podlegały zmiany występujące w kości udowej w obszarach zmodyfikowanych stref Gruena opisane na podstawie indeksu korówkowego (IK) oraz kąt przemieszczenia trzpienia (γ) w jamie szpikowej kości, jak również zagłębienie trzpienia (zT) w kości. Uzyskane wyniki pozwoliły na wyznaczenie zmian kostnych i alokacji trzpienia w zależności od indywidualnych uwarunkowań pacjenta, tj. intensywność eksploatacji, cechy antropometryczne i goniometryczne.

Ze względu na fakt, iż czynnik ten jest niezmiernie istotny, przeprowadzono modelowanie numeryczne dla 24 rodzajów protez wykorzystywanych w Oddziale Ortopedii i Chirurgii Urazowej WSzS w Częstochowie. Geometrię wybranych protez opracowano z wykorzystaniem skanera 3D GOM ATOS II z oprogramowaniem GOM Inspect. Badania przeprowadziłem dzięki współpracy z firmami komercyjnymi produkującymi endoprotezy, otrzymanymi do badań endoprotezami oraz grantowi naukowemu sfinansowanemu przez jednego z czołowych światowych producentów endoprotez firmę Johnson & Johnson. W oparciu o dane dotyczące geometrii kości udowej, przy użyciu komercyjnego oprogramowania Mimics®, kość udowa zamodelowana została jako element o właściwościach mechanicznych liniowo-sprężystych, izotropowy, jednorodny, o parametrach wytrzymałościowych określonych w literaturze. Przyjęto aktywny model obciążenia stawu biodrowego. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń numerycznych określiłem wpływ implantacji wybranego rodzaju trzpienia na zmianę wielkości i charakter naprężeń kości udowej konkretnego pacjenta, mającego rozległe i bardzo skomplikowane uszkodzenie stawu biodrowego. Przeprowadzone badania potwierdziły tezę, iż na zmianę charakteru i wielkość naprężeń (odkształceń) kości udowej, a w konsekwencji jej przebudowę zasadniczy wpływ ma kształt i rodzaj materiału protezy, jak również jej sposób mocowania w kości oraz wielkość obciążeń i intensywność eksploatacji.

Przeprowadzenie personalizacji badań numerycznych dla konkretnego pacjenta zarówno w obszarze kości miedniczej, jak i udowej było możliwe dzięki zdobytej wiedzy i wykorzystaniu nowoczesnych narzędzi numerycznych udostępnionych mi podczas stażu w firmie SOLVMED w ramach projektu „Staż Sukcesem Naukowca”, Priorytet VIII Regionalne kadry gospodarki, Działania 8.2 Transfer wiedzy, Poddziałanie 8.2.1. Szczegóły personalizacji endoprotezoplastyki zostały przedstawione w publikacjach 1 oraz 33.

Wyniki badań modelowania numerycznego dotyczących stanu naprężeń i odkształceń kości udowej po implantacji oraz płaszcza cementowego łączącego protezę z kością stanowiły podstawę do opracowania publikacji: 1, 2, 3, 4, 6, 7, 10, 12, 22, 30, 31.

Analiza materiału klinicznego w odniesieniu do wyników badań numerycznych pozwoliła mi określić, iż przy zbliżonych parametrach obciążeniowych istotny wpływ na stabilność elementów w kości, jej przebudowę oraz wielkość przemieszczenia elementów endoprotez zależy głównie od rodzaju protezy, jej sposobu mocowania oraz stanu kości. Na podstawie literatury ustaliłem, iż komórka kostna reaguje na topografię powierzchni, dotyczy to procesów adhezji i proliferacji, stanowiących podstawę osseointegracji implantu w kości. Przeprowadziłem więc badania doświadczalne z wykorzystaniem roztworów o stężeniu jonowym zbliżonym do ludzkiego organizmu, tj. płyn Ringera, kwas hialuronowy (hialuronian sodu), Simulated Body Fluid (SBF), w celu określenia kąta zwilżalności i jego histerezy dynamicznej na powierzchni biomateriałów mających kontakt z tkanką ludzką. Do badań wykorzystano nowe komercyjne protezy oraz protezy usunięte z organizmu ludzkiego o znanej historii eksploatacji. Podstawą do badań szczególnie w przypadku materiałów porowatych, których powierzchnia ulegała zmianie podczas eksploatacji w organizmie ludzkim było wykonanie badań mikroskopowych, pozwalających na określenie deminaralizacji warstwy implantu podczas użytkowania w organizmie człowieka. Było to niezwykle istotne zwłaszcza w przypadku warstw HAp, dla których zmiana parametrów wytrzymałościowych warstwy, jak również Struktury Geometrycznej Powierzchni (SGP) zależy od okresu przebywania wewnątrz organizmu. Określiłem, że histereza dynamiczna występująca na powierzchni implantów jest ściśle uzależniona od struktury geometrycznej powierzchni oraz od napięcia powierzchniowego. Wraz

14

z wydłużeniem okresu przebywania biomateriału wewnątrz organizmu ludzkiego znacznej zmianie ulega nie tylko SGP, ale również swobodna energia powierzchniowa oraz właściwości mechaniczne warstwy. Uzyskane wyniki badań zdeterminowały konieczność określenia, jak zmienia się SGP powierzchni kontaktowej warstwy implantu oraz jaki ma to wpływ na właściwości mechaniczne warstwy.

Strukturę geometryczną powierzchni implantów określiłem z wykorzystaniem skanerów 3D: GOM ATOS II z oprogramowaniem GOM Inspect oraz eviXscan 3D Loupe+, jak również urządzenia Talyrond 365 z oprogramowaniem Ultra Roundness. Bazując na komponentach endoprotez bezcementowych i cementowych usuniętych z organizmu ludzkiego, analizując osseointegrację pod względem szybkości zespolenia kość – proteza, dowiodłem, iż zdecydowaną przewagę wykazują protezy pokryte HAp, jednakże ze względu na trwałość warstwy zdecydowanie lepsze wyniki uzyskuje się w przypadku warstw na bazie Ti. Przebieg osseointegracji protezy pokrytej warstwą na bazie Ti oraz HAp analizowałem dla porównywalnego okresu przebywania protezy w organizmie ludzkim. Szczegółowej analizie poddałem również cement kostny stosowany do łączenia protez z kością. Wykazałem, iż w wyniku starzenia i eksploatacji PMMA w organizmie ludzkim dochodzi do powstania mikroubytków płaszcza cementowego. Podczas obciążeń cyklicznych wynikających z motoryki wielkość mikropęknięć powiększa się, a drobiny PMMA oddzielają się od masy cementowej i prawdopodobnie migrują do organizmu ludzkiego. Wielkość mikroszczelin powstałych w wyniku tego procesu znacznie powiększa się, a ich głębokość penetracji w wielu przypadkach sięga aż do powierzchni trzpienia, co można zaobserwować na elementach endoprotez usuniętych z organizmu ludzkiego. Stabilność połączenia protezy w kości może zostać zaburzona przez zniszczenie (odseparowanie) warstwy kontaktowej łączącej protezę z kością. W takich przypadkach odseparowanie może nastąpić również na granicy proteza-powłoka (HAp lub napylony tytan), a także proteza-cement kostny. Do oceny właściwości mechanicznych powłok wykorzystałem urządzenie scratch tester Revetest Xpress CSM Instruments. O ile w przypadku napylonego tytanu nie stwierdziłem zmian sił adhezji warstwy do rdzenia, o tyle w przypadku HAp wartość tych sił jest diametralnie różna i zależy od okresu przebywania protezy w organizmie ludzkim. Przeprowadzone badania pozwoliły mi na ocenę systemu powłoka/rdzeń i obliczenie istotnych z punktu widzenia eksploatacji parametrów, takich jak: krytyczna siła dekohezji powłoki, siła tarcia, współczynnik tarcia, profil powierzchni. W celu oceny zmian zachodzących w cemencie kostnym podczas starzenia przeprowadziłem badania dynamiczne właściwości mechanicznych metodą DMTA (Dynamic Mechanical Thermal Analysis). Badania wykonano z wykorzystaniem urządzenia DMA 242 firmy NETZSCH® z uchwytem do trójpunktowego zginania swobodnego próbki w postaci belki. Dokonałem również numerycznego modelowania warstwy PMMA, umożliwiającego analizę rozkładu naprężeń cementu kostnego przy różnych zmianach parametrów wytrzymałościowych masy cementowej. Dla wybranych cementów kostnych przeprowadziłem również badania starzeniowe w roztworze wodnym Simulated Body Fluid, poddanym elektrolizie w temperaturze roztworu 37°C przez 60 dni, odpowiadającemu 10-letniemu użytkowaniu w organizmie ludzkim oraz wykonałem badania odporności na pękanie zgodnie z PN-EN ISO 12737:2011.

