Detail předmětu

Biomechanika III

FSI-RBMAk. rok: 2020/2021

Předmět je zaměřen na bližší seznámení s biomechanickými problémy srdečně cévní soustavy. Podává přehled mechanických vlastností jejích prvků, rozbor jejich důležitosti z hlediska biomechaniky a možností jejich výpočtového modelování. Zabývá se specifickými modely měkkých tkání (fyzikální nelinearita, anizotropní hyperelasticita, aktivní kontrakce), založenými na popisu jejich vláknité nehomogenní struktury. Uvádí mechanickou strukturu buňky a principy její modelování. Podává přehled základních reologických vlastností krve a modelování pulzačního proudění v poddajné trubici. Dále se zabývá implantáty a náhradami používanými v srdečně cévní chirurgii (umělá srdeční čerpadla, umělé srdeční chlopně, cévní náhrady a stenty). Pojednává především o jejich konstrukčních principech, specifických požadavcích a materiálech, možnostech zlepšování jejich vlastností. Seznamuje s možnostmi praktického využívání programového systému MKP ANSYS v srdečně-cévní biomechanice a jeho omezeními.

Výsledky učení předmětu

Posluchač bude schopen orientovat se v biomechanických problémech srdečně cévní soustavy a používaných umělých náhrad. Bude schopen modelovat tyto problémy na současné úrovni vědeckého poznání a technických možností. Přitom prohloubí znalosti výpočtového modelování řady specifických materiálových vlastností moderních konstrukčních materiálů (neizotropní, viskoelastické, hyperelastické modely materiálu, materiály s tvarovou pamětí). Seznámí se s výpočtovým modelováním nenewtonských kapalin a jejich proudění v poddajném potrubí (fluid-structure interaction).

Prerekvizity

Znalost základních pojmů pružnosti a pevnosti a vybraných teorií v rozsahu kurzu 5PP (napětí, deformace, obecný Hookeův zákon, membránová teorie skořepin, řešení válcové tlustostěnné nádoby). Znalost základních lékařských pojmů a struktury srdečně-cévní soustavy na úrovni předmětu Biomechanika I. Popis mechanických vlastností materiálů v oblasti velkých deformací pomocí hyperelastických konstitutivních modelů včetně anizotropních. Základní vlastnosti Newtonských kapalin (viskozita). Základy MKP a znalost práce se systémem ANSYS.

Doporučená nebo povinná literatura

Ethier, Simmons: Introductory biomechanics. Cambridge University Press, 2007. (EN)
HOLIBKOVÁ, Alžběta a Stanislav LAICHMAN. Přehled anatomie člověka. 5. vyd. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2010. ISBN 978-80-244-2615-0. (CS)
Křen J., Rosenberg J., Janíček P.: Biomechanika. Vydavatelství ZČU, 1997. (CS)
Fung: Biomechanics. Mechanical properties of living tissues.Springer, 1993. (EN)
Holzapfel G.A., Ogden R.W.: Biomechanics of soft tissue in cardiovascular system. Springer 2003. (EN)
Trojan S. , Schrieber M.: Atlas biologie člověka. Scientia, 2013 (CS)
Humphrey: Cardiovascular solid mechanics. Cells, Tissues and Organs.Springer, 2002. (EN)

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.

Způsob a kritéria hodnocení

Aktivní účast na cvičeních, vypracování a obhájení závěrečného projektu a úspěšné absolvování testu základních teoretických znalostí.

Jazyk výuky

čeština

Cíl

Prohloubit znalosti z Biomechaniky I o vlastnostech prvků srdečně cévní soustavy a podrobně pojednat o těch vlastnostech, které jsou významné pro mechaniku. Zvládnout výpočtové modelování mechanického chování těchto prvků na úrovni odpovídající současnému stavu vědy a techniky a možnostem hardwaru a softwaru. Seznámit se s implantáty používanými v srdečně-cévní soustavě a jejich konstrukčními principy.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Účast na cvičení je povinná. Omluvená neúčast se nahrazuje samostatným vypracováním úloh podle pokynů vyučujícího.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program M2A-P magisterský navazující

    obor M-IMB , 2. ročník, letní semestr, 5 kreditů, povinně volitelný
    obor M-MET , 2. ročník, letní semestr, 5 kreditů, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Osnova

1.Úvod,struktura a náplň kurzu, mechanické vlastnosti tepen a jejich experimentální určování.
2. Vymezení srdečně-cévní soustavy, základy anatomie srdečně cévní soustavy.
3. Základy fyziologických procesů v srdci a cévách, zbytková napětí v tepnách.
4.Složení a reologické vlastnosti krve, modely chování krve, rychlostní profily nenewtonských kapalin, Fahraeusův-Lindqvistův efekt.
5. Struktura a složení cévní stěny, mechanické vlastnosti složek, struktura myokardu.
6. Konstitutivní modely měkkých tkání zohledňující strukturní uspořádání kolagenních vláken.
7. Mechanické vlastnosti buněk - cytoskelet a jeho výpočtové modelování jako tensegritní soustavy.
8. Mechanické ovlivnění sklerotických procesů v tepnách, principy lékařských zákroků.
9. Arteriální stenty, princip funkce, návrh a technologie výroby. Materiály s tvarovou pamětí.
10. Členění náhrad orgánů, transplantace, cévní náhrady, vlastnosti, použití. Výroba cévních protéz.
11.Přirozené a umělé srdeční chlopně, principy funkce, přehled výrobků.
12. Podpora a náhrada funkce srdce, plic, ledvin. Čerpadla a totální srdeční náhrady ("umělá srdce").
13.Současné možnosti MKP v modelování srdce a cév.

Cvičení s počítačovou podporou

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Výpočty parametrů proudění krve a analytické výpočty napětí v cévní stěně – omezení.
Izotropní hyperelastické modely stěny tepny, zbytková napětí.
Alternativní přístupy k modelování zbytkových napětí ve stěně tepny.
Výpočtové modelování proudění v poddajné tepně.
Tensegritní výpočtový model buněčného cytoskeletu.
Anizotropní model kontrakce levé srdeční komory.
Formulace semestrálních projektů pro zápočet.