Detail předmětu

Biomechanika III

FSI-RBM-AAk. 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.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky (ÚMTMB)

Nabízen zahradničním studentům

Všech fakult

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.

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.

Učební cíle

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.

Základní literatura

Cardiovascular solid mechanics. Cells, Tissues and Organs.Springer, 2002.
Biomechanics. Mechanical properties of living tissues.Springer, 1993.
Křen J., Rosenberg J., Janíček P.: Biomechanika

Doporučená literatura

Křen J., Rosenberg J., Janíček P.: Biomechanika
Valenta a kol.: Biomechanika srdečně cévního systému
Čihák R.: Anatomie

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

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

prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D.

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.