Wyniki badań opublikowano w pracach 1, 2, 4, 6, 11, 14, 20, 21, 26, 34. Poza obluzowaniem elementów endoprotez w kości bardzo poważny problem stanowi zużycie

węzła tarcia (głowy i panewki) oraz - jak dowiodłem - podczas przeprowadzonych badań układu trzpień - głowa. Badania zużyciowe prowadziłem na komercyjnych, nowych protezach, a uzyskane wyniki badań zostały zweryfikowane o wyniki badań elementów endoprotez usuniętych z organizmu ludzkiego. Badania przeprowadzono na endoprotezach otrzymanych do badań od firm komercyjnych oraz dzięki grantowi naukowemu sfinansowanemu przez firmę Johnson & Johnson.

Zasadniczym elementem mającym wpływ na zużycie sztucznego biołożyska jest jego smarowanie. W styku ciał stałych – oprócz oddziaływań mechanicznych – występują również oddziaływania międzycząsteczkowe powierzchni. Oddziaływania te odgrywają bardzo istotną rolę zarówno w styku statycznym, jak i podczas wzajemnych przemieszczeń tych ciał. Pomiędzy zbliżonymi do siebie atomami oddziałują siły przyciągania i odpychania. Zewnętrzna, powierzchniowa warstewka tworzy się wskutek procesów sorpcyjnych: adsorpcji fizycznej i chemicznej. Cząsteczki płynu znajdujące się w otoczeniu zostają przyciągnięte i unieruchomione na powierzchni siłami Van der Waalsa. Zjawisko to powoduje, iż biomateriały współpracujące w ludzkim organizmie adsorbują na powierzchnię węzła tarcia płyny z organizmu ludzkiego. Jest to bardzo ważne z punktu widzenia eksploatacji sztucznego

15

stawu, albowiem synowektomia (częściowe lub całkowite usunięcie błony maziowej) powoduje brak występowania cieczy synowialnej w sztucznym stawie. Wysokie wartości energii powierzchniowej i napięcia powierzchniowego krytycznego materiałów wykorzystywanych na sztuczne biołożyska determinują tworzenie cienkiej warstwy cieczy, w wyniku czego następuje zwilżenie współpracującej powierzchni, a w konsekwencji zmniejszenie ich zużycia. Powierzchniami dobrze zwilżalnymi są te, w przypadku których kąt zwilżania jest równy zero, stąd też histereza kąta zwilżania ma w sztucznym biołożysku bardzo duże znaczenie. W celu określenia kąta zwilżalności i jego histerezy dynamicznej przeprowadziłem badania zwilżalności na powierzchni komercyjnych komponentów artykulacji stawowych powszechnie stosowanych w praktyce klinicznej, tj.: ceramiki Biolox® delta, CoCr, HXLPE, HXLPE+VitE, TiN. Do badania wykorzystałem roztwory o stężeniu jonowym zbliżonym do stężenia ludzkiego organizmu, tj.: płyn Ringera, kwas hialuronowy, SBF.

Intensywność zużycia elementów endoprotez jest zdeterminowana rodzajem współpracujących materiałów, obciążeniem jak również ilością wykonywanych cykli (aktywnością fizyczną). W celu określenia zużycia poszczególnych artykulacji stawowych przeprowadziłem badania doświadczalne, polegające na wyznaczeniu współczynnika tarcia występującego przy różnych skojarzeniach materiałowych oraz określiłem zużycie poszczególnych par trących. Badania zużycia elementów endoprotez przeprowadzono na komercyjnych elementach endoprotez. Do badań przyjęto artykulacje powszechnie stosowane w ortopedii, tj.: metal-PE, ceramika-PE, ceramika-ceramika, metal-metal. Badania wykonałem na zmodyfikowanym według własnego pomysłu symulatorze stawu biodrowego, pozwalającym na wyznaczenie przebiegu oraz wartości sił tarcia w funkcji drogi tarcia. Uzyskane wyniki zweryfikowałem o wyniki badań modelowych przeprowadzonych na testerze T05 oraz przystosowanym przeze mnie do tego celu aparacie czterokulowym. Zestawienie i porównanie wyników z tego zakresu było możliwe dzięki opracowaniu i wykonaniu przeze mnie nowoczesnego układu pomiarowego pozwalającego na rejestrację i zapis parametrów tribologicznych z symulatora oraz testerów wykorzystanych do badań. Określiłem również współczynniki tarcia μ dla wszystkich biomateriałów stosowanych obecnie w WSzS na węzły tarcia oraz materiałów wykorzystywanych jako elementy pomocnicze. Badania doświadczalne przeprowadziłem na urządzeniu Friction Tester, wyposażonym w czujnik tensometryczny firmy CAL EFG5, z dokładnością pomiarową do 0,0001 N. Badanie było zgodne z normą ASTM D1894.

Analizując materiał kliniczny oraz elementy przebadane doświadczalnie, wykorzystałem skanery 3D: GOM ATOS II z oprogramowaniem GOM Inspect oraz eviXscan 3D Loupe+, jak również urządzenia Talyrond 365 z oprogramowaniem Ultra Roundness. Określiłem, że najczęściej stosowanym materiałem panewki, będącym jednocześnie najintensywniej zużywającym się materiałem jest polietylen UHMWPE. Podjąłem więc próbę określenia wpływu czynników mechanicznych na wielkość i intensywność zużycia wkładek polietylenowych. Jednym z głównych pomiarów określających parametry mechaniczne polimerów, tj. sztywność materiału, udarność, wytrzymałość zmęczeniową, odporność na ścieranie oraz twardość jest stopień krystaliczności materiału, definiowany jako stosunek masy skrystalizowanej do całkowitej masy elementu. Do wyznaczenia stopnia krystaliczności wykorzystałem metodę różnicowej kalorymetrii skaningowej DSC. Badania przeprowadziłem na próbkach pobranych z powierzchni eksploatacji panewek PE usuniętych z organizmu ludzkiego o znanej historii i okresie użytkowania od 4 do 13 lat. Ciężar ciała pacjentów mieścił się w zakresie od 735 do 820 N, a deklarowana aktywność fizyczna była zbliżona w całej grupie badawczej. Próbki materiału pobierałem spod powierzchni współpracującej w sztucznym stawie z głową metalową z obszarów o największym stopniu degradacji.

Dodatkowo dla analizowanych próbek określiłem również twardość warstwy wierzchniej w węźle tarcia oraz przebiegi zmian modułów dynamicznych i współczynnika stratności mechanicznej (DMTA). Uzyskane wyniki z pomiarów metodą DMTA, DSC oraz twardości HV1 pozwoliły na ocenę zmian zachodzących w panewkach PE podczas eksploatacji w organizmie ludzkim. Usystematyzowanie i określenie tych zmian umożliwiło ustalenie związku między: wpływem cyklicznych obciążeń dynamicznych na zmianę stopnia krystaliczności materiału, jego budowę molekularną i właściwości mechaniczne, wpływające bezpośrednio na zmianę twardości PE oraz zmiany modułów dynamicznych i współczynnika stratności mechanicznej.

Powierzchnie wybranych głów i panewek poddałem również ocenie właściwości mechanicznych warstwy wierzchniej współpracującej w sztucznym biołożysku. W tym celu wykorzystałem urządzenie scratch tester Revetest Xpress CSM Instruments. Przeprowadzone badania pozwoliły na

16

określenie odporności na zarysowanie poszczególnych komponentów oraz obliczenie istotnych z punktu widzenia eksploatacji parametrów, takich jak: krytyczna siła dekohezji powłoki, siła tarcia, współczynnik tarcia, profil powierzchni.

Na podstawie elementów usuniętych z organizmu ludzkiego określiłem również, iż w wyniku użytkowania endoprotezy wewnątrz organizmu ludzkiego na powierzchniach kontaktowych trzpień-główka dochodzi do mikroprzemieszczeń i zużywania się tychże powierzchni. Ocenę zużycia przeprowadziłem na podstawie analizy SGP stożka wewnętrznego w główce. W tym celu dokonałem pomiarów przy użyciu skanera 3D: GOM ATOS II. Wykonałem również modelowanie numeryczne pozwalające na określenie stanu naprężeń w stożku protezy oraz główki przy rożnych skojarzeniach materiałowych trzpienia i główki. Przeprowadzone badania numeryczne dowodzą, iż wartość naprężeń na powierzchniach kontaktowych głowy i trzpienia przy tych samych warunkach obciążenia jest ściśle uzależniona od rodzaju zestawionych materiałów. Stosowanie materiałów o skrajnie różniących się parametrach wytrzymałościowych może doprowadzić do intensyfikacji zużycia stykających się powierzchni, powstania mikropęknięć, a w skrajnych przypadkach zniszczenie układu – co ma miejsce w licznych przypadkach klinicznych. Dla skojarzonych numerycznie materiałów obliczyłem więc krytyczną wartość współczynnika intensywności naprężeń KIC, co pozwoliło na określenie niewskazanych kombinacji materiałowych.

Uzyskane wyniki badań pozwalają na dobór optymalnej pary trącej do indywidualnych uwarunkowań antropometrycznych i goniometrycznych pacjenta, zapewniającej poza żądanymi parametrami triboligicznymi dobrą zwilżalność, a w konsekwencji smarowanie sztucznego stawu.

Wyniki badań tribologicznych oraz oceny elementów sztucznych biołożysk stanowiły podstawę do opracowania publikacji: 1, 2, 3, 4, 7, 8, 9, 10, 15, 25, 27.

Uzyskane wyniki badań skłoniły mnie do poszukiwania sposobów na eliminację określonych problemów i opracowanie alternatywnych rozwiązań zarówno mocowania protezy w kości, jak i węzła tarcia. Rozpocząłem badania we współpracy z firmami komercyjnymi oraz Jednostkami Naukowymi nad opracowaniem kompozytów wykorzystujących różne właściwości materiałów, w tym również z nanowypełniaczami mogącymi zmniejszyć niekorzystny wpływ środowiska korozyjnego oraz zmęczenia materiału na właściwości mechaniczne warstw mających kontakt z tkanką, jak również współpracujących w sztucznym stawie. We współpracy z Pracownikami Instytutu Metali Nieżelaznych w Gliwicach oraz Fundacją Wspierania Nanonauk i Nanotechnologii NANONET przeprowadziłem badania mechaniczne oraz tribologiczne innowacyjnej warstwy ceramicznej i kompozytu ceramicznego z wypełniaczem napylonych na biometale w celu zwiększenia trwałości węzła tarcia. Zespół podjął również badania nad wykorzystaniem nanonapełniaczy ceramicznych do modyfikacji warstwy HAp w celu zmniejszenia jej demineralizacji podczas użytkowania w organizmie ludzkim i zwiększenia jej wytrzymałości. Zaproponowana tematyka oraz wstępne wyniki badań zyskały duże zainteresowanie firm krajowych i zagranicznych produkujących endoprotezy stawowe.

We współpracy z Pracownikami Zakładu Przetwórstwa Polimerów WIMiI, firm komercyjnych oraz Instytutu Chemii Przemysłowej prowadzę badania nad modyfikacją cementu kostnego wypełniaczami organicznymi i nieorganicznymi, w tym również nanowypełniaczami w celu dostosowania parametrów wytrzymałościowych do kości oraz minimalizacji zmian wytrzymałościowych i destrukcji PMMA w wyniku przebywania w organizmie ludzkim. Za cykl publikacji z tego zakresu w 2013r. zespół pod moim kierownictwem otrzymał zespołową nagrodę II stopnia Rektora PCz.

Podjąłem również współpracę z Zakładem Przetwórstwa Nowoczesnych Materiałów Funkcjonalnych PCz w zakresie badań mikrostukturalnych i doświadczalnych nad wprowadzeniem nowoczesnych materiałów metalowych, ich technik wytwarzania oraz oceny procesu użytkowania z możliwością zastosowania jako alternatywnych biomateriałów o wysokich parametrach wytrzymałościowych.

Wyniki badań nad modyfikacją stosowanych obecnie biomateriałów oraz opracowaniem nowoczesnych kompozytów i materiałów stanowiły podstawę do opracowania publikacji: 1, 2, 3, 5, 12, 13, 14, 16, 12, 17, 18, 20, 21, 23.

Uzyskane wyniki badań klinicznych, radiologicznych, numerycznych i doświadczalnych dowiodły, iż zastosowanie prawidłowego leczenia operacyjnego w postaci endoprotezoplastyki stawu biodrowego musi być poparte indywidualną oceną pacjenta i personalizacją endoprotezy (zarówno trzpienia, jak również sztucznego biołożyska) do indywidualnych uwarunkowań goniometrycznych

17

i antropometrycznych pacjenta. Pierwszym etapem badań nad opracowaniem systemu postępowania przy doborze elementów protezy w endoprotezoplastyce spersonalizowanej, stanowiącym podbudowę merytoryczną, umożliwiającą dostęp do specjalistycznego oprogramowania, był staż, który odbyłem w ramach projektu „Staż Sukcesem Naukowca”.

W ścisłej współpracy z lekarzami ortopedami opracowałem wieloaspektowy schemat postępowania diagnostycznego oraz doboru endoprotezy do indywidualnych potrzeb pacjenta. Opracowany przeze mnie schemat postępowania oraz personalizacja elementów endoprotez ich sposobu mocowania oraz doboru do cech pacjenta jest wykorzystywany w WSzS w Częstochowie podczas trudnych i skomplikowanych zabiegów alloplastyki biodra. Wykorzystanie narzędzia numerycznego Mimics® oraz 3-maticSTL firmy Materialise pozwoliło mi na opracowanie inżynierskiego systemu planowania operacyjnego. Otrzymane wyniki badań posłużyły do opracowania wytycznych, mających na celu dobór elementów endoprotez, eliminując potencjalne zagrożenia przy użytkowaniu wybranych biomateriałów. Zaproponowaną metodologię doboru protezy z dużym powodzeniem można wdrożyć w innych ośrodkach klinicznych, uwzględniając specyfikę pacjentów. W celu wizualizacji toku postepowania podczas doboru endoprotezy przeprowadziłem przykładowe planowania przedoperacyjne dla pacjentów Oddziału Ortopedii i Chirurgii Urazowej WSzS w Częstochowie oraz opisałem tok postępowania przy optymalnym doborze endoprotezy i węzła tarcia do indywidualnych uwarunkowań antropometrycznych i goniometrycznych, uwzględniając również jej późniejszy proces eksploatacji. Wyniki badań stanowiły podstawę do opracowania publikacji: 1, 8, 33.

Pionierskim rozwiązaniem, unikatowym na skalę światową, mogącym wspomóc pracę lekarzy ortopedów w doborze endoprotezy jest implementacja metod inteligencji obliczeniowej w diagnostyce i planowaniu operacyjnym endoprotezoplastyki stawu biodrowego. Współtworzona przeze mnie w ramach projektu TEAM, realizowanego w międzynarodowym zespole badawczym w Instytucie Inteligentnych Systemów Informatycznych PCz, sieć neuronowa pozwala na diagnozowanie i dobór protezy do indywidualnych cech pacjenta. W celu opracowania narzędzia zdolnego podejmować decyzje pomocne ortopedzie, zastosowano sieci neuronowe oraz ich połączenia z logiką rozmytą w postaci systemów neuronowo-rozmytych. Do wybranych zagadnień diagnostyki, profilaktyki i doboru komponentów endoprotez dla pacjentów ortopedycznych przedstawiono implementację algorytmu Levenberga-Marquardta do uczenia nieliniowej wielowarstwowej sieci neuronowej, wspomagającej dobór endoprotez do cech osobniczych pacjenta oraz implementację systemu neuronowo-rozmytego typu Mamdaniego przy doborze artykulacji stawowych do indywidualnych cech pacjenta.

Uczenie systemów neuronowo-rozmytych odbywa się na podstawie wiedzy eksperckiej uzyskanej od doświadczonych specjalistów z danej dziedziny (na podstawie ekspertyz lekarzy ortopedów, radiologów oraz wyników badań doświadczalnych, numerycznych i klinicznych przeprowadzonych w ramach mojego zadania badawczego). Zastosowanie uczenia maszynowego umożliwia wykorzystanie oraz uogólnienie wiedzy wielu ekspertów. Uczenie systemów neuronowo-rozmytych odbywało się dwuetapowo. W pierwszej fazie uczenia wprowadzamy informacje o pacjencie przed operacją oraz wyniki badań inżynierskich, pozwalające na personalizację protezy. W celu nauczenia sieci neuronowej opracowałem formularze pozwalające na ocenę stanu biomechanicznego pacjenta uwzględniającą jego parametry antropometryczne i goniometryczne, dolegliwości bólowe oraz dysfunkcje, jak również pozwalające na ocenę stanu radiologicznego stawu biodrowego.

Nauczenie sieci neuronowej jest procesem złożonym, a jej dokładność działania jest uwarunkowana ilością danych uczących. W celu nauczenia sieci neuronowej diagnozowania patologii stawowych opracowałem bazę danych, w której usystematyzowałem wszystkie zdiagnozowane w retrospektywnych badaniach klinicznych patologie oraz odniosłem je do obrazów klinicznych (zdjęć RTG). Ze względu na bardzo dużą liczbę zgromadzonych informacji wyniki zaszeregowałem do odpowiednich kategorii, przy czym należy wskazać, iż w celu dokonania ich klasyfikacji wykorzystałem opracowane przeze mnie do badań klinicznych arkusze zawierające szczegółowe dane o historii i przebiegu choroby pacjentów oraz obrazie klinicznym zmian w obszarze biodra.

Nauczenie sieci neuronowej doboru protezy do indywidualnych potrzeb pacjenta było zagadnieniem bardzo trudnym ze względu na dużą ilość zmiennych. Podstawą doboru protezy stały się więc wyniki badań doświadczalnych oraz opracowany przeze mnie system eliminujący czynniki mogące wystąpić podczas eksploatacji sztucznego stawu. Informacją wstępną był wywiad lekarski dający wiedzę o istotnych parametrach pacjenta zakwalifikowanego do operacji, tj. wiek, ciężar ciała,

18

ruchomość w stawie, szacowana aktywność fizyczna itp., jak również patologie i zmiany w obrębie stawu biodrowego. Wprowadzenie danych uczących do sieci neuronowej „znającej” retrospektywne wyniki badań poprzednich pacjentów WSzS odbywało się na podstawie opracowanej przeze mnie innej, lecz w pełni kompatybilnej bazy danych zawierającej dane kliniczne pacjenta (analogiczne do poprzedniej bazy danych) poszerzonej o wyniki moich badań doświadczalnych i numerycznych.

Zależności wpływające na podejmowanie decyzji przez sieć neuronową wynikały z oceny czynników powodujących obluzowanie endoprotez cementowych i bezcementowych, przebudowę, profile odkształceń kości, informacje o przebiegu i intensywności degradacji biomateriałów i okalających ich tkanek kostnych, jak również warunków smarowania i intensywności zużycia poszczególnych artykulacji stawowych.

Oceniono determinanty mające wpływ na parametry wytrzymałościowe kości, takie jak wiek i płeć pacjentów, przyczyny kwalifikacji do endoprotezoplastyki (urazowe, pourazowe oraz zwyrodnieniowe) wraz z określeniem okresu oczekiwania na implantację (postępowanie choroby) oraz okresu użytkowania protezy przez pacjenta. Dodatkowo poddano analizie czynniki mogące wpłynąć na stan kości wokół wszczepu po zaimplantowaniu protezy. Determinanty te uszeregowano w grupach:

motoryka pacjentów - funkcjonalność kończyny podczas chodu, jej ruchomość wraz z uwzględnieniem aktywności fizycznej.

parametry biomechaniczne, mające wpływ na obciążenie kończyny podczas podstawowych czynności, np. długość kończyn, stabilność protezy w kości, kształt kości itp.

ocena obrazów RTG z uwzględnieniem rodzaju zaimplantowanej protezy oraz sposobu mocowania w kości. Badania RTG pozwoliły na określenie zmian wokół wszczepu (w strefach Gruena) charakterystycznych dla danego rodzaju protezy oraz skostnień pozaszkieletowych (wg klasyfikacji Brookera).

Dobierając protezę do wieku i stanu kości, wykorzystano również dane dotyczące histerezy dynamicznej cieczy pomiarowych na powierzchniach trzpienia, a więc proliferacji komórek na powierzchnię implantu (szybkości przerostu), trwałości połączenia protezy z kością ze szczególnym uwzględnieniem procesów demineralizacji HAp oraz starzenia PMMA, kładąc największy nacisk na uwypuklenie zmian parametrów wytrzymałościowych materiału oraz sił dekohezji warstwy i trzpienia w różnym okresie użytkowania. Ma to szczególne znaczenie przy doborze sposobu mocowania protez u osób młodych, u których przewidywany czas eksploatacji jest bardzo długi, jak również u osób otyłych, gdzie wielkość obciążenia głowy kości udowej, a w konsekwencji całego systemu kość-proteza (kość-cement-proteza), może wpłynąć na zmianę alokacji protezy oraz utratę lub ograniczenie odtworzonych funkcji stawu. Nie bez znaczenia jest tu również określenie zmian właściwości mechanicznych warstwy HAp oraz PMMA, dla której to poza ww. opisanymi badaniami przeprowadzono również analizę numeryczną stanu naprężeń, uwzględniając procesy starzenia. Wprowadzenie powyższych danych pozwoliło na nauczenie sieci neuronowej prognozowania zmian stanu kości udowej w poszczególnych etapach użytkowania wybranych rodzajów protez oraz oceny stanu kości w obszarze kontaktowym wokół trzpienia.

Do nauczenia sieci neuronowej selekcjonowania poszczególnych elementów artykulacji do indywidualnych uwarunkowań człowieka wykorzystano również dane dotyczące zwilżalności poszczególnych biomateriałów z wykorzystaniem różnych cieczy o stężeniu jonowym zbliżonym do płynów ustrojowych, ocenę kosztochłonności poszczególnych komponentów stawowych oraz ocenę zmian strukturalnych i wytrzymałościowych PE zależnych od okresu użytkowania. Wprowadzenie powyższych danych pozwoliło na nauczenie sieci neuronowej prognozowania zmian parametrów tribologicznych w poszczególnych etapach użytkowania wybranych elementów głowy i panewki. Dodatkowo ocenione czynniki ewolucji kostno-tkankowych w okolicy kości miedniczej (strefy De Lee) oraz skostnień w obszarze tkanek miękkich (w tym rozwój tkanki ziarninowej i metalozę - pseudoguzy) oraz ruchomości stawu pozwalają na precyzyjne prognozowanie dostosowania wybranego rodzaju artykulacji do indywidualnych potrzeb pacjenta. Do eksperymentów użyto systemu neuronowo-rozmytego typu Mamdaniego. System był uczony za pomocą algorytmu wstecznej propagacji błędu. Osiągnięto dokładność 96%.

Nieliniowe sieci neuronowe oraz systemy neuronowo-rozmyte mogą w najbliższej przyszłości w znaczącym stopniu ułatwić i wspomóc pracę lekarzy w szerokim spektrum zastosowania.

19

Identyfikacja wyuczonych parametrów i ich dopasowanie do interpretowanych danych nie może (przynajmniej na razie) zastąpić diagnostyki lekarskiej. Wykorzystanie nowoczesnych systemów sztucznej inteligencji może natomiast w znacznym stopniu pomóc lekarzowi w podjęciu trudnych, niejednokrotnie złożonych decyzji dotyczących personalizacji rodzaju protezy bądź artykulacji do indywidualnych cech osobniczych pacjenta.

Wyniki badań implementacji metod inteligencji obliczeniowej w diagnostyce i planowaniu operacyjnym endoprotezoplastyki stawu biodrowego stanowiły podstawę do opracowania publikacji: 1, 7, 8, 9, 10.

3.3. Podsumowanie Udokumentowane licznymi badaniami wyniki, umożliwiające zrozumienie determinant

wpływających na aseptyczne obluzowanie oraz zużycie elementów endoprotez, stanowią doskonałą bazę dla lekarzy ortopedów dobierających sposób mocowania oraz artykulację dla pacjentów o skrajnie różnych parametrach osobniczych, rozległych urazach lub patologiach. Przeprowadzone badania numeryczne i doświadczalne oraz ich weryfikacja o badania zrealizowane na elementach sztucznych stawów usuniętych z organizmu ludzkiego z powodu aseptycznego obluzowania lub zużycia pozwoliły na określenie czynników newralgicznych, mogących wpłynąć na przedwczesne zużycie protezy lub utratę stabilności pierwotnej. Jako główne determinanty powodujące konieczność wykonania protezoplastyki rewizyjnej określono dwie zasadnicze przyczyny: po pierwsze - obluzowanie i utratę stabilności pierwotnej komponentów endoprotez, a po drugie - zużycie artykulacji (sztucznego biołożyska). Dokonując analizy determinant wpływających na aseptyczne obluzowanie elementów endoprotezy stawu biodrowego, wskazano, iż nowoczesne narzędzia diagnostyczne i inżynierskie pozwalają na personalizację zabiegu i dobór komercyjnych komponentów endoprotez seryjnych, umożliwiających odtworzenie funkcjonalności stawu biodrowego i gwarantujących maksymalny komfort ich użytkowania oraz żywotność. Jest to jednak możliwe wyłącznie przy personalizacji terapii, bowiem indywidualne uwarunkowania osobnicze determinują wybór metody i techniki leczenia, jak również rodzaj i sposób mocowania poszczególnych komponentów endoprotez oraz artykulacji sztucznego stawu. Indywidualizację endoprotezoplastyki należy przeprowadzić od chwili zakwalifikowania pacjenta do zabiegu aż do momentu jego usprawniania i rehabilitacji. W nowoczesnej medycynie gwarantującej satysfakcjonujące efekty leczenia, indywidualne podejście do pacjenta powoduje, iż leczy się konkretną osobę, a nie chorobę. Bardzo cennym i unikatowym podejściem jest wykorzystanie uczenia maszynowego w rozpoznawaniu patologii i personalizacji endoprotezoplastyki z wykorzystaniem sieci neuronowych i neuronowo - rozmytych. Przeprowadzone badania wykazały, iż cechują się one blisko 100% dokładnością, co może w znacznym stopniu pomóc lekarzowi w podjęciu problematycznych i niejednoznacznych decyzji oraz stanowić doskonałą bazę do kształcenia nowych kadr zarówno lekarzy, jak i radiologów. Zastosowanie uczenia maszynowego w endoprotezoplastyce stawu biodrowego wydaje się słuszne i bardzo przydatne, a wraz z upływem czasu, zwiększeniem bazy danych i zakresu procesu uczenia może być przedmiotem implikacji w coraz to nowszych i bardziej odpowiedzialnych dziedzinach medycyny.

4. Recenzje i opinie wydawnicze: Recenzent Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, recenzowałem projekty badawcze

z dyscypliny Technika w Medycynie - N518 (3 recenzje); Recenzent Czasopisma Naukowego Hindawi Publishing Corporation (www.hindawi.com) (1

recenzja); Recenzent Czasopisma Naukowego Aktualne Problemy Biomechaniki, Zeszyty Naukowe Katedry

Biomechatroniki (16 recenzji) Recenzent Czasopisma Naukowego Modelowanie Inżynierskie (1 recenzja) Recenzent konferencji naukowej „Międzywydziałowe Seminarium Kół Naukowych Politechniki

Częstochowskiej” - organizator i Przewodniczący Komitetu Naukowego dr inż. Arkadiusz Szarek Politechnika Częstochowska (od 2010 - obecnie) (48 recenzji)

20

Recenzent konferencji naukowej ,,Rozwój technologii i metod informatycznych w inżynierii produkcji i inżynierii materiałowej" - organizator Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Politechnika Częstochowska (od 2010 - obecnie) (25 recenzji)

Recenzent konferencji naukowej ,,Nowoczesne technologie w medycynie” - organizatorzy: Politechnika Częstochowska, Agencja Rozwoju Regionalnego w Częstochowie, Oddział Ortopedii i Chirurgii Urazowej Wojewódzkiego Szpitala Specjalistycznego w Częstochowie - Przewodniczący Komitetu Naukowego dr inż. Arkadiusz Szarek (9 recenzji)

5. Wykaz ważniejszych Konferencji Naukowych krajowych i międzynarodowych,

w ramach których prezentowano lub publikowano wyniki badań naukowych:

1. V Seminarium Naukowe Studentów i Młodych Inżynierów Mechaników, Gdańsk 2001 r., 2. Międzynarodowy Kongres Polskiego Towarzystwa Biomechaniki, Biomechanika 2003, Poznań

2003 r., 3. Międzynarodowy Kongres Polskiego Towarzystwa Biomechaniki, Biomechanika 2004, Gdańsk

2004 r., 4. VII Seminarium Naukowe Mechanika w Medycynie, Rzeszów 2004 r., 5. Międzynarodowy Kongres Polskiego Towarzystwa Biomechaniki, Biomechanika 2005, Zakopane

2005 r., 6. VIII Seminarium Naukowe Studentów i Młodych Inżynierów Mechaników, Gdańsk 2005 r., 7. XIV Krajowa Konferencja Naukowa. Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna, Częstochowa

2005 r., 8. IX Seminarium Naukowe Mechanika w Medycynie, Rzeszów 2006 r., 9. XVI International Conference on Systems Science, Wrocław 2007 r., 10. XV Krajowa Konferencja Naukowa Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna, Wrocław 2007 r., 11. Majówka Młodych Biomechaników 2007, Szczyrk 2007 r., 12. IV Warsztaty Inżynierii Medycznej, Kraków 2007 r., 13. 24th DANUBIA-ADRIA, Symposium on Advances in Experimental Mechanics, Sibiu, Romania

2007 r., 14. 16th International Conference on Systems Science. Wrocław 2007 r., 15. Archives of Materials Science and Engineering, 2007 r., 16. IX Międzynarodowa Konferencja Naukowa Pt. Nowe Technologie i Osiągnięcia w Metalurgii

i Inżynierii Materiałowej, Częstochowa 2007 r., 17. Międzynarodowy Kongres Polskiego Towarzystwa Biomechaniki, Biomechanika 2008, Wrocław

2008 r., 18. Majówka Młodych Biomechaników 2008, Ustroń 2008 r., 19. IX Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Inżynieria Stomatologiczna – Biomateriały”, Ustroń

2008 r., 20. Nowe Technologie i Osiągnięcia w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, X Międzynarodowa

Konferencja Naukowa, Częstochowa 2009 r., 21. Majówka Młodych Biomechaników 2010, Ustroń 2010 r., 22. Nowe Technologie i Osiągnięcia w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, XI Międzynarodowa

Konferencja Naukowa, Częstochowa 2010 r., 23. ICAISC'10 Proceedings of the 10th international conference on Artificial intelligence and soft

computing, Zakopane 2010 r., 24. Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Ortopedycznego i Traumatologicznego,

Katowice 2011 r., 25. THERMEC' 2011, International Conferencje on Procesing And Manufacturing of Anvanced

Materials, Quebec City 2011 r., 26. Majówka Młodych Biomechaników 2011, Wisła 2011 r., 27. Nowoczesne Technologie w Medycynie, Częstochowa 2011 r., 28. 14 -TH International Conference Metal Forming 2012, Kraków 2012 r., 29. Majówka Młodych Biomechaników 2011, Wisła 2012 r.,

21

30. ICAISC'11 Proceedings of the 11th international conference on Artificial Intelligence and Soft Computing – Zakopane 2012r.,

31. Conference METAL 2014 Proceedings, 23rd International Conference on Metallurgy and Materials. May 21st - 23rd, Brno, Czech Republic, Ostrava 2014 r.,

32. International Conference on Artificial Intelligence and Soft Computing ICAISC, Zakopane 2015 r.,

33. Majówka Młodych Biomechaników 2015. Ustroń 2015 r.

6. Współpraca krajowa i międzynarodowa z firmami i organizacjami: Wojewódzki Szpital Specjalistyczny im. NMP w Częstochowie Oddział Ortopedii i

Chirurgii Urazowej. Współpraca w zakresie oceny jakości życia pacjentów po implantacji sztucznych stawów, planowanie przedoperacyjne z wykorzystaniem nowoczesnych narzędzi inżynierskich. Ocena wpływu naprężeń i odkształceń kości na jej przebudowę. Prace naukowo-badawcze związane z wydłużeniem żywotności endoprotez w organizmie ludzkim.

Agencja Rozwoju Regionalnego w Częstochowie S.A., Współpraca w zakresie szkoleń, transferu technologii.

Bodycote Polska Sp. z o.o.. Współpraca w zakresie, obróbki cieplnej metali, wykorzystania nowoczesnych technologii obróbki powierzchniowej tj. anodyzowanie, tworzenie powłok ceramicznych, natryskiwanie cieplne, natryskiwanie płomieniowe, naddźwiękowe natryskiwanie płomieniowe HVOF, natryskiwanie plazmowe, w celu poprawy parametrów tribologicznych metali.

Biomet Merck Polska Sp. z o.o.. Współpraca w zakresie wydłużenia żywotności endoprotez stawu biodrowego. Badania prowadzone na najnowszej generacji endoprotezach stawu biodrowego, pozwalające na określenie czynników powodujących aseptyczne obluzowanie endoprotezy. Prace naukowo-badawcze związane z doświadczalną oceną parametrów tribologicznych w układzie głowa – panewka, charakterem i wielkością naprężeń kości po endoprotezo plastyce stawu biodrowego.

Deltaplast Poland. Współpraca w zakresie zastosowania nowoczesnych biomateriałów na opakowania produktów medycznych, ocena i dobór parametrów przetwórczych.

Fundacja Wspierania Nanonauk i Nanotechnologii NANONET. Współpraca w zakresie zastosowania nanotechnologi w endoprotezoplastyce stawu biodrowego.

Johnson&Johnson - DePuy. Współpraca w zakresie wydłużenia żywotności endoprotez stawu biodrowego. Badania prowadzone na najnowszej generacji endoprotezach stawu biodrowego, pozwalające na określenie czynników powodujących aseptyczne obluzowanie endoprotezy. Prace naukowo badawcze związane z doświadczalną oceną parametrów tribologicznych w układzie głowa – panewka, charakterem i wielkością naprężeń kości po endoprotezoplastyce.

Korporacja KGL S.A. Współpraca w zakresie produkcji, przetwórstwa oraz recyklingu biopolimerów. Analiza jakościowa i ilościowa podczas doboru i przetwórstwa biopolimerów, wykorzystanie nowoczesnych metod badawczych do oceny czystości oraz parametrów wytrzymałościowych materiałów polimerowych stosowanych w medycynie.

Massmedica Sp. z o.o.. Współpraca w zakresie poprawy żywotności elementów endoprotez stawu biodrowego.

MEDGAL Sp. z o.o.. Współpraca w zakresie wydłużenia żywotności elementów endoprotez stawu biodrowego, wykorzystaniem nowoczesnych biomateriałów (w tym nanomateriałów) na pokrycia elementów endoprotez zwiększające szybkość osseointegracji protezy oraz jej żywotność w kości.

O.C.S. Spółka z o.o.. Wykorzystanie nowoczesnych narzędzi do obróbki metali, cięcie wodą, konstrukcje ze stali nierdzewnej, łączenie materiałów np. aluminium.

OptiNav Spółka z o.o.. Współpraca w zakresie nowoczesnych rozwiązań w diagnostyce medycznej, pomiarów medycznych.

22

Polskie Lekarskie Towarzystwo Radiologiczne Sekcja Techników Elektroradiologii Koło Śląskie. Współpraca w obszarze szkoleń z zakresu ochrony radiologicznej, nowoczesnych technik diagnostycznych, pomiarów medycznych.

P.P.H. "ANITEX" Anita Korzekwa. Współpraca w zakresie nowoczesnych technik wytwarzania elementów z tworzyw sztucznych. Zastosowanie urządzeń laboratoryjnych w celu redukcji wad wyprasek materiałów polimerowych.

P.U.H. Labor-o. Współpraca w zakresie obróbki metali z wykorzystaniem nowoczesnych maszyn i urządzeń CNC, tworzenia prototypów, projektowania i wykonywania konstrukcji metalowych i z tworzyw sztucznych.

Rabugino Spółka z o.o. Współpraca z zakresu techniki pomiarowej oraz badań doświadczanych.

SOLVMED Spółka z o.o.. Współpraca w zakresie planowania przedoperacyjnego oraz wykorzystanie nowoczesnych narzędzi numerycznych do personalizacji endoprotezoplastyki stawów.

Wojewódzki Szpital Specjalistyczny im. NMP w Częstochowie Zakład Diagnostyki Obrazowej. Współpraca w zakresie procedur badawczych, ustawień ekspozycji oraz parametrów badań RTG, TK, MRI. Prace naukowo-badawcze związane z minimalizacją dawki promieniowania i uzyskaniem obrazów medycznych o wysokiej jakości, oceny wypływu zmiany parametrów badania na dokładność detali badania oraz wielkość artefaktów.

Umowy współpracy oraz dokumenty potwierdzające współpracę z firmami - Załącznik nr 11. 7. Współpraca z Jednostkami Naukowymi:

Computer Science Department, University of Geneva, Route de Drize, Geneva, Switzerland, Technical University of Ostrava, Ostrava, Czechy, Instytut Metali Nieżelaznych, ul. Sowińskiego 5, Gliwice, Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego, ul. Rydygiera 8,

Warszawa, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Biomedycznej, ul. Roosevelta 40, Zabrze.

8. Odbyte staże, praktyki, wykłady zagraniczne: Lp. Kraj Uczelnia/Instytucja Rodzaj pobytu Czas pobytu

1 Czech Republic Technical University of Ostrava LLP-Erasmus (wykłady

zagraniczne) 16.09.2013-22.09.2013

2 Polska P.P.H. "ANITEX" Anita Korzekwa Staż technologiczny 01.09.2014-

26.09.2014

3 Polska Korporacja KGL, Izabelin Staż przemysłowy 10.02.2014 - 21.02.2014

4 Polska Deltaplast POLAND, Piaseczno Staż przemysłowy 01.07.2013 – 31.07.2013

5 Polska PPHU Solvmed sp. z o.o. Gliwice Staż naukowy 1.04.2012 - 30.09.2012

6 Polska O.C.S Sp. z o.o Częstochowa Staż przemysłowy 28.08.2006 - 31.10.2006

7 Polska Zakład Rehabilitacji Szpital św. Anny w Miechowie Praktyka zawodowa 02.07.2001 -

02.08.2001

23

9. Nagrody i wyróżnienia otrzymane po doktoracie za osiągnięcia naukowe: Rodzaj nagrody Rok

Nagroda Rektora PCz zespołowa II za cykl publikacji – kierownik Zespołu, Zespół w składzie: A. Szarek, D. Kwiatkowski, P. Postawa. 2013

Nagroda Rektora PCz indywidualna I stopnia za oryginalne i twórcze osiągnięcia naukowe 2012 Nagroda Rektora PCz indywidualna II stopnia za monografię pt. Hip Joint Replacement in

Biomechanical and Clinical Approach" Wydawnictwo Rusnauckniga, Belgorod 2010. 2011

Nagroda Rektora PCz indywidualna III stopnia za wyróżniającą się rozprawę doktorską pt.: Analiza naprężeń i odkształceń kości udowej po implantacji endoprotezy stawu biodrowego 2008

10. Przynależność do stowarzyszeń i organizacji naukowych (pełnione funkcje): Nazwa stowarzyszenia lub organizacji naukowej Okres Funkcja Polskie Towarzystwo Inżynierii Biomedycznej 2003 – nadal Członek

Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych 2004 – nadal Członek Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników

Polskich 2004 – nadal Członek

Stowarzyszenie Polskich Wynalazców i Racjonalizatorów 2009 – nadal Członek

11. Uczestnictwo w projektach badawczych, popularyzacji nauki oraz szkoleniach:

Rodzaj projektu / szkolenia Czas realizacji projektu / szkolenia

Świadectwo ukończenia Studium Przygotowania Pedagogicznego 2002 r. Współorganizacja Targów Edukacyjnych organizowanych przez Urząd Miasta

Częstochowy i Delegaturę Śląskiego Kuratorium Oświaty w Częstochowie 2003 r.

Szkolenie: Biomechanika w implantologii V 03.03.2007 Szkolenie w ramach projektu badawczo - rozwojowego sponsorowanego przez firmę

Johnson & Johnson (producenta endoprotez) 22.06.2007 – 24.06.2009

IV Krakowskie Warsztaty Inżynierii Medycznej 17-18.05.2007 Szkolenie z zakresu przepisów obowiązujących w pracowniach RTG oraz sposobu

przeprowadzenia kontroli przez jednostki nadzorujące 05.04.2008

Szkolenie: Biomechanika w implantologii VI 07.03.2009 Podstawy Nauczania Na Odległość - Projektowanie i Prowadzenie Kursów maj 2009 r.

Szkolenie: Ochrona Radiologiczna, zasady działania i metodyka wykonywania badań w pracowni Tomografii Komputerowej czerwiec 2009 r.

Szkolenie przygotowawcze do certyfikacji SPMP-IPMA – Project Menager 16.06-09.07.2010 Szkolenie: Training in Mimics®. Wykorzystanie nowoczesnych narzędzi numerycznych

do planowania przedoperacyjnego oraz obliczeń MES 19.05.2011

Konferencja: Nowoczesne technologie w medycynie. Przewodniczący Komitetu Naukowego dr inż. Arkadiusz Szarek inicjowanie współpracy środowiska lekarzy i

inżynierów, tworzenie interdyscyplinarnych zespołów naukowych 26.11.2011

Szkolenie w ramach projektu pt.: „Staż Sukcesem Naukowca” , Priorytet VIII Regionalne kadry gospodarki, Działania 8.2 Transfer wiedzy, Poddziałanie 8.2.1

Wsparcie dla współpracy sfery nauki i przedsiębiorstw Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego

1.04.2012 - 30.09.2012

Szkolenie: Komercjalizacja wiedzy i badań naukowych 20-22.04.2012 Szkolenie w Module III „E-learning” projektu pt. „Plan Rozwoju Politechniki

Częstochowskiej” (realizowanym przez Politechnikę Częstochowską w ramach Priorytetu IV, Działanie 4.1 Poddziałanie 4.1.1 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

20.08.2008 - 28.09.2012.

Uczestnictwo w projekcie: Przedsiębiorczość akademicka na START POKL.08.02.01-24-006/10-00 01.06. - 31.08.2013

Uczestnictwo w Programie TEAM realizowanym w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Priorytet 1 Badania i rozwój nowoczesnych technologii,

Działanie 1.2 Wzmocnienie potencjału kadrowego nauki 07.2010 - 06.2014

24

12. Zestawienie prac niepublikowanych w ramach badań własnych i statutowych: Rodzaj prac

niepublikowanych: Opis Okres realizacji

Badania własne indywidualne

BW-01-104-203/03/P Analiza naprężeń i odkształceń kości udowej z zaimplantowaną endoprotezą stawu biodrowego – kierownik pracy 2004-2008

Projekt badawczy sponsorowany przez firmę Johnson & Johnson – kierownik pracy 2 wiodące tematy badań: – Ocena parametrów tribologicznych oraz zużycia elementów endoprotez stawu biodrowego - Ocena i analiza naprężeń i odkształceń kości udowej po implantacji endoprotez stawu biodrowego – badania doświadczalne i numeryczne

2007-2009

BW-1-104-201/08/P Biomechaniczny i biomateriałowy aspekt endoprotezoplastyki kończyny dolnej – kierownik pracy 2008-2011

TEAM/2009-4/9/styp2 - Innovative Intelligent Data Analysis and Computational Paradigms for Industry and Healthcare. Projekt finansowany z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu „TEAM” - wykonawca pracy.

01.07.2010- 30.06.2014

BW-1-104-201/2010/P - Modelowanie implantów medycznych– wykonawca pracy 2010-2012

Badania statutowe

BS-1-104-301/2003 Badania doświadczalne i kliniczne utraty stabilności pierwotnej trzpieni endoprotez stawu biodrowego – wykonawca, od 01.09.2014 kierownik pracy

2006-2014

BS/MN 1-102-309/11/P - Biomateriałowe i biomechaniczne determinanty aseptycznego obluzowania endoprotez stawu biodrowego – kierownik pracy

2010- 2012

Badania zlecone

Badania zlecone dla: RABUGINO Sp. z o.o., ul. Graniczna 49, 05-825 Grodzisk Mazowiecki: Wykonanie pomiarów chropowatości detali Body Dudt Filter oraz Tank tube cover – kierownik pracy

2013

Badania zlecone dla: VICTORIA CHEMICALS Sp. z o.o. ul. Mikołaja Kopernika 5/11, 00-367 Warszawa: Badania starzenia zgodnie z normą ASTM D 1693 Environmental Stress-Cracking Resistance tworzywa HDPE PE2NT76-17 – kierownik pracy

2014

Badania zlecone dla: Pioma-Odlewnia Sp.z o.o., ul. Romana Dmowskiego 38, 97-300 Piotrków Trybunalski: Ocena zasadności zabiegu normalizacji w procesie ulepszania cieplnego odlewów ze staliwa konstrukcyjnego – wykonawca pracy

2014

Badania zlecone dla: Przedsiębiorstwo Usług Naukowych „Pro Novum” Sp. z o.o. ul. Wróbli 38, 40-534 Katowice: Przeprowadzenie badań niszczących oraz ocena mikrostruktury dostarczonych elementów turbin – wykonawca pracy

2015

II. Działalność organizacyjna

Od momentu zatrudnienia w Politechnice Częstochowskiej brałem czynny udział w działalności organizacyjnej realizowanej na rzecz Instytutu, Wydziału oraz Uczelni.

Od 1.09.2010 jestem Pełnomocnikiem Rektora Politechniki Częstochowskiej ds. działalności studenckiej,

Od 1.09.2012 jestem członkiem Senatu Politechniki Częstochowskiej, Od 1.09.2008 do 1.IV.2014 byłem członkiem Rady Wydziału Inżynierii Mechanicznej

i Informatyki, W kadencji 1.10.2008 - 30.09.2012 byłem Pełnomocnikiem Dziekana WIMiI ds. praktyk

programowych na kierunku Mechanika i Budowa Maszyn, W kadencji 1.10.2008 - 30.09.2012 byłem członkiem Komisji Dyscyplinarnej Odwoławczej, Od 1.10.2010 jestem członkiem Zespołu Programowego Kierunku Inżynieria Biomedyczna na

Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki,

25

Od 1.09.2006 do 30.09.2010 byłem członkiem Komisji Stypendialnej dla Doktorantów Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki,

Od 1.09.2006 do 30.09.2010 byłem Koordynatorem Sekcji ds. Promocji Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki,

Od 1.09.2008 do 30.09.2010 byłem członkiem Komisji Termomodernizacji Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki,

Od 1.09.2005 do 30.09.2010 byłem członkiem Komisji Nauki Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki,

Od 1.09.2002 jestem Opiekunem Koła Naukowego Inżynierii Biomedycznej, Od 1.09.2008 do 30.06.2009 byłem członkiem Zespołu przygotowującego Wniosek

o utworzenie nowego kierunku Inżynieria Biomedyczna na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki: „Inżynieria Biomedyczna”,

W 2012 roku byłem członkiem Zespołu przygotowującego wniosek KRK dla kierunku Inżynieria Biomedyczna na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki,

Od 2012 roku jestem członkiem Komisji Programowej dla Kierunku Inżynieria Biomedyczna, Od 2004 roku jestem uprawniony i upoważniony do udzielania pierwszej pomocy na Wydziale

Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Od 1.10.2003 - do 1.09.2006 byłem opiekunem Domów Studenckich, Od 1.10.2012 byłem opiekunem roku kierunku Inżynierii Biomedycznej, W latach 2004-2006 byłem członkiem Komisji Rekrutacyjnej na Wydziale Inżynierii

Mechanicznej i Informatyki, W latach od 2003 - 2013 byłem organizatorem i koordynatorem 56 wizyt studyjnych i zajęć

obserwacyjnych dla studentów Kierunków: Budowa Maszyn, Inżynieria Biomedyczna oraz Informatyka,

W latach 2003 - 2012 uczestniczyłem w Targach Edukacyjnych oraz Dniach Otwartych Drzwi Politechniki Częstochowskiej, z czego w latach 2006 - 2010 byłem koordynatorem Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki,

Od 1.11.2011 do 9.12.2011 byłem inicjatorem i koordynatorem kursu pierwszej pomocy dla studentów Politechniki Częstochowskiej - przeszkolono 150 osób. Kurs zakończył się egzaminem i certyfikacją uprawnień.

Nagrody i wyróżnienia otrzymane po doktoracie 2010-2014 za działalność organizacyjną

Rodzaj nagrody Rok Medal 65-lecia PCz uznaniu zasług na rzecz Politechniki Częstochowskiej 2014 Nagroda Rektora PCz indywidualna II stopnia za działalność organizacyjną 2014 Nagroda Rektora PCz indywidualna III stopnia za działalność organizacyjną 2014 Nagroda Rektora PCz indywidualna II stopnia za działalność organizacyjną 2013 Nagroda Rektora PCz indywidualna III stopnia za działalność organizacyjną 2013 Nagroda Rektora PCz indywidualna III stopnia za działalność organizacyjną 2012

Nagroda zespołowa III stopnia za przygotowanie wniosku o utworzenie kierunku studiów Inżynieria Biomedyczna. Zespół w składzie: R. Cierniak, Z. Kucharczyk, A. Szarek,

W. Więckowski, J. Włodarski. 2010

III. Działalność dydaktyczna

Osiągnięcia dydaktyczne realizowane w trakcie pracy zawodowej na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej skupione są na czterech podstawowych obszarach, do których zaliczyć mogę: 1) promowanie prac licencjackich, inżynierskich (24 prac) i magisterskich (8 prac) łącznie 32 prac, 2) poprawę efektywności procesu kształcenia, w szczególności:

26

a) w latach 2008-2009 – jako członek Zespołu ds. otwarcia kierunku studiów Inżynieria Biomedyczna na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki odpowiedzialny byłem za weryfikację siatek programowych z przypisanymi punktami ECTS, formy i profilu studiów inżynierskich wraz z czasem ich trwania.

b) od października 2010 roku do 2012 roku – jako członek Zespołu ds. wprowadzenia Krajowych Ram Kwalifikacji na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki koordynowałem zadaniami Zespołu powołanego w celu sprawdzenia sylabusów opracowanych zgodnie z wytycznymi KRK dla kierunku Inżynieria Biomedyczna i stworzenia matrycy efektów kształcenia, a także w zakresie formalnego przygotowania kompletnej dokumentacji kierunku studiów zgodnie z wytycznymi, zawartymi w procedurze programu kształcenia według zasad KRK.

3) realizację procesu dydaktycznego:

a) w uczelniach zagranicznych w ramach programu LPP-Erasmus – opracowałem i prowadziłem cykl wykładów w Technical University of Ostrava we wrześniu 2013 r. z zakresu biomechaniki, biomateriałów oraz biotribologii (język wykładowy- język angielski) b) opracowanie programów nauczania przedmiotów dla kierunków studiów:

- kierunek Mechatronika, przedmiot: Tribologia - kierunek Inżynieria Biomedyczna, przedmioty: Analiza Obrazów Medycznych, Biotribologia, Elektroniczna Aparatura Medyczna, Urządzenia i Sprzęt Rehabilitacyjny.

c) Prowadziłem lub obecnie prowadzę zajęcia laboratoryjne i wykłady z następujących przedmiotów:

Wykłady: Biomechanika inżynierska Biotribologia Elektroniczna Aparatura Medyczna Nowoczesne Systemy Sterowania Procesami Produkcyjnymi Patobiomechanika Prowadzenie działalności gospodarczej Przetwarzanie Obrazów Medycznych Technologia informacyjna Tribologia Urządzenia i sprzęt rehabilitacyjny

Ćwiczenia laboratoryjne:

o Biomechanika inżynierska o Biotribologia o Elektroniczna Aparatura Medyczna o Finanse przedsiębiorstw o Implanty i sztuczne narządy o Inżynieria wytwarzania I - obróbka plastyczna i skrawanie o Nowoczesne Systemy Sterowania Procesami Produkcyjnymi o Obróbka plastyczna o Obróbka plastyczna i narzędzia o Patobiomechanika o Podstawowe technologie wytwarzania o Prowadzenie działalności gospodarczej o Przetwarzanie Obrazów Medycznych o Systemy informatyczne w zarządzaniu jakością (zajęcia w formie – e-learning) o Technologia informacyjna o Tribologia o Urządzenia i sprzęt rehabilitacyjny o Zintegrowane systemy wytwarzania

27

4) zainicjowanie oraz uruchomienie Koła Naukowego Inżynierii Biomedycznej, którego nadrzędnym celem działania jest integracja środowiska studenckiego zainteresowanego inżynierią biomedyczną i umożliwianie jego członkom rozwijania i pogłębiania wiedzy w tym zakresie, a przede wszystkim wykształcenie analitycznych umiejętności efektywnego przetwarzania i wykorzystywania wewnętrznych i zewnętrznych źródeł informacji do celów decyzyjnych w procesach technologicznych, biomechanice, inżynierii materiałowej oraz konstrukcji sprzętu rehabilitacyjnego. Prace Koła Naukowego odbywały się na terenie Politechniki Częstochowskiej oraz na licznych zajęciach obserwacyjnych, wizytach studyjnych oraz warsztatach w firmach stanowiących potencjalne miejsce pracy dla Absolwentów m.in.:

Warsztaty naukowe z firmą SOLVMED Sp. z o.o. Modelowania struktur anatomicznych na podstawie zdjęć TK lub RMI. Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki. 21.X.2010 r.

Warsztaty naukowe: Planowanie przedoperacyjne z wykorzystaniem nowoczesnych narzędzi numerycznych. Politechnika Częstochowska 17.03.2011 r.

Warsztaty naukowe: Rozwój regionalny a zdrowie publiczne – Agencji Rozwoju Regionalnego S.A. w Częstochowie, Częstochowa 16.04.2012 r. (organizator warsztatów)

Wyjazdowe Seminarium Naukowe do Uniwersyteckiego Szpitala Ortopedyczno – Rehabilitacyjnego w Zakopanem ul. Balzera 15. (4 wyjazdy)

Wyjazdowe Seminarium Naukowe Przedsiębiorstwo Uzdrowiskowe Ustroń S.A. Ul. Sanatoryjna 1, 43-450 Ustroń. (2 wyjazdy)

Zajęcia obserwacyjne w Instytucie Techniki i Aparatury Medycznej ,,ITAM" ul. Roosevelta 118, 41-800 Zabrze. 12.06.2013 r.

Warsztaty Naukowe: „Ulgi podatkowe na nowe technologie”, które odbyło się na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki w dniu 03.06.2013 r. - (organizator warsztatów),

Zajęcia obserwacyjne w Zakładzie Onkologii Wojewódzkiego Szpitala Specjalistycznego w Częstochowie – cyklicznie,

Zajęcia obserwacyjne w Zakładzie Rehabilitacji Leczniczej Sp. z o.o. ul. Łódzka 33, Częstochowa – cyklicznie. Podczas pracy ze studentami zorganizowałem 56 wizyt studyjnych i zajęć obserwacyjnych dla studentów kierunków: Budowa Maszyn, Inżynieria Biomedyczna oraz Informatyka.

W latach 2002 – 2015 w pracach Koła Naukowego Inżynierii Biomedycznej uczestniczyło 312 studentów oraz 9 doktorantów. Wyniki badań realizowanych ze studentami i doktorantami Koła Naukowego Inżynierii Biomedycznej opublikowano w licznych artykułach naukowych m.in.:

Konferencja Naukowa Międzywydziałowe Seminarium Kół Naukowych – konferencja cykliczna, na której studenci i doktoranci Politechniki Częstochowskiej podczas siedmiu edycji zaprezentowali ponad 500 artykułów (w tym 25 prac KN Inżynierii Biomedycznej). – Organizator Konferencji i Przewodniczący Komitetu Naukowego dr inż. Arkadiusz Szarek.

Majówka Młodych Biomechaników, Rozwój Technologii i Metod Informatycznych w Inżynierii Produkcji i Inżynierii

Materiałowej. Międzynarodowa Studencka Sesja Naukowa, Innowacje w Procesach Produkcyjnych, Technologicznych i Bezpieczeństwie. Studencka

Sesja Naukowa.